柴油机电子控制系统的研究论文

柴油机电子控制系统的研究

摘 要

为了降低柴油机的能源消耗，满足节能和排放法规的要求，电子控制技术在柴油机中的应用和发展已经成为必不可少的一个坏节。本设计主要研究柴油机电控喷油系统和执行器的控制原理、电控系统中传感器的应用、柴油机电控系统的电控单元（ECU）设计及电控技术未来的发展趋势 ，其中电子控制单元主要由单片机控制。电气化控制系统取代机械化控制不仅提高柴油机运行参数测量的控制精度也满足了节能减排的要求。

车用柴油机的结构比较复杂，尤其是新兴的电子控制技术，对于广大汽车驾驶与维修人员来说有着十分重要的意义。

提高柴油机电控系统的智能化是未来世界重工业研究的重要方向，是各国综合实力的象征。

一.柴油机电子控技术

随着汽车电子技术日趋完善，时至今日，汽车电子化已达到相当高的程度。柴油机发展越来越完善，以它的高效、功率范围宽广，已广泛应用于工业、农业、军用和民用等领域。随着柴油机数量的不断增多，也引起了人们对柴油机燃油经济性和排放性能的关注，特别是当今排放性能已经被提到首要位置。因此人们也一直在不断地致力于完善柴油机的性能，以期得到好的排放性、经济性、动力性及低噪声，保持一个人类赖于生存的良好环境。柴油机电子控制技术始于20世纪70年代，20世纪80年代以来，英国卢卡斯公司、德国博世公司、奔驰汽车公司、美国通用的底特律柴油机公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五十铃汽车公司及小松制作所等都竞相开发新产品并投放市场，以满足日益严格的排放法规要求。

由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多。同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。依靠传统的机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转的要求。近年来，随着计算机技术、传感器技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。影响柴油机排放性、经济性的因素很多，而且相当复杂。改善柴油机

的排放性能、经济性能最主要的手段是改善燃烧性能，这在实践中叶得到了证实。控制燃烧性能的最主要的方法有两种：一是合理组织燃烧室内的涡流；二是采取燃烧室内燃油高压喷射。

1.柴油机电子控制技术的目的及优点

（1）柴油机电子控制技术的目的

优化动力性、改善燃油使用经济性、控制排放，使柴油机从怠速至额定转速范围内均能获得最佳工作状况，防止可能发生的危险运行状况，延长零件的使用寿命。

（2）柴油机电子控制技术的优点

（1）具有多功能的自动调节性能

工程机械用柴油机的运转工况是多变的，而且对油耗、排放和可靠性等要求较高。自动控制技术应用于柴油机的调节系统正好可以实现多功能的自动调节，从而保证柴油机动力性、燃料使用经济性、可靠性和操作方便性等性能充分发挥。 （2）减轻质量、缩小尺寸、提高柴油机的紧凑性

对于现代高速柴油机而言，由于驱动喷油泵的扭矩较大，要设计一个紧

凑和可靠的供油提前自动调节器很复杂，而且在柴油机总体布置上也比较困难。采用自动控制技术解决供油提前角自动调节问题，不仅可以容易地解决上述难题，而且提高了柴油机的紧凑性。

（3）部件安装连接方便，提高了维修性

采用自动控制系统，相关部件尺寸减小(特别是燃油供给系统)，安装部位免受空间位置的约束，连接简便，有利于柴油机日常维护及修理。

（4）扩展了故障诊断、联络等功能

采用自动控制系统，可方便地与微型计算机相连，很容易实现柴油机性能检测与故障诊断功能，柴油机运行及检测数据的存储与传递等问题也迎刃而解，便于科学管理和使用。

（5）使柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配

随着工程机械制造技术高速发展，为了提高自行式工程机械的作业效能，采用了电喷柴油机，电控自动变速器等自动控制装置，使自行式工程机械在作业时，能随着负荷的变化在一定范围内自动调整动力输出、动力传递，柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配，充分发挥工程机械作业效能。

2. 柴油机电控技术的特点

柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元和执行器三部分组成。在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比(汽油与空气的比例)，柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出油量的大小，且柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置(油门、供油拉杆位置)来决定的。柴油机电控技术有两个明显的特点：一是柴油喷射电控执行器复杂，二是柴油电控喷射系统的多样化。

二.柴油机电控系统中的传感器

1. 加速踏板位置传感器

柴油机是质调节，在转速一定时，进气量基本不变，而喷油量随负荷的大小而变化，负荷增大，喷油量就增大，因此，加速踏板位置的大小就反映了柴油机负荷的大小。

2. 压力传感器

柴油机电控系统中，很多地方需要用到压力传感器。进气压力需要压力传感器，共轨喷油系统中的高压共轨油道需要压力传感器，气缸内工作压力也需要压力传感器。总之，柴油机电控喷油系统需要很多压力传感器，而且所测压力变化范围很大，也仅是零点几兆帕。在家工作环境恶劣，例如气缸内工作压力处在高温环境下，压力传感器还需要耐高温。另外，像喷油嘴处压力传感器，处于震动环境中，其工作可靠性也很重要。实际应用中的压力传感器很多种类。包括柴油机转速、加速踏板位置、齿条位置、喷油时刻、车速及进气压力、进气温度、燃油温度、冷却水温等传感器。

三.柴油机电控喷油系统

最先出现的是电控喷油泵技术，而后又发展了电控泵喷嘴技术和高压共轨喷射技术，后两种技术是现在最主要的柴油机电控喷射技术。

1.位置控制系统

第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统，它用电子伺服机构代替机械调速器控制供油滑套位置以实现供油量的调整。其特点是保留了传统的喷油泵—高压油管—喷油器系统，只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械调速器

控制改为计算机控制，使控制精度和响应速度得以提高。其优点是柴油机的结构几乎不需要改动，生产继承性好，便于对现有柴油机进行升级换代。缺点是“位置控制”系统响应慢、控制频率低、控制自由度小、控制精度还不够高，喷油压力也无法独立控制。这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的TICS系统。

2.时间控制方式

供油量的“位置控制”特点是用模拟量来控制执行元件工作，通过对喷油泵油量控制机构的定位来得到所需的供油量。不论采用何种类型的电子调速器，总是需要由部分机械装置来完成对喷油泵供油量的调节，也会降低控制精度和响应速度，所以继供油量“位置控制”之后出现了“时间控制”。 3.时间－压力控制方式

第二代柴油机电控燃油喷射系统中最典型的是电控共轨式燃油喷射系统。在电控共轨式燃油喷射系统中，对喷油量的控制采用“时间－压力控制”或“压力控制”，用的最多的是“时间－压力控制”方式。在该系统中，ECU通过设置传感器、电控单元、高速电磁阀和相关电/液控制执行元件等，组成数字式高频调节系统，有电磁阀的通、断电时刻和通、断电时间控制喷油泵的供油量和供油正时。

4.压力控制方式

在后期开发的柴油机电控共轨式燃油喷射系统中，为降低对供油压力的要求，喷油量的控制采用控制喷油压力的方法实现，即喷油量的“压力控制”方式。

四.柴油机的其他电控系统

1. 可变喷嘴涡轮增压系统电控技术

废气涡轮增压器的调节目的在于既保证在低速时有较高的转矩，又能保证发动机在标定点附近增压压力不致过高，以避免发动机过高的机械负荷和涡轮增压器的超速。通过涡轮增压器的调节，可改善增压器与发动机的匹配，