第七節(jié) 電子控制柴油機噴射系統(tǒng)

為了改善柴油機運轉(zhuǎn)性能和降低燃油消耗率，同時也為了適應(yīng)嚴格的柴油機排放標準的需要，從20世紀80年代初期開始，各種電子控制柴油噴射系統(tǒng)(以下簡稱電控柴油噴射系統(tǒng))相繼問世。與傳統(tǒng)的機械控制柴油噴射系統(tǒng)相比，電控柴油噴射系統(tǒng)有下列優(yōu)點：

1)機械控制噴射系統(tǒng)的基本控制信息是柴油機的轉(zhuǎn)速和加速踏板的位置，而電控噴射系統(tǒng)則通過許多傳感器檢測柴油機的運行狀態(tài)和環(huán)境條件，并由電控單元計算出適應(yīng)柴油機運行狀況的控制量，然后由執(zhí)行器實施。因此控制精確、靈敏。而且在需要擴大控制功能時，只需改變電控單元的存儲軟件，便可實現(xiàn)綜合控制。

2)機械控制噴射系統(tǒng)往往由于設(shè)定錯誤和磨損等原因，而使噴油時刻產(chǎn)生誤差。但是，在電控噴射系統(tǒng)中，總是根據(jù)曲軸位置的基本信號進行再檢查，因此不存在產(chǎn)生失調(diào)的可能性。

3)在電控噴射系統(tǒng)中，通過改換輸入裝置的程序和數(shù)據(jù)，可以改變控制特性，一種噴射系統(tǒng)可用于多種柴油機。在此過程中不需要機械加工，故可縮短開發(fā)新產(chǎn)品的周期，有利于降低成本。

一、電控柴油噴射系統(tǒng)的基本類型

在二十幾年的發(fā)展過程中，電控柴油噴射系統(tǒng)先后形成了兩種基本類型，即位置控制型和時間控制型。到了20世紀90年代，燃油分配管(共軌)式時間控制型電控柴油噴射系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。該系統(tǒng)不僅可以更加精確地控制噴油量和噴油定時，還能實現(xiàn)對噴油規(guī)律和噴油壓力的獨立控制。

第七節(jié) 電子控制柴油機噴射系統(tǒng)

二、電控柴油噴射系統(tǒng)實例

(一)ECD-V1型電控柴油噴射系統(tǒng)

ECD -V1型電控柴油噴射系統(tǒng)是位置控制型電控柴油噴射系統(tǒng)，用于日本豐田2L-TE型缸增壓轎車柴油機上。ECD-V1系統(tǒng)中的噴油泵為VE型分配泵，為適應(yīng)電控的需要而進行了改造。取消了機械調(diào)速器，代之以供油量控制電磁，通過杠桿來改變供油量調(diào)節(jié)套筒的位置，以實現(xiàn)噴油量的控制。同時，還通過供油量調(diào)節(jié)套筒位置傳感器的反饋信號，實現(xiàn)閉環(huán)控制。 ECD-VI系統(tǒng)保留了VE型分配泵的液壓式噴油提前器，增設(shè)一個定時器控制閥，以實行噴油定時的電子控制。

1.ECD-V1系統(tǒng)的控制功能及組成

電控柴油噴射系統(tǒng)的控制部分一般由傳感器、電控單元(ECU)和執(zhí)行器等3部分組成。傳感器的功用是實時檢測柴油機與汽車的運行狀態(tài)，以及駕駛員的操作意向和操作量等信息，并將其傳輸給電控單元。電控單元的核心部分是計算機，它與系統(tǒng)中設(shè)置的軟件一起負責(zé)信息的采集、處理、計算和執(zhí)行程序，并將運行結(jié)果作為控制指令輸出給執(zhí)行器。執(zhí)行器的功用是按照電控單元的控制指令，調(diào)節(jié)供油量和供油定時。

2.供油量的控制

在ECD-V1系統(tǒng)中，電控單元(ECU)根據(jù)加速踏板位置傳感器和柴油機轉(zhuǎn)速傳感器的輸入信號，首先算出基本供油量。然后根據(jù)來自冷卻液溫度、進氣溫度和進氣管壓力等傳感器的信號以及起動機信號，對基本供油量進行修正。再按供油量調(diào)節(jié)套筒位置傳感器信號進行反饋修正之后，確定最佳供油量。因此，不論汽車是低溫起動、加速，或是在高原行駛，ECD-V1系統(tǒng)都能精確地確定適應(yīng)柴油機運轉(zhuǎn)的最佳供油量。

電控單元把計算和修正的最后結(jié)果作為控制信號傳輸給供油量控制電磁閥的電磁線圈產(chǎn)生電磁力，吸引可動鐵心?？刂菩盘柕碾娏髟酱?，磁場就越強，可動鐵心向左的移動量越大，通過杠桿將供油量調(diào)節(jié)套筒向右推移的越多，供油量也就越多。供油量控制電磁閥及供油量調(diào)節(jié)套筒位置傳感器如圖。

3.怠速轉(zhuǎn)速的控制

電控單元根據(jù)加速踏板位置傳感器、車速傳感器等的輸入信號以及起動機信號，決定何時開始怠速控制，并根據(jù)冷卻液溫度傳感器、空調(diào)及空檔開關(guān)等信號，計算出設(shè)定的怠速轉(zhuǎn)速及相應(yīng)的供油量。為了使設(shè)定的怠速轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，還需根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速的反饋信號，不斷對供油量進行修正。

4.供油定時的控制

電控單元首先根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速和加速踏板位置等傳感器的輸入信號，初步確定一個供油時刻，然后根據(jù)進氣管壓力、冷卻液溫度等傳感器的信號和起動機信號再進行修正。電控單元根據(jù)最后確定的供油時刻，向供油定時控制閥的線圈通電，可動鐵心被電磁力吸引，壓縮彈簧向右移動，打開噴油提前器由高壓腔通往低壓腔的油路，使噴油提前器活塞兩側(cè)的壓差縮小，活塞向右移動，供油時刻推遲，即供油提前角減小。

供油定時控制閥是電磁閥，通過其線圈6的電流是脈沖電流，電控單元通過改變脈沖電流的占空比，來改變由噴油提前器的高壓腔到低壓腔的流通截面積，以調(diào)整噴油提前器活塞兩側(cè)的壓力差，使活塞產(chǎn)生不同的位移，達到控制供油時刻的目的。噴油提前器活塞位置傳感器為非接觸式電感傳感器，其中的可動鐵心直接與噴油提前器活塞相連，并隨活塞一起動作。當可動鐵心移動時，引起線圈電感的變化，借以檢測活塞的位置。噴油提前器活塞位置信號回授給電控單元，以實行反饋控制。

5.其他控制

ECD-V1系統(tǒng)通過控制設(shè)置在進氣管中的節(jié)氣門開度來進行進氣控制，其目的是降低柴油機低負荷時的噪聲和振動，以及防止柴油機發(fā)生飛車事故。由于豐田2L-TE型柴油機采用渦流室燃燒室，因此在渦流室內(nèi)裝有起動電熱塞。ECD-V1系統(tǒng)通過電熱塞控制電路來控制流過電熱塞的電流，以實行起動控制。此外，系統(tǒng)還具有故障自診斷及后備控制等功能。

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(二)ECD-V4型電控柴油噴射系統(tǒng)

1.ECD-V4系統(tǒng)的組成

ECD-V4系統(tǒng)中的供油泵采用DPA型分配泵的內(nèi)凸輪壓油機構(gòu)，從而提高了噴油壓力(130MPa)。同時，系統(tǒng)裝置了具有高響應(yīng)特性的電磁溢流閥和電子驅(qū)動單元(EDU)，以及用來修正供油量和供油定時的ROM(只讀存儲器)，這使得ECD-V4系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度均有較大的提高。ECD-V4系統(tǒng)取消了供油量調(diào)節(jié)套筒及其操縱機構(gòu)，使結(jié)構(gòu)進一步得到簡化。

2.供油量的控制

電控電元(ECU)根據(jù)加速踏板的位置和柴油機轉(zhuǎn)速算出基本供油量之后，再按照進氣壓力、進氣溫度和燃油溫度等的高低對基本供油量進行修正，最后確定出最佳供油量。柴油機起動時，ECU根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度計算起動供油量。在增壓狀態(tài)下，則根據(jù)進氣管壓力傳感器信號計算進氣量，并按照進氣量的多少增減供油量。最佳供油量確定之后，ECU通過安裝在供油泵上的電磁溢流閥控制供油泵的供油持續(xù)時間，借以控制循環(huán)供油量。

當滾柱開始滾上內(nèi)凸輪的上升段時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角即為供油始點，開始供油。柱塞孔內(nèi)的燃油由于受到柱塞的壓縮而提高了壓力，高壓燃油經(jīng)分配轉(zhuǎn)子和噴油器噴入氣缸。供油持續(xù)一定時間后，完成循環(huán)供油量的噴射，ECU對電磁溢流閥斷電，電磁溢流閥開啟，高壓燃油經(jīng)電磁溢流閥溢出，進入供油泵體內(nèi)腔，柱塞孔內(nèi)的燃油降壓，噴油器停止噴油。顯然，供油始點決定于供油泵內(nèi)凸輪形面的形狀，而供油終點則決定于電磁溢流閥開啟的時刻。電磁溢流閥開啟得越遲，供油的持續(xù)時間越長，供油量越多，即電控單元通過控制由供油始點到電磁溢流閥開啟這段時間來控制供油量。

3.怠速轉(zhuǎn)速的控制

ECD-V4系統(tǒng)的怠速轉(zhuǎn)速控制與ECD-V1系統(tǒng)相似，只是在暖機過程中，ECU將增加供油量，使怠速轉(zhuǎn)速提高，即所謂快怠速功能。

4.供油定時的控制

ECD-V4系統(tǒng)的供油定時控制方法與ECD-V1系統(tǒng)相同。

5.其他控制

ECD-V4系統(tǒng)除保留了ECD-V1系統(tǒng)所有的各種控制功能外，增加了廢氣再循環(huán)控制功能，通過EGR真空電磁閥(VSV)和EGR閥對廢氣再循環(huán)數(shù)量進行控制，以降低NOx的排放。

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(三)燃油分配管(共軌)式電控柴油噴射系統(tǒng)

在電控柴油噴射系統(tǒng)中設(shè)置燃油分配管始于20世紀90年代中期。在這類系統(tǒng)中，燃油在供油泵內(nèi)增壓后先供入燃油分配管，再由燃油分配管分配到各缸噴油器。噴油器直接由ECU控制其啟閉，這與電控汽油噴射系統(tǒng)基本相同，所不同的是，由于柴油機噴油壓力較高，因此，燃油分配管需承受較高的燃油壓力。

1.控制功能

1)噴油量的控制：ECU根據(jù)加速踏板位置和柴油機轉(zhuǎn)速等傳感器的信號確定基本噴油量，再按進氣管壓力和燃油溫度等傳感器及起動開關(guān)輸入的信息進行修正，最后計算出最佳噴油量，并向噴油器通電。ECU通過控制通向噴油器的電脈沖寬度(通電時間)來控制噴油量。

2)噴油定時的控制：ECU根據(jù)加速踏板位置和柴油機轉(zhuǎn)速確定基本噴油時刻，再按進氣管壓力和冷卻液溫度等傳感器以及起動開關(guān)輸入的信號進行修正，最后確定出最佳噴油時刻，ECU按此時刻向噴油器通電，即ECU對噴油器通電的時刻決定了噴油始點。

3)噴油壓力的控制：噴油壓力等于燃油分配管內(nèi)的燃油壓力。在燃油分配管6上設(shè)置燃油壓力傳感器5和限壓閥7，后者用來防止燃油分配管內(nèi)油壓過高。

4)噴油規(guī)律的控制：噴油規(guī)律是指噴油速率隨時間或曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，而噴油速率則是單位時間的噴油量。由于噴油規(guī)律對柴油機的性能有重要影響，因此，針對具有不同混合氣形成與燃燒方式的柴油機應(yīng)選擇不同的噴油規(guī)律。在燃油分配管式電控柴油噴射系統(tǒng)中，當噴油壓力保持不變時，噴油量惟一決定于ECU對噴油器的通電脈沖寬度。因此，只要改變指令脈沖就可以改變噴油規(guī)律。

2.主要組件的結(jié)構(gòu)與工作原理

1)噴油器： 其功用就是按照電控單元的指令在既定時刻以一定的規(guī)律將一定數(shù)量的燃油噴入氣缸。噴油器品種很多，但其基本原理相同，結(jié)構(gòu)相似。日本電裝公司生產(chǎn)的二通閥式噴油器的結(jié)構(gòu)。

二通閥式噴油器的工作原理。二通閥由內(nèi)閥和外閥組成，內(nèi)閥不動，外閥可動。外閥在ECU未向噴油器通電時被彈簧力和燃油壓力壓緊在外閥座面上，回油口被封閉。來自燃油分配管的高壓燃油從進油口向上經(jīng)進油量孔進入控制室，向下進入噴油嘴壓力室?？刂剖覂?nèi)的燃油壓力經(jīng)油壓活塞作用到噴油嘴的針閥上，這時針閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當ECU對噴油器通電時，外閥被電磁力吸引向上提起，回油口被打開?？刂剖覂?nèi)的高壓燃油經(jīng)回油量孔和回油口流回柴油箱，控制室內(nèi)的燃油壓力下降。這時噴油嘴壓力室仍為高壓，于是在高壓燃油的作用下針閥開啟并向氣缸內(nèi)噴油。當ECU對噴油器斷電時，電磁力消失，外閥在彈簧力的作用下重新壓在外閥座面上，回油口被封閉，控制室內(nèi)的燃油壓力升高，使針閥回落，噴油結(jié)束。

2)供油泵： 在燃油分配管式電控柴油噴射系統(tǒng)中所應(yīng)用的供油泵多為柱塞式泵，其中包括直列柱塞式和徑向柱塞式。一般大型柴油機多采用直列柱塞式供油泵，而中小型柴油機多采用徑向柱塞式供油泵。柱塞的數(shù)量一般為2～3個，驅(qū)動柱塞的凸輪則有單作用式、雙作用式、三作用式和四作用式等多種形式。

德國波許公司生產(chǎn)的三柱塞單作用徑向柱塞式供油泵的結(jié)構(gòu)。3個柱塞互成120°夾角。凸輪軸每轉(zhuǎn)一圈有3個供油行程。此外，在供油泵上還裝有斷油閥和調(diào)壓閥。由于供油泵是按最大供油量設(shè)計的，因此在怠速或小負荷工作時，將有部分燃油徑調(diào)壓閥流回柴油箱，以保持燃油分配管的燃油壓力不變。但這部分燃油由于被柱塞壓縮而消耗了部分壓縮功。為了消除這部分能量損失特裝置了電磁式斷油閥。當柴油機在怠速或小負荷工作時，ECU對斷油閥通電，斷油閥中的可動鐵心被電磁力吸引向下頂開進油閥，使柱塞腔內(nèi)的燃油在柱塞壓油行程中經(jīng)進油閥返回低壓油道而不受壓縮，從而減少了功率損失。

3)燃油分配管: 電控柴油噴射系統(tǒng)中的燃油分配管，其工作壓力較高，一般為120～140MPa，并在其上安裝有燃油壓力傳感器、流量限制器和限壓閥等。

4)燃油壓力傳感器：其功用是測量燃油分配管中的實時壓力，并將測量結(jié)果傳輸ECU作為燃油分配管內(nèi)油壓的反饋控制信號。燃油壓力傳感器由膜片、求值電路板、電器接頭和外殼等構(gòu)成。燃油分配管內(nèi)的燃油壓力經(jīng)燃油壓力傳遞孔作用于由半導(dǎo)體壓電敏感元件制成的膜片上，膜片因受壓而變形，從而使膜片表面涂層的電阻值發(fā)生改變，并在電阻電橋中轉(zhuǎn)換為電壓信號，此電壓信號經(jīng)求值電路放大后傳輸給ECU。

5)流量限制器: 其功用是防止噴油器可能出現(xiàn)的超常噴油現(xiàn)象。流量限制器一端連接燃油分配管，另一端連接噴油器。在正常流量的情況下，活塞和球閥在燃油壓力的推動下向右移動，并停駐在流量限制器內(nèi)的某一中間位置上。若由于某種原因流量突然加大時，活塞和球閥被燃油推到最右端，球閥壓在閥座上，將出油孔封閉，終止向噴油器供油。

6)限壓閥: 其功用相當于安全閥，用來限制燃油分配管中的油壓過高。當燃油分配管中的油壓為正常值時，彈簧通過彈簧座將球閥壓緊在閥座上。當燃油壓力超過正常值時，燃油克服彈簧力將球閥頂開，部分燃油從燃油分配管徑球閥、彈簧座的邊緣和空心螺栓流回柴油箱，使燃油分配管中的油壓下降。當油壓恢復(fù)正常后，球閥又被彈簧壓緊在閥座上，終止回油。