第一讲第四章-柴油机电喷技术课件

第四章 柴油机电子喷射系统柴油机的特点：柴油机的特点：压缩比大（1522，汽油610）热效率高燃油价格和消耗低不要点火系统，工作可靠排放污染物气体少行车记录仪 http:/ 柴油机电子喷射系统柴油机和柴油机电子喷射技术背景：柴油机和柴油机电子喷射技术背景：（1）柴油机功率大，燃油消耗率低，传统的机械控制系统控制喷油量和喷油正时已经很成熟。（2）主要是排放和燃油经济性驱动电子喷射系统的需求，降低 NOx 排放需要降低气缸内最高压力和最高温度，这就要求喷射正时滞后，但喷射正时滞后会带来烟度上升、经济性和动力性降低。矛盾解决办法：除提高喷射压力和喷射速率、缩短喷射持续时间外，用电子控制的方法寻求最优的喷油正时。（3）为了降低燃烧噪声和NOx 排放，要求在主喷射之前有一个小的预喷射量，预喷射量、预喷射和主喷射之间的时间间隔能根据不同的工况变化。喷射的瞬时速率也希望得到控制。第四章 柴油机电子喷射系统柴油混合气的特点：柴油混合气的特点：（1）粘度大，挥发性差，只能高压缸内喷射雾化（2）混合气形成的时间短（1535曲轴角），成分不均匀，容易形成排气黑烟（3）需要较大的过量空气系数（4）混合气在高温高压下自然，燃烧控制困难第四章 柴油机电子喷射系统柴油混合气的形成：柴油混合气的形成：压缩行程终了直接在缸内高压喷射雾化高压喷射雾化，与吸入的空气混合。影响混合气形成的因素：（1）供油时间和喷油时间（2）喷油规律：受泵的机械特性的影响，影响动力性、燃油经济、排放和振动噪声（3）燃油喷雾：喷雾要与燃烧室及气流设计配合（4）喷油压力：影响喷油量和雾化效果（5）过量空气系数：柴油机采用较大的过量空气系数第四章 柴油机电子喷射系统柴油机电子喷射的特点柴油机电子喷射的特点：高频、高压（60200MPa)和脉动，对喷射正时要求高柴油机电子喷射的关键技术：柴油机电子喷射的关键技术：柴油喷射电控执行器主要的控制量：喷油量和喷油正时（喷油正时比汽油机严格）第四章 柴油机电子喷射系统柴油机供油提前角和喷油提前角：柴油机供油提前角和喷油提前角：喷油正时由提前角控制。喷油泵第一缸柱塞开始向喷油器供油时，第一缸的活塞距上止点行程所对应的曲轴转角称为供油提前角（静态提前角）。喷油泵第一缸喷油器开始向气缸喷油时，第一缸的活塞距上止点行程所对应的曲轴转角称为喷油提前角（动态提前角）。提前角过大，引起发动机粗暴；提前角过小，带来排气黑烟，动力下降。4.1 柴油机电子喷射系统柴油机燃油喷射柴油机燃油喷射控制系统（结构）分类：控制系统（结构）分类：直列泵、分配泵、泵喷嘴和单缸泵 柴油机在机械控制时代的不同的系统各有其特点和适用范围，每种系统又有多种结构，导致在此基础上实施的电控技术呈现出多样性。柴油机燃油柴油机燃油电子喷射系统分类：电子喷射系统分类：位置控制系统 时间控制系统 共轨控制系统4.1 位置控制系统 保留原机械控制系统中的“喷油泵-高压油管-喷油器”系统，用电控装置代替机械调速器和供油提前器，对油量调节杆（直列泵）和溢流环（VE分配泵）的位置以及油泵主、从动轴的相互位置进行连续调节，以控制喷油量和喷油正时。继承性强，安装方便，便于老产品电控改造。不能对喷油率和喷油压力的控制，不能分缸控制，响应慢。4.1 位置控制系统电子控制直列泵电子控制直列泵喷射系统：喷射系统：保留原机械控制系统中的“喷油泵-高压油管-喷油器”系统，用电子调速器和电子提前器代替机械调速器和供油提前器。电子控制直列电子控制直列泵泵电子调速器：利用电磁力调节齿杆位置控制油量，提供齿杆位置信号和发动机转速信号，并放大信号。电子控制电子控制直列泵直列泵电子调速器原理简图电子控制直列泵电子控制直列泵电子提前器电子控制分配泵喷油器原理电子控制分配泵喷油器原理电子控制分配泵电动调速器电子控制分配泵电动调速器电子控制分配泵时间控制器电子控制分配泵时间控制器4.2 时间控制系统 采用高速强力电磁溢流阀来控制喷油始点和喷油量。电磁阀通电阀关闭喷油，断电阀开启喷油器泄压停止喷油。喷油始时开始于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于阀关闭的持续时间。喷油正时控制机构根据曲轴角度传感器和泵角度传感器反馈的信号控制喷油正时。能改变喷油压力和喷油率，能分缸控制，响应快。时间控制型电子控制分配泵时间控制型电子控制分配泵时间控制型电子控制分配泵时间控制型电子控制分配泵电子控制分配泵的电磁溢流阀电子控制分配泵的电磁溢流阀电子控制分配泵的电磁溢流阀电子控制分配泵的电磁溢流阀工作原理工作原理电子控制泵喷嘴系统工作原理电子控制泵喷嘴系统工作原理电子控制泵喷嘴系统工作原理（时间控制型）电子控制泵喷嘴系统工作原理（时间控制型）电子控制泵喷嘴结电子控制泵喷嘴结构示意图构示意图预喷油预喷油结束主喷油主喷油结束高压腔进油 4.3 共轨控制系统 所谓共轨式电喷系统，又称公共轨道式电控喷油系统。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管，由电磁阀和压力传感器构成反馈压力调节，对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度，因此，也就减少了传统柴油机的缺陷。有减少柴油机的尾气排放量、改善噪声、降低燃油耗等方面的综合性能。喷射压力直接取决于共轨中的压力，喷油压力高可调（120160MPa)。通过喷油器上的高速电磁阀控制喷油量和喷油定时以及喷射速率。可以灵活调节预喷射和主喷射的油量、喷射的时间间隔。4.3 共轨控制系统共轨式电喷系统分类共轨式电喷系统分类按照喷油高压形成的不同两种基本型式有：(1)高压共轨系统。高压输油泵(压力在120MPa以上)直接产生高压燃油后，再分送到各喷油器；高速电磁阀(响应在200s左右)迅速打开或关闭控制喷油器工作 (2)中压共轨系统。中压输油泵(压力为10-13MPa)将中压燃油输送到共轨中，再分送至带有增压柱塞的喷油器中；当高速电磁阀开关阀迅速开启或关闭控制燃油器工作，迅即通过高压柱塞的增压作用，将从共轨中来的中压燃油加压至高压(120-150MPa)后喷出或停喷。高压共轨系统与中压共轨系统的主要判别在于，高压燃油的获得方式不同；前者由高压燃油泵直接提供，而后者则借助于增压柱塞增压后获得。高压电子控制共轨系统的组成高压电子控制共轨系统的组成 电子控制共轨系统的燃油供给系统组成电子控制共轨系统的燃油供给系统组成 中中压压电电子子控控制制共共轨轨系系统统的的组组成成电子控制喷油器电子控制喷油器4.3 共轨控制系统1、工作原理、工作原理4.3 共轨控制系统2、控制功能、控制功能 调节喷油压力 调节喷油量 调节喷油率 调节喷油时间（开启时间和关闭时间）3、喷射方式、喷射方式 一段喷油、两段喷油和多段喷油4.4 柴油机电子喷射系统的控制功能柴油机电子喷射系统的控制功能：（1）喷油量的控制 通过喷油开启时间和结束时间控制 基本喷油量控制、怠速喷油量控制、起动喷油量控制、不均匀油量补偿和恒定车速喷油量控制4.4 柴油机电子喷射系统的控制功能柴油机电子喷射系统的控制功能：（1）喷油量的控制 通过喷油开启时间和结束时间控制 基本喷油量控制、怠速喷油量控制、起动喷油量控制、不均匀油量补偿和恒定车速喷油量控制4.4 柴油机电子喷射系统的控制功能柴油机电子喷射系统的控制功能：（1）喷油量的控制 通过喷油开启时间和结束时间控制 基本喷油量控制、怠速喷油量控制、起动喷油量控制、不均匀油量补偿和恒定车速喷油量控制4.4 柴油机电子喷射系统的控制功能柴油机电子喷射系统的控制功能：（1）喷油量的控制 通过喷油开启时间和结束时间控制 基本喷油量控制、怠速喷油量控制、起动喷油量控制、不均匀油量补偿和恒定车速喷油量控制4.4 柴油机电子喷射系统的控制功能柴油机电子喷射系统的控制功能：（1）喷油量的控制 通过喷油开启时间和结束时间控制 基本喷油量控制、怠速喷油量控制、起动喷油量控制、不均匀油量补偿和恒定车速喷油量控制4.4 柴油机电子喷射系统的控制功能柴油机电子喷射系统的控制功能：（2）喷油时间（正时）的控制4.4 柴油机电子喷射系统的控制功能柴油机电子喷射系统的控制功能：（3）喷油压力控制：喷油压力高可降低燃油消耗和微粒排放，但会增加燃烧噪声和氮氧化合物排放，高负荷需要高喷油压力4.4 柴油机电子喷射系统的控制功能柴油机电子喷射系统的控制功能：（4）喷油率控制n车用柴油发动机电控系统的发展车用柴油发动机电控系统的发展n与现代汽车汽油机电控技术的发展背景一样，面对无法回避的局部和全球性的环境和能源问题，现代汽车柴油发动机不得不采用和发展电子控制系统，以便保持汽车柴油发动机的可持续发展，更充分发挥柴油发动机固有的优点(低油耗和低CO2排放)。近年来柴油发动机电控系统的发展势头是令人瞩目的。以柴油汽车用得最多的欧洲为例,由于欧洲道路车辆用多缸柴油发动机从2000年开始执行欧3排放标准，电控技术已在需满足欧3标准的柴油发动机上普遍使用,一些大的厂商则早已着手研制满足欧4排放标准的电控柴油发动机,现在,电控共轨系统在多缸柴油发动机上的应用已明显增多。n现代轿车柴油发动机电控系统的新技术现代轿车柴油发动机电控系统的新技术n1、时间控制的柴油电喷技术、时间控制的柴油电喷技术 柴油发动机的新一代电喷系统采用时间控制,用高速电磁阀取代传统的机械喷阀,对高压燃油实现数字调节。现在这种喷射系统逐渐向高压化迈进,高压喷射可使柴油雾化得非常细,发动机的燃烧过程进行得相当完善,而且速度快,同时又不明显提高燃烧温度。提高了直喷式柴油发动机压力,全面降低HC、CO、NOx、微粒物和碳烟的排放,还能显著的降低油耗。n2、共轨式电喷系统、共轨式电喷系统 它是柴油发动机高压喷射系统的一种，最高压力可达到220MPa。该系统不再采用通用的脉动原理，而是采用压力时间计量原理。这种喷油系统可保证喷油压力不随发动机转数变化，可降低颗粒物的排放，电控共轨喷射又称为压力时间喷射或第三代喷射，它可分为中压共轨和高压共轨两大类。ECU产生的电脉冲按顺序触发喷油器电磁阀，确定发动机每次喷油的起始和关闭时刻，电控共轨喷射还可采用多次喷射的方式来灵活控制喷油的速率。n3、涡轮增压中冷技术、涡轮增压中冷技术 柴油发动机采用废气涡轮增压技术后，燃料能够完全燃烧,可降低CO和HC的生成量。采用涡轮增压中冷技术还可提高柴油发动机的功率,一台装有涡轮增压器的柴油发动机功率输出比未装增压器可增加20%30%。新型涡轮增压器的使用,意味着可以用小排量的发动机替代大排量发动机,减轻发动机和整车质量,提高经济性和排放性。n4、采用多气门技术、采用多气门技术 多气门可增大柴油发动机的进气量，使柴油的燃烧更彻底，排气更快、更彻底，从而提高了柴油发动机的输出功率。n 5、废气再循环技术、废气再循环技术 根据发动机的温度及负荷大小,适量地将一部分废气引入进气管，再送入汽缸,使燃烧反应速度减慢，降低燃烧的最高温度，从而降低NOx的排放量。尤其是中冷EGR技术，不仅降低NOx的排放，而且还能保持其污染排放物的低排放水平。n柴油发动机电控供油系统的技术要求柴油发动机电控供油系统的技术要求n柴油发动机燃油供给系统是柴油发动机的一个非常重要的系统，也是柴油发动机使用与维修的一个重点部位，其技术状况的好坏不仅直接影响着柴油发动机的动力性、经济性及使用的可靠性，而且对减少环境污染也有着极其重要的影响。对柴油发动机电控系统的要求：n 1、提高柴油发动机的经济性和降低排放、提高柴油发动机的经济性和降低排放 柴油发动机电控系统应能在不同的工况及工作条件下精确地控制喷油提前角，并始终保持在最佳值，以降低燃油消耗和减少排放污染。n2、提高发动机工作的可靠性、提高发动机工作的可靠性 在柴油发动机运转过程中，系统应能随时检测影响发动机工作可靠性的主要参数，一旦某一项或几项参数异常，超出设定值，一方面系统应能立即报警显示，同时还应控制相应的执行器进行相应的调整，直至有关参数或状态正常为止。对于一些对发动机可靠性影响很大的重要参数，系统还必须提供双重或多重保护，以避免发生重大事故。n3、对柴油发动机运行工况进行实时高精度控制、对柴油发动机运行工况进行实时高精度控制 一旦柴油发动机及其系统的运行参数或状态偏离目标值，电控系统就能立即进行调节和控制，从而实现对柴油发动机运行工况的实时高精度控制。n4、较强的适应性、较强的适应性 全能电动调速器在出厂前的软件编程中已预设有各种不同调速率的程序，并在控制盒上设有调速率的转换开关，用户可根据柴油发动机的用途和要求设定不同的调速率，这提高了电动调速器的匹配适应能力。n 柴油发动机电子控制技术的特点柴油发动机电子控制技术的特点n柴油发动机电控技术有两个明显的特点:一个特点是其关键技术和技术难点就在柴油喷射电控执行器上;另一个特点是柴油电控喷射系统的多样化。柴油发动机在机械控制时代，就已经有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统，每个系统各有其特点和适用范围，每种系统中又有多种不同结构。实施电控技术的执行机构比较复杂，因此形成了柴油喷射系统的多样化。n柴油喷射系统的控制功能和发展柴油喷射系统的控制功能和发展n1、柴油发动机电控系统的控制功能、柴油发动机电控系统的控制功能n 现代汽车柴油发动机电控系统的控制项目已经从仅有循环供(喷)油量控制、喷油正时控制等最基本的控制项目的燃油喷射控制，扩展到包括对喷油速率控制和喷油压力控制在内的多项目标控制的燃油喷射控制;从单一的燃油喷射控制扩展到包括怠速控制、进气控制、增压控制、排放控制、启动控制、故障自诊断、失效保险、发动机与变速器的综合控制等在内的全方位控制。n2、柴油发动机电控燃油喷射系统控制方式的发展、柴油发动机电控燃油喷射系统控制方式的发展n 电控柴油喷射系统根据其直接控制的量而分为位置控制和时间控制。位置控制系统的特点是不仅保留了传统的喷油泵-高压油管-喷油器系统，而且还保留了喷油泵中齿条齿圈、滑套、柱塞上控油螺旋槽等控制油量的机械传动机构，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微机控制。而时间控制系统可以是保留原来的喷油泵-高压油管-喷油器系统，也可以采用新型的产生高压的燃油系统，而用高速电磁阀直接控制高压燃油的喷射。一般情况下，电磁阀关闭，执行喷油，电磁阀打开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量则取决于电磁阀关闭时间的长短。传统喷油泵中的齿条齿圈、滑套、柱塞上斜槽、控制喷油正时的提前机构等全部取消。时间控制系统的控制自由度更大。电控柴油喷射系统根据其产生高压燃油的机构，可分为直列泵电控喷射系统、分配泵电控喷射系统、泵喷油器电控喷射系统、单缸泵电控喷射系统、共轨式电控喷射系统。n 近20年来，柴油发动机电控燃油喷射系统也经历了几个重要的发展阶段。按对循环供(喷)油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力等的控制方式分，经历了从“位置控制”到“时间控制”，再到“时间-压力控制”或“压力控制”的发展过程。按燃油喷射系统的基本组成和结构分，经历了常规压力电控喷油系统的第一代电控喷油系统到高压电控喷油系统的第二代电控喷油系统的发展过程。在采用“位置控制”的第一代电控喷油系统中，保留了传统燃油喷射系统的基本组成和结构，只是将原有的机械式喷油泵及其机械控制部件用电控喷油泵及其控制部件取代，通过设置控制系统，使控制精度和响应速度得以提高。柴油发动机的结构几乎不需改动，生产继承性好，便于对现有柴油发动机进行升级换代。缺点是“位置控制”系统执行频率响应慢，控制频率低，控制自由度小，控制精度还不够高，喷油压力无法独立控制。在采用“时间控制”的第一代电控喷油系统中，基本保留了传统燃油喷射系统的组成和结构，通过设置控制系统，形成数字式高频调节系统，由电磁阀的关闭时刻和闭合时间决定循环供(喷)油量和喷油正时，其控制自由度和控制精度都是“位置控制”所无法比拟的，其技术上的难点在于如何加快需要通过大油量的高速电磁阀的响应速度，同时喷油压力还是无法独立控制。第一代电控喷油系统包括电控直列泵系统和电控分配泵系统，以及一部分电控单体泵喷油系统或电控泵喷嘴喷油系统。n 以高压、中压或低压供油泵、电磁、液力控制式喷油器和公共油轨组成的各种电控共轨式喷油系统的最大特征是:喷油系统的两个基本任务-燃油压力的形成和燃油量的计量，在时间上、在系统中的部位和功能方面都是分开的。燃油压力的形成和燃油的输送基本上与喷油过程无关。根据ECU的指令，带有电液控制件的喷油器可按所要求的喷油正时精确地从共轨中“调出”具有所要求的精确压力和精确循环量的燃油。因无二次喷射的约束，喷油压力可按需控制以实现高压喷射，其平均喷油压力与最大喷油压力非常接近，从而明显改善燃油雾化品质，改善燃烧过程，提高燃烧效率，降低燃烧噪声，降低排放。由于系统可直接控制喷油器针阀的运动，可以实现预喷射和后喷射，因而可获得理想的喷油速率。这样，柴油发动机负荷和转速就不对循环供(喷)油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力产生影响，从而实现系统的独立控制，使实现循环供(喷)油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力的优化控制成为可能，从而大大提高了柴油发动机的在装车率，特别是在轿车发动机中的竞争能力;同时，在采用传统的泵-管-嘴喷油系统的柴油发动机上使用时，不需要对原有结构作很大的改动，所以发展前景很好。n我国对现代柴油发动机电控技术的研究和开发尚处于起步阶段，目前还主要集中在对柴油发动机电控喷射系统的研究与开发上。但随着社会经济的发展，对环保的要求越来越高，柴油发动机电控系统的研究和相应产品的开发必将成为我国汽车柴油发动机技术领域中的一个热点，这将大大促进我国汽车柴油发动机产品的更新换代，为在未来不长的时期里参与国际竞争奠定坚实的基础。