1、柴油機(jī)電控及噴油系統(tǒng)華中科技大學(xué) 以計(jì)算機(jī)為核心電控系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)： 可通過軟件，采用先進(jìn)的控制理論，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，如非線性控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。 很大的通用性和靈活性。修改或更換控制軟件，可適應(yīng)不同的機(jī)型或適用場(chǎng)合。一臺(tái)計(jì)算機(jī)可控制數(shù)臺(tái)機(jī)組或系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制或集中控制，便于協(xié)調(diào)和整體優(yōu)化。 響應(yīng)速度快，控制參數(shù)多，可以反映各氣缸、各工作循環(huán)的變化，及時(shí)實(shí)施調(diào)控； 可以采集多部位的壓力、溫度、流量、應(yīng)變、振動(dòng)等參數(shù)，全面評(píng)判發(fā)動(dòng)機(jī)性能，實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化控制。 數(shù)字元器件的工作可靠性高，數(shù)字信號(hào)的傳輸可靠性由于模擬信號(hào)。電控和機(jī)械調(diào)控系統(tǒng)的區(qū)別： 動(dòng)力機(jī)械電控系統(tǒng)

2、與機(jī)械調(diào)控系統(tǒng)相比，其工作原理、構(gòu)成元器件、控制方法和策略均發(fā)生了根本性變革。 在信息獲取、處理、轉(zhuǎn)換和控制功能方面引入電子技術(shù)。 將機(jī)械裝置、執(zhí)行部件、計(jì)算機(jī)等硬件與軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的控制系統(tǒng)，顯著提高了控制精度和響應(yīng)速度，大幅度擴(kuò)展了系統(tǒng)功能，有力促進(jìn)了動(dòng)力機(jī)械技術(shù)進(jìn)步。 動(dòng)力機(jī)械水平的不斷提高，又使電控系統(tǒng)和理論面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。系統(tǒng)電子控制 動(dòng)力機(jī)械輸出機(jī)械能給從動(dòng)機(jī)械如車輛、船舶，需要配備變速器、變扭器、功率分配裝置、傳動(dòng)軸等，運(yùn)行工況也要按從動(dòng)機(jī)械的特性和環(huán)境隨時(shí)調(diào)節(jié)，對(duì)動(dòng)力機(jī)械及其傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的裝置進(jìn)行整體電子控制，稱為系統(tǒng)電子控制。 系統(tǒng)電控更有利于發(fā)揮電控的優(yōu)勢(shì)，改善動(dòng)力

3、機(jī)械性能。集中電子控制 車輛、船舶上除動(dòng)力系統(tǒng)外，還有懸掛、導(dǎo)航、通訊、安全等系統(tǒng)，通常也采用電子控制，將相關(guān)系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)集中控制，即便于協(xié)調(diào)，又可充分利用信息，節(jié)約資源，稱為集中電子控制。 現(xiàn)代集中電子控制系統(tǒng)，采用信息系統(tǒng)控制模式，將整體系統(tǒng)的多個(gè)控制功能集中，由一個(gè)ECU進(jìn)行控制，使局部?jī)?yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)檎w最佳。 系統(tǒng)可隨時(shí)響應(yīng)外界環(huán)境的變化，尋求整體資源的最佳使用效果。 集中控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)按照人、控制對(duì)象、環(huán)境的整體最佳的原則和目標(biāo)，進(jìn)行總體規(guī)劃與設(shè)計(jì)，運(yùn)用系統(tǒng)信息控制模式，根據(jù)整體性、動(dòng)態(tài)性、開放性的控制準(zhǔn)則，采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制集成化。 集中控制系統(tǒng)不再是僅為提高機(jī)械

4、系統(tǒng)的功能而增加的裝置，而是以控制系統(tǒng)為主，通過信息、指令的傳感和傳輸，機(jī)械系統(tǒng)的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)終極功能的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化。 柴油機(jī)作為動(dòng)力機(jī)械，總是與車輛、船舶、發(fā)電機(jī)等相匹配，負(fù)載設(shè)備的運(yùn)行特征對(duì)柴油機(jī)的控制性能有重要影響，有時(shí)將負(fù)載設(shè)備的某些參數(shù)，如車速、變速器傳動(dòng)比、發(fā)電機(jī)電流頻率等送回控制裝置，作為反饋信號(hào)，提高電控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。 柴油機(jī)車輛巡航式電子控制系統(tǒng)，將車輛行駛、柴油機(jī)運(yùn)行一起考慮，進(jìn)行整體控制，可充分發(fā)揮電控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，獲得更好的效果。 車輛巡航電控系統(tǒng)框圖柴油機(jī)電控系統(tǒng)組成傳感器和開關(guān)控制裝置執(zhí)行器噴油、進(jìn)氣及增壓裝置傳感器和開關(guān) 及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取相關(guān)信息

5、，輸送給控制微機(jī)，信號(hào)盡可能用電量，便于傳輸和處理。 分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩大類。 對(duì)傳感器的基本要求是：工作范圍（量程）足夠?qū)挘幸欢ǖ倪^載能力；線性度好，靈敏度高，與測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)匹配合理；響應(yīng)快、精度高、穩(wěn)定性好；內(nèi)部噪聲小，抗干擾能力強(qiáng)；易于校準(zhǔn)維修，成本低、壽命長(zhǎng)；工作可靠，消耗能量少。 柴油機(jī)除正常運(yùn)行狀態(tài)外，還存在冷起動(dòng)、暖機(jī)、怠速、加速、拖動(dòng)等特殊工況，它們的控制模式不同，當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)，控制微機(jī)依據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行判別，由開關(guān)實(shí)現(xiàn)控制模式轉(zhuǎn)換。傳感器主要用來檢測(cè)： 工作循環(huán)參數(shù)如曲軸轉(zhuǎn)速、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、曲軸轉(zhuǎn)角和上止點(diǎn)、凸輪軸位置、進(jìn)排氣溫度和壓力、氣缸壓力和溫度、噴油

6、量和噴油壓力、噴油正時(shí)、排氣再循環(huán)率等； 狀態(tài)特征參數(shù)如冷卻劑溫度、潤(rùn)滑油壓力和溫度、關(guān)鍵零部件的溫度、振動(dòng)特征量； 性能參數(shù)如功率、排放量、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等。控制裝置 柴油機(jī)電控系統(tǒng)的控制裝置以計(jì)算機(jī)為核心，含硬件和軟件兩部分。 硬件如控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器，信號(hào)輸入輸出及轉(zhuǎn)換器件、外圍設(shè)備等，是電控系統(tǒng)的驅(qū)體。 軟件包括系統(tǒng)軟件和工程應(yīng)用軟件，是電控系統(tǒng)的靈魂，架起人的思維與系統(tǒng)硬件間的橋梁，軟件品質(zhì)關(guān)系到電控系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，影響硬件功能的充分發(fā)揮，決定控制系統(tǒng)及動(dòng)力機(jī)械性能的優(yōu)劣。 系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)操作、運(yùn)行、維護(hù)的相關(guān)程序，用于文件和數(shù)據(jù)管理，人機(jī)交流，支持系統(tǒng)正常運(yùn)行，具有通用性，一般

7、由軟件公司開發(fā)，計(jì)算機(jī)廠家提供。 工程應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)控制對(duì)象的特點(diǎn)和控制要求，進(jìn)行理論分析、試驗(yàn)研究、參數(shù)標(biāo)定等，獲得數(shù)學(xué)模型、控制規(guī)律、控制目標(biāo)和功能，包括被控動(dòng)力機(jī)械的特征值、圖譜、控制模式、優(yōu)化規(guī)則等，是電控系統(tǒng)主要技術(shù)關(guān)鍵之一。執(zhí)行器 控制裝置發(fā)出的指令，通過各種控制閥、繼電器、驅(qū)動(dòng)器等執(zhí)行器件提高能量水平，轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式，作用于柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)等，改變相應(yīng)的控制參數(shù)，使柴油機(jī)的工作過程或工況發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制目的。 執(zhí)行器的功率、控制特性，主要零件的強(qiáng)度、剛度和運(yùn)動(dòng)精度直接影響電控系統(tǒng)性能，需要認(rèn)真選配或設(shè)計(jì)。 按工作原理分，柴油機(jī)常用的執(zhí)行器有機(jī)械式、液壓式、電磁

8、式、電子式等類型，如杠桿電磁鐵、螺線管、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。可根據(jù)動(dòng)力機(jī)械的類型、功率、使用要求；電控系統(tǒng)的精度、響應(yīng)特性，進(jìn)行選用或設(shè)計(jì)。噴油、進(jìn)氣及增壓裝置 改變噴油量、噴油率、噴油壓力、噴油正時(shí)，調(diào)節(jié)進(jìn)氣量、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣流動(dòng)狀態(tài)等參數(shù)，即可控制柴油機(jī)的運(yùn)行工況。 燃油的壓力、油量、噴射速率、霧化等參數(shù)有嚴(yán)格的定量要求；進(jìn)氣壓力和流動(dòng)狀態(tài)需要控制；渦輪增壓器的流通面積、排氣再循環(huán)率需要調(diào)整。 這些功能由燃油泵、噴油器、節(jié)氣門、增壓器、控制閥等器件，按照控制微機(jī)發(fā)來的指令分別實(shí)現(xiàn)。 柴油機(jī)品種多，用途廣，生產(chǎn)批量大，這些特有的執(zhí)行器由專業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)、制造企業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，供主機(jī)廠選配，并有國(guó)

9、際、國(guó)家技術(shù)規(guī)范保證其通用性和產(chǎn)品質(zhì)量。柴油機(jī)對(duì)噴油系統(tǒng)的主要要求噴油量應(yīng)與柴油機(jī)工況相適應(yīng)，整個(gè)柴油機(jī)壽命期內(nèi)，循環(huán)之間、氣缸之間噴油精度，噴油量有良好的一致性；精確的噴油正時(shí)，靈活的噴油正時(shí)控制能力，各氣缸、各工作循環(huán)噴油正時(shí)的良好一致性；柴油機(jī)各工況下有高的噴油壓力和噴射能量，隨工況的變化噴油壓力可自由控制；油束及燃油在燃燒室中分布合理，有助于油氣充分混合；噴油率可控制，通過壓力控制優(yōu)于針閥升程調(diào)節(jié)；快速響應(yīng)能力；可靠性好，使用壽命長(zhǎng)；性能/價(jià)格比高。如果排放策略保持不變，柴油機(jī)技術(shù)繼續(xù)提高，排氣后處理逐漸推廣，未來噴油系統(tǒng)研發(fā)焦點(diǎn)如下：提高噴油壓力，減小噴孔面積；多次噴射（分離噴射）；

10、有升程控制功能的新噴油驅(qū)動(dòng)器；更高的噴油（量和正時(shí)）精度，通過新型傳感器和閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)；更高水平的ECU功能和故障診斷，32位微處理器、存儲(chǔ)達(dá)2MB、驅(qū)動(dòng)器（如壓電、磁電、兩級(jí)電磁等）、車載電壓（42V）；減小故障率可能性；減小生產(chǎn)容差。1 針閥，2 針閥體，3 針閥錐面，4針閥密封面，5 噴孔，6 針閥腔，7 進(jìn)油孔，8壓力室圖6-8 孔式噴油嘴結(jié)構(gòu)噴油率控制目的 減少滯燃期內(nèi)的噴油量 減少滯燃期內(nèi)的可燃混合氣量 擬制預(yù)混合燃燒 加強(qiáng)擴(kuò)散燃燒 噴油結(jié)束干脆減小初始噴油率 擬制噴油初期針閥升程 供油率影響噴油率 較小噴孔直徑預(yù)噴射 兩套噴油系統(tǒng) 兩級(jí)噴射 電控噴油（噴油壓力控制）噴油率控制原理

11、和方法dq/df(2p/)0.5/6n 式中，p為噴孔前和缸內(nèi)氣體的壓力差；為噴孔的流量系數(shù)；f為噴孔的幾何流通面積；為燃油密度；n為噴油泵凸輪軸轉(zhuǎn)速 靴型噴射 為降低初始噴油率，控制初始噴油量，將一次噴油持續(xù)期分做兩個(gè)階段： 預(yù)噴油持續(xù)期和主噴油持續(xù)期。 預(yù)噴油階段的噴油壓力和噴油率較低，主噴油階段的噴油壓力和噴油率較高，控制預(yù)噴油持續(xù)期，就可以改變預(yù)噴油量。整個(gè)噴油規(guī)律呈靴形，故稱為靴型噴射。 靴型噴射的主要參數(shù)有：噴油正時(shí)、預(yù)噴油壓力、預(yù)噴油持續(xù)期、最高噴油壓力、主噴油波形和持續(xù)期。 預(yù)噴射 噴射過程中，預(yù)噴射壓力和主噴射壓力的波形分離，形成兩次噴油：主噴射和預(yù)噴射，預(yù)噴射壓力較低，油量

12、較小（總噴油量的5%以內(nèi))。 預(yù)噴射主要參數(shù)：預(yù)噴射合主噴射壓力、預(yù)噴射和主噴射持續(xù)期、預(yù)噴射和主噴射正時(shí)。 預(yù)噴射壓力和噴油量，預(yù)噴射正時(shí)及其與主噴射正時(shí)的關(guān)系，影響柴油機(jī)工作過程和性能。 多次噴射 除預(yù)噴射、主噴射外，有時(shí)還需要先進(jìn)的二次噴射，在主噴射之后，膨脹或排氣期間，噴射少量燃油，配合NOX催化轉(zhuǎn)化器和排氣再循環(huán)，改善排放性能。 分離噴射，優(yōu)化燃燒過程。 這種兩次以上的噴射，成為多次噴射。 柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)的類型從工作原理考慮，柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)可分為三大類型：位置控制式電控噴油系統(tǒng)時(shí)間控制式電控噴油系統(tǒng)壓力時(shí)間控制式電控噴油系統(tǒng)位置控制式電控噴油系統(tǒng) 在傳統(tǒng)噴油泵-高壓油管-噴油

13、器系統(tǒng)基礎(chǔ)上，保持燃油泵送和計(jì)量機(jī)構(gòu)不變或適當(dāng)改進(jìn)，由電子調(diào)速器取代機(jī)械調(diào)速器，傳感器將柴油機(jī)相關(guān)信息輸送到電控單元，電控單元運(yùn)算、處理后發(fā)出指令到執(zhí)行器，通過齒條（拉桿）、滑套的位置變化改變噴油量和噴油正時(shí)，實(shí)現(xiàn)燃油噴射的系統(tǒng)。 以位置變化作為典型控制環(huán)節(jié)，所以稱為位置控制式電控噴油系統(tǒng)。 與機(jī)械調(diào)速器相比，電子調(diào)速器的信息處理能力、控制精度、響應(yīng)速度均具有顯著優(yōu)勢(shì)，有利于柴油機(jī)綜合性能改善。 該系統(tǒng)中噴油泵、噴油器的結(jié)構(gòu)及其在柴油機(jī)上的布置保持不變，噴油裝置生產(chǎn)企業(yè)長(zhǎng)期積累的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)設(shè)備能繼續(xù)使用，更換調(diào)速器和驅(qū)動(dòng)器，增加部分傳感器即可實(shí)現(xiàn)電子控制，繼承性好，容易為柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和

14、用戶接受。 因?yàn)槿加捅盟秃陀?jì)量機(jī)構(gòu)基本不變，所以該系統(tǒng)噴油參數(shù)受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷影響較大，難以實(shí)現(xiàn)理想噴油規(guī)律，凸輪機(jī)構(gòu)、柱塞套的應(yīng)力和變形限制了噴油壓力的提高。時(shí)間控制式電控噴油系統(tǒng) 由柱塞式噴油泵或泵油元件承擔(dān)燃油泵送和壓力升高任務(wù)，傳感器將柴油機(jī)相關(guān)信息傳輸給電控單元，運(yùn)算處理后向執(zhí)行器發(fā)出指令，由電磁閥控制噴油量、噴油率和噴油正時(shí)，有利于提高計(jì)量精度，增加系統(tǒng)功能和控制靈活性，電磁閥以時(shí)間為基礎(chǔ)工作，故稱為時(shí)間控制噴油系統(tǒng)。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、布置上與傳統(tǒng)的單體泵和泵-噴嘴系統(tǒng)相類似，有一定的繼承性。引入傳感器、執(zhí)行器、控制微機(jī)后，信息處理、控制精度和能力大幅提高，柴油機(jī)性能明顯改善，發(fā)展?jié)?/p>

15、力大，已批量生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用。 凸輪通過挺柱、滾輪等隨動(dòng)件，推動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng)泵送燃油，噴油壓力隨柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，難以滿足改善部分工況性能的要求；凸輪運(yùn)動(dòng)副的摩損和變形，也限制了噴油壓力的提高。電控單體噴油泵系統(tǒng) 電控單體噴油泵系統(tǒng)在柴油機(jī)上的布置與傳統(tǒng)單體泵系統(tǒng)基本相同，噴油泵、高壓油管、噴油器相連接，與柴油機(jī)的氣缸一一對(duì)應(yīng)，但噴油泵中柱塞偶件的工作原理和結(jié)構(gòu)已大相徑庭。 電控單體噴油泵的柱塞上無控制斜槽，柱塞偶件受泵油凸輪的驅(qū)動(dòng)，僅完成提高燃油壓力，供應(yīng)高壓燃油的任務(wù)，可以此為目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高噴油壓力和噴油率； 供油量、供油率、供油正時(shí)的控制，完全由高速電磁閥按電控單元的指令實(shí)施。 傳感器采

16、集柴油機(jī)的運(yùn)行、熱力狀態(tài)、振動(dòng)等參數(shù)，監(jiān)測(cè)環(huán)境、燃油的變化，將信息輸入控制微機(jī)進(jìn)行優(yōu)化決策，可顯著改善柴油機(jī)的綜合性能，電控泵-噴嘴系統(tǒng) 電控泵-噴嘴系統(tǒng)與機(jī)械式泵噴嘴系統(tǒng)相比，在柴油機(jī)上的布置和外觀相似，但工作原理及性能大不相同。 電控泵-噴嘴系統(tǒng)取消柱塞上的螺旋槽，柱塞偶件受凸輪及隨動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)，完成燃油壓力升高、供應(yīng)高壓燃油的任務(wù)， 由高速電磁閥實(shí)現(xiàn)燃油計(jì)量功能，控制噴油量、噴油率和噴油正時(shí)。 無螺旋槽的柱塞副密封性好，噴油壓力高；高速電磁閥控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，便于控制噴油規(guī)律，且斷油干脆，有利于改善柴油機(jī)綜合性能。該系統(tǒng)噴油壓力隨曲軸（凸輪）轉(zhuǎn)速而變，不利于柴油機(jī)部分工況性能優(yōu)化。高噴油壓力時(shí)凸輪型線較陡，驅(qū)動(dòng)扭矩峰值大，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、缸蓋和機(jī)體的組合剛度要求較高。壓力時(shí)間電控噴油系統(tǒng) 現(xiàn)代柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、排放、振動(dòng)、噪聲等綜合性能要求越來