柴油機(jī)電控系統(tǒng)的分析與研究

王喜順

摘要：現(xiàn)在的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)大多使用了電控噴射系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的機(jī)械噴射系統(tǒng)相比，電控噴射系統(tǒng)可以有效地提高柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)大幅度降低尾氣的污染。主要論述了柴油機(jī)電控系統(tǒng)的工作原理及其組成，為廣大機(jī)手更好地了解電控柴油機(jī)提供幫助。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；電控系統(tǒng)；原理；組成

中圖分類號(hào)：TK42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.04.006

1柴油機(jī)電控系統(tǒng)的工作原理

電子控制系統(tǒng)是由信號(hào)傳感器、ECU、執(zhí)行器三大部分組成的。無(wú)論是哪種電子控制系統(tǒng)，其控制基本原理都是相同的，即以ECU為控制核心，以各傳感器為控制基礎(chǔ)，以執(zhí)行器為控制對(duì)象，保證各系統(tǒng)都能在最佳的狀態(tài)工作（如圖1）。

采用轉(zhuǎn)速、加速踏板位置、噴油時(shí)刻、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、燃油溫度、冷卻液溫度等傳感器，將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的各種信號(hào)先送入模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器（如果輸入信號(hào)是模擬量），然后通過電子控制單元的接口輸入。

傳感器在電子控制單元的儲(chǔ)存器中，存有所需的發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)控參數(shù)或狀態(tài)目標(biāo)數(shù)據(jù)。柴油機(jī)ECU對(duì)電控系統(tǒng)傳感器輸入的各種信息進(jìn)行運(yùn)算、處理、判斷，與已儲(chǔ)存的設(shè)定參數(shù)值或參數(shù)圖譜（MAP圖）進(jìn)行比較，如果兩者相同，則整個(gè)柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)保持原狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)按先前狀態(tài)運(yùn)行；反之，當(dāng)實(shí)際參數(shù)偏離目標(biāo)參數(shù)時(shí)，電子控制單元?jiǎng)t會(huì)根據(jù)該偏離值的大小和極性（正和負(fù)），按一定的控制策略進(jìn)行有關(guān)信息的處理。

執(zhí)行器根據(jù)ECU指令控制噴油量（供油齒條位置或電磁閥關(guān)閉持續(xù)時(shí)間）和噴油正時(shí)（正時(shí)控制閥開閉或電磁閥關(guān)閉始點(diǎn)），同時(shí)對(duì)廢氣再循環(huán)閥、預(yù)熱塞等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最佳。

2柴油機(jī)電控系統(tǒng)的組成

柴油機(jī)電控系統(tǒng)一般由電控單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行器三大部分組成，如圖2所示。

2.1傳感器

傳感器的作用是不斷采集柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中的狀態(tài)參數(shù)，并將這些物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后將這些電信號(hào)輸送到ECU。ECU根據(jù)傳感器的信號(hào)進(jìn)行不斷的運(yùn)行，并控制執(zhí)行器工作。在電控柴油機(jī)中一般有下列傳感器。

（1）進(jìn)氣溫度和壓力傳感器。可以分別將柴油機(jī)進(jìn)氣（通過渦輪增壓器后）的溫度和壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)ECU處理后可以用于計(jì)算柴油機(jī)的進(jìn)氣量。

（2）曲軸信號(hào)傳感器。曲軸信號(hào)傳感器安裝在靠近曲軸正時(shí)齒輪或飛輪的位置，當(dāng)曲軸上安裝的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖齒輪通過傳感器時(shí)，傳感器內(nèi)線圈的磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生交流電壓。柴油機(jī)ECU將交流電壓作為檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)出來，通過對(duì)電壓信號(hào)的處理，可以得到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、角加速度的瞬態(tài)值和平均值。

（3） 凸輪軸信號(hào)傳感器。凸輪軸信號(hào)傳感器安裝在凸輪軸旁邊。當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凸輪軸信號(hào)傳感器就會(huì)產(chǎn)生與凸輪齒廓對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)。凸輪軸信號(hào)主要用于對(duì)柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)做相角初定位。

（4）冷卻液溫度傳感器。常用的冷卻液溫度傳感器是用熱敏電阻制成的，通過銅材料外殼的保護(hù)，直接安裝在柴油機(jī)的冷卻液循環(huán)通道內(nèi)的合適位置?？刂葡到y(tǒng)將根據(jù)不同的冷卻液溫度實(shí)施相應(yīng)的控制策略。

（5）加速踏板位置傳感器。在電控柴油機(jī)中，“油門”的功能由一個(gè)加速踏板位置傳感器取代。其外觀仍像傳統(tǒng)的加速踏板，但它與供油量的控制沒有任何機(jī)械的連接關(guān)系。在它的轉(zhuǎn)軸位置安裝著一個(gè)由精密導(dǎo)電塑料作為接觸材料制成的電位器（也有汽車廠家采用霍爾元件），與加速踏板一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可以將加速踏板的位置轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)通過對(duì)這種傳感器的采樣可以了解駕駛?cè)说牟倏匾鈭D，并結(jié)合其他控制要素進(jìn)行綜合處理，最終控制供油量和供油時(shí)機(jī)。

（6）廢氣再循環(huán)閥位置傳感器。廢氣再循環(huán)（EGR）閥門工作時(shí)連動(dòng)著一個(gè)位置傳感器，該傳感器一般是由精密導(dǎo)電塑料制成的電位器，它將閥門的位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)量。通過對(duì)這種傳感器采樣，控制系統(tǒng)可以獲取廢氣再循環(huán)閥的當(dāng)前開度，通過與開度期望值的比較，可以決定此刻應(yīng)對(duì)該閥門的控制動(dòng)作。

2.2電控單元（ECU）

柴油機(jī)電控系統(tǒng)的電子控制器一般稱為電控單元（ECU），也稱為柴油機(jī)控制模塊。它的作用是接收各種傳感器和開關(guān)信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)算、分析、比較、判斷，根據(jù)ECU存儲(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序向執(zhí)行器發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)噴油量和噴油正時(shí)的控制。電控單元通過CAN總線還可以和其他控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，如底盤傳感裝置系統(tǒng)、ABS/ASR系統(tǒng)、AC系統(tǒng)、SRS系統(tǒng)的ECU等進(jìn)行信息交流，以便對(duì)全車進(jìn)行綜合控制。

ECU還具有故障診斷功能，當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，它會(huì)進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)確認(rèn)為故障時(shí)，以故障碼的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，并使指示燈點(diǎn)亮，提醒駕駛?cè)诉M(jìn)行檢修。

（1）ECU的控制功能。在電控柴油機(jī)中，ECU是“大腦”。電控柴油機(jī)的所有機(jī)械部件只是使柴油機(jī)具備了能夠發(fā)揮出效能的可能性，而只有在ECU的控制下，才能部分或全部發(fā)揮出其效能。

（2）ECU的硬件。從外觀上看，ECU就是一個(gè)鋁外殼的扁平盒子，里邊裝有一塊集成電路板。集成電路板上有個(gè)多路的連接器，所有對(duì)外電路的連接都通過連接器實(shí)現(xiàn)。集成電路板上一般是采用貼片制造工藝安裝的電路元件，其中最重要的元件是一片單片機(jī)芯片或稱微控制器。另外，還有一些其他的元件完成一些輔助的輸入輸出功能。

（3）ECU的軟件。ECU既然是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它的所有工作當(dāng)然是受軟件控制的。ECU軟件系統(tǒng)的主要功能有單片機(jī)芯片運(yùn)行環(huán)境的配置、外部信號(hào)的輸入操作、內(nèi)部的邏輯運(yùn)算和處理、對(duì)輸出信號(hào)和驅(qū)動(dòng)的控制、對(duì)其他信號(hào)系統(tǒng)的通信等。

（4）ECU的標(biāo)定與調(diào)試。在ECU控制柴油機(jī)的工作過程中，有一些專用控制參數(shù)能夠決定控制效果。這些控制參數(shù)的不同取值會(huì)不同程度、不同范圍地影響最終控制效果。其中最重要的是每次噴射的供油量和供油相位。確定這些控制參數(shù)在每一個(gè)特定的工況條件下最佳取值量的調(diào)試過程稱為標(biāo)定。調(diào)試與標(biāo)定過程需要利用另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過與ECU的通信，在ECU實(shí)時(shí)控制柴油機(jī)工作的過程中對(duì)每個(gè)工況進(jìn)行標(biāo)定。

2.3執(zhí)行器

執(zhí)行器是執(zhí)行電控單元（ECU）發(fā)送的指令，并按指令調(diào)節(jié)噴油量和噴油正時(shí)，從而調(diào)節(jié)柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在直列泵系統(tǒng)中，有負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)噴油泵齒桿位置的調(diào)速器執(zhí)行器和負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)噴油時(shí)間的噴油提前執(zhí)行器。在分配泵系統(tǒng)、泵噴嘴、單體泵系統(tǒng)和高壓共軌系統(tǒng)中，還有電磁閥等執(zhí)行器。電控柴油機(jī)的執(zhí)行器主要有下列幾種。

（1）電控高壓燃油設(shè)備。對(duì)于柴油機(jī)電控系統(tǒng)，最重要的執(zhí)行器就是電控高壓燃油設(shè)備。電控高壓燃油設(shè)備有多種，結(jié)構(gòu)原理雖有不同，但基本上都是依靠供油控制電脈沖的前沿來控制供油開始時(shí)刻，依靠供油控制電脈沖的寬度來控制每次噴射的供油量。

（2）廢氣再循環(huán)閥。廢氣再循環(huán)（EGR）閥是一種由比例電磁鐵或真空腔控制的氣閥，閥的開度決定了廢氣的再循環(huán)量。廢氣的再循環(huán)量會(huì)對(duì)柴油機(jī)排放物中的NOx含量有顯著影響。在柴油機(jī)電控系統(tǒng)中，常使用脈寬驅(qū)動(dòng)（PWM）方式來控制EGR閥開度。

（3）控制開關(guān)。根據(jù)柴油機(jī)的工作狀況，柴油機(jī)需要隨時(shí)對(duì)一些輔助的、附屬的電器做出各種控制動(dòng)作，針對(duì)這一類的控制動(dòng)作有各種不同的控制邏輯。例如，當(dāng)柴油機(jī)冷卻液溫度達(dá)到某一較高值時(shí)，需要及時(shí)開啟冷卻風(fēng)扇進(jìn)行散熱。如果車輛運(yùn)行速度較高而使冷卻液溫度低于某一數(shù)值時(shí)，需要及時(shí)關(guān)閉冷卻風(fēng)扇。對(duì)于需要較大工作電流的設(shè)備，常表現(xiàn)為由控制器驅(qū)動(dòng)一些繼電器來實(shí)現(xiàn)開關(guān)。而對(duì)于工作電流不是很大的設(shè)備，則可直接用控制設(shè)備的輸出來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備。

（4）可調(diào)噴嘴增壓器?？烧{(diào)噴嘴增壓器（VNT或VGT）是一種較新的柴油機(jī)增壓設(shè)備部件，即可變噴嘴環(huán)渦輪機(jī)或可變幾何參數(shù)渦輪機(jī)。該設(shè)備通過改變柴油機(jī)噴嘴環(huán)的角度調(diào)整渦輪機(jī)的工作性能，對(duì)于改善柴油機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩有極好的作用。

3柴油機(jī)電控系統(tǒng)的控制功能

電控柴油機(jī)可以有效地改變傳統(tǒng)柴油機(jī)尾氣排放污染嚴(yán)重等問題，其控制功能主要是對(duì)柴油機(jī)噴油量和噴油時(shí)間進(jìn)行有效控制，使混合氣燃燒充分。電控柴油機(jī)還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速進(jìn)氣、燃油噴油、空調(diào)、渦輪增壓、EGR閥、故障診斷等進(jìn)行控制。在高壓共軌系統(tǒng)中，利用壓力傳感器測(cè)量油軌內(nèi)的燃油壓力，從而調(diào)整油泵的供油量。通過噴油器電磁閥開啟時(shí)間的長(zhǎng)短，即可控制噴油時(shí)間。

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