柴油机电子控制技术上课讲义.ppt
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1、柴油机电子控制技术柴油机电子控制技术一、柴油机有害排放物及其产生柴油机的有害排放物主要有CO、HC、NOx以及微粒(碳烟)等。其中CO和HC由燃烧过程产生。如前所述,由于柴油机总是在平均空燃比A/F147(过量空气系数大于1)的稀混合气浓度下运行,所以CO排放量相对点燃式发动机(汽油机)低得多;而且柴油机是在接近压缩上止点附近开始喷油压燃,燃油停留在燃烧室中的时间比较短,因而受气缸壁面冷激效应、JP+1狭隙效应、油膜吸附、沉积物吸附等作用小,HC排放也比较低。1 NOx的生成在发动机有害排放物中的NOx,一般是指NO和NO2。在发动机燃烧过程中主要形成NO(约占总量的95%),而在膨胀过程中的
2、低温条件下部分NO被氧化而形成少量的NO2 图7-2 不同喷射时间NOx的变化规律2碳烟的生成条件微粒状物质(碳烟)可分为可溶性有机成分(SOF)和不可溶成分两种,主要由燃烧时生成的含碳粒子(碳烟)及其表面上吸附的多种有机物组成。在高温环境下,由于热分解而形成的低级碳氢化合物中,没有与空气再接触的部分最终变成微粒。图7-3 碳烟随温度的变化关系 图7-4 柴油机排放物浓度随曲轴转角位置的变化规律二、柴油机排放控制策略从图7-5所示柴油机燃烧过程中NO和碳烟的生成领域可知,控制NO和碳烟的基本原则就是如何控制火焰温度及其火焰领域内的混合气浓度,以避开NO和碳烟的生成领域。图7-5 柴油机NOx和
3、微粒的生成领域 图7-6 放热规律的控制策略三、对柴油机喷射系统的要求 图7-7 对喷射系统的要求a)传统型 b)理想型四、柴油机电控系统的特征及分类(一)特征1)控制自由度宽,喷油量、喷射时刻、喷射规律等可任意控制。2)控制精度高,直接检测控制对象进行反馈控制。3)增设自诊断系统和故障应急机能,以提高维修性和安全性。4)增设数据通信机能,提高总体系统的功能。5)通过改变ECU的程序,易开发各种控制机能。(二)分类、位置控制系统(第一代):主要有直列泵和分配泵两种;、时间控制系统(第二代):主要有直列泵、单体泵、分配泵和泵喷嘴等;、共轨喷油系统(第三代):有高压共轨和中压共轨两种。第一代第一代
4、 位置控制系统位置控制系统即将传统的柴油机燃油系统绝大部分保留下来,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。日本Denso公司的ECDV1,德国Bosch公司的EDC和日本Zexel公司的COVEC等都属于位置控制的电控分配泵系统。日本Zexel公司的COPEC,德国Bosch公司的EDR系统和美国Caterpillar公司的PEEC系统等都属于位置控制的电控直列泵系统。位置控制喷油系统1位置控制喷油系统2位置控制系统特点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嘴系统,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
5、滑套的运动位置,由原来的机械调速器控制改为电子控制,使控制精度和响应速度得以提高。柴油机的结构几乎无需改动,故生产继承性好,便于对现有机生产继承性好,便于对现有机器进行升级改造。其缺点是控制自由度小,控制器进行升级改造。其缺点是控制自由度小,控制精度差,喷油率和喷射压力难于控制,而且不能精度差,喷油率和喷射压力难于控制,而且不能改变传统喷射系统固有的喷射特性,也很难大幅改变传统喷射系统固有的喷射特性,也很难大幅度地根高喷射压力度地根高喷射压力。位置控制式喷油主要是在直列泵和分配泵上进行改进。第二代第二代 时间控制系统时间控制系统保留传统柴油机喷油系统,用高速强力电磁阀直接控制高压燃油喷射。一般
6、电磁阀关闭开始喷油,电磁阀打开喷油结束,所以由电磁阀关闭时间决定喷油始点,电磁阀关闭的持续时间决定喷油量。从而对喷油定时和定量的控制更为灵活。日本Zexel公司的Model-1电控分配泵,美国Detroit公司的DDEC电控泵喷嘴、德国Bosch公司的EUP13电控单体泵都属于时间控制系统。时间控制喷油系统1电控单体泵系统工作原理时间控制喷油系统2时间控制喷油系统3时间控制喷油系统特点时间控制系统既可以实现喷油量控制又可以实现喷油时间控制,所以控制自由度更大。但是这种喷油系统喷油压力依旧利用脉动柱塞供油,因此其对转速的依赖性很大。在低速、低负荷时,其喷油压力不高,而且难以实现多次喷射,极不利于
7、降低柴油机的噪声和振动。第三代 共轨电控喷射系统 共轨式电控喷射系统改变了传统的柱塞泵脉动供油的原理,通过油锤响应、液力增压、共轨蓄压或者高压共轨等形式形成高压。采用压力时间式燃油计量原理,用电磁阀控制喷射过程,可以实现对喷射油量和喷射定时的灵活控制。高压共轨系统被世界内燃机行业公认为20世纪三大突破之一,已成为21世纪柴油机燃油系统的主流。德国Bosch公司、日本Denso公司和英国Lucas公司都研制出了电控高压共轨系统,并开始向市场供货。博世高压共轨燃油系统带水分离器带水分离器的预滤器的预滤器主滤清器主滤清器带过滤器的带过滤器的油箱油箱高压高压传感器传感器执行器执行器喷油器喷油器轨压传感
8、器轨压传感器EDC7 ECU轨轨CP3.3低压低压01bar rel1.2bar abs7.4 barA1(%)、20r/minnn1、且起动开关ON时,认为是起动工况,并实施起动喷射量控制。起动喷射量由基本起动喷射量和冷却液温度的修正量确定。图7-10 起动喷射量的控制(3)各缸不均匀量补偿控制所谓各缸不均匀量的补偿控制,是指控制各缸的喷射量相对一致,以保证各缸的爆发压力相等。一般情况下,由于各缸的不均匀性使得各缸的爆发压力不均匀,造成转速波动,特别是怠速时发动机的振动更大,所以为了保证发动机的工作平稳性和车辆的舒适性,需要控制各缸的不均匀量。图7-11 各缸不均匀量控制原理框图(4)全负荷
9、喷射量的控制图7-12所示为全负荷速度特性上全负荷喷射量的控制方法,目的就是在各种转速下将燃料喷射量控制在全负荷喷射量以下。图7-12 最大喷射量的计算方法二、喷射时间的控制喷射时间的控制一般有三种控制模式,即正常控制、极限回位控制和停止控制。正常控制模式是指发动机实际使用中的常用工况,以及起动怠速工况。常用工况下喷射时间的控制如图7-13所示。图7-13 喷射时间的控制 图7-14 冷态下目标喷射时间的确定三、怠速控制控制怠速转速的目的就是为了提高怠速稳定性、降低油耗同时实现快怠速,主要控制内容是根据怠速实际工况,控制最佳怠速喷射量,以保证怠速转速稳定控制或实现快怠速控制。怠速稳定控制是当喷
10、油泵以及发动机内部参数等,因某种原因(如长时间使用)引起变化,以及冷却液温度随怠速时间逐渐升高而改善燃料蒸发条件时,为保证怠速转速稳定而实施的怠速喷油量的控制。图7-15 怠速转速控制逻辑框图 图7-16 调速器的控制脉谱对怠速特性的影响a)调速器控制脉谱 b)怠速转速波动四、可变增压HTSS(VGS/VNT)HTH控制增压技术作为改善发动机动力性、经济性和排放特性的有效措施,得到广泛的应用。特别是近年来,为了适应日趋严格的排放法规,国内外对增压中冷、可变增压(VGS)、复合增压、多级增压等技术以及增压匹配技术进行了深入开发研究和应用。图7-17 面径比 图7-18 面径比对柴油机性能的影响
11、图7-19 VGS控制逻辑框图 图7-20 VGS控制脉谱图 图7-21 进气涡流对性能的影响 图7-22 可变进气涡流控制系统 图7-23 进气涡流控制脉谱图 图7-24 进气涡流控制逻辑框图六、EGR的控制废气再循环(EGR)技术作为控制NOx排放的有效措施,在汽油机和柴油机上被广泛应用。但是采用EGR后,发动机的耐久性和可靠性有所恶化,而且大量的EGR实施后燃油消耗率和排烟恶化等问题尚未很好地解决。因此,根据不同工况精确控制再循环废气量,是在保证发动机动力性和经济性的前提下,有效降低NOx排放的重要措施。图7-25 EGR对NOx排放的影响 图7-26 放热率曲线 图7-27 EGR阀结
12、构示意图a)EGR阀 b)三向电磁阀 图7-28 外部EGR系统a)EGR入口在压气机入口前b)EGR入口在压气机出口后1增压器 2中冷器 3进气门 4排气门5排气凸轮 6EGR阀 7EGR回流管 8ECU 图7-29 内部EGR系统1增压器 2中冷器 3进气门 4排气门5排气相位凸轮 6EGR(副)凸轮七、极限速度的控制 图7-30 极限速度控制脉谱图第三节 分配泵电控喷射系统一、概述分配泵是靠其柱塞(分配转子)的转动实现泵油和燃油分配的。其典型结构是轴向压缩式分配泵(VE型泵)。VE型分配泵是20世纪80年代初期由德国博世公司研制出的一种新型分配泵,主要由驱动机构、滑片式输油泵、喷油提前器
13、等组成。其中,滑片式输油泵由凸轮盘、滚轮机构以及柱塞、柱塞套筒、油量控制滑套等构成(图7-31)。图7-31 VE型分配泵1高压阀 2驱动轴 3滑片式输油泵 4驱动齿轮 5喷油提前器 6凸轮盘 7油量控制滑套8回位弹簧 9柱塞 10出油阀11柱塞套筒 12断油阀 13张力杠杆 14溢流节流孔15停车手柄 16调速弹簧 17调速手柄 18调速套筒 19飞锤二、位置式电控分配泵根据分配泵喷射量、喷射时间的控制方式不同,分配泵的电控技术分为位置式控制方法和时间式控制方法两种。位置式电控分配泵是在VE型分配泵的基础上,将油量控制滑套的控制方式由机械式调速器改为线性比例电磁阀的控制方式,所以其供油和泵油
14、原理和结构特点基本上与VE型泵相同,只是在油量控制机构和喷油时刻的控制机构上进行了微小改动,图7-32 位置式电控分配泵结构1线性电磁阀 2转速传感器 3定时器位置传感器4定时控制阀 5滑套位置传感器 图7-33 旋转式比例电磁阀执行器1油量控制滑套 2柱塞 3驱动轴 4定子线圈 5回位弹簧 6滑套位置传感器 7转子铁心 8柱塞套(1)喷油量的控制图7-34所示为位置式电控分配泵的喷射量控制原理。控制单元(ECU)根据发动机的运转条件,演算出适应该工况的目标滑套位置,并与来自滑套位置传感器的实际滑套位置进行比较,演算确定控制量,并通过输出电路将对应于控制量的控制信号传输到驱动电路,由驱动电路根
15、据ECU的指令反馈控制流经线性比例电磁阀线圈的信号占空比,由此控制铁心的位移,使油量控制滑套位置控制在目标值上,以确定最佳喷油量。图7-34 位置式电控分配泵的喷射量控制原理1油量控制滑套 2平面凸轮 3柱塞 4线圈 5回位弹簧 6滑套位置传感器7喷油器(2)喷射时间的控制喷射时间控制系统主要由定时柱塞、定时器位置传感器、回位弹簧、定时控制阀、转子以及ECU等组成。定时柱塞将柱塞室分为吸油室和压力室(泵室),定时控制阀设在压力室入口处,主要控制压力室内的油压大小。当压力室内的油压发生变化时,定时柱塞的位置相应地变化,此时通过传动杆带动转子相应地偏转,由此调节喷射时间。图7-35 喷射定时控制系
16、统示意图1油箱 2定时器位置传感器 3弹簧 4定时控制阀 5电源 6压力室7柱塞 8滚轮 9溢出阀 10调节阀 11吸油室 图7-36 时间式电控分配泵的控制系统1进气温度传感器 2电磁阀 3泵角传感器 4供油定时控制阀 5节流阀 6进气压力传感器 7冷却液温度传感器8曲轴转角位置传感器 9VSV(EGR用)图7-37 时间式电控分配泵喷射量的控制原理1驱动轴 2泵角传感器 3电磁阀 4高压室 5柱塞 6喷油器 图7-38 电磁溢出阀的结构1磁芯 2线圈 3导向阀 4主阀 图7-39 电磁溢出阀的工作原理1柱塞室 2主阀 3导向阀 图7-40 泵角传感器结构及其安装1缺齿部分 2脉冲发生器 3
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