第七节 电子控制柴油机喷射系统

为了改善柴油机运转性能和降低燃油消耗率，同时也为了适应严格的柴油机排放标准的需要，从20世纪80年代初期开始，各种电子控制柴油喷射系统(以下简称电控柴油喷射系统)相继问世。与传统的机械控制柴油喷射系统相比，电控柴油喷射系统有下列优点：

1)机械控制喷射系统的基本控制信息是柴油机的转速和加速踏板的位置，而电控喷射系统则通过许多传感器检测柴油机的运行状态和环境条件，并由电控单元计算出适应柴油机运行状况的控制量，然后由执行器实施。因此控制精确、灵敏。而且在需要扩大控制功能时，只需改变电控单元的存储软件，便可实现综合控制。

2)机械控制喷射系统往往由于设定错误和磨损等原因，而使喷油时刻产生误差。但是，在电控喷射系统中，总是根据曲轴位置的基本信号进行再检查，因此不存在产生失调的可能性。

3)在电控喷射系统中，通过改换输入装置的程序和数据，可以改变控制特性，一种喷射系统可用于多种柴油机。在此过程中不需要机械加工，故可缩短开发新产品的周期，有利于降低成本。

一、电控柴油喷射系统的基本类型

在二十几年的发展过程中，电控柴油喷射系统先后形成了两种基本类型，即位置控制型和时间控制型。到了20世纪90年代，燃油分配管(共轨)式时间控制型电控柴油喷射系统得到了快速发展。该系统不仅可以更加精确地控制喷油量和喷油定时，还能实现对喷油规律和喷油压力的独立控制。

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二、电控柴油喷射系统实例

(一)ECD-V1型电控柴油喷射系统

ECD -V1型电控柴油喷射系统是位置控制型电控柴油喷射系统，用于日本丰田2L-TE型缸增压轿车柴油机上。ECD-V1系统中的喷油泵为VE型分配泵，为适应电控的需要而进行了改造。取消了机械调速器，代之以供油量控制电磁，通过杠杆来改变供油量调节套筒的位置，以实现喷油量的控制。同时，还通过供油量调节套筒位置传感器的反馈信号，实现闭环控制。 ECD-VI系统保留了VE型分配泵的液压式喷油提前器，增设一个定时器控制阀，以实行喷油定时的电子控制。

1.ECD-V1系统的控制功能及组成

电控柴油喷射系统的控制部分一般由传感器、电控单元(ECU)和执行器等3部分组成。传感器的功用是实时检测柴油机与汽车的运行状态，以及驾驶员的操作意向和操作量等信息，并将其传输给电控单元。电控单元的核心部分是计算机，它与系统中设置的软件一起负责信息的采集、处理、计算和执行程序，并将运行结果作为控制指令输出给执行器。执行器的功用是按照电控单元的控制指令，调节供油量和供油定时。

2.供油量的控制

在ECD-V1系统中，电控单元(ECU)根据加速踏板位置传感器和柴油机转速传感器的输入信号，首先算出基本供油量。然后根据来自冷却液温度、进气温度和进气管压力等传感器的信号以及起动机信号，对基本供油量进行修正。再按供油量调节套筒位置传感器信号进行反馈修正之后，确定最佳供油量。因此，不论汽车是低温起动、加速，或是在高原行驶，ECD-V1系统都能精确地确定适应柴油机运转的最佳供油量。

电控单元把计算和修正的最后结果作为控制信号传输给供油量控制电磁阀的电磁线圈产生电磁力，吸引可动铁心。控制信号的电流越大，磁场就越强，可动铁心向左的移动量越大，通过杠杆将供油量调节套筒向右推移的越多，供油量也就越多。供油量控制电磁阀及供油量调节套筒位置传感器如图。

3.怠速转速的控制

电控单元根据加速踏板位置传感器、车速传感器等的输入信号以及起动机信号，决定何时开始怠速控制，并根据冷却液温度传感器、空调及空档开关等信号，计算出设定的怠速转速及相应的供油量。为了使设定的怠速转速保持稳定，还需根据柴油机转速的反馈信号，不断对供油量进行修正。

4.供油定时的控制

电控单元首先根据柴油机转速和加速踏板位置等传感器的输入信号，初步确定一个供油时刻，然后根据进气管压力、冷却液温度等传感器的信号和起动机信号再进行修正。电控单元根据最后确定的供油时刻，向供油定时控制阀的线圈通电，可动铁心被电磁力吸引，压缩弹簧向右移动，打开喷油提前器由高压腔通往低压腔的油路，使喷油提前器活塞两侧的压差缩小，活塞向右移动，供油时刻推迟，即供油提前角减小。

供油定时控制阀是电磁阀，通过其线圈6的电流是脉冲电流，电控单元通过改变脉冲电流的占空比，来改变由喷油提前器的高压腔到低压腔的流通截面积，以调整喷油提前器活塞两侧的压力差，使活塞产生不同的位移，达到控制供油时刻的目的。喷油提前器活塞位置传感器为非接触式电感传感器，其中的可动铁心直接与喷油提前器活塞相连，并随活塞一起动作。当可动铁心移动时，引起线圈电感的变化，借以检测活塞的位置。喷油提前器活塞位置信号回授给电控单元，以实行反馈控制。

5.其他控制

ECD-V1系统通过控制设置在进气管中的节气门开度来进行进气控制，其目的是降低柴油机低负荷时的噪声和振动，以及防止柴油机发生飞车事故。由于丰田2L-TE型柴油机采用涡流室燃烧室，因此在涡流室内装有起动电热塞。ECD-V1系统通过电热塞控制电路来控制流过电热塞的电流，以实行起动控制。此外，系统还具有故障自诊断及后备控制等功能。

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(二)ECD-V4型电控柴油喷射系统

1.ECD-V4系统的组成

ECD-V4系统中的供油泵采用DPA型分配泵的内凸轮压油机构，从而提高了喷油压力(130MPa)。同时，系统装置了具有高响应特性的电磁溢流阀和电子驱动单元(EDU)，以及用来修正供油量和供油定时的ROM(只读存储器)，这使得ECD-V4系统的控制精度和响应速度均有较大的提高。ECD-V4系统取消了供油量调节套筒及其操纵机构，使结构进一步得到简化。

2.供油量的控制

电控电元(ECU)根据加速踏板的位置和柴油机转速算出基本供油量之后，再按照进气压力、进气温度和燃油温度等的高低对基本供油量进行修正，最后确定出最佳供油量。柴油机起动时，ECU根据柴油机转速和冷却液温度计算起动供油量。在增压状态下，则根据进气管压力传感器信号计算进气量，并按照进气量的多少增减供油量。最佳供油量确定之后，ECU通过安装在供油泵上的电磁溢流阀控制供油泵的供油持续时间，借以控制循环供油量。

当滚柱开始滚上内凸轮的上升段时所对应的曲轴转角即为供油始点，开始供油。柱塞孔内的燃油由于受到柱塞的压缩而提高了压力，高压燃油经分配转子和喷油器喷入气缸。供油持续一定时间后，完成循环供油量的喷射，ECU对电磁溢流阀断电，电磁溢流阀开启，高压燃油经电磁溢流阀溢出，进入供油泵体内腔，柱塞孔内的燃油降压，喷油器停止喷油。显然，供油始点决定于供油泵内凸轮形面的形状，而供油终点则决定于电磁溢流阀开启的时刻。电磁溢流阀开启得越迟，供油的持续时间越长，供油量越多，即电控单元通过控制由供油始点到电磁溢流阀开启这段时间来控制供油量。

3.怠速转速的控制

ECD-V4系统的怠速转速控制与ECD-V1系统相似，只是在暖机过程中，ECU将增加供油量，使怠速转速提高，即所谓快怠速功能。

4.供油定时的控制

ECD-V4系统的供油定时控制方法与ECD-V1系统相同。

5.其他控制

ECD-V4系统除保留了ECD-V1系统所有的各种控制功能外，增加了废气再循环控制功能，通过EGR真空电磁阀(VSV)和EGR阀对废气再循环数量进行控制，以降低NOx的排放。

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(三)燃油分配管(共轨)式电控柴油喷射系统

在电控柴油喷射系统中设置燃油分配管始于20世纪90年代中期。在这类系统中，燃油在供油泵内增压后先供入燃油分配管，再由燃油分配管分配到各缸喷油器。喷油器直接由ECU控制其启闭，这与电控汽油喷射系统基本相同，所不同的是，由于柴油机喷油压力较高，因此，燃油分配管需承受较高的燃油压力。

1.控制功能

1)喷油量的控制：ECU根据加速踏板位置和柴油机转速等传感器的信号确定基本喷油量，再按进气管压力和燃油温度等传感器及起动开关输入的信息进行修正，最后计算出最佳喷油量，并向喷油器通电。ECU通过控制通向喷油器的电脉冲宽度(通电时间)来控制喷油量。

2)喷油定时的控制：ECU根据加速踏板位置和柴油机转速确定基本喷油时刻，再按进气管压力和冷却液温度等传感器以及起动开关输入的信号进行修正，最后确定出最佳喷油时刻，ECU按此时刻向喷油器通电，即ECU对喷油器通电的时刻决定了喷油始点。

3)喷油压力的控制：喷油压力等于燃油分配管内的燃油压力。在燃油分配管6上设置燃油压力传感器5和限压阀7，后者用来防止燃油分配管内油压过高。

4)喷油规律的控制：喷油规律是指喷油速率随时间或曲轴转角的变化关系，而喷油速率则是单位时间的喷油量。由于喷油规律对柴油机的性能有重要影响，因此，针对具有不同混合气形成与燃烧方式的柴油机应选择不同的喷油规律。在燃油分配管式电控柴油喷射系统中，当喷油压力保持不变时，喷油量惟一决定于ECU对喷油器的通电脉冲宽度。因此，只要改变指令脉冲就可以改变喷油规律。

2.主要组件的结构与工作原理

1)喷油器： 其功用就是按照电控单元的指令在既定时刻以一定的规律将一定数量的燃油喷入气缸。喷油器品种很多，但其基本原理相同，结构相似。日本电装公司生产的二通阀式喷油器的结构。

二通阀式喷油器的工作原理。二通阀由内阀和外阀组成，内阀不动，外阀可动。外阀在ECU未向喷油器通电时被弹簧力和燃油压力压紧在外阀座面上，回油口被封闭。来自燃油分配管的高压燃油从进油口向上经进油量孔进入控制室，向下进入喷油嘴压力室。控制室内的燃油压力经油压活塞作用到喷油嘴的针阀上，这时针阀处于关闭状态。当ECU对喷油器通电时，外阀被电磁力吸引向上提起，回油口被打开。控制室内的高压燃油经回油量孔和回油口流回柴油箱，控制室内的燃油压力下降。这时喷油嘴压力室仍为高压，于是在高压燃油的作用下针阀开启并向气缸内喷油。当ECU对喷油器断电时，电磁力消失，外阀在弹簧力的作用下重新压在外阀座面上，回油口被封闭，控制室内的燃油压力升高，使针阀回落，喷油结束。

2)供油泵： 在燃油分配管式电控柴油喷射系统中所应用的供油泵多为柱塞式泵，其中包括直列柱塞式和径向柱塞式。一般大型柴油机多采用直列柱塞式供油泵，而中小型柴油机多采用径向柱塞式供油泵。柱塞的数量一般为2～3个，驱动柱塞的凸轮则有单作用式、双作用式、三作用式和四作用式等多种形式。

德国波许公司生产的三柱塞单作用径向柱塞式供油泵的结构。3个柱塞互成120°夹角。凸轮轴每转一圈有3个供油行程。此外，在供油泵上还装有断油阀和调压阀。由于供油泵是按最大供油量设计的，因此在怠速或小负荷工作时，将有部分燃油径调压阀流回柴油箱，以保持燃油分配管的燃油压力不变。但这部分燃油由于被柱塞压缩而消耗了部分压缩功。为了消除这部分能量损失特装置了电磁式断油阀。当柴油机在怠速或小负荷工作时，ECU对断油阀通电，断油阀中的可动铁心被电磁力吸引向下顶开进油阀，使柱塞腔内的燃油在柱塞压油行程中经进油阀返回低压油道而不受压缩，从而减少了功率损失。

3)燃油分配管: 电控柴油喷射系统中的燃油分配管，其工作压力较高，一般为120～140MPa，并在其上安装有燃油压力传感器、流量限制器和限压阀等。

4)燃油压力传感器：其功用是测量燃油分配管中的实时压力，并将测量结果传输ECU作为燃油分配管内油压的反馈控制信号。燃油压力传感器由膜片、求值电路板、电器接头和外壳等构成。燃油分配管内的燃油压力经燃油压力传递孔作用于由半导体压电敏感元件制成的膜片上，膜片因受压而变形，从而使膜片表面涂层的电阻值发生改变，并在电阻电桥中转换为电压信号，此电压信号经求值电路放大后传输给ECU。

5)流量限制器: 其功用是防止喷油器可能出现的超常喷油现象。流量限制器一端连接燃油分配管，另一端连接喷油器。在正常流量的情况下，活塞和球阀在燃油压力的推动下向右移动，并停驻在流量限制器内的某一中间位置上。若由于某种原因流量突然加大时，活塞和球阀被燃油推到最右端，球阀压在阀座上，将出油孔封闭，终止向喷油器供油。

6)限压阀: 其功用相当于安全阀，用来限制燃油分配管中的油压过高。当燃油分配管中的油压为正常值时，弹簧通过弹簧座将球阀压紧在阀座上。当燃油压力超过正常值时，燃油克服弹簧力将球阀顶开，部分燃油从燃油分配管径球阀、弹簧座的边缘和空心螺栓流回柴油箱，使燃油分配管中的油压下降。当油压恢复正常后，球阀又被弹簧压紧在阀座上，终止回油。