柴油机电控系统

柴油机电控系统（通用8篇）

篇1：柴油机电控系统

开题报告

电气工程及自动化

船舶柴油机电控系统设计

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

现代船舶工业是典型的综合加工装配工业，是综合工业之首。船舶工业对国民经有直接的消耗，还直接为我国的能源运输，国际航运，海洋开发等产业提供必要的装备和信息，形成国民经济的一条重要产业。

当前，船舶动力仍以柴油机为主。柴油机因具有功率覆盖面宽、效率高、能耗低、使用维修方便等特点。经过几十年尤其是最近十多年的发展，现在的船用柴油机已经发展到一个新的高度。但随着世界能源危机，环境污染和自动化水平的日益提高，对柴油机提出了更高的要求。因此柴油机的优势地位也提出了新的挑战。由此以后研究柴油机主要是提高经济性研究，降低柴油机排放研究。柴油机排放的限制使得经济性提高更加困难，这个也是柴油机发展中的新课题：提高可靠性和耐久性的研究：电子控制技术的研究等。据资料表明，船舶产品平均构造比例：造船30%，原材料20%，配套设施50%。由此可见，船舶配套设施对船舶工业的重要性。船舶柴油机是船舶的主要配套设备，它应用于船舶推进动力装置和船舶电站。在船舶成本中分别占10%—15%和3%—5%。因此，建设性能提供性能优良，质量可靠，品种齐全，数量充足船舶柴油机制造业，对我国工业快速稳定健康发展不可或缺。我国船用柴油机发展关系到国家重大的政治与经济安全战略，其近年来的发展严重滞后的现状已引起各方面的重视。2003

年以来，国家十分重视并充分肯定了船舶工业在国民经济发展中的积极作用，尤其是2004

年宏观调控的背景下对船舶工业更快、更大发展寄予殷切期望。

目前国内大功率船舶柴油机船舶套配件没有自主的知识产权，关键技术受制于人，已经成为我国船舶发展的重要瓶颈，为了达到未来的造船大国强国时对船舶配套件的需求，实现国轮国造，国轮国配，必须尽快改变我国柴油机落后的状况。电子控制系统是柴油机重要的配套产品，我国长期以来电控系统一直以来进口。

随着国际船舶配套技术飞速发展，世界上各个大船舶柴油机公司近几年相继推出新型船舶柴油机，都大量的采用最新的科技成果和设计理念，如模块化设计技术，高效率增压技术，智能技术等。主要体现以下几个方面：

1船舶柴油机系统集成技术。

柴油机发展不仅要求提高综合效率，而且要求提高柴油机整体性能和各种工作状况下的适应性。主要研究内容，船舶柴油机动力系统总体匹配设计技术研究，模块化设计研究，船舶柴油机动力系统集成优化。

2船舶柴油机虚拟设计研究技术

虚拟技术将用于船舶柴油机设计，制造，装配，运行和维修全过程。以发动机数据库为基础，应用相关软件，技术和手段开展船舶柴油机设计开发研究。

3智能化电子控制技术

开展船舶柴油机电控系统开发和工程化应用技术，电子控制系统，电子调速器设计技术。船舶柴油机运行电子管理系统等方面的研究。

4船舶柴油机可靠性技术

柴油机零部件活着模块件将有更高的水平发展，即受到更高的重视，因此，需开展可靠性技术的研究，故障分析诊断等方面的研究。

5船舶柴油机代用燃料技术

大功率船舶柴油机燃料向多元化发展，可以使用重油等清洁燃料等，对于LNG.LPG等燃料运输船，开展可方便利用所运输的燃料的单燃料或双燃料气体发动机。

6全生命周期性和低排放技术

开展船舶柴油机性能以及燃料技术的研究，重点是突破高增压技术，高压共轨燃油喷射技术等，以解决船舶柴油机低负荷性能和全工况乃至全生命周期经济性问题。结合船舶柴油机结构模式，工作要求，运行环境等多类实际情况，开展全生命周期和低排放技术的研究可以满足世界环境提出的进一步严格要求。

21世纪是海洋的世纪，我国作为一个经济腾飞的发展中国家，必将在21世纪进入高速发展阶段。我国将会越来越多的向海洋这个人类的大宝库索取生物，化学，动力和能源矿产和广阔的生存空间，探索海洋和开发海洋将成为我国重要的生产活动之一。船舶将会成为这一生产重要工具和得力助手。目前我国现役船舶中主要以船舶柴油机作为主动力，因此柴油机作为一种原动力在我国海洋开发和船舶运输及海洋开发占有十分重要的地位。是我国船舶的基本动力，开展船舶配套设施的研究具有重大的经济效益和发展前景。

电控系统被称为柴油机的“大脑”，是柴油机的重要组成部分，对提高柴油机的自动化水平、经济性、动力性和改善排放等具有重要作用。柴油机电控技术水平的高低已经成为衡量柴油机先进性的重要标志，是柴油机产品核心竞争力的重要体现。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

研究基本内容：

1：了解柴油机电控系统的基本功能和工作环境。

2：对柴油电控系统进行分析。

3：冷却水温控制。

解决主要问题：

1：电子调速的建模。

2：相继增压系统增压器的切换控制需要参考柴油机转速、增压器转速与负荷情况等因素。

3：了解故障诊断的工作原理。

4：水温控制的设计。

三、研究步骤、方法及措施：

步骤及方法：

1：了解国内外船舶柴油机的发展状况。

2：对柴油机电控系统进行了解和认识。

3：重点研究船舶柴油机电控系统理论及其应用，建立合适的模型。

4：得出结论。

措施：

图书馆查找相关的书籍、期刊、杂志等，通过上网寻找相关的一些资料，查看当代对该技术的研究成果和最新的动态。然后通过对这些资料的学习和研究进一步的熟悉和理

解设计所需的相关知识。在设计过程中及时与指导老师探讨，对不了解的问题及时向老师请教。

四、参考文献

[1].王尚勇.柴油机电子控制技术[M].重庆：机械工业出版社，2006.[2].孙建新.船舶柴油机[M].北京：人民交通出版社，2006.[3].钱耀南.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2006.[4].周明顺.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2007.[5]

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王世林.电子海图显示与信息系统使用指南[M]

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大连海事大学出版社,2002

篇2：柴油机电控系统

电气工程及自动化

船舶柴油机喷油泵电控系统设计

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

1、国内外研究动态：

国外对柴油机电控喷油系统的研究始于20世纪70年代。1967年，德国Bosch公司开始批量生产用进气管绝对压力控制空燃比的DJetronic模拟式电子控制汽油喷射系统，装备在大众汽车公司生产的Vw-21600型轿车上，开创了汽油喷射系统电子控制新时代。在短短的20年内，汽油机电控技术已相当成熟。柴油机电子控制的研究比汽油机晚20年的时间，但是汽油机电控技术促进了柴油机电控技术的发展，从上世纪80年代开始，柴油机的电控技术得到了迅速发展。目前己有多种形式的电控柴油喷射系统装车使用，较成熟的电控燃油喷射产品在国外车用柴油机中得到了广泛应用。仅1993年统计，德国Bosch公司的电控分配泵和电控直列泵在市场上已超25万台，美国底特律柴油机公司DDEC电控泵喷嘴系统已有10万多台投放市场，日本的zexel公司可变预行程的TICS直列泵已达2万多台，其中绝大部分是电控的。

柴油机电控喷射系统发展至今已先后推出了三代产品，即位置控制式、时间控制式和压力一时间式。

第一代位置控制式电控喷油系统在不改变改变传统喷油系统结构的基础上，用电控调速器来代替原有的机械式调速器，对齿条或滑套位置予以控制，从而对油量进行调节，并通过电控液压提前器代替传统的机械或液压式提前器来实现喷油正时的控制，提高控制精度和响应速度，是电控柴油机开发的早期产品。位置式电控系统无须对柴油机的结构进行改动，生产继承性好，便于对现有机型进行技术改造，在分配泵和直列泵上都可以实现。其缺点是因为采用模拟量进行控制，频率响应慢，控制自由度小，精度差，而且喷油率和喷油压力难于控制，也不能改变传统喷油系统所固有的喷射特性。典型的位置式电控喷油系统有日本电装公司的ECD-V1电控分配泵，德国Bosch公司的RP39和RP43型电控直列喷油泵及VP37电控分配泵，日本小松公司的KP21型电控直列喷油泵，英国Lucas公司的EPIc型电控分配泵以及美国stanadyne公司的PcF型电控分配泵等。

第二代时间控制式电控喷油系统取消了传统的喷油机构，采用高速强力电磁阀直接控制高压燃油的通断，高速电磁阀的开启和关闭时间决定喷油量的大小和喷油时刻。时间控制式电控系统采用数字量控制，具有一定的喷油率控制能力。但由于仍沿用脉冲高压供油原理，喷油压力难以控制。同时要求高速电磁阀有良好的响应和可靠性，制造难度大。在传统的机械分配泵、单体泵、泵-喷嘴等基础上都可以实现时间式控制系统。典型的时间控制式电控喷油系统有:德国Bosch公司的PDE27用DE28系统，英国Lucas公司的EUI系统和美国底特律阿列森公司的DDEC系统等。

第三代电控喷油系统是时间一压力式控制系统，它改变了传统喷油系统的结构，不再采用柱塞泵脉动供油原理，而是利用高压共轨或共轨蓄压和液力增压形式获得高压，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，利用电磁阀控制喷射过程，喷油量的大小由喷油时间和共轨压力共同决定。由于共轨式喷油系统喷射压力不受柴油机转速和喷油量的影响，而且喷油量、喷油压力、喷油速率都可以由ECU灵活控制，从而将高压喷射与电控制完美的结合起来，实现了喷油系统的全电子控制，目前已成为柴油机电控喷油系统研究领域的重要课题与发展趋势。较为典型的共轨式电控喷油系统有:美国BKM公司sERv0JET蓄压式电控高压喷射系统，美国Caterpillar公司的电控液压泵一喷嘴系统，日本小松公司的KOMPICS液压式共轨系统，日本电装公司ECD一UZ高压共轨式电控喷射系统，意大利Flat集团UNllET喷油系统，德国Bosch公司CR共轨式电控喷油系统，英国Lucas公司的LDCR电控高压共轨喷油系统。柴油机的性能优异，应用范围较广，并且相对汽油机来说有独到的先天优势，因此，大力发展柴油机已是大势所趋。

2、选题的依据及意义：

国内的发动机行业形势也要求尽快发展柴油机电控方面的研究。然而，由于电控柴油喷射系统执行机构比较复杂，各种系统又各有利弊，我们既要研究开发具有发展前途的电控共轨系统，也要考虑我国国情和排放法规落后于国外发达国家水平的现状，迅速开发研制形成自己的电控柴油机产品。第二代电控喷油系统虽然大大优于第一代，但其关键技术一高速电磁阀的制造难度大，尤其在我国汽车工业水平和电子技术相对落后的情况下，不可盲目追求第二代控制系统，而应该从实际出发，走国产研发之路，脚踏实地的进行电控燃油喷射系统的研究，这样才有助于开发自己的产品，逐步形成自己的品牌优势，在未来的国际市场竞争中有自己的一席之地。因此，选择对分配式喷油泵进行了电控系统的开发符合当前的需要。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

研究任务：

1、以VP37电控分配泵为研究对象，熟悉分配泵供油系统的工作原理；

2、对电控系统进行较全面的设计，完成硬件电路和软件设计，并对硬件、软件提出相应的抗干扰措施；

3、采用以CAN总线为平台的分配泵电控系统，实现下位机与PC机之间的通讯，以实现对柴油机电控系统参数的监测。

拟解决的主要问题：

1、熟悉分配泵的工作原理。完成硬件软件电路设计。

2、进一步熟悉电控系统提出抗干扰措施。

3、实现下位机与PC机之间的通讯。

三、研究步骤、方法及措施：

1、参考一些关于分配泵的书，研究硬件软件电路的设计方案，选择一种较好的方案来设计。

2、参考1中设计的电路，并查阅相关材料提出抗干扰措施。

3、参考相CAN总线为平台的相关电控系统知识，实现下位机与PC机之间的通讯。

4、各个功能模块完成设计达到要求后进行最后的监测设计。

四：参考文献

[1]

李国岫,张幽彤,王尚勇,李铁栓,程昌圻.高速柴油机电控系统中电磁式执行器的研究[J]北京理工大学学报,1997,(05)

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李慧,张德江,林君,林志琦.BOSCH传感器特性研究及信号调理电路的设计[J]传感技术学报,2004,(01)

[3]

王桂华,谭丕强,陆辰,李国祥,陆家祥.车用柴油机电控燃油喷射系统分析[J]车用发动机,1998,(03)

[4]

杜仲,欧阳明高,王延岭.车用柴油机管理系统电控单元的开发研究[J]车用发动机,1998,(06)

[5]

黄强,刘永长.车用柴油机电控燃油喷射系统的现状与发展[J]柴油机设计与制造,2001,(02)

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杨忠敏.车用动力柴油化的技术研究与开发方向[J]柴油机设计与制造,2004,(01)

[8]

缪勇,倪计民,周奇.柴油机轿车在中国的开发和应用[J]柴油机,2003,(04)

[9]

温任林,华旸.应用电控VE分配泵降低汽车柴油机排放的研究[J]柴油机,2003,(04)

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王敬亭,廖力清,凌玉华.AD698型LVDT信号调理电路的原理与应用[J]国外电子元器件,2005,(09)

[11]

温任林,顾志华,邱晓寒.电控燃油系统位置检测和驱动装置的研究[J]工业仪表与自动化装置,[12]

葛林,周文华,徐航.一种新型车用角位移传感器的研究与应用[J]机电工程,2000,(05)

[13]

宋哲英,宋雪玲,刘朝英.应用MATLAB设计模糊控制系统[J]计算机应用研究,2001,(02)

[14]

肖海荣,周风余.基于SJA1000的CAN总线系统智能节点设计[J]计算机自动测量与控制,2001,(02)

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颜纯林.柴油机电子调速系统仿真设计[J]农机化研究,2006,(09)

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赵光宙,高军,杨志家.柴油机模型参考自适应调速系统的研究[J]内燃机工程,1995,(04)

[17]

葛林,周文华,徐航.电控VE泵改善轻型车用柴油机性能的试验研究[J]内燃机工程,2001,(03)

[18]

周文华.柴油机高压共轨燃油喷射——电控系统开发研究[J]内燃机工程,2001,(03)

[19]

夏迎春,陈慧岩.柴油机位置式电控系统的开发研究[J]内燃机工程,2002,(01)

[20]

篇3：浅析柴油机的电控燃油喷射系统

1 电控单体泵系统

1.1 结构特点

电控单体泵系统是一种时间控制式的高压燃油喷射系统。该系统由燃油供给系统(包括低压部分和高压部分)、电控单元和传感器等组成。所谓单体泵，是指一个气缸有一个喷油泵，它主要包括一个带有出油控制阀(电磁阀)的高压油泵、机械喷油器，以及连接所需的燃油管路、滤清系统。电控单体泵系统安装在每个缸体外部，其基本结构是喷油泵柱塞驱动与发动机配气机构驱动共用一根(顶置)凸轮轴，喷油泵由凸轮轴上的喷油凸轮驱动，这样使得结构得到最大程度的简化，从而实现油泵出油口到喷油器的燃油管路距离的最短化。

1.2 工作原理

电控单体泵通过与其制成一体的电磁阀(出油控制阀)配合进行工作，通过电磁阀直接控制柱塞腔内燃油压力的建立和泄流，电磁阀触发的时刻就是关闭的时刻，即供油起点，电磁阀触发时间的长短决定着喷油量的大小。发动机工作时，电控单元将所收集到的柴油机传感器信息处理后，发出启喷指令，给电磁阀通电，控制阀杆闭合泄油回路，建立高压，高压燃油通过高压油管、高压短接管进入喷油器，然后喷入气缸内燃烧室;当电磁阀电流断开时，控制阀杆在弹簧的作用下开通泄油油路，高压燃油迅速经回油孔泄压，停止喷油。

1.3 优 点

1)电控单体泵系统通过对电子控制系统和油泵结构设计的优化来实现喷油压力的提高，喷油压力可达1 600～1 800bar，从而改善发动机的燃烧工作过程，在有效降低发动机排放水平的同时，改善发动机燃油经济性和噪声特性，具有广阔的应用前景。通过将机械喷油器改进为电磁阀喷油器，形成双电磁阀单体泵系统，燃油喷射压力可达到2 000bar以上，能够实现多次喷射，可以达到国Ⅳ，甚至国Ⅴ排放水平。

2)单体泵安装在气缸体的外面，结构相对简单，对原型发动机的改动较小，制造成本较低，而且对油品的清洁度不太敏感，尤其是因喷射压力较大，大功率柴油机的敏感性相对更弱，在当前国内油品质量无法满足要求的条件下，使用单体泵技术的优势不言而喻，因此深受发动机制造企业和用户的欢迎。

3)工作性能可靠，故障率低，使用寿命长，维修方便。其可靠性能已经在欧洲和北美市场上得到长时间的使用验证，而且对生产厂家的售后服务要求也不高，用户使用维修成本较低。

1.4 不 足

1)不能自由控制燃油喷射压力，柴油机低速性能欠佳。由于单体泵油压的建立过程依赖于曲轴的转速，油泵的压力与发动机的转速成正比，因此在低转速区域燃油压力较低，不利于柴油机燃烧性能的提高。

2)采用机械喷油器时，不具备多次喷射的能力。一旦燃油系统与整机的匹配设计完成，在每一个工况点下，燃油系统的特性将不具备调节性。

3)在国内，为控制成本和降低技术难度，一般都是采用了外挂式单体泵(安装在气缸盖上)，这种设计很难避免较大的驱动扭矩，并且噪声较大。随着排放水平的逐步升级，单体泵需安装在缸体内，这需要重新设计发动机机体。

2 电控泵喷嘴系统

2.1 结构特点

普通的柴油机通常采用泵-管-嘴燃油喷射系统，即由高压油泵产生高压燃油，再经过油管把高压燃油输送到喷油嘴来完成喷油动作，由于燃油具有可压缩性，高压燃油在传递过程中会出现时间滞后的问题，影响到喷油的正时，且难以实现燃油喷射的精确控制，不利于燃料的燃烧，产生较多的排放物质。在电控泵喷嘴系统中，电控的高压油泵和喷油嘴之间没有管路连接，它把高压油泵、喷油嘴和电磁阀集成在一起，直接安装在气缸盖上，这样不占用更多的空间，每一个高压油泵(每缸一个)与进排气门一样，都由同一根凸轮轴同时驱动。

2.2 工作原理

泵喷嘴系统分为机械驱动式和蓄压式两种，目前发展最完善的电控泵喷嘴系统是机械驱动式的。泵喷嘴的喷油始点和喷油终点由快速启闭的电磁阀控制，当电磁阀关闭时，将柱塞高压油腔与低压油路切断，燃油加压并开始喷射;当电磁阀开启时，则泄掉喷射压力，结束喷油。通过电磁阀的多次动作可产生多次喷射，实现对喷油速率的控制，从而使燃烧过程得到优化，其可靠性和燃烧效率得到保证。

2.3 优 点

1)电控泵喷嘴系统结构紧凑，喷油嘴孔径非常小，不仅消除了高压油管中压力波动的影响，提高了燃油喷射的响应速度，而且很容易产生高喷油压力(最高喷油压力达到2 200bar以上)，燃油雾化良好，燃烧效率很高，从而提高柴油机的动力性和燃油经济性，降低排放。

2)燃油的喷射过程实现了全电子控制，由安装在泵喷嘴上的高速电磁阀精确控制，不仅利于彻底燃烧，提高动力性，而且可降低噪声和废气排放。同时发动机在低速和小负荷时燃油喷射的稳定性好，具有较好的控制灵活性，低速时的发动机综合性能得到改善，采用该技术的车用柴油机可满足国Ⅳ、国Ⅴ排放标准。因此，该系统被看作是柴油机满足苛刻排放标准和燃油经济性要求的最佳选择之一。

2.4 不足

1)电控泵喷嘴系统最大的缺点在于燃油喷射压力不能保持恒定，仍然受发动机转速的限制。

2)由于该系统喷射压力很高，因而对气缸套和气缸盖的刚度要求很高，此外，高压油泵的凸轮和曲轴的距离较远，对传动系统的刚度要求也很高。

3)电控泵喷嘴系统由于需要重新设计发动机本体，尤其是发动机缸盖，加工难度大，制造成本高。

3 电控高压共轨燃油喷射系统

3.1 结构特点

电控高压共轨燃油喷射系统是建立在直喷技术、预喷技术和电控技术基础之上的一种时间-压力控制式的高压燃油喷射系统。它主要由高压泵、带压力传感器和调压阀的共轨管、带电磁阀或压电式的喷油器、电控单元和传感器组成。共轨系统与之前以凸轮轴驱动的柴油喷射系统不同，共轨式柴油喷射系统将喷射压力的产生和喷射过程完全分开，电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器。

3.2 工作原理

电控高压共轨燃油喷射系统共轨管中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生，压力大小与发动机的转速无关，可在一定范围内自由设定，其大小由一个电磁压力调节阀控制，根据发动机的工作需要进行连续压力调节。电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程，喷油量的大小取决于共轨管中的油压和喷油器电磁阀开启时间的长短，及喷油嘴液体流动特性。工作时，该系统将共轨管内形成的恒定高压燃油，通过高压油管分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁阀的开启与闭合，控制喷油器定时、定量地将燃油喷射至燃烧室。

3.3 优 点

1)燃油喷射压力独立于发动机转速，压力恒定，且喷油压力较大，大大改善了发动机低速、大负荷时的工作性能，在有效降低发动机排放水平的同时，提高发动机的燃油经济性并降低燃烧噪声。

2)喷油压力柔性可调，在不同负荷和转速下都可确定所需的最佳喷油压力。

3)实现了对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控制，因而改善了柴油机的燃烧过程，提高了燃油经济性，减少了污染物的排放，降低了燃烧噪声。

4)结构简单、性能可靠、实用性强，应用范围广，目前已广泛应用于各种型号、各种排量的柴油机。

3.4 不 足

1)该系统的共轨管燃油压力调整十分复杂，存在建立时间和建立精度的矛盾，即缩短调节时间将很可能导致共轨管内的燃油压力超调，一般共轨管燃油压力需要在柴油机的几个循环内才能完成调整，在一个循环中不能实现各缸的独立调节。

2)随着共轨管燃油压力的不断提高，对系统各部件的性能要求越来越苛刻，对传感器的精度要求也较高。另外，采用电控高压共轨燃油喷射系统后，需对发动机结构进行相应的改进。

3)油品适应性差，用户维修保养成本高，必须使用符合国Ⅲ标准以上的低硫柴油，共轨发动机电控系统的故障必须依靠专业故障诊断仪器进行检测和维修。

4 结 语

篇4：柴油机电控系统

(1.南通航运职业技术学院 轮机工程系，江苏 南通 226010;2.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026;3.中船重工第703 研究所无锡分部，江苏 无锡 214151)

0 引言

近年来，随着能源危机及环境污染问题日趋严重，人们对柴油机的节能和排放要求越来越严格，因而对柴油机的调节控制提出高精度及多参数的要求，从而推动电控柴油机的发展［1-2］.Wärtsilä 公司率先将共轨技术应用于船舶大型低速电控柴油机，使得柴油机能够自由选择喷射压力、精确控制燃油喷油量、独立控制喷油正时和喷油规律［3］，能够满足船用柴油机的动力性、经济性以及排放等方面的要求.对电控柴油机的燃油共轨系统进行建模和仿真可以得到燃油共轨系统的基本特性，以及各参数对系统性能的影响［4］，对系统以后的设计和改进具有重要意义.

1 燃油共轨系统原理

Wärtsilä 公司的RT-flex 系列柴油机可用2个或3个共轨.若用2个共轨，则包括60～90 MPa 的燃油共轨和8～20 MPa 的伺服油共轨，伺服油共轨用于控制喷射电磁阀、排气阀和气缸起动阀.若用3个共轨，则增加1个20 MPa 的控制油共轨，其作用是控制喷射电磁阀和伺服油供油泵.

本文主要介绍燃油共轨系统，主要包括控制系统、高压油泵、中间储油器、燃油共轨管、压力传感器、压力调节阀、喷油器等［5］，其原理见图1.柴油机曲轴输出端的齿轮带动高压油泵，根据燃油齿条的位置将燃油供入中间储油器，中间储油器通过两个立管与燃油共轨管相连，燃油在共轨管中等待喷射.

图1 燃油共轨系统原理

2 燃油共轨系统仿真模型

燃油共轨系统仿真是以液体流动数学方程组(包括质量守恒方程、动量守恒方程和物态方程)为基础进行研究的.本文对共轨系统建模作如下假设［6-7］:(1)燃油在整个系统中做可压缩一维非稳态流动;(2)在整个系统中，燃油的温度保持不变;(3)各腔为集中容积，不考虑压力传递时间，同一瞬时状态压力处处相等;(4)不考虑管路中燃油的流动阻力和空穴现象;(5)不考虑各部件的漏泄和弹性形变;(6)不考虑弹簧自振和运动件冲量损失，及系统进出口局部损失.

2.1 高压油泵数学模型

(1)凸轮运动方程:

式中:hfc为凸轮的升程;hmax为凸轮的最大升程;θ为凸轮转角;θB为凸轮工作段半包角;C1，C2，C3，C4为系数，其中C1=(-480hmax+ 165v)/192，C2=(160hmax-97v)/32，C3=(-120hmax+ 75v)/24，C4=(96hmax-61v)/64，v为燃油的运动黏度.

(2)柱塞腔的燃油满足连续性方程［8］:

式中:Vfpl为柱塞腔容积;E为燃油的弹性模量;Pfpl为柱塞腔压力;Afpl为柱塞面积;Qifa_in为中间储油器进口流量;μ0和A0分别为燃油泵进口流量系数和截面积;P0为燃油泵进口压力;α1为阶跃函数;hfpl为柱塞升程，hfpl=ηhfc，其中η为燃油泵齿条的百分比.

2.2 中间储油器数学模型

由中间储油器流入和流出的燃油满足连续性方程:

式中:Vifa为中间储油器容积;Pifa为中间储油器压力;Qifa_in和Qifa_out分别为中间储油器进、出口流量;μ1和μ2分别为中间储油器进、出口流量系数;A1和A2分别为中间储油器进、出口流通面积;μ3为中间储油器安全阀流量系数;A3为中间储油器安全阀流通面积;Pfcr为共轨管压力;δ为阶跃函数.

2.3 共轨管数学模型

由共轨管流入和流出的燃油满足连续性方程:

式中:Vfcr为燃油共轨管容积;Qfcr_out为燃油共轨出口流量;Picu为燃油控制活塞压力;λ1为压力控制阀针阀升程的函数;μ4和A4分别为压力控制阀针阀的流量系数和截面积;μfcr和Afcr分别为共轨管至燃油控制活塞的流量系数和截面积;σ为阶跃函数.

另外，还需对压力调节阀、燃油控制活塞以及喷油器建立数学模型［9-10］，原理与上述模型一致，限于篇幅，这里不再描述.

3 仿真模型与结果分析

3.1 仿真模型

选择Wärtsilä 公司的7RT-flex 60C 共轨柴油机为研究对象，在MATLAB/SIMULINK中建立燃油共轨系统仿真模型，见图2.模型分为凸轮、高压油泵(见图3)、中间燃油累加器、燃油共轨管、压力控制阀和气缸等6个子系统.模型输入凸轮轴转速，计算得到高压油泵升程、柱塞腔压力、共轨管压力以及喷油率等参数.

3.2 参数初始化

仿真前，需要对参数进行初始化.系统采用AB两列高压油泵，A 列高压油泵初始位置为凸轮开始上行时的位置，B 列高压油泵与其在空间上相差60°角.对于中间储油器，假定其初始油压稍高于燃油共轨油压.对于燃油控制活塞，假定其初始位置在燃油不喷射的一端，根据发火顺序动作.对于喷油器，假定其盛油腔内作用有一定的残余油压，针阀处于关闭位置.计算过程中采用ode4 算法，计算步长设为0.000 01，柴油机负荷为99.97%，高压油泵齿条达到满量程的66.6%，凸轮轴转速为570 r/min，中间储油器与燃油共轨管容积分别为0.5 m3和3.0 m3.

3.3 模型验证

模型可以仿真出系统各部件的升程h，压力P以及流量特性，图4～6为部分仿真曲线.从图4可以看出，该高压油泵升程曲线比较柔和且输出稳定，三作用凸轮使其效率更高，符合实际工作情况.从图5可以看出，系统稳定后中间储油器和共轨管压力波动均小于0.02 MPa，满足共轨压力波动小于5%的要求［11］.由图6可以看出，随着喷油器针阀升程的加大，喷油率q 也随之变大，且喷油率存在波动，这是由喷油器盛油腔的压力波动引起的.

图4 高压油泵柱塞升程

另外，按照柴油机试验报告设定柴油机转速、负荷、喷油脉宽和燃油轨压，对循环喷油量的仿真值和试验值进行对比，见表1.从表1可以看出误差较小，说明模型与实际情况具有较好的一致性.

表1 试验数据与仿真数据对比

4 共轨系统各参数对系统性能的影响

4.1 高压油泵转速对供油率的影响

图7 高压油泵转速对供油率的影响

从图7可以看出，随着高压油泵转速的提高，高压油泵的供油率和供油频率随之变化［12］.在凸轮升程，随着高压油泵转速的增大，柱塞的运动速度增大，柱塞腔压力升高较快，从而使供油泵与中间储油器之间的压差增大、供油率增大［13］.同样，由于转速增加，在凸轮回程，柱塞腔的压力下降较快，供油率下降也较快.

4.2 压力缓冲器容积对其压力稳定性的影响

燃油共轨管作为压力缓冲器，在供油和喷射过程中起着减小压力波动的作用，其容积对压力波动起着至关重要的作用.图8为共轨管设定压力为89.60 MPa 时，共轨管容积对中间储油器和共轨管压力的影响情况.从图中可以看出随着缓冲器容积的加大，缓冲器的压力波动逐渐减小.从理论上讲，缓冲器的容积越大越有利于压力稳定，但是为使柴油机在起动过程中尽快建立起油压，缓冲器的容积应尽量小.为了平衡二者的关系，在满足柴油机起动要求的前提下尽量选择较大的缓冲器容积.另外一种比较好的办法是将共轨管做成多段，各段之间通过阀门联通，当柴油机处于启动状态时让一段共轨管处于工作状态，柴油机起动后逐渐向各段共轨管供油，当各段共轨压力接近后，打开连接管路上的截止阀，使多段共轨串联工作，降低其压力波动.

图8 燃油共轨管容积对压力稳定性的影响

4.3 共轨压力对喷油率的影响

喷油率直接决定柴油机的动力性，是柴油机最为重要的参数之一.图9 给出柴油机在不同轨压下喷油率的变化情况，结合表1可以发现柴油机在99.97%和89.88%负荷下，其喷油始角和喷油脉宽基本相同，但是由于燃油轨压不同，导致高负荷时柴油机的喷油率高于低负荷时的喷油率.因此可以得出，相同喷油脉宽下提高轨压可以提高喷油率，如果柴油机转速相同则可得到较大的喷油量.

图9 共轨压力对喷油率的影响

5 结 论

(1)在研究7RT-flex 60C 柴油机燃油共轨系统工作原理的基础上，对其建立仿真模型，经验证，仿真的高压油泵柱塞升程、柱塞腔压力、共轨管压力、喷油器盛油腔压力和喷油率等参数与实际情况基本相符，验证模型的正确性.

(2)用仿真模型对影响燃油共轨系统性能的主要参数作进一步研究.结果表明，高压油泵的转速越高，供油率变化越快;相同喷油脉宽下，共轨压力增加，喷油率增加.另外，中间储油器、共轨管的容积对共轨压力波动有较大影响，建议在满足柴油机起动性能的基础上选用较大的缓冲器容积或采用分段式共轨管.

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篇5：柴油机电控系统

介绍了国外各种柴油机电控燃油喷射技术的.发展历程、系统典型代表及各阶段的技术特点,阐述了我国应达到国Ⅲ排放标准的技术措施及所采用的电控和非电控燃油喷射技术的特点,指出目前我国采用的电控分配泵、电控泵喷嘴、电控组合单体泵、高压共轨及电控直列泵+冷却EGR等柴油机燃油喷射技术路线可以满足国Ⅲ排放法规的要求.

作 者：包俊江 邢居真 高俊华 BAO Junjiang XING Juzhen GAO Junhua 作者单位：包俊江,高俊华,BAO Junjiang,GAO Junhua(中国汽车技术研究中心)

邢居真,XING Juzhen(武汉理工大学)

篇6：柴油机电控系统

一汽大柴电控高压共轨国Ⅲ柴油发动机-CA4DC2系列柴油机电气原理及使用维护(Ⅰ)

阐述大柴国Ⅲ电控高压共轨发动机的基本知识;论述电控单元(ECU)设计与应用关系;分析国Ⅲ机的常见故障;介绍其排除故障的方法.

作 者：周行卜 ZHOU Xing-bu 作者单位：一汽客车(无锡)有限公司技术中心,江苏,无锡,214177刊 名：汽车电器英文刊名：AUTO ELECTRIC PARTS年，卷(期)：“”(7)分类号：U464.107关键词：电控高压共轨 设计原理 国Ⅲ应用

篇7：03电控系统教案报告

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第三节 电控系统

发动机电控汽油喷射系统的电控系统一般由各种传感器、ECU和执行器三部分组成。电控系统的功用是接收来自表示发动机工作状态的各个传感器输送来的信号，根据ECU内预存的程序加以比较和修正，决定喷油量和点火提前角。各种传感器分别检测进气管中进气绝对压力、发动机转速、排气中的氧浓度、冷却液温度、进气温度和大气压力等，并将信息转换成电信号，输送给ECU，根据这些信号，ECU算出现工况最佳的点火正时，并启动各喷油器。ECU不仅控制燃油喷射正时、点火正时、怠速转速、EGR（废气再循环）、燃油压力和电动汽油泵，而且还具有故障自诊断功能。

图1-53 所示是与电控汽油喷射控制（EFI）有关的主要控制系统部件的构成。控制系统部件，按其机能不同可大致分为表1-5中所示的三类。

（一）水温传感器

水温传感器安装在发动机节温器出水口附近，它的功用是检测发动机冷却水温度。因为在发动机暖机过程中需要一定的附加加浓，其加浓量主要取决于发动机的温度、负荷和转速，为此采用水温传感器向ECU输送水温信号。

水温传感器的结构如图1-54a所示，它由封闭在金属盒内的对温度变化非常敏感的负温度系数热敏电阻（NTC电阻）构成，利用电阻值的变化来检测冷却水的温度。热敏电阻的特性如图1-54b所示，冷却水温度越低电阻值越大，冷却水温度越高电阻值越小。将该传感器的信号输入到ECU，就可以根据冷却水温度进行喷油量的控制。冷却水温度传感器与ECU的连接电路如图1-54c所示。汽车科 杨庆彪

（二）进气温度传感器

进气温度传感器是确定燃油基本喷油量的三个主要传感器之一，进行温度传感器是检测发动机吸入（进入空气流量计）的空气温度用的传感器，并将空气温度信号转变成ECU能识别的电信号传送给ECU，它根据进气温度的高低，做不同程度的额外喷油。

（三）曲轴位置传感器和发动机转速传感器

在EFI中，相对于发动机每一个工作循环吸入的空气量，都可以得到由ECU控制的符合最佳空燃比的燃油喷射量。空气流量计能够检测每个单位时间内的吸入空气量，但是不能检测每个工作循环内的吸入空气量。为了求出每个工作循环内的吸入空气量，就需要检测发动机转速。

当采用独立喷射和分组喷射时，为了有效地利用各自的喷射特点，需要选择特定的喷射时刻，因此还需要检测每缸的曲轴转角位置。

检测发动机转速及曲轴转角位置，需要采用发动机转速传感器和曲轴位置传感器。具有这种功能的传感器型式很多，目前均已实用化，其中使用最多的是电磁式传感器、光电式传感器和霍尔效应式传感器。

1、电磁式传感器

这种传感器可用于测定曲轴、凸轮轴和分电器驱动轴的转动位置，用来控制点火和燃油喷射时间或测量发动机转速。这种类型的传感器具有耐用、便于利用发动机飞轮齿圈、不需激励电压或放大器、能适应较大范围的温度变化、使用寿命长等特点，因此这种传感器应用比较广泛。

具体来讲，用来检测曲轴转角位置和发动机转速的电磁式传感器，是由如图1-58所示的复合转子和耦合线圈构成的。下面以四缸四行程发动机为例，就检测特定气缸曲轴转角基准位置（如压缩上止点）进行说明。

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2、光电式传感器

图1-60a所示是光电式传感器的工作原理图，位于光敏二极管的对面的是作为光源的发光二极管，在它们之间有一个能断续遮光的转盘。当转盘上的缺口、缝隙或小孔对准发光二极管时，光线可以通过，光敏二极管即发出信号指示转轴的某一位置或转速。它输出的信号是方波脉冲，故它能适应数字式控制系统的需要。这里的发光二极管的发光频率一般在红外线和紫外线范围内，是肉眼看不见的。

图1-60b、c所示为六缸发动机用分电器内的光电式曲轴转角传感器的结构，由发光二极管和光敏二极管组合来计测带缝隙的转盘的旋转位置，安装在分电器内（或凸轮轴前部）。它决定分组喷射控制及电子点火控制曲轴每转两转的喷油正时和点火正时。在转盘上每隔60°设置了宽度不同的4种缝隙，利用发光二极管发出的光束，经过安装在分电器轴上转盘的刻度缝隙，照射在光敏二极管上，使波形电路产生电信号、并传给ECU。

3、霍尔效应传感器

如图4-61所示，磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。

霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起汽车科 杨庆彪

传感作用，需要用机械的方法来改变磁场强度。图1-61所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。

4、其他传感器

上面所述的电磁式传感器，除能够检测发动机转速外，还能够检测曲轴转角位置。如果只是检测发动机转速时，可以采用把点火线圈的点火初级信号直接输入ECU的简易方式。

点火线圈初级电流切断时产生的反电动势，可达300V~400V（图1-62a）。把这一电压信号输入ECU，通过同基准电压相比较，形成点火信号脉冲，然后测量脉冲间隔，就可以测出发动机转速（图1-62b）。由于这种方法只能检测点火信号，难以选择特定的曲轴转角位置，所以在独立喷射和分组喷射中不适用。这种方法多用于所有气缸进行同时喷射的情况。

（五）节气门开度传感器

1、线性式节气门开度传感器

图1-67a所示为线性式节气门开度传感器的结构图，传感器有两个同节气门联动的可动电刷触点，一个触点可在位于基板上的电阻体上滑动，利用电阻值的变化，测行与节气门开度相对应的线性输出电压，根据输出的电压值，应可知道节气门的开度。但是，与节气门开度相对应的电阻体的电阻值，多少都存在偏差，因此影响了节气门开度检测的准确性。

开关式节气门开度传感器与上述线性节气门开度传感器相比，节气门开度的检测性差，但结构简单，价格便宜。汽车科 杨庆彪

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（六）爆震传感器

爆震是指燃烧室中，本应逐渐燃烧的部分混合气突然自燃的现象。爆震使发动机部件受高温、高压，会使燃烧室和冷却系过热，严重的可使活塞顶部熔化，爆震还会使发动机功率下降，燃油消耗率上升。

点火时间过早是产生爆震的一个主要原因，发动机发出最大扭矩的点火时刻MBT是在开始产生爆震点火时刻（爆震极限）的附近。因此，在设定点火时刻时，需要留有离开爆震界限的余量。无爆震控制时，所留余量应大些，这时的点火时刻比发出最大扭矩时的点火时刻滞后，所以扭矩有所降低。如果用爆震传感器能检测到爆震界限，那么就可以把点火时刻调到接近爆震极限的位置，以便能更有效地得到发动机的输出功率。

爆震传感器检测发则发动机爆震时，一般安装在发动机的缸体上。

1、磁致伸缩式爆震传感器

图1-73所示为磁致伸缩式爆震传感器的结构，该传感器由壳体、永久磁铁、可被永久磁铁励磁的强磁体铁心、缠绕在铁心周围的线圈等构成。

发动机爆震时产生的压力波，其频率范围约为1kHz~10kHz。压力波传给气缸，当发动机缸体振动时，在7kHz左右将发生共振，在强磁体铁心上发生的压缩变形，将使其磁通量发生变化。这样，永久磁铁通过铁心的磁场变化，使铁心周围的感应电动势发生变化。

2、压电式爆震传感器

利用压电晶体的压电效应制成的爆震传感器，把爆震传到缸体上的机汽车科 杨庆彪

械振动转变成电信号，这种爆震传感器有共振型和非共振型两种。共振型爆震传感器，是由与爆震几乎具有相同共振频率的振子和能够检测振动压力并将其转换成电信号的压电元件构成，非共振型爆震传感器是用压电元件直接检测爆震信息。除此之外，还有在火花塞的热圈部位装上压电元件，根据燃烧压力检测爆震信息。

当发动机缸体的振动传到爆震传感器壳体时，壳体与平衡块之间产生相对运动，从而使夹在中间的压电元件所承受的推压力变化。于是，随着压电元件承受推压作用力而产生电压。在控制组件上只检出频率达到7kHz左右时爆震所产生的电压，通过该电压值的大小可判定爆震强度。

爆震传感器由于结构不同、输出信号的频率有宽窄两种，如图1-76a所示。

共振型爆震传感器的输出波形，如果发生爆震，燃烧期间的输出振幅将增大，把这期间的输出波形进行滤波处理，根据其阻值大小判定爆震的有无。图1-77所示为把爆震传感器的输出信号进行滤波处理并判定爆震有无的程序框图实例。

图1-78所示是爆震控制处理时间图，因为爆震仅在燃烧期间发生，所以为了避免干扰引起的误检测，只在爆震判定期间进行判定处理。由微机程序完成的爆震控制，在检测到爆震时，立即把点火时刻变成滞后角，在无爆震时，则采用提前角反馈控制形式，这是点火时刻控制中的追加机能。图1-79所示是爆震传感器与ECU的连接图。

（七）氧传感器

1973年开始制定了汽车排放法规，到了1978年排放法规更为严格。为了与新的排放法规相适应，在汽车上采用了三元催化剂排气净化装置。为充分发挥三元催化剂的净化特性，需要把空燃比控制在理论空燃比（λ=1）附近的狭窄范围内，如图1-80所示。汽车科 杨庆彪

发动机废气中的氧含量直接反映发动机空燃比，因此检测发动机废气中的氧含量是控制混合气空燃比的有效手段。废气中的氧气超过一定限度说明混合气偏稀，而废气中完全没有氧气侧说明混合气偏浓，偏浓混合气将会造成排气污染。

氧传感器的作用是指示发动机中混合气的燃烧是否完全，测定废气中的氧含量，然后将检测的结果及时反馈给发动机的控制系统，以便使发动机控制系统不论发动机机械状态如何，都能有效地对燃料系统进行调控，把混合气的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内，使装有三元催化转换器的发动机达到最佳的排气净化效果。氧传感器装在排气歧管或前排气管内，如图1-81所示。

现在已经实用化了的氧传感器，有氧化锆（ZrO2）氧传感器和二氧化钛（TiO2）氧传感器两种。氧化锆氧传感器，是利用氧化锆高温时其内外两侧氧浓度差，使其产生电动势的特性来测量废气中氧的浓度。二氧化钛氧传感器是利用二氧化钛周围氧气分压的不同而进行氧化或还原反应，从而使电阻发生变化的原理来测量废气中氧的浓度。根据氧传感器是否需要加热，可将氧传感器分为加热式和不加热式，二氧化钛氧传感器为加热式，氧化锆氧传感器有加热型的也有不加热型的。加热式氧传感器上一般有3根引线（三线式），其中一根为信号线，另外两根为加热线；而不加热式氧传感器为单线式，即只有一根信号线。

1、氧化锆（ZrO2）氧传感器

图1-82所示为氧化锆氧传感器的结构，该传感器由可产生电动势的多孔二氧化锆陶瓷管、具有导线作用的套管以及为防止氧化锆管破损的防护罩与导入排气的通气窗等构成。在试管状氧化锆元素的内外两侧，设置了白金电极，为了保护白金电极，用陶瓷包覆电极外侧，内侧输入氧浓度高的大气，外侧输入氧浓度低的汽车排出气体。汽车科 杨庆彪

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（八）大气压力传感器

当使用叶片式和卡门涡旋式空气流量计时，随着大气压力的变化，吸入空气的密度发生变化，从而影响混合气的空燃比。为此需要检测大气压力，以便对燃油喷射进行修正。

检测大气压力需采用大气压力传感器，同第二节中所述的测定进气管压力的半导体式进气歧管压力传感器一样，测定大气压力大多采用根据压电效应制成的半导体式压力传感器。

（九）开关信号

1、起动信号（STA）

起动信号用来判断发动机是否处在起动状态。在起动时，进气管内混合气流速慢，温度低，因此燃油的雾化较差。为了改善起动性能，在起动发动机时必须使混合气加浓。当STA信号被ECU检测到后，确认发动机处于起动状态时，ECU便自动增加喷油量。从图1-92的起动电路中可以看出：起动信号和起动机的电源连在一起，都由空档起动开关来进行控制。

在装有自动变速器的汽车上，ECU根据空档起动开关信号判别变速是处于“P”或“N”（停车或空档），还是处于“L”、“2”、“D”或“R”状态（行驶状态）。NSW信号主要用于怠速系统的控制，其电路如图1-93所示。

当点火开关在ST位置时，NSW端与蓄电池相连接，当自动变速器处于“L”、“2”、“D”或“R”档位（行驶状态档位）时，空档起动开关断开，汽车科 杨庆彪

NSW端是高电压；当自动变速器处于“P”或“N”（停车或空档）时，空档起动开关闭合，此时由于起动机的载荷，造成压降，NSW端是低电压。

3、空调信号（A/C）

空调信号用来检测空调压缩机是否工作，空调信号与空调压缩机电磁离合器的电源在一起，ECU根据A/C信号控制发动机怠速时点火提前角、怠速转速和断油转速等。

4、电子负荷信号（E/L）

电子负荷信号用来检测电子负荷的大小，ECU根据此信号控制发动机工况。

5、动力转向信号（P/S）

P/S信号用于检测动力转向机的工作状态，ECU根据此信号控制进入发动机的混合气量。

（十）可变电阻器型传感器

在不装氧传感器的D型EFI系统中使用可变电阻器改变混合气的浓度（如图1-94所示），旋转怠速调整螺钉，使电阻器内触点移动，改变VAF端输出电压。顺时针旋转怠速调整螺钉，VAF电压升高，ECU使喷油量稍有增加，从而使混合气加浓。

在装有氧传感器的D型EFI系统中，ECU根据氧传感器的输入信号修正怠速混合气的空燃比，因而不需要可变电阻器。

（十一）主继电器

主继电器的作用是使包括ECU在内的电控汽油喷射（EFI）系统的各部件，不受电源干扰和电压脉冲的影响。

主继电器一般多采用滑阀型，图1-97所示是主继电器的结构图，图1-98a所示为不装步进电动机怠速控制阀（ISCV）的主继电器的电源电路。当点火开关接通时，电流流过主继电器内的线圈，滑阀（可动铁心）被吸汽车科 杨庆彪

引，触点闭合，电源通过主继电器为ECU的+B和B1端供电。电源总是与ECU的Batt端相连，以便在点火开关关闭后，ECU存储器中存储的故障诊断代码和数据仍能保存。

图1-98b所示是装有步进电同怠速控制阀（ISCV）的主继电器的电源电路，主继电器由ECU控制。当点火开关接通时，电源与ECU的IG、S/W端相通，主继电器控制电路通过ECU的M-REL端将主继电器接通，主继电器触点闭合，电源为ECU的+B和B1端供电。

主继电器根据车辆型号的不同，可分为“单触点式”和“双触点式”两种。采用双回路或点火开关的汽车，使用单触点式主继电器，具体接线如图1-99a所示。在采用单向回路式点火开关的汽车，使用双触点式主继电器，其具体接线如图1-99b所示，这些电路对检修电路极有参考价值。

（十二）电子综合控制装置（ECU）

电子综合控制装置，它根据各种传感器送来的信号，确定满足发动机运转状态所需的燃油喷射量，并根据该喷射量去控制喷油器的喷射时间。

首先，根据吸入发动机的空气量和发动机转速计算基本喷射时间，再依据各传感器传来的信号进行修正，最后决定总的喷射时间（燃油喷射量）。过去，ECU仅仅是控制燃油喷射（EFI），最近，由于引入了微型电子计算机，功能扩大，除了EFI控制之外，还具有点火时间控制、怠速控制等多种功能。

由于使用微机，引入了数字化控制，与过去的模拟控制相比，在短时间内能进行更多信息的处理，因此就可以实现多种功能的高精度集中控制。现在所用的大部分ECU，内部都装有微机，所以下面只对包含微机的ECU进行介绍。但在此只介绍对EFI的控制，关于EFI之外的控制，将在有关章节内详细介绍。

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篇8：高压共轨柴油机电控系统设计

电控系统用电负荷复杂多样, 工作环境电磁干扰强烈, ECU必须能够抵御任何外部的电磁干扰, 除了采取线性滤波、合理的线路板布局、屏蔽措施等, 正确的电源设计可以有效减少有源干扰。为使柴油机总体满足各项性能指标, 电控系统电源设计必须具有高功率密度、高效率和高可靠性, 因此本系统不采用封装完好的模块式电源, 尚且没有现成产品, 而在功率半导体器件选择、拓扑结构研究、控制电路设计以及器件的排列布局等优化设计方面作充分考虑。随着电子技术的飞速发展, 多年来不断涌现的集成DC-DC电源控制器提供了越来越好的性能, 本系统电源主控制电路采用自主设计的非隔离型D C-DC变换器电路满足了柴油机各部件对电源系统的要求。

电源总体设计

电源设计总体结构及组成见图1, ECU由24V蓄电池供电, ECU对电源的要求是电源电压调整率低, 稳定性很好, 输入电压波动对输出电压的影响很小, 电压温度系数小, 当坏境温度变化时, 能有效抑制输出电压的漂移, 保持输出电压稳定, 电源的稳定度、输出电阻、纹波电压及温度系数等各项技术指标因具体电路各有侧重, 大多数电路为单5V电源。

CPU需要2.6V、3.3V、5V, 电磁阀调制需要±12V电源, 110V电源驱动喷油器电磁阀打开, 24V电源提供电磁阀维持电流, CAN通信的接口电路需要5VDC/DC隔离, 故障诊断仪供电5VDC/DC隔离, 电流稍大一些, 各传感器要求5V独立供电, 需要四路低电平输出驱动指示灯等的功率电源, 两路高电平输出驱动VNT和PCV阀的功率电源, 在起动或蓄电池过放电时, 蓄电池电压有可能低至16V, 在蓄电池过充电时能高达28V, 车体供电可能出现异常高压, ECU要求供电在16～48V波动时仍能维持正常运转。ECU电源模块包括高压模块、片内供电模块和外部供电模块。高压模块采用自行设计的开关电源, 具有结构小巧、工作效率高、电压稳定、带载能力强等特点, 达到了系统的要求。片内供电模块采用多通道输出的DC/DC电源模块, 具有处理电路少、稳定性和可靠性高的优点。外部供电模块采用电压可调的DC/DC电源模块, 采用高效磁性材料设计专用变压器, 提供4组带隔离的电压输出。同时电源系统设计满足电磁兼容要求, 且具有过流过压保护, 不因外界有害电压或电流的冲击而损坏, 通过电源检测电路和故障诊断策略确保ECU安全可靠工作。

硬件电路设计

1.电源滤波

电磁干扰EMI是指任何能中断、阻碍、降低或限制通信电子设备有效性能的电磁能量, 它分为传导干扰和辐射干扰, 电源EMI滤波器是一种抑制传导发射和辐射发射非常有效的方法, 根据电磁环境水平、带载能力以及阻抗匹配, 选择20A电源滤波器, 紧密布置在电源进ECU入口端, 考虑到充分利用有限的ECU空间以及可维修性, 通过螺柱悬空固定电源EMI滤波器。

2.CPU电源

采用英飞凌公司推出的多通道电压输出电源芯片T L E6368, 该芯片适用于汽车等12V/24V/42V电源网络, 专门为要求2.6V、3.3V、5V的32位微处理器提供电源。具有如下特征:效率高, 5.5～60V的宽输入电压范围, 电磁辐射低, 开关损耗小, 六路独立的5V/17mA电压输出可用于外部传感器供电, 三个独立欠压检测电路 (如复位、预警等) , 跟踪控制和诊断SPI, 所有输出都有短路保护。

3.模拟电源

选用LM2587单片开关式集成稳压器, 该稳压器是新型高效节能稳压电源, 其电源效率可达90%以上, 由于它把开关功率管集成在芯片中, 所以不仅性能优良, 而且外围电路简单, 输入电压为4～40V, 输出电流为5A, 开关频率为100kHz, 具有输出电流保护和热关断功能, 尤其适用于多电压输出场合。

该电路的工作原理为:若由于输入电压或负载电流以及内部参数变化, 引起输出直流电压VO波动, 取样回路立即将波动信号送入误差放大器, 且与基准电压比较, 然后将放大后的信号送至脉宽调制回路, 使脉宽调制器的脉冲占空比发生变化, 再将它送给功率开关调制管, 改变调整管的输出, 结果使稳压电源的直流输出电压VO维持不变。

4.通信及诊断电源

通过低压差线性稳压器LM3940实现稳压, 低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本、最低的噪声和最低的静态电流, 它的外围器件也很少, 通常只有一两个旁路电容, 与传统的线性稳压器相比, 它的最大优点是输入输出压差很低, 经过稳压作用, 可以使整流滤波后的纹波电压大大降低。

5.传感器电源

电压跟随器TLE4250作为传感器电源, 成本低, 能有效防止传感器短路对控制器产生冲击, 采用很小的SMD封装, 具有较宽的输入电压范围, 能输出最大50mA的电流, 并对过温、反接、短路等进行保护 (见图2) 。

6.升压电路

采用脉宽调制方式实现升压, 控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈, 从而调节占空比, 推动开关功率管的开与关, 使开关电源能够根据敲阀造成的高压能量损耗降低得到及时补充达到稳定。在设计中, 控制方法的选择和设计对于开关电源的性能来说十分重要, 采用不同的检测信号和不同的控制电路会有不同的控制效果, 本系统采用定频控制方式的电压电流联合控制, 采用数字电位器通过用数字信号改变其阻值, 从而改变升压电流与电源。

为了降低升压电路功率损耗, 选用低导通电阻和快速开关速度的高功率MOSFET管, 选用合适的驱动电路, 降低开关管的导通和关断损耗, 选用合适的开关频率, 开关频率越低, 开关管及升压电感的开关损耗就越小, 但最小不能小于20kHz, 输出整流选用肖特基二极管, 输出滤波电容采用多个并联, 降低电容的ESR, 升压电路的控制速度、效率、功耗很大程度上都是由PWM比较器决定, 电路的反应速度与输入信号差的绝对值有关, 该绝对值越大, 反应速度也越快 (见图3) 。

7.高低位电源开关

选用BTS432作为高位电源开关, BTS432导通电阻38mΩ, 负载电流11A, 操作电压4.5～42V, 电压具有负载突降和电池反接保护、负电压输出箝位、短路保护、电流限制、热关断、诊断反馈、开路检测、CMOS兼容输入、过压保护、欠压与过压关断等特点。

选用TLE6220作为低位电源开关, TLE6220是低端智能功率电源开关, 具有如下功能:短路保护、过热保护、过压保护、八位串行数据输入和诊断输出, 包括负载开路检测、对地短路检测、对电源短路检测、低静态电流、u C兼容输入, 特别适合电源管理和动力总成系统, 本系统采用两片低位开关通过级联方式, 提供八路低位电源开关。

8.电源检测及复位

电源的瞬间异常变化会导致电控系统巨大的损失, E C U多数器件对其工作电压要求较高, 偏差不能超过5%, 一旦工作电压超出该偏差, 长时间工作容易缩短器件寿命甚至烧毁, 需要对电源状态进行监测和分析, 以加强防范措施, 限制强干扰源, 保证电源可靠工作。

本系统所有电源都设计检测电路, 通过合理分压, 分配到QADC不同通道, 包括八路传感器供电输出、5V电压基准、逻辑5V电压、24V蓄电池电压、高压电压、±12V电压。复位电路包括上电复位、通用看门狗复位电路、集成看门狗复位电路。

电源控制与诊断

1.TLE6368的控制与诊断

通过一个标准的16位SPI接口作为控制和诊断, 可以通过对相应寄存器写控制命令, 热启动复位时间, 看门狗触发使能, 看门狗激活或关闭时间, 六路5V输出单独关闭或打开, 通过读相应寄存器读TLE6368工作状态, 包括芯片正常操作与预警, 各个5V输出开, 关闭或短路, 冷热起动, 看门狗操作是否正常, 2.6V、3.3V、5V, 是否工作正常等。

2.TLE6220的控制与诊断

TLE6220主要用来指示发动机运行状态, 控制可以有并行和串行两种模式, 并行输入和对应的串行位可以是“AND”或“OR”, 通过SPI编程指定, 分别控制四路低位开关输出, 只能是通过SPI进行串行诊断, 时钟下降沿采样数据输入, 时钟上升沿进行数据输出, 通过控制命令符对芯片编程, 控制命令符由四位控制位与四位数据位组成。

首先通过写命令AXH进行SPI口自诊断, 如果SPI工作正常, 可以通过控制符OXH只进行诊断功能, 不控制输出, 而且只返回当前状态, 控制符CXH表示读出并行控制方式各通道的输入信号与诊断状态, 控制符0 0 1 1D3 D2 D1 D0执行并行与串行或控制, 控制符1 1 1 1 D3D2 D1 D0执行并行与串行与控制, 诊断输出码规定如图4所示。

结语