柴油机电控系统的分析与研究

王喜顺

摘要：现在的柴油发动机大多使用了电控喷射系统，与传统的机械喷射系统相比，电控喷射系统可以有效地提高柴油机的动力性和经济性，同时大幅度降低尾气的污染。主要论述了柴油机电控系统的工作原理及其组成，为广大机手更好地了解电控柴油机提供帮助。

关键词：柴油机；电控系统；原理；组成

中图分类号：TK42文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.04.006

1柴油机电控系统的工作原理

电子控制系統是由信号传感器、ECU、执行器三大部分组成的。无论是哪种电子控制系统，其控制基本原理都是相同的，即以ECU为控制核心，以各传感器为控制基础，以执行器为控制对象，保证各系统都能在最佳的状态工作（如图1）。

采用转速、加速踏板位置、喷油时刻、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却液温度等传感器，将实时检测到的各种信号先送入模/数（A/D）转换器（如果输入信号是模拟量），然后通过电子控制单元的接口输入。

传感器在电子控制单元的储存器中，存有所需的发动机调控参数或状态目标数据。柴油机ECU对电控系统传感器输入的各种信息进行运算、处理、判断，与已储存的设定参数值或参数图谱（MAP图）进行比较，如果两者相同，则整个柴油机电子控制系统保持原状态，发动机继续按先前状态运行；反之，当实际参数偏离目标参数时，电子控制单元则会根据该偏离值的大小和极性（正和负），按一定的控制策略进行有关信息的处理。

执行器根据ECU指令控制喷油量（供油齿条位置或电磁阀关闭持续时间）和喷油正时（正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点），同时对废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，使柴油机运行状态达到最佳。

2柴油机电控系统的组成

柴油机电控系统一般由电控单元（ECU）、传感器和执行器三大部分组成，如图2所示。

2.1传感器

传感器的作用是不断采集柴油发动机在运行过程中的状态参数，并将这些物理量转换成电信号，然后将这些电信号输送到ECU。ECU根据传感器的信号进行不断的运行，并控制执行器工作。在电控柴油机中一般有下列传感器。

（1）进气温度和压力传感器。可以分别将柴油机进气（通过涡轮增压器后）的温度和压力转换成电压信号，这些信号经ECU处理后可以用于计算柴油机的进气量。

（2）曲轴信号传感器。曲轴信号传感器安装在靠近曲轴正时齿轮或飞轮的位置，当曲轴上安装的柴油机转速脉冲齿轮通过传感器时，传感器内线圈的磁场发生变化，从而产生交流电压。柴油机ECU将交流电压作为检测信号检测出来，通过对电压信号的处理，可以得到柴油机转速、角加速度的瞬态值和平均值。

（3） 凸轮轴信号传感器。凸轮轴信号传感器安装在凸轮轴旁边。当凸轮轴转动时，凸轮轴信号传感器就会产生与凸轮齿廓对应的电脉冲信号。凸轮轴信号主要用于对柴油机的运转状态做相角初定位。

（4）冷却液温度传感器。常用的冷却液温度传感器是用热敏电阻制成的，通过铜材料外壳的保护，直接安装在柴油机的冷却液循环通道内的合适位置。控制系统将根据不同的冷却液温度实施相应的控制策略。

（5）加速踏板位置传感器。在电控柴油机中，“油门”的功能由一个加速踏板位置传感器取代。其外观仍像传统的加速踏板，但它与供油量的控制没有任何机械的连接关系。在它的转轴位置安装着一个由精密导电塑料作为接触材料制成的电位器（也有汽车厂家采用霍尔元件），与加速踏板一起转动，可以将加速踏板的位置转角转换成电信号。控制系统通过对这种传感器的采样可以了解驾驶人的操控意图，并结合其他控制要素进行综合处理，最终控制供油量和供油时机。

（6）废气再循环阀位置传感器。废气再循环（EGR）阀门工作时连动着一个位置传感器，该传感器一般是由精密导电塑料制成的电位器，它将阀门的位移量转换为电信号量。通过对这种传感器采样，控制系统可以获取废气再循环阀的当前开度，通过与开度期望值的比较，可以决定此刻应对该阀门的控制动作。

2.2电控单元（ECU）

柴油机电控系统的电子控制器一般称为电控单元（ECU），也称为柴油机控制模块。它的作用是接收各种传感器和开关信号，进行运算、分析、比较、判断，根据ECU存储的发动机控制程序向执行器发出指令，实现喷油量和喷油正时的控制。电控单元通过CAN总线还可以和其他控制系统进行通信，如底盘传感装置系统、ABS/ASR系统、AC系统、SRS系统的ECU等进行信息交流，以便对全车进行综合控制。

ECU还具有故障诊断功能，当控制系统出现故障时，它会进行识别，当确认为故障时，以故障码的形式进行存储，并使指示灯点亮，提醒驾驶人进行检修。

（1）ECU的控制功能。在电控柴油机中，ECU是“大脑”。电控柴油机的所有机械部件只是使柴油机具备了能够发挥出效能的可能性，而只有在ECU的控制下，才能部分或全部发挥出其效能。

（2）ECU的硬件。从外观上看，ECU就是一个铝外壳的扁平盒子，里边装有一块集成电路板。集成电路板上有个多路的连接器，所有对外电路的连接都通过连接器实现。集成电路板上一般是采用贴片制造工艺安装的电路元件，其中最重要的元件是一片单片机芯片或称微控制器。另外，还有一些其他的元件完成一些辅助的输入输出功能。

（3）ECU的软件。ECU既然是微型计算机系统，它的所有工作当然是受软件控制的。ECU软件系统的主要功能有单片机芯片运行环境的配置、外部信号的输入操作、内部的逻辑运算和处理、对输出信号和驱动的控制、对其他信号系统的通信等。

（4）ECU的标定与调试。在ECU控制柴油机的工作过程中，有一些专用控制参数能够决定控制效果。这些控制参数的不同取值会不同程度、不同范围地影响最终控制效果。其中最重要的是每次喷射的供油量和供油相位。确定这些控制参数在每一个特定的工况条件下最佳取值量的调试过程称为标定。调试与标定过程需要利用另一台计算机，通过与ECU的通信，在ECU实时控制柴油机工作的过程中对每个工况进行标定。

2.3执行器

执行器是执行电控单元（ECU）发送的指令，并按指令调节喷油量和喷油正时，从而调节柴油机的运行状态。在直列泵系统中，有负责调节喷油泵齿杆位置的调速器执行器和负责调节喷油时间的喷油提前执行器。在分配泵系统、泵喷嘴、单体泵系统和高压共轨系统中，还有电磁阀等执行器。电控柴油机的执行器主要有下列几种。

（1）电控高压燃油设备。对于柴油机电控系统，最重要的执行器就是电控高压燃油设备。电控高压燃油设备有多种，结构原理虽有不同，但基本上都是依靠供油控制电脉冲的前沿来控制供油开始时刻，依靠供油控制电脉冲的宽度来控制每次喷射的供油量。

（2）废气再循环阀。废气再循环（EGR）阀是一种由比例电磁铁或真空腔控制的气阀，阀的开度决定了废气的再循环量。废气的再循环量会对柴油机排放物中的NOx含量有显著影响。在柴油机电控系统中，常使用脉宽驱动（PWM）方式来控制EGR阀开度。

（3）控制开关。根据柴油机的工作状况，柴油机需要随时对一些辅助的、附属的电器做出各种控制动作，针对这一类的控制动作有各种不同的控制逻辑。例如，当柴油机冷却液温度达到某一较高值时，需要及时开启冷却风扇进行散热。如果车辆运行速度较高而使冷却液温度低于某一数值时，需要及时关闭冷却风扇。对于需要较大工作电流的设备，常表现为由控制器驱动一些继电器来实现开关。而对于工作电流不是很大的设备，则可直接用控制设备的输出来驱动执行设备。

（4）可调喷嘴增压器。可调喷嘴增压器（VNT或VGT）是一种较新的柴油机增压设备部件，即可变喷嘴环涡轮机或可变几何参数涡轮机。该设备通过改变柴油机喷嘴环的角度调整涡轮机的工作性能，对于改善柴油机的低速转矩有极好的作用。

3柴油机电控系统的控制功能

电控柴油机可以有效地改变传统柴油机尾气排放污染严重等问题，其控制功能主要是对柴油机喷油量和喷油时间进行有效控制，使混合气燃烧充分。电控柴油机还对发动机怠速进气、燃油喷油、空调、涡轮增压、EGR阀、故障诊断等进行控制。在高压共轨系统中，利用压力传感器测量油轨内的燃油压力，从而调整油泵的供油量。通过喷油器电磁阀开启时间的长短，即可控制喷油时间。

参考文献：

[1]宋恩哲.柴油机电控技术研究及应用[J].柴油机，2011（4）.

[2]池建軍，侯妮娜.国内柴油机电控技术的现状及发展方向[J].机械管理开发，2007（1）.

（05）