柴油机电控系统分析与研究

梁国祥，郭俊宝，康毅，程红红，赵梦莹

（山西柴油机工业有限责任公司，山西 大同 037036）

1 引言

柴油机是社会多个领域应用中的重设备，现如今，世界上许多国家在电控柴油机研究方面投入了大量精力和财力，不仅如此，英国、日本、德国及美国等世界发达国家均向市场输送了许多相对成熟的电控柴油机产品， 如美国德尔福公司MuletecDCR 1400 高压共轨燃油喷射系统等。 相对于发达国家，我国电控柴油机研究技术稍显落后，呈现能耗大、污染排放严重和可靠性差等缺陷，尤其是船用柴油机，可见，我国柴油机电控技术研究还有很长的路要走。

2 柴油机电控系统概述

2.1 柴油机电控技术发展历程

从历史发展情况看， 柴油机电子控制系统的开发处于前列，且已实现大规模发展，如电子控制柴油喷射系统，其基本组成如图1 所示。

图1 电子控制柴油喷射系统基本组成示意图

截至目前， 电控柴油喷射系统已经历了3 次控制形式的变化：位置控制式电控柴油喷射系统、时间控制式电控柴油喷射系统[1]、高压共轨式电控柴油喷射系统。

2.2 柴油机电控系统功能及特点

柴油机电控系统的功能呈多样化特征，一方面，其能对燃油喷射进行控制，另一方面，其还具备综合控制柴油机与自动变速器、故障自诊断和失效保护、巡航控制、启动控制、排放控制、增压控制、进气控制及怠速控制的功能。

柴油机电控系统具有传统机械控制系统所不具备的优势，其可强化发动机的经济性和动力性，并减少柴油机运行过程中诸如微粒、氮氧化物一类的污染物排放，同时实现发动机运转稳定性、低温启动性的优化与改善，且更好地控制涡轮增压，使发动机能在更广泛的场景中应用。 可见，电控柴油机自身的控制精度更高，且能在更短时间内做出响应。

3 柴油机电控系统工作原理

柴油机电控系统在反馈柴油机工况时， 主要以柴油机自身的负荷和转速作为基本信号，与此同时，相关试验将柴油机的各种运行工况与喷油定时MAP 及喷油量相对应，进而明确喷油定时与喷油量。 此后，以大气压力、油温、水温等因素为依据， 对柴油机进行补偿， 以实现喷油正时和喷油量的最佳条件，并使用执行器完成控制输出。

电控单元（ECU）、传感器及执行器是组成柴油机电子控制系统的三大构成要素。任何柴油机电控系统的工作原理基本一致，均围绕电控单元，将其作为系统的控制核心，系统控制基础为各种传感器，控制对象为执行器，从而使系统中每个部件处于最佳工作状态。 柴油机发动机的控制原理如图2 所示。

图2 柴油发动机电子控制原理示意图

柴油机电子控制系统在实际应用时通过各类传感器完成信号的输入，包括冷却液温度、燃油温度、进气温度、进气压力、喷油时刻、加速踏板位置及转速等，将信号输送至A/D 转换器后，凭借电子控制单元的接口完成输入。 值得一提的是，进入A/D 转换器中的信号必须为模拟量的状态[2]。 另外，在ECU 储存器中， 储存有传感器所需的状态目标参数或发动机调控参数，对于电子控制系统传感器输入的各类信息，柴油机电控单元能判断、 处理并运算相关信号， 以参数图谱（MAP图）或已储存的设定参数值为依据，将处理后的信号与之进行比较。 当既定参照值与被比较数据一致时，柴油机电子系统整体将保持在原有状态，且继续运行；一旦被比较数据与既定参数值之间存在差距时，ECU 将按照偏离值的正负或大小，采取相应策略对相关信息进行控制或处理。

此外， 柴油机电控系统中的执行器会遵循电子控制单元的指令， 对电磁阀关闭持续的时间或供油齿条的位置进行控制，从而达到控制喷油量的目标。 同时，在通过执行器控制电磁阀关闭始点、正时控制阀开闭的基础上，还可以对喷油正时进行有效控制。 不仅如此，为优化柴油机的运行状态，使其处于良好工况，执行器还可控制多个具体的执行机构,如预热塞、废气再循环阀等，以发挥柴油机电控系统效能。

4 柴油机电控系统的控制功能

就实际应用成果而言， 柴油机电控系统在具体使用的过程中，具备多重控制功能，这些控制功能主要体现在如下几个方面。

第一，柴油机电控系统能够将以往柴油机在使用期间存在的较为严重的尾气排放污染问题进行有效改善，在实现这一目的的过程中，柴油机电控系统的控制功能基本体现在控制柴油机喷油时间和喷油量等方面， 这可以使混合气的燃烧更加充分。 一方面，可以实现燃料利用率的充分提升，另一方面，也可以达成更加可观的环境保护效果。

第二， 柴油机电控系统还能做到有效控制故障诊断、EGR阀、涡轮增压、空调、燃油喷油、发动机怠速进气等多个方面。

第三， 高压共轨系统依托于压力传感器能够对油轨内部的燃油压力进行精准测量， 以此达成对油泵供油量进行精准调整的目标。 与此同时，通过对喷油器电磁阀开启时间的长短进行控制，还可以对喷油时间进行有效控制，以此实现柴油机运行性能的充分优化。

5 柴油机电控系统的组成要素

构成柴油机电控系统的要素主要涉及3 种， 分别为柴油机电控单元、传感器及执行器。

5.1 柴油机电控单元

电控单元（ECU）即柴油机控制模块，是柴油机电控系统中的电子控制器。该部分的主要功能是对各类开关和传感器的信号进行接收，并以此为基础开展运算、判断、比较、分析。在此之后，通过电控单元中存储的发动机促使程序向电控系统中的执行器下发相应的执行命令，从而达成控制喷油量和喷油正时的目的。 凭借CAN 总线，电控单元还能与其他控制系统开展信息传输和交流，以便对整个车体的运行进行控制，如SRS 系统的电控单元、AC 系统及汽车底盘传感装置系统等。

除上述功能外，电控系统还可进行故障诊断，当控制系统产生异常问题或故障时，电控单元可针对其展开识别，一旦确定为故障，将以“码”的方式存储在相应系统中，与此同时，汽车中相应的指示灯亮起， 从而使驾驶人员获悉车辆出现故障的基本情况并开展检修工作。 在柴油机电控系统中的电控单元涉及多项内容，包括控制功能、硬件、软件、标定与调试。

1）控制功能。 电控单元在柴油机电控系统中居于中枢地位，除ECU 外的机械部件主要作用是赋予柴油机设备某种功能，倘若不存在电控单元，这些机械部件将形同虚设。

2）硬件。 电控单元外观为金属材质的扁盒子，其内部设有拥有多路连接器的集成电路板， 这些连接器的主要功能是连接对外连接器与其他部件。

3）软件。 电控单元自身可被划分至微型计算机系统范畴，意味着软件是控制电控单元每项工作的实际主体。

4）标定与调试。 当柴油机受电控单元控制时，存在部分专用控制参数，当此类参数的取值存在差异时，最终的控制结果不同。

5.2 传感器

柴油机实现电控的一项重要仪器即传感器， 其能对车辆和发动机的运行状态进行感知和检验，此后，还可将感知和检验的结果进行转换，使之在传送至电控单元时能作为电信号。通常而言，相较于汽油机电控技术，在柴油机电控系统中的燃料喷射控制系统采用的传感器设备大致与前者相同， 在发动机电控技术中，氧传感器、进气压力与温度传感器、转速传感器及各种机械元件所处位置的传感器必不可少。 除此以外，在发动机电控单元中还具有开关量采集电路， 其目的是对不同开关量的状态数据进行检测，如巡航控制、车辆制动、档位、离合器和空调等开关量。 通过电控单元信息收集功能模块的各种数据均需处理，此后即可传送至发动机上的ECU，成为发动机控制动作的重要基础[3]。

5.3 执行器

执行器是柴油机电控系统中用于执行指令的构成要素，其在运行期间所接受的指令基本来源于电控单元， 在此基础上将所需调控任务予以完善， 主要是对喷油量和喷油正时进行调节，以此对柴油机设备的运行工况进行调整。 当柴油机电控系统的燃油喷射系统不同时， 系统中存在的执行元件表现出较大差异。 柴油机电控系统中执行器的水平直接影响柴油机自身的性能。

柴油机电控系统存在多种形式的执行器。

1）电控高压燃油设备，这类设备是柴油机电控系统中最关键的执行器。 尽管其存在多种形式，且每种形式的设备结构原理存在差异，但在控制控油时间时，基本是借助供油控制的电脉冲而实现的。 针对每个喷射的供油时间进行控制时，往往利用供油控制电脉冲功能，限制了其宽度。

2）废气再循环阀，此种执行器是一种气阀，由真空腔体控制器或比例电磁铁控制的一类执行器。 通常，气阀的开度可对废弃的再循环量造成直接作用， 直接关系到汽油发动机污染物质中的氮氧化物的浓度。 除此以外，柴油发动机电控系统中的执行器还包含控制开关等。

6 结语

随着电子控制技术和微处理器的不断进步， 柴油机实现了通过电控系统控制运行的目的， 弥补了以往传统机械调节系统存在的缺陷，其本身的适应性和反应速度更加优良。 研究可知，柴油机电控单元、传感器和执行器是电控系统之中的3 大组成要素，决定了柴油机电控系统性能。整体而言，电控柴油机能有效改善以往柴油机的缺陷，即减少污染物质排放，因此，其可谓实现节能环保的有效路径。