柴油機電控系統(tǒng)分析與研究

梁國祥，郭俊寶，康毅，程紅紅，趙夢瑩

（山西柴油機工業(yè)有限責任公司，山西 大同 037036）

1 引言

柴油機是社會多個領域應用中的重設備，現(xiàn)如今，世界上許多國家在電控柴油機研究方面投入了大量精力和財力，不僅如此，英國、日本、德國及美國等世界發(fā)達國家均向市場輸送了許多相對成熟的電控柴油機產品， 如美國德爾福公司MuletecDCR 1400 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)等。 相對于發(fā)達國家，我國電控柴油機研究技術稍顯落后，呈現(xiàn)能耗大、污染排放嚴重和可靠性差等缺陷，尤其是船用柴油機，可見，我國柴油機電控技術研究還有很長的路要走。

2 柴油機電控系統(tǒng)概述

2.1 柴油機電控技術發(fā)展歷程

從歷史發(fā)展情況看， 柴油機電子控制系統(tǒng)的開發(fā)處于前列，且已實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展，如電子控制柴油噴射系統(tǒng)，其基本組成如圖1 所示。

圖1 電子控制柴油噴射系統(tǒng)基本組成示意圖

截至目前， 電控柴油噴射系統(tǒng)已經歷了3 次控制形式的變化：位置控制式電控柴油噴射系統(tǒng)、時間控制式電控柴油噴射系統(tǒng)[1]、高壓共軌式電控柴油噴射系統(tǒng)。

2.2 柴油機電控系統(tǒng)功能及特點

柴油機電控系統(tǒng)的功能呈多樣化特征，一方面，其能對燃油噴射進行控制，另一方面，其還具備綜合控制柴油機與自動變速器、故障自診斷和失效保護、巡航控制、啟動控制、排放控制、增壓控制、進氣控制及怠速控制的功能。

柴油機電控系統(tǒng)具有傳統(tǒng)機械控制系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢，其可強化發(fā)動機的經濟性和動力性，并減少柴油機運行過程中諸如微粒、氮氧化物一類的污染物排放，同時實現(xiàn)發(fā)動機運轉穩(wěn)定性、低溫啟動性的優(yōu)化與改善，且更好地控制渦輪增壓，使發(fā)動機能在更廣泛的場景中應用。 可見，電控柴油機自身的控制精度更高，且能在更短時間內做出響應。

3 柴油機電控系統(tǒng)工作原理

柴油機電控系統(tǒng)在反饋柴油機工況時， 主要以柴油機自身的負荷和轉速作為基本信號，與此同時，相關試驗將柴油機的各種運行工況與噴油定時MAP 及噴油量相對應，進而明確噴油定時與噴油量。 此后，以大氣壓力、油溫、水溫等因素為依據， 對柴油機進行補償， 以實現(xiàn)噴油正時和噴油量的最佳條件，并使用執(zhí)行器完成控制輸出。

電控單元（ECU）、傳感器及執(zhí)行器是組成柴油機電子控制系統(tǒng)的三大構成要素。任何柴油機電控系統(tǒng)的工作原理基本一致，均圍繞電控單元，將其作為系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)控制基礎為各種傳感器，控制對象為執(zhí)行器，從而使系統(tǒng)中每個部件處于最佳工作狀態(tài)。 柴油機發(fā)動機的控制原理如圖2 所示。

圖2 柴油發(fā)動機電子控制原理示意圖

柴油機電子控制系統(tǒng)在實際應用時通過各類傳感器完成信號的輸入，包括冷卻液溫度、燃油溫度、進氣溫度、進氣壓力、噴油時刻、加速踏板位置及轉速等，將信號輸送至A/D 轉換器后，憑借電子控制單元的接口完成輸入。 值得一提的是，進入A/D 轉換器中的信號必須為模擬量的狀態(tài)[2]。 另外，在ECU 儲存器中， 儲存有傳感器所需的狀態(tài)目標參數(shù)或發(fā)動機調控參數(shù)，對于電子控制系統(tǒng)傳感器輸入的各類信息，柴油機電控單元能判斷、 處理并運算相關信號， 以參數(shù)圖譜（MAP圖）或已儲存的設定參數(shù)值為依據，將處理后的信號與之進行比較。 當既定參照值與被比較數(shù)據一致時，柴油機電子系統(tǒng)整體將保持在原有狀態(tài)，且繼續(xù)運行；一旦被比較數(shù)據與既定參數(shù)值之間存在差距時，ECU 將按照偏離值的正負或大小，采取相應策略對相關信息進行控制或處理。

此外， 柴油機電控系統(tǒng)中的執(zhí)行器會遵循電子控制單元的指令， 對電磁閥關閉持續(xù)的時間或供油齒條的位置進行控制，從而達到控制噴油量的目標。 同時，在通過執(zhí)行器控制電磁閥關閉始點、正時控制閥開閉的基礎上，還可以對噴油正時進行有效控制。 不僅如此，為優(yōu)化柴油機的運行狀態(tài)，使其處于良好工況，執(zhí)行器還可控制多個具體的執(zhí)行機構,如預熱塞、廢氣再循環(huán)閥等，以發(fā)揮柴油機電控系統(tǒng)效能。

4 柴油機電控系統(tǒng)的控制功能

就實際應用成果而言， 柴油機電控系統(tǒng)在具體使用的過程中，具備多重控制功能，這些控制功能主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

第一，柴油機電控系統(tǒng)能夠將以往柴油機在使用期間存在的較為嚴重的尾氣排放污染問題進行有效改善，在實現(xiàn)這一目的的過程中，柴油機電控系統(tǒng)的控制功能基本體現(xiàn)在控制柴油機噴油時間和噴油量等方面， 這可以使混合氣的燃燒更加充分。 一方面，可以實現(xiàn)燃料利用率的充分提升，另一方面，也可以達成更加可觀的環(huán)境保護效果。

第二， 柴油機電控系統(tǒng)還能做到有效控制故障診斷、EGR閥、渦輪增壓、空調、燃油噴油、發(fā)動機怠速進氣等多個方面。

第三， 高壓共軌系統(tǒng)依托于壓力傳感器能夠對油軌內部的燃油壓力進行精準測量， 以此達成對油泵供油量進行精準調整的目標。 與此同時，通過對噴油器電磁閥開啟時間的長短進行控制，還可以對噴油時間進行有效控制，以此實現(xiàn)柴油機運行性能的充分優(yōu)化。

5 柴油機電控系統(tǒng)的組成要素

構成柴油機電控系統(tǒng)的要素主要涉及3 種， 分別為柴油機電控單元、傳感器及執(zhí)行器。

5.1 柴油機電控單元

電控單元（ECU）即柴油機控制模塊，是柴油機電控系統(tǒng)中的電子控制器。該部分的主要功能是對各類開關和傳感器的信號進行接收，并以此為基礎開展運算、判斷、比較、分析。在此之后，通過電控單元中存儲的發(fā)動機促使程序向電控系統(tǒng)中的執(zhí)行器下發(fā)相應的執(zhí)行命令，從而達成控制噴油量和噴油正時的目的。 憑借CAN 總線，電控單元還能與其他控制系統(tǒng)開展信息傳輸和交流，以便對整個車體的運行進行控制，如SRS 系統(tǒng)的電控單元、AC 系統(tǒng)及汽車底盤傳感裝置系統(tǒng)等。

除上述功能外，電控系統(tǒng)還可進行故障診斷，當控制系統(tǒng)產生異常問題或故障時，電控單元可針對其展開識別，一旦確定為故障，將以“碼”的方式存儲在相應系統(tǒng)中，與此同時，汽車中相應的指示燈亮起， 從而使駕駛人員獲悉車輛出現(xiàn)故障的基本情況并開展檢修工作。 在柴油機電控系統(tǒng)中的電控單元涉及多項內容，包括控制功能、硬件、軟件、標定與調試。

1）控制功能。 電控單元在柴油機電控系統(tǒng)中居于中樞地位，除ECU 外的機械部件主要作用是賦予柴油機設備某種功能，倘若不存在電控單元，這些機械部件將形同虛設。

2）硬件。 電控單元外觀為金屬材質的扁盒子，其內部設有擁有多路連接器的集成電路板， 這些連接器的主要功能是連接對外連接器與其他部件。

3）軟件。 電控單元自身可被劃分至微型計算機系統(tǒng)范疇，意味著軟件是控制電控單元每項工作的實際主體。

4）標定與調試。 當柴油機受電控單元控制時，存在部分專用控制參數(shù)，當此類參數(shù)的取值存在差異時，最終的控制結果不同。

5.2 傳感器

柴油機實現(xiàn)電控的一項重要儀器即傳感器， 其能對車輛和發(fā)動機的運行狀態(tài)進行感知和檢驗，此后，還可將感知和檢驗的結果進行轉換，使之在傳送至電控單元時能作為電信號。通常而言，相較于汽油機電控技術，在柴油機電控系統(tǒng)中的燃料噴射控制系統(tǒng)采用的傳感器設備大致與前者相同， 在發(fā)動機電控技術中，氧傳感器、進氣壓力與溫度傳感器、轉速傳感器及各種機械元件所處位置的傳感器必不可少。 除此以外，在發(fā)動機電控單元中還具有開關量采集電路， 其目的是對不同開關量的狀態(tài)數(shù)據進行檢測，如巡航控制、車輛制動、檔位、離合器和空調等開關量。 通過電控單元信息收集功能模塊的各種數(shù)據均需處理，此后即可傳送至發(fā)動機上的ECU，成為發(fā)動機控制動作的重要基礎[3]。

5.3 執(zhí)行器

執(zhí)行器是柴油機電控系統(tǒng)中用于執(zhí)行指令的構成要素，其在運行期間所接受的指令基本來源于電控單元， 在此基礎上將所需調控任務予以完善， 主要是對噴油量和噴油正時進行調節(jié)，以此對柴油機設備的運行工況進行調整。 當柴油機電控系統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)不同時， 系統(tǒng)中存在的執(zhí)行元件表現(xiàn)出較大差異。 柴油機電控系統(tǒng)中執(zhí)行器的水平直接影響柴油機自身的性能。

柴油機電控系統(tǒng)存在多種形式的執(zhí)行器。

1）電控高壓燃油設備，這類設備是柴油機電控系統(tǒng)中最關鍵的執(zhí)行器。 盡管其存在多種形式，且每種形式的設備結構原理存在差異，但在控制控油時間時，基本是借助供油控制的電脈沖而實現(xiàn)的。 針對每個噴射的供油時間進行控制時，往往利用供油控制電脈沖功能，限制了其寬度。

2）廢氣再循環(huán)閥，此種執(zhí)行器是一種氣閥，由真空腔體控制器或比例電磁鐵控制的一類執(zhí)行器。 通常，氣閥的開度可對廢棄的再循環(huán)量造成直接作用， 直接關系到汽油發(fā)動機污染物質中的氮氧化物的濃度。 除此以外，柴油發(fā)動機電控系統(tǒng)中的執(zhí)行器還包含控制開關等。

6 結語

隨著電子控制技術和微處理器的不斷進步， 柴油機實現(xiàn)了通過電控系統(tǒng)控制運行的目的， 彌補了以往傳統(tǒng)機械調節(jié)系統(tǒng)存在的缺陷，其本身的適應性和反應速度更加優(yōu)良。 研究可知，柴油機電控單元、傳感器和執(zhí)行器是電控系統(tǒng)之中的3 大組成要素，決定了柴油機電控系統(tǒng)性能。整體而言，電控柴油機能有效改善以往柴油機的缺陷，即減少污染物質排放，因此，其可謂實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的有效路徑。