柴油发动机电子控制系统的故障排除与原理介绍

柴油发动机电子控制系统

一、柴油发动机电子控制技术的发展状况

              国际上受日益严格的排放法规限止，目前柴油机电子控制技术在国外达到60%--90%

       优点：改善柴油机动力性、经济性、降低排放          和噪音。

二、柴油发动机电子控制系统内容及功能

1．喷油量控制

2．喷油正时控制

3．怠速控制

4．各缸喷油量不均匀修正

5．排气再循环控制

6．进气节流控制

7．增压控制

8．进气涡流强度控制

9．起动预热控制

10．故障自诊断及故    障保护功能

一、柴油发动机喷油量控制

•          发动机转速信号                    （基本喷油量）

•          节气门位置/加速踏板信号            （基本喷油量）

•          进气温度信号                       （修正喷油量）

•          进气压力信号                       （修正喷油量）

•          冷却液温度信号                     （修正喷油量）

              燃油特性修正、低温起动后修正、急减速修正以适应不同工况不同工作条件变化的需要。通过电磁溢流阀对喷油量进行精确控制

二、柴油发动机喷油正时控制
       喷油正时是由发动机转速和加速踏板位置决定的，并由冷却液温度、进气温度、进气压力等信号进行修正。通过着火正时传感器检测实际燃烧开始时刻实现对喷油正时的闭环控制。排除燃油十六烷值、大气条件变化引起喷油正时差异，实现对喷油正时的最佳控制。

三、柴油发动机怠速控制

       由于发电机、空调动力转向等辅助装置工作状态的变化引起柴油机负荷变化导致发动机转速变化。柴油机控制系统通过反馈控制系统控制怠速喷油量，使怠速控制在目标转速。

四、柴油发动机各缸喷油量不均匀修正

              由于各缸喷油泵的性能差异导致各缸喷油量的差异，引起发动机转速波动即所谓：怠速颤振。电控系统通过作工冲程时的曲轴转速变化判断各缸喷油量的差异。利用电磁溢流阀快速响应，及时修正各缸的喷油量来降低发动机转速波动，按各缸转速无波动偏差来控制各缸喷油量。

五、柴油发动机排气再循环控制

              减少排气中的NOX排放量，与汽油机电  控系统相同。

六、柴油发动机进气节流控制

              系统通过控制节气门的开度，控制进气量，降低怠速时的振动和噪声，停车时系统关闭节气门中断进气，减轻发动机的振动。

七、柴油发动机增压控制

              电控系统控制增压压力和进气量、空燃比。

八、柴油发动机进气涡流强度控制

              系统通过控制进气通道的变化，以便在不同转速负荷下更好地组织进气涡流，改善燃烧质量，提高动力性、经济性、降低排放和污染。

九、柴油发动机起动预热控制

              在不同的起动条件下系统通过控制起动预热塞的通电时间改善柴油机低温起动和低温怠速运转。

十、柴油发动机故障自诊断及故障保护功能

       此项与汽油机电控系统的故障自诊断失效保护功能基本相同。

三、柴油机电了控制系统的控制方式

柴油发动机控制方式可分为三大类：

                     1、开环控制、

                     2、闭环控制、

                     3、开环—闭环综合控制

1、开环控制

       特点：用电子控制装置取代喷油提前调节装置。结构：分配泵凸轮滚环→液压正时活塞→电磁阀控制（燃油反馈压力）电磁阀←控制单元←转速、冷却水温、总供油量由电控单元贮存的最佳供油提前角发出指令。

2、闭环控制

       电控单元根据喷油传感器着火正时传感器反馈信号通过电磁阀控制正时活塞达到最佳正时供油提前角。

3、开环—闭环综合控制

              电控单元把开环—闭环综合起来，调整实际喷油正时出现误差。进行误差补偿。通常在相邻两次喷油间就能达到调整点。

柴油发动机电子控制的组成及工作原理

1、提高柴油机的经济性降低排放污染

       确定最佳喷油提前角，和精确的喷油量。发动机转速、负荷、冷却水温、进气温度、燃油温度、压力等。

2、提高发动机工作可靠性

       防止齿条卡死“飞车”减油复位同时迅速切断高压泵时油，关闭进气通道。

3、对柴油机运行工况进行实际高精度控制

       微机对各种运行参数信息，进行监测处理迅速调节控制。实现柴油机运行工况实时高精度控制。

4、较强的适应性

       对于不同用途不同机型的柴油机，柴油机电子控制系统应有较强的适应性。主要是电控单元EPROM的软件程序调整产品匹配适应能力。

柴油发动机电控系统原理图

柴油机电子控系统组成

与汽油机一样仍然有信号输入装置、电控单元、执行器三部分。

一、柴油发动机传感器信号输入

1、油门踏板位置传感器、反应发动机的负荷信号及怠速确认，主控信号。

2、转速传感器、曲轴位置传感器主控信号与加速踏板位置传感器共同决定喷油量和喷油提前角。

3、泵角传感器、检测泵转角与曲轴位置传感器共同控制喷油量保证喷油正时改变时不影响喷油量。

4、着火正时传感器、检测燃烧室开始燃烧时刻修正喷油正时

5、冷却液温度传感器、控制发动机工作温度，修正喷油量与喷油正时。

6、进气温度传感器、检测进气温度、修正喷油量与喷油正时。

7、进气压力传感器、检测进气压力、修正喷油量与喷油正时。

8、溢流环位置传感器、检测溢流控制电磁铁的电枢位置，以反馈控制溢流环位置。

9、正时活塞位置传感器、检测电子控制定时器正时活塞位置，将喷油正时提前量信号输入ECU。

10、控制杆位置传感器、检测电子控制柱塞式喷油泵调速器中控制杆位置将喷射量的增减信号反馈给ECU

11、控制套筒位置传感器、检测电控分配式喷油泵调整器中控制筒位置将喷油量增减信号反馈给ECU

12、发动机点火开关信号、空调信号、动力转向油压开关信号、空挡起动开关信号

二、柴油发动机电子控制单元  ECU

              功能与组成汽油机电控单元基本相同。

三、柴油发动机执行器

              电动调速器、溢流控制电磁铁、电子控制正时控制阀、电子控制正时器、电磁溢流阀、高速电磁阀、电子液力控制喷油器等。

柴油机电子控制系统类型结构及工作原理

一、柴油发动机电子控制式喷油泵

       主体是普通喷油泵、电子控制调速器和喷油提前角调节器，电控式喷油泵 

                     分：1、柱塞式、2、分配式

1、柴油发动机电子控制柱塞式喷油泵

   传感器：加速踏板位置传感器、水温传感器、N-TDC传感器（转速-凸轮轴位置传感器）、起动开关、空调开关

2、实际动作反馈信号：时间传感器、控制杆位置传感器（电动调速器内）

ECU 对输入控制信号和反馈进行分析处理计算发出相应的喷油量及喷油提前角命令执行元件：电动调速器、电磁阀、执行精确喷油量和喷油提前角。

1、喷油量控制

       ECU 控制电动助推器上下移动，通过联杆机构变为控制杆水平移动，实现喷油量的增减控制。

2、喷油提前角控制

       ECU控制电磁阀来控制发动机机油泵进入时间控制器的油压，使时间控制器动作改变喷油泵凸轮轴与油泵驱动轴曲轴相对位置来实现的。

柴油发动机电磁阀结构双组式

       P孔道发动机主油道进入电磁阀

       R孔道回流通道，一部分机油流回发动机油底壳。

       A孔道控制油压流入时间控制器。

       ECU控制电磁阀调节R孔的回流量从而控制控制A通往时间控制器的油压控制调节活塞位置来实现喷油提前调节。

时间控制器结构

       组成：缸筒、活塞、大小凸轮、法兰园盘受电磁阀控制的油压大小、活塞位置发生改变通过活塞上的销带动凸轮偏转带动法兰偏转一定角度实现喷油提前调节。

2、柴油发动机电子控制分配式喷油泵组成：

       输入信号：加速踏板位置传感器、转速传感器、水温感器、燃油温度传感器、起动开关反馈信号：套筒位置传感器

电控单元分析处理计算发出喷油量及喷油提前角参数命令。执行元件电动调速器时间控制器接受ECU指令精确控制喷油量和喷油提前角。

柴油发动机燃油温度传感器G81

柴油发动机调节活塞位置传感器G149

柴油发动机油量调节器N146

柴油发动机供油提前角自动调节机构

柴油发动机供油提前角调节阀 N108

柴油发动机停机断油示意图

1、柴油发动机喷油量控制

       是由ECU控制电动调速器中的控制套筒的位置来实现增减喷油量。转子式电磁执行器和油量控制机构组成

工作原理：

       非对称磁极芯上绕有线圈ECU根据有关输入信号可通过改变占空比的方法控制流入线圈电流大小使转子在0-60%范围内旋转，通过转子轴端偏心安装的滚珠改变控制套筒的位置来实现喷油量的增减控制，转子上端有控制套筒位置传感器用以向ECU反馈喷油量的变化情况。

2、柴油发动机喷油提前角的控制

电控分配泵喷油提前角的控制由时间控制器（定时器）控制

       原理迅时控制阀受ECU控制正时活塞高压室和低压室的中间通路，控制通往正时活塞高压室的油压来实现对喷油提前角的控制。

       当正时控制阀线圈通电时高低压室相通正时活塞两端压力差消失，回位弹簧作用正时活塞回位使喷油时间推迟，反之正时控制阀断电，使喷油时间提前。

柴油发动机用电子控制VE型喷油泵（COVEC-I）日本五十铃公司4FB1柴油机电子控制系统（1-TEC）

柴油发动机电动调速器的构成

柴油发动机电动调速器剖面原理

2L-THE型柴油机电子控制系统ECD

有ECD-Ⅰ型和ECD-Ⅱ两种。

ECD-Ⅰ型仍保留一部分机械控制机构只是喷油量及喷油提前角采用电子控制方式喷油量是采用电磁铁控制杆移动溢流环的位置来实现的。

ECD-Ⅱ型在喷油量的控制方式有根本改变它是通过ECU控制电磁溢流阀、定时开关溢流通路实现控制喷油量的同时采用了着火正时传感器检测柴油混合气开始燃烧时刻更精确的控制喷油提前角。

ECD-Ⅰ型柴油机电子控制系统

输入信号：转速传感器、加速踏板位置、水温、进气温度、进气压力、发动机开关、空调、P/N档开关。

反馈信号：溢流环位置、正时活塞位置

控制喷油量的执行器：溢流控制电磁铁、喷油提前正时控制阀、进气节流阀、废气再循环、真空控制阀。

1、柴油发动机喷油量控制

       溢流控制电磁铁使控制杆移动控制溢流环的位置来实现。流入定子线圈的电流在0.4-0.9A变化。

2、喷油提前角

       正时控制电磁阀，控制正时来完成控制高低压室的柴油压力差来实现。

五十铃4FB1-TEC丰田公司的2L-THE柴油机ECD-Ⅰ型、ECD-Ⅱ均采用这种喷油正时控制方式。

ECD-Ⅱ型柴油机电子控系统

1、柴油发动机喷油量

       只有燃油特征修正、低温起动修正、急减速修正。

2、柴油发动机喷油提前角

       对负荷、转速、温度、压力、修正、实际燃烧开始时间修正、减小燃油十六烷值和大气条件变化的影响。

3、柴油发动机怠速控制

       空调、发电机、动力转向、P/N档开关、引起发动机负荷变化，电控单元仍控制在目标稳定怠速同时反馈控制方式控制怠速喷油量

4、柴油发动机各缸喷油量不均匀修正

       通过曲轴位置传感器检测曲轴转速变化来判断利用电磁溢流阀的快速响应及时修正各缸喷油量降低发动机波动

5、柴油发动机进气节流控制

       是通过ECU控制电磁阀来控制进气节流阀控制怠速进气量，停车时关断进气降低怠速噪声停机振动。

6、柴油发动机排气再循环控制

   减少排气中的NOX排放量，与汽油机电控系统相同。

7、柴油发动机起动预热控制

       通过ECU控制预热塞的通电时间来提高柴油机低温起动和低温怠速运转。

8、柴油发动机故障自诊断及安全保护功能

       与汽油机一样，出现故障跛行运转，点亮发动机故障灯缓慢回家。

1、柴油发动机喷油量控制

       控制柱塞泵高压室与低压室的通路溢流阀的开启时刻改变柱塞的泵油行程（有效行程）来实现ECD-Ⅱ型系统电磁溢流阀直接控制溢流通路简单迅速、喷油量精确。

       a、停止喷油器干脆

       b、关闭时能保持高压室燃油压力

       c、响应快发动机高速时也能精确控制喷油量

       d、电磁阀线圈为12V或12V以下，功率消耗小

ECD-Ⅱ系统电磁溢流阀双重阀结构，主阀为液压阀，开闭受燃油压力控制、辅助阀为电磁阀开闭受ECU控制。

ECD-Ⅱ系统电磁溢流阀工作过程

1、柴油发动机压缩喷射

       ECU向辅助阀通电辅助阀，关闭主阀右侧压力大于左侧压力关闭喷油器喷油

2、柴油发动机辅助溢流

       ECU切断辅助阀电流、辅阀打开主阀右侧压力小于左侧压力右移增容减压

3、柴油发动机主溢流辅助阀打开，泄压、主阀左移高压室压力迅速降低停止喷油

ECD-Ⅱ系统喷油量控制方式共65齿在90°间隔上有四处缺2个齿两面个齿所对应的泵轴转角为5.625°对应曲轴转角为11.25°每一个缺齿部分的第一泵角脉冲信号对应的正好是柱塞开始泵油的位置0度喷油量不会因喷油提前角的改变而受影响

1、柴油发动机喷油提前角的控制方式

       ECU根据泵角传感器和曲轴转角传感器来确定喷油提前角，泵角是开始喷射信号曲轴位置是基准位置参考

确定基本提前角喷油提前角加速踏板位置和转速信号修正。

曲轴位置传感器

       安装位置

       曲轴360°转角产生一个脉冲信号（新型）在曲柄上、油泵驱动轮上（旧型）曲轴720°转角产生一个脉冲信号、新型曲轴位置传感器大大提高了喷油提前角精度

2、起动时喷油提前角控制

       起动时ECU根据加速踏板、车速、起动开关控制正时阀来控制喷油提前角开环控制在ECD-Ⅱ系统改变曲轴位置传感器位置（新型）使开环转为闭环反馈控制时的发动机低转速范围、减小每次起动时间偏差改善起动性能。

3、着火正时传感器

       燃烧的光通过石英棒导入光敏三极管转为电信号，ECU根据实际着火时刻修正喷油提前角，1、减小因大气压力变化对发动机的影响，2、减小因不同十六烷值对发动机的影响，3、减小因喷油泵机械结构差异及其它因素对发动机的影响。

喷油泵—喷油器式电控系统、用高速电磁阀来、控制喷油泵—喷油器

泵喷嘴结构与传动机构

1、通过高速电磁阀开闭控制高压燃油回油通路的开闭时刻从而控制喷油开始及停止的时刻来实现对喷油提前角及喷油量控制

2、高速电磁阀受ECU控制

       ECU根据发动机转速加速踏板位置水温进气温度及压力传感器输入信号分析处理计算出相应的最佳控制参数值控制电磁阀线圈电流导通与关断的时刻及通电时间长短，实现对喷油提前角及喷油量的实时控制

图为美国Lucas公司开发的重型卡车用的电控EUI喷油泵—喷油器

电控EUI喷油泵—喷油器系统

ECU根据柴油机转速，加速踏板位置水温增压压力等传感器信号控制喷油泵—喷油器上的电磁阀实现对提前角及喷油量控制。

Caterpillar公司开发的HEUI（Hydraulic Electronic unit Injector）

电控喷油系统

特点：喷油泵的柱塞采用液压驱动，喷油压力等控制不受发动机转速及负荷影响

柱塞式高压滑动油泵将压力升高到4-23 Mpa泵入蓄压总管，控制阀作用在加压柱塞上，使加压柱塞下面的小活塞能产生30-120 Mpa的喷油压力由喷油嘴喷出。

电控单元ECM根据各有关信号控制喷油正时喷油量（喷油持续时间）

HEUI 泵-喷嘴

电子控制预行程可控制喷油泵

       喷油泵的喷射压力对柴油机可燃混合气的形式及燃烧盾量影响很大，尤其是直喷式柴油机为了获得良好的燃烧性能，要求喷油压力较高（柴油雾化）高压油管的压力在普通柴油机上没有发动机的转速变化成正比，转速高压力高转速低压力低，压力的变化引起喷油量时间发生变化，为了保证高速时管压不至于过高低速时不至于过低电控预行程喷油可控式喷油泵正是这一种电控供油速率可控泵来完成的。

1、原理

柱塞套筒下方设有一个控制套筒通过调节杆的上下移动来控制预行程量的变化二是进油口设置在柱塞上燃油的喷射过程与普通喷油泵不同

进油过程

凸轮升程低位置时，柱塞上的进油孔位于控制筒的下边，燃油从柱塞的进油孔进入压力室，压力室与储油室相通，压力室压力室压力不会升高。

开始压油

       当柱塞被凸轮顶起，开始上升柱塞的进油孔，被控制套筒关闭，所对应的凸轮升程即为预行程，压力室压力开始上升并开始压油

喷油过程

柱塞上有凹槽与柱塞中心进油孔相通柱塞上行至进油孔被控制套筒关闭起，到柱塞上凹槽与控制筒上出油孔连通为止，此间柱塞上的进油凹槽均被关闭，随着柱塞的上升压力室的燃油被压送到喷油器（即喷油行程）柱塞的这段行程为有效泵油行程。

柱塞总行程（凸轮升程所决定）一定时，预行程越大有效行程越小，泵油量越小，喷油量越少，反之越多。

停止喷油

       柱塞上的凹槽与控制筒上的出油口连通时，压力室的高压燃油通过柱塞上的出油口凹槽回油泄压，停止泵油

从工作过程可看出，泵油量的大小决定柱塞的有效泵油过程，而有效行程决定于开始泵油的时刻和停止泵油时刻，开始泵油时刻决定于预行程大小，停止油泵决定于柱塞凹槽与出油口位置，只要使控制套筒沿柱塞上下移动，即可改变预行程，从而改变开始泵油时间，改变泵油量，也可改变喷油提前角，预行程小泵时刻提前泵油量大，预行程大泵油开始晚，泵油量小

预行程控制机构

       控制筒的上下移动是由预行程机机构（电磁线圈）通过U型接头转动定时杆上销钉拨动控制套筒上下移动来改变预行程的，并根据预行程位置传感器反馈信号进行修正

预行程可控式喷油泵电控系统

输入信号：发动机转速、加速踏板位置、水温、压力、车速传感器、控制筒位置、齿条位置

执行器：控制套筒机构、电动调节器、故障诊断灯、经济行程灯、蜂鸣器

系统功能：预行程控制（供油速率、喷油提前角）喷油量控制，故障自诊断经济行程监控，自动控制车辆经济速度行驶等。

1，预行程控制

根据输入信号，ECU处理计算最佳参数值控制螺旋电磁线圈来进行反馈控制，反馈信号由控制套筒位置传感器输入

2，喷油量控制

       根据输入信号ECU处理、计算最佳喷油量参考数值，控制电动调速器改变油量控制齿条位置来控制喷油量

由于改变预行程的同时也改变了喷油提前角故该系统不再单设喷油提前控制装置

故障自诊断系统

故障自诊断系统根据故障的性质，限制柴油机的性能或使柴油机停车。

故障发现后的对策有三种

1、维持工作

2、改变工作—减少喷油、增加喷油量、降低  转速、跛行运行。

3、柴油机停车

故障码

       John Deere公司故障码