柴油機電控系統分析與研究

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等。 相對于發達國家，我國電控柴油機研究技術稍顯落后，呈現能耗大、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 柴油機電控系統概述

2.1 柴油機電控技術發展歷程

從歷史發展情況看， 柴油機電子控制系統的開發處于前列，且已實現大規模發展，如電子控制柴油噴射系統，其基本組成如圖1 所示。

圖1 電子控制柴油噴射系統基本組成示意圖

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

2.2 柴油機電控系統功能及特點

柴油機電控系統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。

柴油機電控系統具有傳統機械控制系統所不具備的優勢，其可強化發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，同時實現發動機運轉穩定性、低溫啟動性的優化與改善，且更好地控制渦輪增壓，使發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 柴油機電控系統工作原理

柴油機電控系統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， 以實現噴油正時和噴油量的最佳條件，并使用執行器完成控制輸出。

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

圖2 柴油發動機電子控制原理示意圖

柴油機電子控制系統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[2]。 另外，在ECU 儲存器中， 儲存有傳感器所需的狀態目標參數或發動機調控參數，對于電子控制系統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， 以參數圖譜（MAP圖）或已儲存的設定參數值為依據，將處理后的信號與之進行比較。 當既定參照值與被比較數據一致時，柴油機電子系統整體將保持在原有狀態，且繼續運行；一旦被比較數據與既定參數值之間存在差距時，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， 柴油機電控系統中的執行器會遵循電子控制單元的指令， 對電磁閥關閉持續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，為優化柴油機的運行狀態，使其處于良好工況，執行器還可控制多個具體的執行機構,如預熱塞、廢氣再循環閥等，以發揮柴油機電控系統效能。

4 柴油機電控系統的控制功能

就實際應用成果而言， 柴油機電控系統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在如下幾個方面。

第一，柴油機電控系統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，在實現這一目的的過程中，柴油機電控系統的控制功能基本體現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境保護效果。

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

第三， 高壓共軌系統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，以此實現柴油機運行性能的充分優化。

5 柴油機電控系統的組成要素

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

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動機促使程序向電控系統中的執行器下發相應的執行命令，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 系統的電控單元、AC 系統及汽車底盤傳感裝置系統等。

除上述功能外，電控系統還可進行故障診斷，當控制系統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故障的基本情況并開展檢修工作。 在柴油機電控系統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，當此類參數的取值存在差異時，最終的控制結果不同。

5.2 傳感器

柴油機實現電控的一項重要儀器即傳感器， 其能對車輛和發動機的運行狀態進行感知和檢驗，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，在柴油機電控系統中的燃料噴射控制系統采用的傳感器設備大致與前者相同， 在發動機電控技術中，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數據進行檢測，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據均需處理，此后即可傳送至發動機上的ECU，成為發動機控制動作的重要基礎[3]。

5.3 執行器

執行器是柴油機電控系統中用于執行指令的構成要素，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，以此對柴油機設備的運行工況進行調整。 當柴油機電控系統的燃油噴射系統不同時， 系統中存在的執行元件表現出較大差異。 柴油機電控系統中執行器的水平直接影響柴油機自身的性能。

柴油機電控系統存在多種形式的執行器。

1）電控高壓燃油設備，這類設備是柴油機電控系統中最關鍵的執行器。 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）廢氣再循環閥，此種執行器是一種氣閥，由真空腔體控制器或比例電磁鐵控制的一類執行器。 通常，氣閥的開度可對廢棄的再循環量造成直接作用， 直接關系到汽油發動機污染物質中的氮氧化物的濃度。 除此以外，柴油發動機電控系統中的執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， 柴油機實現了通過電控系統控制運行的目的， 彌補了以往傳統機械調節系統存在的缺陷，其本身的適應性和反應速度更加優良。 研究可知，柴油機電控單元、傳感器和執行器是電控系統之中的3 大組成要素，決定了柴油機電控系統性能。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，其可謂實現節能環保的有效路徑。