电控柴油机控制系统的工作原理

高压共轨燃油供给的电子控制系统由传感器、控制器（ECU）和执行器三大部分组成，如图5-3所示。

1.传感器

电控柴油机工作时，其喷油量、喷油时间和喷油规律与众多因素有关，如进气流量、发动机转速、发动机负荷、进气温度、冷却液温度、燃油温度、增压压力、电源电压、凸轮轴位置、废气排放等，所以必须采用相应的传感器，采集相关数据，并转换成可用的电信号，提供给ECU进行比较、运算，最终确定柴油机最佳运行参数。

电控柴油机主要传感器有10多种，转速与相位传感器、空气流量传感器、温度传感器等很多与汽油机类似，这里主要介绍位移传感器。

位移传感器是把位移量转换为电量的传感器，又称为线性传感器。电控柴油机中的位移传感器主要有加速踏板位移传感器、供油齿杆位移传感器、喷油器针阀升程传感器、冷却液液位传感器等。这里主要介绍加速踏板位移传感器。

加速踏板位移传感器安装在加速踏板处，如图5-19所示，传感器内采用了电位计结构，如图5-20所示。计算机供给传感器电路5V电压，加速踏板通过转轴与传感器内部的滑动电位器的电刷连接。加速踏板的位置改变时，电刷与接地端的电压就发生改变，ECU内部的受压电路将该电压转变成加速踏板的位置信号，再根据ECU存储的脉谱图和该电压算出加速踏板的位置，进而控制喷油量。

图5-19 加速踏板与位移传感器

图5-20 加速踏板位移传感器电路

2.电控单元（ECU）

如图5-21所示是长城2.8TC型柴油机使用的BOSCH-EDC16C39型电控单元ECU外表结构。ECU装在一个金属外壳中，传感器、执行器和电源经一个多针插接器与ECU连接，直接控制执行器的功率器件安置在ECU外壳内，并确保外壳有很好的散热性。ECU外壳有密封的，也有不密封的。

ECU功能模块如图5-22所示，主要包括模数转换器、CPU、RAM、Flash EPROM、E²PROM、功率驱动及诊断模块和CAN通信模块、诊断和警告灯等部分。

模数转换器将传感器的模拟信号转换为数字信号，以便CPU对其进行直接处理和计算。

随机存储器RAM用于对ECU数据进行在线实时修改。

Flash EPROM主要用于存储电控系统的各种标定参数，如MAP图、曲线和常量等，可重复擦写。

E²PROM则用于存储系统错误及故障码等信息。

功率驱动及诊断模块负责驱动和控制执行器工作，并检测各个执行器的电信号错误，如短路、断路和信号不可信等。

CAN通信模块用于跟其他整车控制器交换信息，如ABS和ESP。

诊断和报警系统用于监控系统故障并触发报警装置。

电控柴油机ECU对燃油系统控制的主要项目和内容见表5-1。

图5-21 ECU外表结构

图5-22 ECU功能模块

表5-1 ECU对燃油系统控制的主要项目和内容

（1）喷油量控制

1）基本喷油量控制。如图5-23所示，ECU根据加速踏板传感器传递的驾驶人要求的信息和发动机当前状况，计算基本喷油量，与ECU内部的目标喷油量比较，控制基本喷油量。

图5-23 基本喷油量控制

本任务故障案例是由于第1缸喷油器电磁线圈烧断，引起控制失败，无法喷油，导致转速波动。

2）起动喷油量控制。发动机起动时，由于转速和机体温度低，柴油着火困难，需要供给较多的柴油，称为起动加浓，同时还要防止起动冒黑烟。

ECU控制此时的喷油正时和起动转矩按以下方式设定：喷油正时=5（转速，喷油量，冷却液温度）起动转矩=f（转速，冷却液温度，起动时间）。起动控制功能一直进行到发动机转速超过起动结束转速，进入到怠速控制时，驾驶人才能对发动机进行操作。

在低温环境下，为提高发动机的冷起动性能，电控单元会根据当前发动机的温度来决定是否需要进气预热以及预热时间长短，这是通过对进气预热继电器的控制实现的。

3）怠速控制。汽车临时停车，发动机不熄火，尤其在道路交通拥挤时，燃油消耗量中相当一部分是用在这种行驶状态。因此，尽量降低怠速转速非常有用。

当发动机进入到怠速阶段，怠速控制器起作用，它是一个纯PID控制器，该控制器保持发动机怠速转速为一个常数。

怠速转速与冷却液温度有关，当发动机温度低时，怠速转速比温度高时的转速要高。同时也与汽车负载有关，当空调接通或自动变速器、主动助力转向装置等起作用时，怠速转速也不宜降得太低。此外，如果加速踏板出现故障，怠速转速将提高，以方便驾驶人将车辆开到维护站。

图5-24 转速波动控制

1—突然踩下加速踏板 2—无转速波动 3—有转速波动(www.xing528.com)

4）加速喷油量控制。突然踩下或松开加速踏板时，喷油量急剧变化，因而发动机输出转矩也急剧发生变化。由于这种突然的负荷变化，发动机弹性支承和传动系统将产生振动，从而促使发动机转速波动，如图5-24所示。转速波动控制能使喷油量随振动的周期变化而变化：转速上升时喷油量减少，转速下降时喷油量增大，从而大大减少了转速的周期性波动。

5）不均匀喷油量补偿控制。由于机加工误差和零部件的老化，发动机的所有气缸并不都产生相同的转矩，特别是在怠速时发动机会产生不稳定运转。ECU根据测定每次燃烧后的转速变化，及时调整各缸喷油量进行补偿，使所有的气缸都产生相同的转矩。

6）定车速（巡航）控制。车辆按照一个恒定的车速行驶，不需要驾驶人控制加速踏板，这样可以减轻驾驶人的劳动强度，提高驾驶舒适性。驾驶人可以通过巡航控制开关调整车速。具体操作如下：

①进入巡航：点动一下SET+开关，则以当前车速作为巡航设定车速进入巡航功能；

②加速、减速：连续按SET+或SET-，则巡航设定车速以一斜率增加或减少；点动SET+或SET-则巡航设定车速以一步长增加或减少。

③退出巡航：踩制动踏板、离合，或者按动OFF（ON/OFF开关为自复位开关，常态ON）、排气制动开关，都可以退出巡航。

④巡航恢复：退出巡航后，可以按SET+再次进入巡航（以当前车速作为巡航设定车速），如果按动RESUME开关，则恢复退出巡航前的巡航设定车速。

⑤踩加速踏板加速：在巡航功能激活状态下，驾驶人踩加速踏板则处于加速状态，并且巡航功能不退出，当驾驶人停止踩加速踏板后，马上恢复巡航状态，车辆减速，减到之前的巡航设定车速。

（2）喷油时间控制

1）基本喷油时间控制：喷油正时控制是为了满足排放法规和燃油经济性的需要，同时还兼顾到低噪声。它是发动机进行了大量的台架试验后，找出使发动机动力性、经济性、排放性能等达到最佳值时的喷油提前角数值，基本喷油时间是以发动机转速、负荷为变量的函数。

2）起动喷油时间控制：起动时发动机转速低，喷油量大，为保证燃烧，应提前喷油。

3）低温喷油时间控制：低温时燃烧速度慢，应适当提前喷油。

（3）喷油压力控制 为了保证喷油量只随电控喷油器打开时间线性变化，必须保证喷油压力稳定，ECU通过共轨管上的压力传感器，实时监测喷油压力，并通过高压泵的工作来控制压力稳定。

（4）喷油率控制 喷油率控制如图5-25所示，它包括预喷油量控制、预行程控制和后喷油量控制。ECU根据所监测的发动机工况确定喷油速率，并与目标喷油量和喷油间隔相比较，进而控制喷油器的开启。

（5）发动机保护性控制 发动机保护性控制用于在某些极限条件下对发动机进行保护。

1）冷却液温度太高控制。冷却液温度太高会导致发动机过热损坏。通过降低发动机转矩和功率，甚至使发动机停机，以达到保护发动机的目的。

2）机油压力太低控制。机油压力太低直接导致发动机干摩擦损坏。通过降低发动机转矩和功率，甚至使发动机停机，以达到保护发动机的目的。

3）最大车速限制。当车速超过最大的行车速度，通过减少喷油量，防止驾驶人超速行驶。最大车速限制值由电控系统预先编程。

4）烟度限制：烟度与喷油量和吸入的空气量有关，通过喷油量和进气量限制，防止发动机冒黑烟。

5）应急转矩限制：当电控单元诊断出电控系统有严重故障时，发动机将降低最大转矩，迫使驾驶人去维护站修正错误。

图5-25 喷油率控制

6）发动机排气制动控制：一旦ECU检测到来自排气制动开关的需求信号，会根据当前发动机转速，来决定是否启动排气制动功能。如果启动了排气制动功能，则同时燃油系统将立刻停止喷油。如果这时驾驶人踩加速踏板加速，则会自动退出排气制动，即使排气制动开关关闭。

（6）附加功能控制

1）自我故障诊断。发动机电子控制系统除了具有控制燃油喷射等基本功能外，还有故障自诊断功能。汽车正常运行时，电子控制系统输入和输出信号的电压（或电流）值都有一定的正常变化范围，当控制电路信号的电压（或电流）出现异常且超出了这一范围，且该现象在设定时间内不会消失，ECU则判定为这一部分出现故障，并把这一故障以代码的形式存入内部随机存储器，如图5-26所示。同时，点亮警告灯，以显示故障信息，为维护人员诊断故障原因提供参考。

图5-26 故障自诊断

一般在仪表板下方或发动机舱内设有一个专用接口，即故障诊断接口，该接口直接与ECU相连。将解码器或检测设备插入此专用接口，便可将故障码或诊断的传感器、执行器等信号的数据流由此读出，以便在控制系统出现故障时，能及时、快速地查找和排除。

2）故障应急系统。它是在微机检测出故障后，采取的一种保险措施。当某个传感器或执行器出现故障时，如果发动机ECU仍然按照正常方式继续控制发动机运转，就有可能使发动机或有关部件出现更严重的问题。

故障应急系统主要依靠ECU内的软件来实现。当系统诊断出有故障出现时，一方面发出故障警告信号、保存故障码；另一方面ECU会自动启用安全保险功能，按照存储器内设定的程序和数据，使控制系统继续工作或强制停机。如系统检测出冷却液温度信号电路出现故障，ECU会采用预先设置在存储器中的代用值，来代替冷却液温度信号，使发动机继续运行。而当喷油器出现故障时，ECU连续多次检测不到喷油反馈信号，则会采取强制措施停机。

而当ECU内微机控制程序出现故障时，ECU把燃油喷射和点火正时控制在预定水平上，作为一种备用功能使车辆仍能继续慢速行驶，回到修理厂，所以也称之为回家（go home）模式。

3）数据通信控制。ISO通信接口采用ISO9141（K线）标准串行数据通信方式，可实现与电控单元之间的数据交换，可进行诊断数据的交换和控制系统的编程（读取和编程有关参数）等。

4）其他项目控制：ECU还能够根据需要，进行增压压力控制、EGR控制和进气量控制等。

3.执行器

电控柴油机主要执行器有电控喷油器、电动输油泵、增压压力调节器、EGR调节器、节气门执行器、预热控制器、各种电磁阀和开关等。电控喷油器、电动输油泵在燃油系统已经介绍，不再重复，这里重点介绍增压压力调节器和预热控制器。

（1）增压压力调节器 乘用车废气涡轮增压柴油机在低转速时需发出高转矩，因此涡轮机是针对低废气质量流量设计的。当柴油机转速高而废气质量流量较大时，为使增压压力不至于过高，需将一部分废气绕过涡轮机经一个放气阀旁通到排气管中。

增压压力调节器如图5-27所示。根据柴油机转速和喷油量等，通过压力膜盒改变放气阀处的旁通截面积来改变增压压力。也可以采用可变几何截面涡轮（VTG），通过改变废气涡轮的进气角和流道截面来改变增压压力。

图5-27 增压压力调节器

（2）预热控制器 柴油机低温起动，需要采用电热塞预热装置，使冷起动更加顺利，并改善暖机过程。预热时间取决于冷却液温度。预热时间是通过一个功率继电器来控制的。