1、毕业论文设计电控高压共轨柴油机控制原理与故障诊断 编号 毕业论文题 目电控高压共轨柴油机控制原理与故障诊断毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）
2、的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版
3、权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献
4、8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提
5、供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格
6、不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
7、优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优
8、 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日摘 要为了满足日趋严格的排放法规和进一步提高柴油机的
9、经济性和动力性的要求，电控高压共轨技术在这种背景下孕育而生。电控高压共轨柴油机作为节能环保发动机，在节能与环保意识日益增强的今天，已成为车用发动机的一种必然选型。其喷油控制与故障监控策略的研究，对提高燃油喷射控制精度、实现节能减排目标、提高发动机运行稳定性与可靠性以及优化发动机整体性能具有重要的现实意义。本文主要介绍了国外、内电控高压共轨柴油机的发展，详细分析了高压共轨的组成及工作原理，重点介绍电控高压共轨系统的故障诊断和它的检修具体步骤，最后列举了哈弗、锡柴等汽车上经常出现的故障进行了分析了解。关键词：高压共轨；电控柴油机；控制原理；故障诊断AbstractTo meet the incre
10、asingly stringent diesel emission regulations and to further improve the economy and power of the requirements, electronically controlled high pressure common rail technology in this context bred. Electronically controlled high pressure common rail diesel engine as an energy-saving environmental pro
11、tection, energy saving and environmental protection in the growing awareness of today, has become an inevitable vehicle engine selection. Its injection control and fault monitoring policy research, to improve the fuel injection control precision, to achieve energy reduction targets, improve stabilit
12、y and reliability of the engine is running and optimizing the overall performance of the engine has important practical significance. This paper describes the foreign countries, electronically controlled high pressure common rail diesel engine within the development of a detailed analysis of the com
13、position and work of high pressure common rail principle focuses on electronically controlled high pressure common rail system fault diagnosis and repair its concrete steps, the last cited Havel , Xichai other cars often failures were analyzed to understand.Keywords: High pressure common rail; elect
14、ronically controlled diesel engine; control principle; fault diagnosis第一章 绪论1.1电控柴油机发展电控柴油发动机与传统柴油机的主要区别在于它的燃油供给系统的不同，前者采用的是电控燃油喷射系统，而后者采用的是机械式燃油喷射系统。从结构和功能的角度看，柴油机的电控系统包括燃油系统的电子控制和柴油机空气供给系统的电子控制。电子控制系统的应用使得柴油机在动力性、经济性和排放性能等方面都取得巨大的进步。早在20世纪70年代，人们就开始研究柴油发动机电子控制技术来替代机械控制。到目前为止，已经研究出许多功能各异的柴油机电子控制技术，
15、大部分已经产品化并投放市场。这期间经历三代。第一代位置控制系统这种系统的主要特点是保留了大部分的燃油系统部件，如喷油泵高压油管喷油嘴系统和喷油泵中齿条、齿圈、滑套、柱塞上的螺旋槽等零件，只是用电子伺服机构替代机械式调速器来控制供油滑套或燃油齿条的位置，使得供油量的调整更为灵敏和精确。图为第一代电控柴油机分配泵，最明显的特征就是具有用于调整控制油量的油量调节器及滑套位置传感器（如图1-1）。这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的正时和喷油率控制系统(TICS)。图1-1 （位置控制式）电控柴油分配泵第二代时间控制式这种系统可以保留原来的喷油泵高压油管喷油器系统，也可以采用新型高压燃油系统。
16、其喷油量和喷油正时是由电脑控制的强力高速电磁阀的开闭时刻所决定：电磁阀关闭，执行喷油；电磁阀打开，喷油结束。即喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭时间的长短，因此可以同时控制喷油量和喷油定时。传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽和提前机构等全部取消，使系统对喷油定时和喷油量控制的自由度更大。图为时间控制式的径向柱塞分配泵，其明显特征是泵上装有油泵控制单元、控制喷油量的喷油控制电磁阀和控制喷油提前角的定时控制电磁阀（如图1-2）。图1-2 径向柱塞分配泵第三代时间压力控制式也称高压共轨系统，这种系统包括了高压共轨系统和中压共轨系统这是20世纪90年代国外最新推出的新型柴油机电控
17、喷油技术。该系统摈弃了传统的泵管喷嘴的脉动供油方式，用一个高压油泵在柴油机的驱动下，连续将高压燃油输送到共轨管内，高压燃油再由共轨送入各缸喷油嘴，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止（如图1-3为康明斯柴油机高压共轨系统）。图1-3 康明斯柴油机高压共轨系统为满足日益严格的尾气排放法规，降低发动机的燃油消耗和减少废气排放中的有害成分，单靠传统的机械控制不足以解决问题，目前满足我国国排放标准的柴油发动机主要采用的是电控高压共轨系统。1.2电控高压共轨柴油机的发展1.发展前期自从1991年日本电装公司发表ECD-U2高压共轨系统论文以来，国外燃油系统制造商纷纷投入巨额资金和人力开发共轨系统
18、。博世公司于1995年发表了用于轿车的高压共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵，喷油器电磁阀采用球阀结构。目前博世公司共轨系统在欧洲乘用车和轻型车柴油机上已得到普通应用，如德国戴姆勒-奔驰公司C系列轿车、意大利AlfaRemeo156轿车、德国大众的奥迪3.3L型V8涡轮增压柴油机、美国通用公司与日本五十铃公司合资生产的Duramax6600柴油机及美国康明斯公司的ISBe3.9L和5.9L全电控柴油机等。德尔福与西门子分别在1998年和2000年推出轿车MultecDCR1400共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵，德尔福公司的喷油器电磁阀设计在喷油器内，使得喷油器体积更小巧；西门子喷油器采用压
19、电执行器，响应时间更短；而日本电装公司在1991年研究开发出的ECD-U2第一代产品，并于1995年匹配Hino的J08C柴油机、五十铃的6HK1柴油机，经过多年的改进与完善，最新产品已用于轿车的ECD-U2P系统。目前，共轨燃油喷射系统应用十分普遍，博世公司已生产出2500万套共轨系统，并在江苏无锡投资建设了技术中心和工厂，实现了本地化生产。长城汽车与博世公司开发出了高压共轨柴油发动机，此外奥迪、奔驰、华泰等品牌也推出了采用共轨系统的汽车。我国部分大学、研究所和企业也通过合作或独立自主研发，取得了各具特色的研究成果，并有数十项专利公布。因此，我国在电控直喷式柴油机方面已积累了一定的经验，但总
20、体来说与国外还存在差距，主要体现在制造工艺和批量生产的质量控制。此外，国内共轨系统相关配套体系不健全，部分零部件还依靠进口，如单片机芯片、共轨压力传感器等。国外公司与中国企业竞争已不占绝对优势，相对于汽油机而言，国内在电控柴油机方面与国外差距相对较小。这得益于两方面原因：一是我国原有柴油机使用车辆大都具有自主品牌，二是我国柴油机使用车辆的舒适性要求不高，价格低廉，国外公司与中国企业竞争不占优势。2.高速发展期随着排放标准的提高，柴油机必须采用电控喷射系统。目前国内柴油电控系统主要有共轨、单体泵等，和国外先进技术比，虽然还不具备对等的实力，但发展势头良好。如无锡油泵油嘴研究所研发的共轨系统已在无
21、锡公交使用，同时国内从事电控柴油机研发的企业数量较多，因而国内在电控柴油机市场今后一定会有所作为。而国外公司提供的产品价格相对较高，供货价格取决于批量，在目前我国电控柴油机批量还不大的前提下，他们很难拿到比较满意的价位。同时，在售后服务及配件供应方面，国内自主品牌系统也存在明显的优势，国内自主研发的电控燃油系统竞争力主要体现在以下几方面：首先，价格便宜，经济批量较小。其次，对于轻卡产品，在批量不大的情况下匹配共轨技术，可选择高喷射压力的PM型直列泵+电子调速器+冷却EGR方案，这也是我们的优势。还有，对于中重型车辆，在国阶段已开始实施共轨、单体泵等技术路线。当然，国内在电控柴油机系统方面还面临
22、很多挑战，如制造工艺不成熟，批量规模较小；燃油品质难以保证；柴油机后处理技术水平不高等。但这些会随时间推移，不久将逐步得到解决。1.2.1国外高压共轨柴油机的发展目前， 国外在柴油机电控共轨喷射系统方面的研究进展很快， 并有多种共轨喷射系统设计并投产，其中主要以德国的博世、美国的德尔福、日本的电装为主（如图1-4）。图1-4 国外电控高压共轨柴油机1.德国博世系统德国Bosch公司于2003年推出了第三代使用压电喷油器的高压共轨电控喷射系统。与前两代以喷油压力表征的共轨系统相比，第三代共轨系统以其高精尖的技术内涵为特征，喷油压力为160180MPa。压电式喷油器的高度集成化，使其压电元件与喷嘴
23、中的针阀靠得更近，从而使系统具有优良的“液压响应速度”。喷油器运动件质量减少了75%，针阀部件数从4个减少到了1个，响应速度为所有电磁式喷油器的2倍。Bosch正在研究带压力扩大器的共轨燃油概念系统。在这种系统中，高压油泵先在共轨管中产生135MPa的压力，然后通过一个特殊的转换活塞使喷油压力达到250MPa以上。由于压力如此之高，因而雾化更加良好，更容易与空气混合，从而燃烧得更彻底。2.美国德尔福系统美国德尔福公司最具代表性的是先进的MultecDCR柴油共轨喷射系统。MultecDCR设计独特的喷油器是带有平衡控制和反馈控制的电磁阀喷油器!其响应迅速并能精确计量燃油。这种喷油器只需12V工
24、作电压，大大降低了生产成本和复杂程度，并且非常节能，整个系统采用积木式设计，移植性好，可用于不同形式和不同种类的发动机。3.日本电装系统日本电装的ECD-U2共轨系统由高压供油泵、共轨管、喷油器、各种传感器和电控制单元组成。根据发动机转速和负荷的不同，泵控制阀与油压传感器联合对共轨压力实行闭环控制，由于单向孔板节流作用，可形成德尔塔型（三角型）喷油规律，对燃烧十分有利。喷嘴的开启和关闭完全由喷油器控制腔中的压力和共轨压力的差值决定，改变施加在三通阀上的电脉冲宽度，可以控制喷油量；改变三通阀上的电脉冲发生时刻，可控制喷油定时。1.2.2国内高压共轨柴油机的发展目前我国对高压共轨燃油喷射系统的研究
25、与开发尚处于起步阶段，发动机燃油喷射系统由机械式喷射系统向电控式喷射系统过渡还主要依靠国外技术来实现。为了尽快提高我国的自主开发和核心竞争力，应不遗余力的在电控喷油器、液力控制阀、喷油嘴偶件和高速执行器、ECU软硬件等关键零部件的制造以及控制策略和功能、匹配标定技术、提高产品可靠性和安全、降低制造成本等方面开展研究（如图1-5）。图1-5 国内高压共轨柴油机其中天津大学研制的FIRCRI高压共轨系统正处于硬件在环仿真和实机测试阶段，上海交通大学开发的CD-1型高压共轨系统处于匹配玉柴6110柴油机的准备阶段，北京理工大学、华中理工大学等也正在开发自己的高压共轨技术，无锡威孚集团与博世公司已经联
26、合建立了无锡博世汽车柴油机系统股份有限公司，开始了高压共轨系统的生产。在控制策略上，目前国内主要采用经典的PID控制方法，这种方法原理简单，易于实现，稳定性好，但存在需要在不同工况下反复调节和不能在线调节等缺点。1.3电控高压共轨技术发展第一代共轨系统。第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致燃油的浪费和很高的燃油温度。第一代共轨技术为商用车设计的，最高喷射压力为140MPa，乘用车压力为135MPa。自从1991年日本电装公司发表ECDU2高压共轨论文以来，国外燃油制造商纷纷投入具额的资金和人力来开发共轨技术。博世1995年发表了用于轿车的高压共轨系统，采用了径向柱塞转子式供油泵，喷油器电磁
27、阀采用球阀控制。博时公司于1997年首家批发生产燃油喷射系统的乘用车，当时博士和奔驰联合推出了共轨技术柴油奔驰C级轿车，而当时阿尔法罗密欧156也是最早使用共轨技术的乘用车之一。第二代共轨技术。第二代共轨技术可根据发动机需求来改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能，带有控制油量的油泵，压力达到160MPa。即使在压力较低情况下，该系统也可根据实际的状况提供适量的喷油压力。不仅有助于燃油的消耗，还可以降得燃油的温度，从而省去燃油冷却装置。预喷射降低了发动机噪声。在主喷射前的百万分之一秒内少量的燃油被喷入汽缸压燃，预热燃烧室。预热后的气缸使主喷射压燃更容易，缸内的压力和温度不在突然增加，有利于降低
28、燃烧噪声。在膨胀过程中产生后喷射，产生二次喷射，缸内温度增加到200度到250 度，降低了排气中的碳氢化合物。第三代共轨技术。第三代高压共轨带有压电直列式喷油器。2003年第三代面世，压电式直列式共轨技术代替了电磁阀，实现了更加精确的喷射控制。省去了回油管，结构上更加简单。压力从20到200MPa弹性调制，最小喷射量控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX的排放，最高喷射压力达到180MPa。此套带有压电式高压共轨技术使带预喷射和后喷射喷油率的曲线更加自由。1.4电控高压共轨的特点及优缺点众所周知，提高柴油机动力性、经济性和降低排放的中心任务是改善柴油机的燃烧过程。而只有通过灵活的燃油喷射控制才
29、能实现最佳的缸内燃烧。电控高压共轨系统，是柴油机电控技术发展过程中的一个重大飞跃，是迄今为止针对柴油机的最佳解决方案。因为它改变了传统的机械式喷油系统的组成结构，使喷射压力的产生完全独立于发动机的转速和喷射过程，真正地实现了喷油压力、喷油时刻、喷油量和多次喷射的独立及柔性控制，从而实现与发动机的完美匹配，大大提升了柴油机的动力性、经济性、排放及噪声方面的综合性能。特点：（1）自由调节喷油压力（共轨压力控制）。（2）自由调节喷油量。（3）自由调节喷油时间。（4）自由调节喷油率。（5）更高的喷油压力。（6）喷油压力与实际工况相适应。（7）与其它电控柴油喷射系统相比，电控高压共轨系统具有较高的经济和
30、技术优势。（8）控制参数多，控制精确。（9）动力性、经济性、排放净化性好。（10）系统油压波动小。（11）采用高速电磁开关阀控制，控制灵敏度高。（12）适用范围广。（13）系统成本高，维修费用高。图1-6 控制精确的喷油速率图1-7电控高压共轨和电控单体泵的对比优点：（1）自由控制喷油压力电控喷油柴油机的喷油压力不受曲轴转速以及凸轮形状的影响，可以根据需要灵活控制，能够提高喷油压力、提高供油能量、改善雾化质量、缩短喷油延续时间，从而降低NOx排放。在大负荷工况下可以通过提高喷射压力。推迟喷油定时的方法求得NOx和PM(颗粒)的折中关系。在低负荷工况下则需要减少混合燃料的比例，同时降低喷油初期的喷射压力。（2）精确控制喷油量。根据传感器的信息。ECU计算出目标喷油量，计算出喷油装置需要的供油时间，并向驱动单元发送驱动信号，从而控制喷油量。在基本喷油量、怠速转速控制、启动油量控制、各缸不均匀油量补偿控制、恒定转速控制等各种运行状况下，实现最佳喷油量制。（3）精确控制喷油定时。通过各种传感器监测发动机当时的工况条件和环境条件，并根据这些实时条件计算出最佳喷油时间，将结果送给执行器(定时控制阀TCV)，控制流入或流出提前器的工作油。由于工作油对提前机构的作用，改变燃油压送凸轮的相位角，或提前、或延迟，从
