柴油机电控技术的发展

1、柴油机电控技术的发展摘 要 柴油机电控技术是在解决能源危机和排放污染两大难题的背景下，在飞速发展的电子控制技术平台上发展起来的。汽油机电控技术的发展为柴油机电控技术的发展提供了宝贵经验。随着世界各国城市交通运输车辆的急剧增加，柴油机排放的尾气已经成为对地球环境的主要污染源。世界各国业已开始寻找和采取有效的技术措施主动地减少和控制污染物的排放。柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一项较为成功的控制污染排放的新技术。近年来，柴油机电控技术得到了快速发展和应用，大大促进了柴油机性能的提高。本文介绍了电控柴油机的结构和工作原理以及国外柴油机电控技术的发展情况和我国柴油机电控技术的研究现状，指出我国在柴油机电

2、控技术发展过程中存在的问题，分析了今后柴油机电控技术的发展方向。关键词：柴油机 电控技术目录 摘 要1目录2前言2一、电控柴油机的发展概述31.国外柴油机应用的一些先进技术4二、电控燃油共轨系统5（一）电控共轨系统结构5（二）高压共轨燃油喷射系统工作原理6（三）高压共轨燃油喷射系统结构特点6三、电控柴油机新技术6四、电控柴油机发展方向7结 论8致 谢9参考文献9前言 如今柴油机发展越来越完善,以它的高效、功率范围宽广, 已广泛应用于工业、农业、军用和民用等领域。在今后相当长的时间内,柴油机还将占有极重要的地位。随着柴油机数量的不断增多,也引起了人们对柴油机燃油经济性和排放性能的关注，特别是当今

3、排放性能已经被提到首要位。柴油机电控技术还面临着许多课题需要解决，特别是当采用高压电控喷油时，柴油机电控系统的成本几乎占发动机成本的一半。尽管如此,只有在汽车柴油机上广泛采用电控技术,才能面对越来越严格的排放法规的挑战。近年来柴油机电控系统的发展势头是令人瞩目的。以柴油汽车用得最多的欧洲为例,由于欧洲道路车辆用多缸柴油机从2000年开始执行欧3排放标准，电控技术已在需满足欧3标准的柴油机上普遍使用,一些研究机构和大的厂商则早已着手研制满足欧4排放标准的电控柴油机,现在电控共轨系统和电控单体泵系统在多缸柴油机上的应用已明显增多。柴油机电控是汽车发动机技术领域的一个重要研究方向。作为电控柴油机的核

4、心部分,电控燃油喷射系统有多种多样的结构形式,分别应用于不同的领域,本文简述了柴油机电控的发展及现状,并根据高压共轨电控喷射系统的结构和工作原理分析了高压共轨电控喷射系统的特点和优势,指出了柴油机发展前景。一、电控柴油机的发展概述（一）柴油机电控技术的发展 柴油机电控技术的发展过程与汽油机电控系统相似。自80年代开始进入市场的现代汽车柴油机电控系统也是随着控制项目的不断增多，控制任务从简单到复杂，直至全方位控制。例如,早期的电控燃油喷射系统都采用了“位置控制”,保持了传统的脉冲高压供油原理,只是通过以微机为核心的控制单元对位置伺服机构进行控制，改变油量调节齿条(直列泵)或油量调节滑套(VE型分

5、配泵)等的位置，用以调节喷油泵的循环供(喷)油量。但由于位置伺服机构执行频率响应慢，控制频率低，控制精度不稳定，经过了近十年的发展,到90年代初,“时间控制”式电控燃油喷射系统开发成功,采用了新型高速强力电磁阀代替传统的油量调节齿条(直列泵)或油量调节滑套(VE 型分配泵)等,直接对高压燃油进行数字式的高频调节，由电磁阀的关闭时刻和闭合持续时间决定循环供(喷)油量和供(喷)油正时。尽管如此,这种“时间控制”式电控燃油喷射系统仍保持了传统的脉冲高压供油原理。直到90 年代中期，一种新型的电控共轨式燃油喷射系统问世，抛弃了传统的脉冲高压供油原理，采用“时间-压力控制”式燃油计量原理，通过对公共油轨

6、中油压的连续控制和各缸喷油过程的电磁阀控制相结合的方式实现对循环供油量的控制,才使柴油机的电控燃油喷射技术进入了一个新的发展阶段。 （二）国外柴油机技术的现状与发展 现代的调整高性能柴油机由于热效率比汽油机高污染排放比汽油机少，作为汽车动力应用日益广泛。经过多年研究大量新技术的应用，柴油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破，达到了汽油机的水平。1.国外柴油机应用的一些先进技术 （1）共轨四气门技术国外柴油机一般采用共轨新技术四气门技术和涡轮增压中冷技术相结合，是发动机在性能和排放值方面取得较好的成效。能满足欧3排放限值法规的要求。四气门结构（二进气二排气）不仅可以提高充气效率，由于喷油嘴可以居中

7、布置，是多孔油束均匀分布，可为燃油和空气的良好混合创造条件；同时，可以在四气门缸盖上将进气道设计成两个独立的具有相同形状的结构，以实现可变涡流。（2）时间控制的柴油电喷技术 柴油发动机的新一代电喷系统采用时间控制，用高速电磁阀取代传统的机械喷油阀，对高压燃油实现数字调节。喷射系统逐渐向高压化迈进，高压喷射可使柴油雾化得非常细，发动机的燃烧过程进行得相当完善，而且速度快，同时又不明显提高燃烧温度。提高了直喷式柴油发动机压力，全面降低HC、 CO、NOx、微粒物和碳烟的排放，还能显著的降低油耗。 （3）共轨式电喷系统 它是柴油发动机高压喷射系统的一种，最高压力可达到220MPa。该系统不再采用通用

8、的脉动原理，而是采用压力时间计量原理。这种喷油系统可保证喷油压力不随发动机转数变化，可降低颗粒物的排放，电控共轨喷射又称为压力时间喷射或第三代喷射，它可分为中压共轨和高压共轨两大类。按顺序触发喷油器电磁阀，确定发动机每次喷油的起始和关闭时刻，电控共轨喷射还可采用多次喷射的方式来灵活控制喷油的速率。 （4）涡轮增压中冷技术 柴油发动机采用废气涡轮增压技术后，燃料能够完全燃烧，可降低CO和HC的生成量。但因进气温度升高,使NOx的排放量有所增加,若采用增压并附带中间冷却器可同时降低HC、CO、 NOx的排放量采用涡轮增压中冷技术还可提高柴油发动机的功率，一台装有涡轮增压器的柴油发动机功率输出比未装

9、增压器可增加20%30%。而采用增压中冷技术甚至可增加50%的功率新型涡轮增压器的使用，意味着可以用小排量的发动机替代大排量发动机，减轻发动机和整车质量，提高经济性和排放性。 （5）废气再循环（EGR）技术的应用跟据发动机的温度及负荷大小，适量地将一部分废气引入进气管，再送入汽缸，使燃烧反应速度减慢，降低燃烧的最高温度，从而降低NOx的排放量。尤其是中冷EGR技术，不仅降低NOx的排放，而且还能保持其污染排放物的低排放水平。 2.控制系统的功能 （1）燃油喷射控制燃油喷射控制主要包括：供 （喷）油量控制、供（喷）油正时控制、供（喷）油速率控制和喷油压力控制等。 （2）怠速控制柴油机的怠速控制主

10、要包括怠速转速控制和怠速时各缸均匀性的控制。（3）进气控制。柴油机的进气控制主要包括进气节流控制、可变配气正时控制。（4）增压控制。柴油机的增压控制主要是由ECU根据柴油机转速信号、增压压力信号等，通过控制废气旁通阀的开度或废气喷射 器的喷射角度、增压器涡轮废气进口截面大小等措施，实现对废气涡增压器工作状态和增压压力的控制，以改善柴油机的扭矩特性，提高加速性能，降低排放和噪声。 （5）排放控制。柴油机的排放控制主要是废气再循环（EGR）控制。要根据柴油机转速和负荷信号，按内存程序控制EGR阀开度，以调节EGR率。（6）起动控制。柴油机起动控制主要包括供（喷）油量控制、供（喷）油正时控制和预热装

11、置控制，其中供（喷）油量控制和供（喷）油正时控制与其他工况相同。 （7）巡航控制带有巡航控制功能的柴油机电控系统，当通过巡航控制开关选定巡航控制模式后，ECU即可根据车速信号等自动维持汽车以一定车速行驶。 （8）故障自诊断和失效保护柴油机电控系统中也包含故障自诊断和失效保护两个子系统。柴油机电控系统出现故障时，自诊断系统将点亮仪表盘上的“故障指示灯”，提醒驾驶员注意，并储存故障码，检修时可通过一定的操作程序调取故障码等信息；同时失效保护系统启动相应保护程序，使柴油能够继续保持运转或强制熄火。 （9）柴油机与自动变速器的综合控制在装用电控自动变速器的柴油车上，将柴油机控制ECU和自动变速器控制E

12、CU合为一体，实现柴油机与自动变速器的综合控制，以改善汽车的变速性能。二、电控燃油共轨系统（一）电控共轨系统结构从功能方面分析，电控共轨系统可分为两大部分：电控系统和燃料供给系统。（1）电控系统电控系统可以分为三大部分：传感器、电控单元和执行元件。ECU是电控共轨燃电子信息。（2）燃料供给系统燃料供给系统主要构成是供油泵、共轨和喷油器。 燃料供给系统的基本工作原理是：供油泵将燃油加压成高压，供入共轨内。储存在共轨内的燃油在适当的时刻通过喷油器喷入发动机气缸内。供油系统中的喷油器是一种由电磁阀控制的喷油器，电磁阀的开启和关闭由发动机电控单元控制。柴油机电控燃油喷射系统除了控制喷油量外，对喷油正时

13、和喷油的压力都有很高的要求。（柴油机电控燃油喷射系统的喷油压力较高约19.6MPa） （二）高压共轨燃油喷射系统工作原理电控柴油喷射系统由传感器、ECU（计算机）和执行机构等组成。执行器执行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与已储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。 （三）高压共轨燃油喷射系统结构特点1、采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，使得喷油过程的控制十分方便，并且可控参数多，利于柴油机燃烧过程的全程优

14、化。 2、采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油器间相互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。3、高速电磁开关阀频率高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，并且能方便地实现预喷射等功能，为优化柴油机喷油规律、降低废气排放提供了有效手段。4、系统结构移植方便，适应范围广。三、电控柴油机新技术近年来，国外轻型车用柴油机取得了很大的发展，具体表现在功率增长、增压中冷比例上升，还包括多气门和中置缩口燃烧室、和小孔径多喷孔、VCO油嘴、废气再循环等新结构、新技术的应用上。 （1）功率增长由于国外发达国家公路网络的迅速扩展，用户要求车用柴油机具有越来越高的功率，以提升车辆的行驶速度

15、和加速性能，从而提高汽车的运输效益,同时,为提高汽车的行驶舒适性和安全性，就要带更多的附件，如空调压缩机、大容量发电机泵、排气制动阀等；（2）转速呈下降趋势降低转速对发动机的排放、噪声、燃油经济性、都有利，所以发动机转速呈下降的趋势；（3）柴油机增压机型所占比例逐年上，由于各国的排放法规不同，自然吸气直喷式机型若采用EGR 等技术也可以满足目前的排放法规要求；（4）多气门结构在小缸径柴油机中采用多气门技术是20世纪90年代才兴起当时有的用三气门，如雪铁龙的XUD11；也有的采用四气门，如道依茨的BF4M1010柴油机、福特的2.5L柴油机15BF、AVL开发的LEADER2和 LEADER3柴

16、油机。近年新开发的机型主要采用四气门，如日野的J05C、里卡多公司的CERES2.2L直喷式柴油机等。在未来510年内，多气门技术还 将继续发展和普及； （5）共轨系统相对传统的机械式喷油系统在压力和喷油量方面有了很大进步，但燃油雾化效果不如泵式喷油器，因为喷射压力相对低了不少，所以黑烟与颗粒排放量以及NOx生成量均较多，共轨式喷油器的要高。 （8）电子控制技术微电子、传感器、执行器技术的发展促进了柴油机电控技术的发展。新型柴油机均不同程度地应用了很多电子控制系统，如五十铃 4HG1的废气再循环电子控制、OM904LA的单体泵的电子控Sprint发动机对转子喷油泵和可变进气涡流的电子控制、奔驰

17、公司C250柴油机的全电子控制等。 四、电控柴油机发展方向1.共轨式电喷是柴油机发展的必然趋势 随着世界各国城市交通运输车辆、船舶的急剧增加，柴油机排放的尾气已经成为对地球环境的主要污染源，人们开始寻找和采取有效的技术措施主动地减少和控制污染物的排放。柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一项较为成功的控制污染排放的新技术，它通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、开始在国外以柴油机提供动力的汽车上投入使用。这是世界汽

18、车工业为满足日益严格的废气排放标准的必然趋势。 共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量

19、，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时足够的点火能量和最少的污染排放。共轨式喷油装置属近年研制成功并被认为是最理想的一种高压喷油装置。在一条共用轨道上分别产生压力和喷射。可高达160MPa，其压力存储器和分配器条轨经导管通往嘴部。利用控制器上一次脉冲把喷射信号导入电磁阀而引发一次喷射。通过喷嘴存储压力和开启持续时间来调节油量。在国外以柴油机提供动力的汽车上投入使用。这是世界汽车工业为满足日益严格的废气排放标准的必然趋势。 2.高压共轨系统中存在的问题(1)高压共轨系统的恒高压密封问题。(2)高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题。 (3)高压共轨系统三维控制数据的优化问题。 (4)微结构高频响应电磁开关阀在制造过程中的关键技术结 论 面对无法回避的局部和全球性的环境和能源问题，现代汽车 柴油机不得不采用和发展电子控制系统，以便保持汽车柴油机的 可持续发展，更充分发挥柴油机固有的优点(低油耗和低NOx排 放)，文章指出通过改变传统的燃油喷射系统可以实现对燃油高精度的控制定时定量的供给燃油。涡轮增压中冷技术和废气再循环（EGR）技术的应用有效地降低HC、CO、NOx的排放量，同时提高了柴油机的功率。本文简述了柴油机电控的发