柴油机电控燃油喷射系统概述.doc

柴油机电控燃油喷射系统概述摘要：本文概述了柴油机电控燃油喷射系统在现代社会发展的必然性以及其独到的优点。回顾了电控燃油喷射系统的发展历程，对各阶段的喷射系统做了简要介绍，并展望了未来的发展方向。最后针对高压共轨式电控喷射系统的工作原理、特点和发展前景做了描述。关键词：柴油机；电控；共轨1、 前言目前，能源危机和生态环境污染问题是全世界人们关注的焦点。随着汽车和动力机械的保有量迅速增加，汽车排放的有害气体和微粒已超过工业污染物的排放量而成为一大公害，人们对这两个问题越来越重视，各国都相继制定了越来越严格的汽车排放规定。1973年的石油危机，使人们更深刻认识到了自然资源的有限性和合理利用的必要性。同时，随着社会的发展，人们对汽车的经济性和舒适性要求也越来越高。迫于各方面的压力，人们开始寻找新的途径来解决排放和油耗问题。其中排气净化和节能是决定汽车能否继续生存发展的两大课题。这样内燃机的电子控制技术就蓬勃发展起来。首先发展起来的是汽油机的电控技术。到目前为止，主要轿车生产国的汽油机已经全部实现了电子控制。而柴油机则可以通过改进燃烧系统和增压中冷等技术措施来改善排放、降低油耗、提高功率。传统的柴油机是采用机械控制系统来控制柴油机的喷油正时和喷油量，也具有优越的控制性能。另一方面由于研制快速、大功率、高性能的电控执行器技术要求高，难度大。所以柴油机电控技术的发展要晚于汽油机。20世纪80年代以来，微电子技术的迅速发展及其在汽油机电控方面的成功应用，解决了柴油机电控技术的瓶颈，使得柴油机电控技术也能够发展起来。采用电控技术可以改善驾驶性能，降低噪声和振动，提供舒适、易操作的行驶控制功能；可以借助于故障显示和自诊断功能改善车辆的安全性和维护保养的方便性；可以改善冷起动、稳定怠速和良好的加速等性能，从而推动和加速了柴油机电控的发展。2、 柴油机电控燃油喷射系统的发展历程和趋势提高柴油机动力性，实现低污染、低油耗的中心任务就是改善柴油机的燃烧过程。也就是要保证组成燃烧过程的进气、喷油、燃烧三要素中的油、气良好混合和在不同工况下满足不同的燃烧和放热要求。其中喷油是最重要的因素。因此喷油系统的控制成为柴油机电控的核心。2.1 柴油机电控燃油喷射技术的发展柴油机的电子控制技术大致可分为3个阶段：20世纪70年代的初始研发阶段，此时电控主要用于发电机组用柴油机。20世纪80年代的实用阶段，发展了多种位置控制式和时间控制式电喷系统，被控量也有原来的一种发展为多种。20世纪90年代为成熟阶段，功能更为强大的电喷系统可以控制喷油量、喷油正时、喷油压力以及喷油率。从控制喷油量的方式来看，首先研制出来的是位置控制式，随后是时间控制式，现在已经进入了研究得最多的是压力时间控制式。2.1.1 位置控制式这种控制系统结构简单，保留了传统的泵-管-嘴系统，对原有喷油系统改装较少。它保留了原直列喷油泵和分配泵的基本结构，只是在喷油泵上装有齿杆位移传感器和凸轮轴相对曲轴的转角位移传感器和微处理器组成的控制系统，分别对喷油量和喷油正时进行控制。根据其喷油泵结构以及高压油管的连接长度不同可分为直列泵位置控制系统和分配泵位置控制系统。直列泵位置控制系统有日本电装公司的ECD-P3系统，日本Zexel公司的COPEC系统和TICS系统，德国BOSCH公司的EDR系统等。分配泵位置控制如德国BOSCH公司的EDC系统，英国LUCAS公司的EPIC系统和日本电装公司的ECD系列电控系统以及美国Standyne公司的PCF系统等。这种控制方式缺点是，控制过程比较慢，精度低，喷射压力也难以进一步提高，无法改变原喷油系统中的喷油规律（可变预行程有一定的调节作用）。2.1.2 时间控制式时间控制系统抛弃了传统喷油系统的泵管嘴系统，用高速电磁阀直接控制高压燃油的通断，喷油量由电磁阀开启和切断的时间来确定。时间控制系统结构简单，将喷油量和喷油正时的控制合二为一，控制的自由度更大，同时能较大地提高喷油压力。但这种控制方式仍然采用脉冲高压供油原理，无法控制喷油压力，对高速电磁阀的性能依靠度较大，制造有相当的困难。分配泵时间控制的典型系统有日本电装公司的ECD-V3和ECD-V4，电控泵-喷嘴喷油系统典型代表有美国底特律柴油机公司的DDEC系统，德国Bosch公司开发的EUP13型电控单体泵系统。2.1.3 共轨式电控喷油系统20世纪90年代以后出现的共轨式喷油系统是柴油机电控技术发展过程中的一个大的飞跃。它改变了传统的喷油系统的组成结构，最大的特点就是将燃油压力产生和燃油喷射分离开来，通过对共轨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基本无关。电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器，共轨中的燃油压力由一个高压泵产生，压力大小与发动机的转速无关，可在一定范围内自由设定。共轨中的燃油压力由一个电磁压力调节阀控制，根据发动机的工作需要进行连续压力调节。电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程。喷油量的大小取决于燃油轨中的油压和电磁阀开启时间的长短，及喷油嘴液体流动特性。按照喷油高压形成的不同，共轨式电控燃油喷射系统有两种基本型式，即高压共轨式和中压共轨式。高压共轨系统。高压输油泵(压力在120MPa以上)直接产生高压燃油后，输送至共轨中消除压力的脉动，再分送到各喷油器；当电子控制装置按需要发出指令信号后，高速电磁阀迅速打开或关闭，进而控制喷油器工作，即按设定的要求喷出或停喷高压燃油。中压共轨系统。中压输油泵(压力为10-13MPa)将中压燃油输送到共轨中消除压力的脉动，再分送至带有增压柱塞的喷油器中；当高速电磁阀开关阀接收到电子控制装置发送的指令信号后，就迅速开启或关闭，从而控制燃油器工作，随即通过高压柱塞的增压作用，将从共轨中来的中压燃油加压至高压(120-150MPa)后喷出或停喷。中压共轨系统又包括共轨蓄压式和共轨液压式，共轨蓄压式的控制油和喷射油均来自共轨管；而共轨液压式的控制油来自共轨管，喷射油来自燃油输油泵，所以该系统的控制油和喷射油可以采用不同物质。其典型代表有日本电装公司的高压共轨式喷油系统ECD-U2，英国Lucas Varity公司的LDCR型高压共轨喷油系统，德国Benz 公司的OM611柴油机上的电控高压共轨喷油系统，美国BKM公司的Servojet共轨蓄压式电控喷射系统，美国Caterpillar公司的HEUI共轨液压式喷射系统。2.2 电控技术的发展前景未来的汽车采用柴油动力的比例将会越来越高，而要使柴油机达到各项标准，电控燃油喷射是一项关键技术。虽然柴油机电控技术的发展比汽油机晚了很多，但起点教高，最近几年来的发展尤其迅速，到现在为止已经发展了三代。未来将向喷射压力高压化及灵活调整、喷射量及喷油定时自由控制、喷油速度最佳控制的方向发展。最终实现柴油机的全电子控制是必然趋势。高压电控燃油喷射系统对控制排放十分有利，其中，共轨式电控喷射系统的供油和燃油计量是完全分开的，从而其喷油压力、喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响，尤为各国青睐。3. 高压共轨式电控燃油喷射系统3.1 高压共轨系统的工作原理：高压共轨系统是一种全新概念的喷油系统，给人耳目一新的感觉。它可以全方位的改进柴油机性能，使得其成为目前柴油机研究领域的一大热门方向。其组成主要包括高压泵、带压力调节阀的共轨管、带电池阀的喷油器、电控单元和各种传感器。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的map图中确定合适的喷油定时、喷油持续期，由喷油器将燃油喷入气缸。图1 ECU-U2高压共轨系统示意图3.2 高压共轨系统的特点：1. 共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。2. 可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（ 120Mpa200MPa ），可同时控制 NOx 和微粒在较小的数值内，以满足排放要求。3. 柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机 NOx ，又能保证优良的动力性和经济性。4. 由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。3.3 高压共轨系统的发展前景：高压共轨系统被认为是20世纪内燃机技术的3大突破之一。目前，有待研究的有：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问题。综上所述，高压共轨式电控燃油喷射技术有助于减少柴油机的有害尾气排放量，并具有降低噪声、降低燃油耗、提高动力输出等方面的综合性能。高压共轨电控燃油喷射技术的应用有利于地球环境保护，加速促进柴油机工业、汽车工业，特别是工程机械相关工业的向前发展。4. 结论：柴油机电控技术从诞生到现在仅仅20多年时间，发展了三代，取得了巨大的进步。尤其是共轨系统的开发，极大的提高了柴油机性能和排放性能，代表了柴油机喷射技术未来的发展方向。有一个观点认为：随着排放后处理技术和空燃比控制技术的进步，不再以牺牲柴油机的高热效率为代价，就可以生产出排放和噪声都接近或者超过汽油机的柴油机车。柴油机汽车所占的比例越来越高就是一个象征。参考文献：1 魏春源，张卫正，葛蕴珊高等内