jack开题报告最终版

1、学科代码编 号学 号：0010202017研 究 生：宋 军导 师：黄 震研究方向：内燃机燃烧与排放控制论文题目：二甲醚电控共轨燃油系统的研究学 科：动力机械及工程学 院：机械与动力工程学院入学时间： 2001年 3 月开题时间： 2002年 4 月 5 日2002年3月28日填 报 说 明一、开题报告中的一至七项必须采用计算机输入和打印，开题报告格式可在研究生院网址下载。二、开题报告为A4大小，于左侧装订成册。各栏空格不够时，请自行加页。三、博士学位论文开题查新报告（附件一，由查新工作站提供）或免于开题查新的申请审核报告（附件二）是本报告的必要附件。四、开题报告通过后，分别由研究生、导师、学

2、科和研究生院各存档一份。学位论文题目二甲醚电控共轨燃油系统的研究课 题 来 源国家自然科学基金一、课题意义及国内外研究现状综述（一）柴油机电子控制的强大优势世界上第一台柴油机于1897年问世以来，由于其具有压缩比高、燃油消耗率低、可靠性强等特点而得到广泛迅速的应用。在一个世纪的发展过程中，柴油机技术水平经历了三个重要发展阶段。第一阶段是在本世纪二十年代用机械式喷油系统代替了蓄压式系统；第二阶段是在五十年代采用增压技术；第三阶段就是七十年代兴起的柴油机电子控制技术。在这三个阶段中，以电子控制技术的发展影响最大、意义最深远123。目前，柴油机除在中小功率车辆中占有一部分市场外，它还囊括了几乎所有大

3、功率车辆的全部市场4。近年来，环境保护意识日益增强，为了适应越来越严格的排放法规及世界性能源危机的要求，对柴油机动力性、经济性、可靠性以及排放性能的要求不断提高，要在柴油机工作的同时达到低排放、低油耗以及高动力性能的要求，不仅要使柴油机的喷油量和喷油正时随转速及负荷的变化而发生模式较为复杂的变化，而且还要对温度、吸气压力等因素加以补偿，故传统的机械式燃油喷射系统因其固有的缺点（控制自由度小、控制精度低、响应速度慢）而无法满足这些要求56。电子控制技术在柴油机上的应用研究成为柴油机发展的一个必然趋势。世界上许多技术发达国家竞相开发柴油机电子技术，到目前为止，已研制并生产出许多功能各异的柴油机电子

4、控制系统，其中大部分已产品化并投放市场。微机参与柴油机控制增加了信息处理量和处理功能,同时提高了控制精度。微机的参与把那些过去在柴油机控制理论上只有理论意义而不能实现的某些成果变为现实。借助微机的功能可以实现更为复杂的控制规律,而这在以前则是不可能的。在采用微机电控系统以后，人们对柴油机所提出的种种苛刻要求逐步得以满足，这都归功于电控系统的以下特点789101112。1实现多种控制功能充分发挥电控系统在信息处理量和处理速率方面的优势，发挥计算机软件的灵活性，对发动机工作过程和行驶过程实施控制，可提高发动机性能、降低排放、改善驾驶性和舒适性、提高可靠性。目前柴油机电控喷油系统实现的功能非常多，以

5、下列举一些常见的控制功能。（1）基本控制功能柴油机电控系统最基本的功能就是控制燃油喷射量。根据发动机工况和司机的意愿，由ECU确定最佳油量，并由喷油泵调节机构进行调节，获得需要的喷油量。油量控制包括若干子功能：- 起动油量控制。起动阶段考虑冷却介质温度和发动机转速，提供安全和不冒烟所需的起动油量。起动油量与脚踏板位移无关，可以防止脚踏板误操作引起的起动冒烟和加速滞后。- 怠速油量控制。闭环同步调速系统可以降低怠速转速，减少耗油量，减小怠速转速波动，降低怠速振动。怠速转速与负荷无关，附属装置的功率输出，如空调压缩机、自动转向机构等，均不会导致怠速变动。而且，怠速转速与机械机构无关，重复精度高。-

6、 全负荷油量控制。可以得到满足不同要求如烟度、转矩、转速限制的全负荷特性。- 部分负荷油量控制。部分负荷油量主要由脚踏板位移和转速决定。部分负荷油量基于和发动机特性的匹配，获得整个车辆性能的协调。供油提前角直接影响发动机的燃烧性能，影响柴油机的经济性和排放。传统的机械式喷油泵装有离心式提前器，使供油提前角随转速升高而增大。电控系统中存储的供油提前角脉谱是一个有复杂曲面构成的供油提前角模型，以满足柴油机性能和排放的需要，这是电控柴油机的重要优点之一13。确定喷油定时脉谱的方法很多，日本电装公司把发动机运行范围划分成几个部分，在低速低/中负荷、中/高速和低速高负荷范围内分别重点考虑排放、油耗和烟度

7、1415。为了提高发动机性能，使发动机满足各种环境的要求，环境参数补偿已成为电控喷油系统的重要组成部分。常见的环境参数补偿有：根据冷却液温度补偿起动油量和起动供油提前角,对供油提前角和油量进行进气/大气压力、温度补偿,对油量还可以进行燃油/机油温度补偿1617。实现环境参数补偿的方式有两种，一种是拟合低次补偿曲线，对查脉谱获得的最佳值按补偿曲线方程计算输出值；另一种方式是在不同环境下，制作多个的脉谱，发动机运行时，ECU根据不同的环境参数查不同的脉谱181920。（2）发动机工作过程控制功能发挥软件设计的灵活性，柴油机电控系统可以完成发动机起动暖机、怠速、调速和限速控制。对于起动控制，ECU可

8、根据冷却液温度和起动次数，调整起动供油量。第一次起动失败后，ECU自动增加起动油量，保证起动成功。柴油机电控喷油系统可以实现带有怠速控制和限速功能的两极式调速和同步调速。两极式调速时ECU通过脚踏板位移-发动机转速图来控制油量，这样就可以通过调整供油量分布获得不同的调速特性。而同步调速闭环控制系统可以达到零调速率18。负荷突变时，转速波动小。具有冷机暖车程控化功能，发动机冷车工作时电控系统提高怠速，冷却水温度上升后逐步降低怠速。具有限速控制又称飞车保护功能。2改善柴油机性能和排放改善柴油机的燃油经济性和减少排放一直是柴油机工作者的研究开发重点,同时也是整个社会所关注的一个问题。但要提高柴油机的

9、经济性和减少排放却是比较困难的。制约和影响经济性和排放的因素很多，这些因素的相互关系不仅较复杂，往往又相互矛盾。例如，NOX的排放量与循环温度成正比，降低循环温度，NOX的排放量减少了，但HC排放量却增加了2122，在此情况下，就需要控制系统能实现复杂的多参量控制。再如，在不同发动机转速和不同负荷下均存在着一个最佳喷油始点，稍一偏离该最佳值，都会增加耗油量和排放，因而要求控制系统具有较高的调控精度。而上述这些控制功能靠机械式控制系统是无法实现的。就机械式喷油提前装置而言，它具有如下三个固有缺陷：一是不可避免的安装调整误差；二是对应于不同转速、负荷、冷却水温度和进排气状况等不可能给出精确复杂的喷

10、油定时关系；三是在喷油提前装置磨损、驱动喷油泵的链条或传动带变长和燃油温度发生变化时不可能自动的对喷油提前角误差加以补偿23。因此很难实现最佳喷油提前角的控制。而微机控制系统则不存在上述问题，它能比较方便地在考虑了影响喷油始点的诸因素之后对喷油提前角进行精确控制，使其达到或逼近最佳值。与机械式喷油提前装置相比，采用微机电控系统，可使柴油机的燃油消耗率降低5%甚至更多，排放可得到明显改善24。用于改善柴油机经济性和排放的一项重要控制是对喷油泵的速度特性以及喷油泵齿条位移随油门踏板位置变化规律的控制，这个变化规律对发动机的经济性和排放也有很大的影响。传统上是采用机械式调速器来实现该控制。无论是机械

11、式全程还是两极式调速器，其反馈信号主要源自于发动机转速，且不论其系统响应慢和调控不稳定性等问题，就其反馈信息来讲也是远远不够的。这是因为影响每一工况下的最佳齿条位置的因素很多，而不仅仅取决于发动机的实际转速2526。例如，当发动机在冷却液温度较低的情况下起动时，需要增加起动油量以缩短起动时间。而当冷却液温度较高时，则应减少起动油量以降低油耗和排放。又如怠速控制，此时发动机的输出功率完全消耗在本身的一些系统中，因而希望在不使发动机熄火的前提下，尽量降低怠速转速，以减少耗油量和噪音污染。但是，当转速太低时，由于机械式调速器飞锤的离心力过小，往往会使发动机怠速不稳定甚至失调，因而不得不适当提高怠速转

12、速。但电子调速器则不存在上述问题，它不仅能实现多参数控制，也可以实现低稳定怠速控制。电子调速系统还能实现高度补偿、正负校正和根据冷却液温度、燃油温度及进气状态对油量校正等功能。在采用电子调速系统后，还可增加柴油机的全负荷转矩输出和提高最大功率输出等。改善柴油机经济性和排放的另一重要电控系统是共轨电控喷油系统，它能同时实现对循环供油量和喷油定时的实时精确控制。与传统的柴油机高压系统相比，除了能实现多参数综合控制和控制精度高这两个显著特点之外，共轨电控喷油系统还具有另外两个特点，一是能较为方便地实现不同的喷油规律。其二是能在各种工况下实现高压喷射，即喷射压力与发动机转速、负荷无关27282930。

13、而上述这些特点是传统高压系统所不具备的。3提高发动机的工作可靠性可靠性是评价发动机的重要指标，各柴油机电控喷油系统生产商都在故障诊断和安全性设计方面作了大量工作。当一个微机控制系统建立以后，可以很方便地扩展其控制功能，为柴油机提供各项保护功能是其中之一。借助传感器的输入信号，微机控制中心可随时监测影响发动机工作可靠性的一些参数如润滑系统的机油压力、排气温度、曲轴轴瓦温度和转速等。一旦某一项或某些项的参数或状态超出或低于设定值，控制系统会立即显示报警，同时控制执行器进行相应的调节，直到这些参数或状态正常为止。对于一些影响发动机运转可靠性的主要参数，电子控制系统还可为发动机提供双重或多重保护，以免

14、造成重大损失。例如，当柴油机发生重大事故时，控制系统一方面控制调节齿杆迅速减油回复零位，同时也控制高压油泵进油管路上的电磁阀切断油路或关闭进气阀，使发动机迅速停车。另外，许多柴油机电控系统还具有故障诊断和应急功能。前者便于查找和确认故障，而后者对于保证发动机的正常运行和应付突发事件非常有用。当电控柴油机系统中的某一环节出现故障但该故障又不足以需要发动机或车辆立即停止运转时，就应当使其继续运行至少是准正常地运行，这在许多场合是很重要的，有时甚至是必须的。在此情况下，应急功能就显得尤为重要,它可以根据具体的情况合理的决定整个系统带故障工作的方式,或者启用备用系统或者降级控制使发动机继续运转,以便完

15、成必须的剩余的工作程序。电控系统的引入，对故障诊断能力提出了更高的要求。同时，也为故障诊断提供了更大的可能性。目前各种柴油机电控系统均具有在线故障诊断系统。在发动机运行过程中，以ECU为核心检测各传感器信号，比较目标值与实际值的差距。在线故障诊断通常由单片机软件完成，一般在仪表板上设故障指示灯，并可以输出故障代码。电控喷油系统一般在故障诊断的同时提供应急功能，通常对故障分级并采取不同的应急措施。离线故障诊断则是在ECU中增加记忆装置，在发动机运行过程中记录各传感器信号。发现故障后，将记忆装置中存储的大量信息读入PC机，由PC机进行数据显示、分析，完成故障诊断。在线故障诊断系统一般只能对传感器信

16、号的范围、变化进行简单的判断，这种方法易于实现，能够检测故障，保证发动机安全运行。离线故障诊断系统则可以对记录的数据进行复杂的数学处理，运用如模式识别、专家系统等理论方法，对发动机的运行情况进行评价，这种方法功能更强。为了保证发动机的安全运行，除故障诊断外，安全设计也是重要的措施，各柴油机电控系统都具有安全设计。常用的措施之一是硬件冗余技术，即为关键硬件配置备用件。一般电控喷油系统的安全设计都有备用驱动电路，由比较简单的电子电路构成，当单片机失灵时，能由备用电路保证发动机的安全运行。另一种最常见的安全设计是自动停车功能。4响应快、控制精度高响应要快是对一个控制系统的基本要求。电子控制系统从接受

17、到一个信息开始至处理完毕并输出控制信号所需的时间一般为ms级31，这个时间要远远小于发动机或其他机械控制机构的响应时间。因此，一旦发动机及其系统的运行参数或状态稍一偏离目标值，电子控制系统就能立即进行跟踪并予以实时调节和控制。正是由于响应快这一特点，使得电子控制系统能实现机械控制系统所不能实现的一系列功能，如同步调速、无波动的转速控制和电控喷油控制等。控制系统的控制精度越高，被控对象的性能指标就越容易接近最优值。电子控制系统的控制精度远高于机械控制和模拟控制的主要原因是对输入、输出信号实现了数字化传输。从理论上讲，只要微机位数足够高，微机控制系统的控制精度可不受限制，但这也意味着要以很高的成本

18、为代价。过高的控制精度并没有什么实际意义，因此，通常是按满足一定的精度要求来选择控制单片机系统的位数的31。5高的控制对策灵活性电子控制系统的最大特点之一是其控制对策的灵活性。对于不同用途的柴油机，其控制对策往往不同，当需要改进或与其它机型匹配时，传统办法是改变相应的机械式控制系统，重新设计、试制和加工，因而其周期长、成本高，极不方便。而电子控制系统则能很方便地与各种不同用途的柴油机或动力装置匹配，需要改变的仅仅是EPROM中的软件程序，而基本上不涉及硬件系统。在有些情况下，电控系统甚至不需要任何变更便能用于不同种类的柴油机，如全能电子调速器便是一例。电控系统的这种特性为系统的研制、改进、生产

19、和调试带来了极大的方便，且大大的缩短了研制周期并降低了研制生产费用，为占领新的技术应用市场奠定了基础。其灵活性还表现在一机多能方面。例如，当建立了一个电子调速控制系统以后，那么与齿条位移有关的发动机参数或状态的各项控制均可经过适当的软件修改、补充而由该控制系统来实现。（二）国外柴油机电控技术动态80年代以前，电喷技术主要应用于发电机组用柴油机，其目的是当供电负荷变化时，通过控制喷油量，使发电机的转速保持稳定，从而得到稳定的供电频率。80年代以后，位置及时间控制式电喷技术逐渐应用于卡车及轿车用柴油机，其控制功能也从单一的喷油量控制逐渐发展为多变量控制。90年代以来，出现了功能更为强大的时间+共轨

20、式电喷系统。这种新型的控制系统不仅可以适时地控制喷油量与喷油正时，使其达到与工况相适应的最优数值，而且还使过去不能控制的喷射压力及难以控制的喷油率的控制成为可能，系统的控制自由度及精度大为增加。到目前为止，电喷系统不仅能够控制所有的喷油参数（喷油正时、喷油量、喷油压力、喷油率），而且对怠速稳定性、起动性、增压、EGR、各缸喷油量不均衡性等也可实施控制。理想的电控燃油系统应具备：高压喷射能力，全电控，即喷油量和喷油提前角同时可控。对于柴油机电控喷射系统，从控制部件上来分类有电控喷油泵和电控喷油器两种；从控制方式来分有位置控制和时间控制两大类；从发展顺序上讲，首先发展的是位置控制系统因此有时称它为

21、第一代电控喷油系统，而把时间控制系统称为第二代电控喷油系统323334353637。1位置控制系统位置式电控系统是电控柴油机开发的早期产品，他不仅保留了传统的泵-管-嘴系统，而且还保留了原泵中的齿条、柱塞套、柱塞上的斜槽等控制油量的机械构件和要素，只增加了少量的构件如滑套，并在喷油泵上增设由传感器、执行器和微处理器等所组成的双位置控制系统，对齿条和滑套的运动位置予以控制，从而对油量和喷油定时进行调节。由于这种系统只要用电控泵及其控制部件代替原有的机械式泵就可转为电喷系统，是在原机械系统之上改进而得到的，故投资少见效快，生产继承性好，便于对现有机器进行升级改造38。位置控制的柴油机喷油系统在现有

22、柴油机上实施方便，是目前商品化程度最高的产品39。（1）分配泵位置控制系统转子式分配泵的油量控制主要有以下两种方式：图1 日本电装ECD-VI电控系统组成a控制滑套位置采用这种控制方式的有日本电装公司的ECDV1系统，其组成如图1所示，该系统采用线性电磁铁，通过杠杆来控制滑套位置，从而实现油量控制。系统种装置传感器来反馈滑套位置。该系统用在丰田公司ZI. TE型四缸非直喷柴油机上，已商品化多年40。b控制柱塞径向行程英国Lucas公司的EPIC系统采用这种控制方式，它是在DPA转子型分配泵基础上开发的，其供油量取决于柱塞的径向行程。在分配转子尾部装有传感器来反馈其位移信号。分配泵的正时控制都是

23、采用电磁阀控制其提前器高压室和低压室的压差，使活塞运动，从而改变凸轮相位来实现的41。（2）直列泵位置控制系统直列泵的供油量是通过控制其齿条位移来实现的，其正时控制有以下两种方式：a通过改变凸轮相位实现。如日本Zexel公司的COPEC系统，该系统采用电磁阀控制带有活塞的液压提前器来改变凸轮相位。这种系统结构复杂。b在泵油柱塞上增加控制滑套。日本Zexel公式的TICS系统即采用这种方式。工作时，带有油孔的滑套上下运动，改变供油预行程，从而使供油凸轮工作区段改变。这样，控制滑套位置不但可以改变喷油正时，还可以改变供油率。德国的Bosch公司也有可变预行程的电控喷油泵。位置控制系统在现有柴油机上

24、实施方便，作为执行器的电磁阀和旋转电磁体等技术容易过关，是目前国外商品化程度最高的产品4243。2时间控制系统图2 Model-1 型喷油泵所谓时间控制就是用高速电磁阀直接控制高压燃油的通断。传统喷油泵中的齿条,滑套,柱塞上的斜槽,提前器等喷油机构可以全部取消，喷油量计算由高速电磁阀的开闭时间决定444546。时间控制系统的主要特点是机械结构简单，喷射压力提高，油泵机构和控制机构分开，时间控制的自由度更大。但时间控制系统所用的高速电磁阀,不仅要求响应好,而且要密封高压柴油,且体积不能太大，既要有工作能力，能耐热，又要有好的可靠性和寿命，制造有相当的难度47。（1）分配泵时间控制系统a日本Zex

25、el公司的Model-1型系统是在泄油通路上装置一个高速电磁阀，如图2所示。它采用DVC传感器测定电磁阀关闭的始点和终点作为反馈信号，日本电装公司也开发了类似的ECO-V3系统。b美国Stanadyne公司的DS系统是在转子分配泵转子尾部的进油通路上设置了电磁阀。该喷油泵最高转速达2250r/min，最大喷射压力达110Mpa。美国GM公司1994年型的6.5L柴油机上即采用了这种DS系统。德国Bosch公司也开发了类似的VP44系统48。图3 EUP13型电控单体泵（2）单体泵时间控制系统德国Bosch公司开发的EUP13型电控单体泵，是在其出油口设置高速电磁阀，实现喷油定时和喷油量控制，如

26、图3所示。这种泵消除了不易安装提前器的缺点49。（3）电控泵喷嘴系统美国底特律公司的DDEC系统即为这种电控喷嘴系统，它是在该公司传统的机械泵喷嘴油道中设置了电磁阀，其泵油动力仍来自凸轮轴。由于泵喷嘴系统无高压油管，因此其喷油压力可达100Mpa以上。DDEC系统已大批量生产，用于15t载货汽车上。Bosch公式和Lucas公司也有类似系统。（4）共轨式电控喷油系统共轨式电控喷油系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理，而是通过高压共轨、蓄压或液力增压形成高压，采用压力时间式计量原理，用电磁阀控制喷施过程。柴油机采用共轨系统时，结构上不需要作大的改动。共轨系统结构很多，以下是其典型结构505152

27、5354。a高压共轨式电控喷射系统图4 ECD-U2 系统日本Nippondenso公司的ECD-U2型高压共轨系统如图4所示。该系统是用由电磁阀控制的两缸直列泵作高压油泵，把柴油输入到共轨，共轨上有压力传感器，反馈的信号送入ECU，由ECU控制输油泵上的电磁阀，确保共轨中压力稳定，可根据发动机工况确定压力的目标值。喷射压力超过100MPa。喷油嘴上方是电控三通阀，三通阀通电时，开始供油，为了形成发动机性能需要的喷油率，在液压活塞上方专门设计了单向阀和和小孔通道，使油压逐步下降。三通阀断电，供油结束，能够实现快速断油。喷油定时和喷油量均由电磁三通阀控制。这种共轨系统还可以实现预喷射、靴形喷射率

28、。由于高压输油泵的凸轮有3个凸起，起动时，共轨中油压上升很快，保证发动机快速起动。高压输油泵的供油量由传感器ECU电磁阀系统控制，消除了常规直列泵上由于溢流造成的高压燃油损失或浪费，减小驱动功率的消耗。ECDU2系统可实现任何工况任何转速下的高压喷射，对低速低负荷工况有利55。b共轨蓄压式电控喷射系统美国BKM公司的Servojet共轨蓄压式电控喷射系统，其输油泵式具有7个柱塞的斜盘式泵，输出压力为1Mpa10Mpa。该系统的喷油器是由电磁阀控制的蓄压式喷油器，其结构如图5所示。电磁阀关闭时，蓄压室喷油嘴盛油槽和针阀上部的压力达100Mpa150Mpa，喷油量取决于共轨中的油压，共轨中油电磁调

29、节阀，根据运行工况调节压力在2MPA10Mpa之间变化。由于共轨内油压低于10Mpa，因此使得电磁阀的制造难度降低56。c共轨液压式电控泵喷嘴系统图5 共轨蓄压式喷油器机构美国Caterpillar公司的HEUI共轨液压式喷射系统组成如图6所示。系统共轨中使用发动机机油。高压泵也为斜盘式柱塞泵。共轨中油压由电磁阀控制在4Mpa23Mpa，按发动机最佳性能调节油压。它是由液压装置驱动，并由电子装置调节，这种泵喷嘴不需要机械驱动装置。该系统主要由六个部件组成：（1）高压机油泵；（2）油道压力控制阀；（3）液压泵喷嘴；（4）各种传感器；（5）电控模块（ECM）；（6）燃油泵。电磁阀接通时刻即为喷油始

30、点，电磁阀接通时间决定喷油量。喷射压力可达150MPa。采用机油做共轨的工作油主要为了解决柴油在热工况下粘度降低，热起动困难的问题。该公司对低温起动作了许多研究工作，已能保证在零下40起动。共轨中的机油压力可在30ms内达到目标值。HEUI系统已经在Navistar公司的7.3L直喷增压V8的T444E柴油机上应用。共轨液压喷射系统还有日本小松公司的KOMPICS系统，美国Cummins公司的HPI系统等5758。图6 HEUI系统dSSI-1共轨蓄压式电-液控制喷射系统图7 SSI-1 喷射系统示意图该系统室BKM与PEL公司共同开发的项目，其结构如图7，其特点是：蓄压式喷油器与油压增压器分

31、离布置；液力电磁阀通过大流通能力滑阀的差动活塞控制着充油和卸压时间，为四气门缸盖布置提供了便利和扩大了应用范围，但需要有很短的高压油管。共轨中油压，由一个附加齿轮驱动的旋转式轴向柱塞泵产生，并保持在35Mpa105Mpa，共轨中由一个电控压力调节器，精确调节满足发动机不同工况的供油要求。液力电磁阀控制着一个高流通能力的滑阀，当液力电磁阀开启时，共轨油压推动滑阀向右运动，使共轨中的柴油进入低压柱塞上方，推动低压柱塞下行，使高压柱塞下方的柴油增压，高压柴油通过短高压油管进入蓄压式喷嘴，针阀在上方的高压柴油和喷嘴弹簧作用下紧紧关闭。当液力电磁阀关闭时，滑阀迅速向上运动，喷油器止回阀关闭，同时针阀上方

32、柴油卸压，针阀在针阀腔内高压柴油作用下迅速升起开始喷油。此时系统止回阀打开，使高压柱塞下方油腔充满共轨压力的柴油。当喷油器针阀腔内油压低于喷嘴弹簧预紧力和共轨油压时，针阀关闭喷油结束。喷油正时取决电磁阀开启时刻，图8 电控系统的发展趋势而喷油量则取决于共轨油压。因为共轨中油压的变化，就影响了喷油器蓄压腔的油压，针阀关闭主要由喷油器弹簧预紧力决定的，所以，共轨中油压的精确调节，是保证发动机在不同工况下喷油量的要求。Bosch公司列举了各种电控系统的发展趋向，见图859。从图上可以看出时间控制系统发展较晚，能实现高喷射压力，今后肯定将继续发展；位置控制的VE泵+EDC系统，控制滑套的泵（即可变预行

33、程的TICS泵），今后也会继续发展。（三）国内车用柴油机电控技术的发展现状我国柴油机电控技术起步较晚，目前总体水平相当于国外70年代电控开发初期水平，不过80年代中期以后，我国有许多科研单位、院校相继开展了这方面的研究工作，并取得了阶段性成果59。我国从事柴油机电控最早的单位是上海内燃机研究所，于1985年承担了机械工业部下达的“电子控制中小功率柴油机的研究”，并研制成功了6102A型柴油机电子喷油定时系统；以后上海交通大学研究出机电式供油提前器；大连理工大学研制出电液式供油提前器；吉林工业大学研制了双控制阀式车用高速柴油机电控喷射系统；北京理工大学研制出高增压柴油机电液式供油提前器。“八五”

34、期间，北京理工大学研制成功了RECS大功率柴油机电控系统，分别实现了供油量、喷油定时和可变几何涡轮增压器的控制，为进一步实现柴油机综合管理系统的开发奠定了基础61。长春汽车研究所和吉林工业大学、北京天纬油泵油嘴股份有限公司合作，采用电控可变预行程泵实现对CA6110系列柴油机的喷油控制和怠速、巡航的调速控制。一汽集团公司无锡油泵油嘴研究所在电控分配泵系统方面进行了研究开发，期望在轻型车上获得应用。东汽公司已着手Comminus 6BT的电控化进程，它是一种基于喷油泵油量调节齿杆位置控制的电子调速器系统，现已取得阶段性成果清华大学主要开发直接数字电控柴油机，它采用泵-管-阀-嘴系统，取消了齿条、

35、柱塞斜槽等机构，在油路上设置了高速电磁阀，由电磁阀控制喷油正时和油量，该电磁阀的性能能够满足柴油机的工作要求，其最快响应速度为1.65ms,是目前国内的最高水平5。同时在喷油嘴和油泵之间选择了一个最佳的控制阀位置，打破了传统的泵-管-嘴系统中压力波传播方式，喷射特性得到改善。实现了对柴油机喷油定时、喷油量以及喷油速率、喷油压力的优化控制。七O研究所研制直列泵DK-700电子调速器是采用线性比例电磁体作执行机构。天津大学内燃机国家重点实验室致力于共轨蓄压式电控喷油系统的研究，开发了一种中压共轨式系统，该系统采用一中等供油压力源，通过蓄压器和压力放大机构，在高速电磁阀控制下，实现高压喷射。另外，浙

36、江大学内燃机研究所、哈尔滨工程大学等也在柴油机电控方面做了相应的工作。随着我国汽车产量和汽车保有量的逐年增加，城市大气污染已引起人民群众和环保部门的重视，我国将实施更为严格的排放法规，因而采用电控柴油喷射技术的迫切性已摆在了我们面前。我们应该从实际出发，逐步发展。虽然赶上国外先进水平还有一个过程，但是电控柴油喷射系统在国内柴油机上逐步应用是必然趋势。（四）柴油机电控喷油系统的基本组成柴油机电控电控喷油系统由传感器、电控单元和执行器组成。图9 柴油机电控喷油系统基本控制方案柴油机混合汽的形成和燃烧过程极为复杂，采用建立过程数学模型并借助于燃烧传感器、负荷传感器和烟度传感器等进行喷油过程闭环控制的

37、方法在目前的条件下是不可行的。目前，世界上各种柴油机电控喷油系统采用的基本对策都是：把发动机转速和油门踏板位置信号作为反映发动机实际工况（转速和负荷）点的基本信号，参照发动机和整车试验得出的MAP来选择喷油量和喷油正时等控制量的目标值，并对执行器进行闭环反馈控制6465。柴油机电控喷油系统基本控制方案如图9所示。1执行器柴油机电控喷油系统的执行器一直是柴油机电控技术的重点。常用的柴油机电控喷油执行器按工作原理可大致分为磁电式、液压式；从操作力的产生来分，有只产生单向操作力（螺线管）和产生双向操作力（动圈式线性螺线管和步进电机）的执行器；从操作力的方向分有产生直线力和旋转力矩的执行器；从运动状态

38、分有开关执行器和连续动作执行器66。2传感器从功能上可将柴油机电控喷油系统传感器大致分为如下几种：a执行器信号反馈传感器：这类传感器负责把执行器的运行情况反馈ECU，实现对执行器的闭环控制。具体划分，有位置传感器、喷油始点（针阀升程）传感器和阀关闭持续期传感器等。b发动机运行工况传感器：这类传感器感知发动机转速、油门踏板位置等发动机工况信号，输入ECU。c修正参数传感器：如水温、燃油温度、进气温度和压力传感器等，所采集的信号作为供油量或供油提前角的修正参数。d其他传感器：如车速传感器等。目前传感器发展的主要趋势是集成化和功能化，即传感器除具有信号转换功能外，还要具有温度补偿、信号处理等功能67

39、。3电子控制单元（ECU）aECU硬件ECU由传感器与单片机的接口电路、中央微处理单元和执行器驱动电路3部分组成。传感器接口电路将传感器输出的信号转换成单片机可以接受的标准TTL电平信号。目前，随着传感器技术的发展，其接口电路也越来越趋于简单。中央微处理单元由单片机及其外围电路组成，目前工业单片机的集成度非常高，已经把ROM、RAM、各种接口包括A/D转换器、D/A转换器和定时器等，都集成放在一块芯片上，从而大大地提高了单片机运行地可靠性6869。随着电控系统逐渐复杂化，对单片机资源地要求也越来越高，一方面使用高级地单片机（16位、甚至32位）、另一方面采用多级分部系统由多个CPU协同完成各种

40、控制功能。执行器驱动电路完成执行器驱动信号的功率放大。aECU软件目前各种文献中对ECU软件进行详细介绍的很少，随着柴油机电控喷油系统控制功能的增多，使用的控制算法也日趋复杂70，使得ECU软件设计越来越受到重视，人们开始用软件工程学理论系统地进行ECU软件开发。（五）柴油机控制策略70年代以来，随着微电子技术和新型传感器的不断发展，柴油机的电喷系统不仅在硬件方面先后推出了位置控制、时间控制、时间+共轨控制等三代产品，而且在控制理论与方法方面也取得了许多令人鼓舞的成果。控制方法从过去的查表法、PID控制法等基于经典控制理论的方法发展到以状态空间、多变量最优控制、自适应控制等现代控制理论为主导的

41、技术。近年来，神经网络控制、模糊控制等智能控制技术的应用也日益活跃717273。在自动控制理论的发展过程中，比例积分微分（PID）控制是历史最悠久，生命力最强的基本控制方法。PID控制具有原理简单明确，便于实施等优点，在柴油机电控系统中得到广泛应用，是目前商品化程度最高的控制方式。PID控制是Zexel，Bosch，电装等几乎所有公司柴油机电控系统产品的主要自动控制方式。最典型的例子是建立PID控制参数Map图，根据发动机的不同工况使用不同的参数，以克服被控系统的非线性。从古典到现代的各种控制方法在柴油机电控系统中都有应用747576。GHong将PI控制算法与性能优化方法相结合，控制柴油机的

42、烟度排放，达到了柴油机的速度和烟度在发动机瞬态工作过程的统一。RRees Fullmer使用自适应技术对发动机扭矩进行控制，为了应用于带有时间延迟的系统，使用了施密斯预估器，并且使用零极点配置来确保闭环稳定性。Vladimer l.Abram通过使用自适应方法来适应不同的发动机控制参数，达到最大功率及最小燃油消耗。CTCao开发自适应系统对车辆进行巡航控制，车辆速度仅有微小的偏移。PID算法对系统内部参数有一定的适应能力，设计简单。但是，柴油机的非线性及时变性问题比较突出，随着转速，负荷以及其他运动条件的变化，其模型参数将发生较大的变化。这时，PID控制器不足以补偿参数的变化，必然使系统性能下

43、降，甚至导致系统不稳定运行73。广义预测控制（1984年由Clarke提出）是一种鲁棒性很强的控制算法。其控制量计算是建立在对系统表现的长期预测基础上，不但在模型参数准确时具有优良的控制效果，当系统参数变化时，仍然具有很强的适应性。应用于柴油机电控系统可以获得很好的控制效果。由于柴油机参数的非线性和时变性比较突出，工况变化太大时，虽然广义预测控制仍能稳定，但控制性能却有所下降。因此引入调度控制，首先测量几种典型工况时的模型参数，并分别给出控制算法的计算参数。在实际控制中，根据不同的工况，采用相应的模型参数和计算参数得出控制量。一些非线性控制方法也被应用于柴油机电控系统。Lars Kjergaa

44、rd使用非线性控制策略对发动机怠速进行控制，并将其与常规PID和线性二次型控制比较，得到了更好的控制效果7778。模糊控制是一种非线性控制方法，其非线性控制功能和良好的鲁棒性对柴油机电控系统也很有吸引力。George Vachtsevanos 应用模糊控制器对发动机进行怠速控制，Maurizio Abate也实现了这一功能，浙江大学李彬轩从提高发动机经济性角度出发，提出应用模糊技术进行怠速控制，使发动机性能指标得到一定改善，提出系统的建立原则并给出系统的大体框架及组成。日本电装公司采用模糊自学习控制控制各缸均匀性。Carnevale C.使用HInfinity控制方法对柴油机怠速进行控制，将这

45、一技术应用于多输入多输出系统，使得怠速性能得到了优化，对对象参数变化具有较好的抗干扰性和鲁棒性。Hiroaki Kuraoka应用HInfinity技术对汽车燃油进行控制，抑制机油粘性对执行器产生的干扰，减小波动，得到了比线性二次型最优设计更好的控制效果，具有较强的鲁棒性。柴油机的缸内燃烧过程极为复杂，影响因素多，在目前的情况下，采用建立工作过程数学模型并借助于各类传感器等进行燃烧过程闭环控制的方法难度较大7980。随着计算机技术的发展，自适应控制理论和设计方法得到了飞速发展。这种控制技术和传统的PID控制原理及最优控制理论不同，它可以在被控对象的模型知识知之不全的情况下给出高品质的控制效果。

46、这种技术对于那些在工作范围内参数有极大变化的场合往往是必需的8182。基于此，将自适应控制理论应用到柴油机电子控制中也是目前一个比较热门的方向。由于实用化的系统还很少，加之受限于执行器和传感器的研究应用水平，目前国内在柴油机电控的控制理论研究方面还处于探索阶段，许多仍采用开环控制的方法。因此在加快硬件研究的同时积极做好控制理论的研究及应用工作，对于缩短我国同发达国家的差距，使我国汽车行业跻身世界强国行列有重大的推动作用。（六）二甲醚应用与研究国内外现状1二甲醚应用特性目前，二甲醚已成为内燃机界众所周知的具有应用前景的柴油机替代燃料。表1对比了几种不同的含氧燃料的理化特性。针对二甲醚在柴油机上的

47、应用而言，二甲醚与其它燃料相比，具有以下突出特点83848585：（1）十六烷值大于55，自燃特性良好，适于柴油机使用；（2）燃料自含氧元素，氧元素体积分数为34.8%，有利于降低颗粒物排放；（3）沸点温度低，20饱和蒸汽压为0.51MPa，使用中需避免发生气阻现象，但易于雾化形成较均匀混合气；（4）液态单位体积燃料热值比较低，约为柴油的52%；（5）液体粘度很低，易泄漏，不利于磨擦件润滑；（6）化学性质稳定，无金属腐蚀性，无毒性，适于作车用燃料。2二甲醚在内燃机中的应用研究现状到目前为止，二甲醚在内燃机中的应用研究也只有十年历史，随着二甲醚合成工艺技术的进步以及对柴油机排放治理的迫切需要，二

48、甲醚的应用成为内燃机领域名 称柴油二甲醚乙酸乙酯甲缩醛碳酸二甲酯甲醇乙醇英文名称dieselDimethyl etherEthyl acetateMethylalDimethyl carbonatemethanolethanol简称DMEDMMDMC分子式C2H6OC4H8O2C3H8O2C3H6O3CH4OC2H6O分子结构CH3OCH3CH3CO2CH2CH3CH3O(CH2)OCH3CH3O(CO)OCH3CH3OHCH3CH2OH分子量10046.0788.1076.10903244氧含量（wt%）034.836.242.153.350.034.8比重（20）0.840. 6640.5

49、MPa0.90060.85931.06940.7930.810沸点（）180-388-24.977.1142.390-9165.178液体粘度（20，kg/m.s ）2-40.15自燃点（20）250235425.5237450420低热值（MJ/kg）42.528.822.415.7819.520.5的研究热点之一。二甲醚最早在柴油机上应用是作为压燃式发动机燃用甲醇的一种着火促进剂。直喷式柴油机燃用二甲醚的研究只是近几年才刚刚开展起来，主要围绕发动机燃用二甲醚的燃料喷雾特性、燃烧特性、排放特性等86。表1 柴油、二甲醚及其它含氧燃料的理化特性丹麦技术大学、AMOCO公司、Haldor Top

50、soe A/S公司、NAVISTAR公司和AVL公司等在多种柴油机上进行的燃用二甲醚的试验结果发现，二甲醚能够实现发动机高效、低排放、柔和及无烟燃烧，能够满足严厉的欧和加利福尼亚的超低排放标准。二甲醚是最简单的醚类化合物，其分子结构没有C-C键，燃料本身含有氧原子，自燃性能好，因而滞燃期短，具有减少NOX生成的可能性，发动机运行时微粒排放极低8788。另一方面，由于二甲醚含氧，允许采用较大的EGR率来降低NOX的排放。直喷式柴油机燃用二甲醚时的NOX排放，周龙保、Sorenson, S.C.等人的试验结果表明有所降低，而Shuichi Kajitani等人的研究则发现NOX排放有所升高8990

51、91。可以采用多种措施来降低NOX排放，M. Alam采用氧化催化净化器降低NOX排放；由于CO2是二甲醚生产过程的中间产物，因而Shuichi Kajitani等人采用在二甲醚中掺入CO2的方法，发现在保证不降低燃料经济性条件下，可以有效降低NOX排放；采用推迟喷油提前角的方法同样可以降低NOX排放92。由于二甲醚的单位体积低热值仅为柴油的52%，为了使直喷式柴油机燃用二甲醚时的动力性接近于原柴油机的水平, 需要对柴油机的燃油系统进行优化设计，提高循环供油量。还可以采用二甲醚和其它高低热值的燃料混合形成复合燃料，达到提高发动机动力性的目的939495。Shuichi Kajitani等人研究

52、了柴油机燃用二甲醚与柴油混合燃料的燃烧与排放特性，而Kajitani,S.等人则采用二甲醚与丙烷混合来提高燃料热值的方法，也取得了良好的效果9697。常温下，二甲醚的饱和蒸汽压较高，喷油压力为22MPa时，二甲醚的雾化效果与喷油压力为120MPa时柴油的雾化效果相当，其喷雾锥角大，与缸内空气混合效果好，可以降低进气涡流比9899100。对于柴油机燃用二甲醚燃烧方式，国内外的研究主要集中在柴油机直接燃用二甲醚的燃烧特性方面。Tatsuhito Kaimai等人对进气管吸入气态二甲醚扩大HCCI发动机BMEP范围进行了研究，仅仅在低负荷区使BMEP增加了0.1MPa，并没有得到良好的效果10110

53、2。因而，还缺乏对不同燃烧方式更进一步的深入研究。(七)本课题的提出在本课题组多年来对二甲醚等多种含氧燃料进行试验研究基础上，综合近年来国内外柴油机电控技术的最新研究成果，针对目前存在的问题，提出了二甲醚电控共轨燃油系统研究的课题。本课题试图从采用二甲醚作为燃料的HEUI共轨燃油系统研究入手，探索未来发动机技术的发展模式。具体而言，本课题的研究包括两个方面的内容：（1）HEUI共轨控制系统的研发作为一种时间控制系统，可以充分发挥电子控制的优势，合理设计电路，提高系统的抗干扰性，增加系统的稳定性；通过对喷油率的控制，研究喷油率对系统性能的影响；并在PID控制的基础上，研究新的控制策略，使系统能在

54、最优状态下运行。（2）二甲醚在HEUI系统上燃油特性的研究 对E150柴油机的燃油供给系统进行适当的改造和调整，采用HEUI喷射系统，进行二甲醚燃料喷射过程的试验，在试验的基础上，建立喷嘴的数学模型，为二甲醚电控系统的设计提供理论依据。二、课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题（一）研究目标1 在E150发动机上采用HEUI喷射系统，以二甲醚为代用燃料，实现系统的电子控制，充分利用代用燃料及电子控制的优势，明显提高系统的排放性能。2研究PID模糊控制，进行仿真试验，实现系统的最优运行。（二）研究内容1系统配置：包括选择HEUI喷嘴、驱动电路、单片机、开发系统、传感器、执行器等。2电子控制单

55、元（ECU）软件的开发。所开发的软件能实现信号采集、发动机工作的管理和输出控制等功能。3以二甲醚为燃料，对电控HEUI系统进行试验，研究二甲醚电控共轨燃油系统的燃烧特性与排放特性，就其改善柴油机的经济性、降低排放的效果进行评价。4研究了受控对象的动态特性，建立了对象的数学模型， 研究新的控制算法， 并进行仿真试验。（三）拟解决的关键性问题1驱动电路的设计：由于HEUI喷嘴的驱动电流很大，正常运行时达到几十安培，一般的驱动电路无法满足要求，必须设计一大功率驱动电路，才能保证喷嘴在周期性工作时不会因驱动能力不够而影响喷油效果。2系统的匹配问题：电控二甲醚系统应用于E150柴油机必须要进行匹配，选择合适的喷油系统参数。为使柴油机获得良好的综合性能，必须基于整体