柴油机电子控制系统的发展

1、刖百电子控制柴油机概述何谓电喷柴油机柴油机电子控制技术的发展状况 柴油机电子控制技术的目的及优点 柴油机电子控制技术的目的 232柴油机电子控制技术的优点柴油机电控技术的特点 柴油机是一种热效率比较高的动力机械 柴油机的喷射系统形式多样电控柴油喷射系统分类位置控制系统时间控制方式时间一压力控制方式压力控制方式3电子控制柴油机技术介绍单体泵技术单体泵控制油路 单体泵系统的另一个优势 32 泵喷嘴技术3.3高压共轨技术J 2J/,5E N4 4 4-4 4 4-高的喷射压力独立的喷射压力控制 改善柴油机燃油经济性独立的燃油喷射止时控制 可变的预喷射控制能力快速断油能力最小油量的控制能力摘要柴油机的

2、发展水平一直是车辆发展水平的重要标志，随着国家对环保的重视和国际 石油价格高涨，我国应对柴油机的发展引起足够重视。车用柴油机面临着日趋严格的排放法规和降低燃油消耗率等要求，采用电子控制技术是使柴油机同时满足各种要求的有效手段 ,而电控单元是整个控制系统的核心，其中的硬件和控制软件设计是否合理将对整个控制系统产生决定性的影响。车用柴油机的结构比较复杂，尤其是新兴的电子控制技术，对于广大汽车驾驶与维修人员来说有着十分重要的意义。文章介绍了柴油机电子控制技术的发展状况、控制原理和应用特点及高压共轨技术的工作原理、研究方向、应用前景。关键词： 柴油机 电子控制 发展1前言随着汽车电子技术日趋完善，时至

3、今日，汽车电子化已达到相当高的程度。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。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，特别是当今排放性能已经被提到首要位置。因此人们也一直在不断地致力于完善柴油机的性能，以期得到好的排放性、经济性、动力性及低噪声，保持一个人类赖于生存的良好环境。影响柴油机排放性、经济性的因素很多，而且相当复杂。改善柴油机的排放性能、经济性能最主要的手段是改善燃烧性能，这在实践中叶得到了证实。控制燃烧性能的最主要的方法有两种：一是合理组织燃烧室内的涡流；二是采取燃烧室内燃油高压喷射。另外， 还可以通

4、过控制燃油喷射率以改善燃烧性能。 因为燃油喷射率对NOx 、 黑烟、噪声的影响也很大。 在低负荷时， 降低平均喷射率可以降低NOx 的排放； 而在高负荷时，相对提高平均喷射率则有助于减少黑烟。喷射初期的喷射率是决定预混合气量的重要因素之一， 为了降低 NOx 和噪声， 喷射初期希望喷射率低一些。 喷射中期， 为了降低黑烟，则希望喷射率高一些，而喷射后期则希望尽量短，喷油提前角对柴油机的排放性和经济性影响也较大。而且影响结果有时是相互矛盾的。比如，喷油提前角增大， HC 排放量减少，但又增加了 NOx 的排放量。所以，现代直喷式柴油机燃油喷射系统必须具备以下要求：a.具有高的喷射压力，且压力灵活

5、可调;b.能够精确控制喷油定时和喷油量；c.能够最优控制燃油喷射率；d.断油干脆。而要同时达到以上要求，传统的依靠凸轮机构组成的喷油系统是无法达到的。因此必须采用电子控制式柴油机喷油系统。2 电子控制柴油机概述何谓电喷柴油机采用电子控制燃油喷射及排放的柴油机即为电喷柴油机。电喷柴油喷射系统由信号输入装置（传感器） 、电子控制单元（ ECU ）和执行元件三大部分，如图 2-1 所示。图 2-1 柴油机电控系统的组成其任务是对喷油系统进行电子控制，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、油门踏板位置、喷油时刻、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却水温度等传感器， 将实时检测的参数同时

6、输入计算机（ECU）， 与已储存的设定参数值或参数图谱 （MAP 图）进行比较，经过处理计算按照最佳值或计算后的目标值把指令送到执行器。执行器根据ECU 指令控制喷油量（供油齿条位置或电磁阀关闭持续时间）和喷油正时（正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点 ） ，同时对废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，使柴油机运行状态达到最佳 1 。柴油机电子控制技术的发展状况柴油机电子控制技术始于 20世纪 70年代， 20世纪 80 年代以来，英国卢卡斯公司、德国博世公司、奔驰汽车公司、美国通用的底特律柴油机公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五十铃汽车公司及小松制作所等都竞相开发新产品并投放市场，以满足日益

7、严格的排放法规要求。由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解决汽车及 工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多。同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。依靠传统的机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转的要求。近年来，随着计算机技术、传感器技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。实际上，柴油机排气中 CO 和 HC 比汽油机少得多， NOx 排放量与汽油机相近

8、，只是排气微粒较多，这与柴油机燃烧机理有关。柴油机是一种非均质燃烧，可燃混合气形成时间很短，而且可燃混合气形成与燃烧过程交错在一起。通过分析柴油机喷油规律得到：喷入燃料的雾化质量、汽缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程的进展以及有害排放物的生成。提高喷油压力和柴油雾化效果、使用预喷射、分段喷射等可以有效的改善排放。经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。随着国际上日益严格的排放控制标准（如欧洲IV、V标准）的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油机

9、都面临着严峻的挑战，解决的办法之一是采用电子控制燃油喷射的技术。现在，柴油机电子控制技术在发达国家的应用率已达到 60%以上。柴油机电子控制技术的目的及优点柴油机电子控制技术的目的优化动力性、改善燃油使用经济性、控制排放，使柴油机从怠速至额定转速范围内均能获得最佳工作状况，防止可能发生的危险运行状况，延长零件的使用寿命。柴油机电子控制技术的优点1）具有多功能的自动调节性能工程机械用柴油机的运转工况是多变的，而且对油耗、排放和可靠性等要求较高。自动控制技术应用于柴油机的调节系统正好可以实现多功能的自动调节，从而保证柴油机动力性、燃料使用经济性、可靠性和操作方便性等性能充分发挥。2）减轻质量、缩小

10、尺寸、提高柴油机的紧凑性对于现代高速柴油机而言，由于驱动喷油泵的扭矩较大，要设计一个紧凑和可靠的供油提前自动调节器很复杂，而且在柴油机总体布置上也比较困难。采用自动控制技术解决供油提前角自动调节问题，不仅可以容易地解决上述难题，而且提高了柴油机的紧凑性。3）部件安装连接方便，提高了维修性采用自动控制系统，相关部件尺寸减小 （ 特别是燃油供给系统） ，安装部位免受空间位置的约束，连接简便，有利于柴油机日常维护及修理。4）扩展了故障诊断、联络等功能采用自动控制系统，可方便地与微型计算机相连，很容易实现柴油机性能检测与故障诊断功能，柴油机运行及检测数据的存储与传递等问题也迎刃而解，便于科学管理和使用

11、。5）使柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配随着工程机械制造技术高速发展，为了提高自行式工程机械的作业效能，采用了电喷柴油机，电控自动变速器等自动控制装置，使自行式工程机械在作业时，能随着负荷的变化在一定范围内自动调整动力输出、动力传递，柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配，充分发挥工程机械作业效能。柴油机电控技术的特点柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元和执行器三部分组成。在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比（ 汽油与空气的比例 ） ，柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出油量的大小，且柴油机喷油

12、控制是由发动机的转速和加速踏板位置（ 油门、供油拉杆位置） 来决定的。柴油机电控技术有两个明显的特点：一是柴油喷射电控执行器复杂，二是柴油电控喷射系统的多样化。柴油机是一种热效率比较高的动力机械柴油机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点。其喷射压力高达200MPa,为汽油机喷射压力的百倍以上。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制，困难大得多。而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高，相对于柴油机活塞上止点的角度位置远比汽油机要求准确，这就导致了柴油喷射的电控执行器要复杂得多。柴油机的喷射系统形式多样传统的柴油机具有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统。实施电控技术的执行机构比较复杂

13、，形成了柴油喷射系统的多样化；同时柴油机需要对油量、定时、喷油压力等多参数进行综合控制，其软件的难度也大于汽油机。电控柴油喷射系统分类最先出现的是电控喷油泵技术， 而后又发展了电控泵喷嘴技术和高压共轨喷射技术，后两种技术是现在最主要的柴油机电控喷射技术。其中，电控泵喷嘴技术的喷油压力非常高，可以达到200MPa,并且泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引导部分，泵喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式预喷射，这是很符合柴油机的要求（ 大众公司的 TDI 发动机就是使用这种技术） 。但电控泵喷嘴技术的喷油压力受柴油机转速影响，使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决这

14、个问题。它的喷油压力低于泵喷嘴系统，能达到160MPa。位置控制系统第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统，它用电子伺服机构代替机械调速器控制供油滑套位置以实现供油量的调整。其特点是保留了传统的喷油泵高压油管喷油器系统， 只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械调速器控制改为计算机控制，如图 2-2 所示。使控制精度和响应速度得以提高。其优点是柴油机的结构几乎不需要改动，生产继承性好，便于对现有柴油机进行升级换代。缺点是“位置控制”系统响应慢、控制频率低、控制自由度小、控制精度还不够高，喷油压力也无法独立控制。这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的 TICS 系统。2-2 第一代柴油

15、机电控燃油喷射系统（常规压力电控喷油系统）时间控制方式供油量的 “位置控制 ”特点是用模拟量来控制执行元件工作，通过对喷油泵油量控制机构的定位来得到所需的供油量。不论采用何种类型的电子调速器，总是需要由部分机械装置来完成对喷油泵供油量的调节，也会降低控制精度和响应速度，所以继供油量 “位置控制 ”之后出现了 “时间控制 ” 。时间压力控制方式第二代柴油机电控燃油喷射系统中最典型的是电控共轨式燃油喷射系统。在电控共轨式燃油喷射系统中，对喷油量的控制采用 “时间压力控制 ”或 “压力控制” ，用的最多的是 “时间压力控制 ”方式，如图 2-3 所示。在该系统中， ECU 通过设置传感器、电控单元、

16、高速电磁阀和相关电/液控制执行元件等，组成数字式高频调节系统，有电磁阀的通、断电时刻和通、断电时间控制喷油泵的供油量和供油正时，如图 2-4 所示。图 2-3 （高压电控喷油系统）图 2-4 电 /液控柴油机电控燃油喷射系统压力控制方式在后期开发的柴油机电控共轨式燃油喷射系统中，为降低对供油压力的要求，喷油量的控制采用控制喷油压力的方法实现，即喷油量的 “压力控制 ”方式。喷油器喷孔尺寸一定，喷油时间一定，控制喷油压力即可控制喷油量；而在增压活塞和柱塞尺寸一定时，喷油压力（即增压压力）取决于共轨中的油压，共轨中的油压是由 ECU 根据各种传感器信号通过燃油压力调节阀来控制的， 所以将此种喷油量

17、控制方式称为 “压力控制 ”方式。在系统中， ECU 根据实际的共轨压力信号对共轨压力进行闭环控制 2 。3 电子控制柴油机技术介绍20 世纪 30 年代就已经有了柴油乘用车， 但早期柴油车的发展源于二战时期苏军T-34坦克的独特命运由于 T-34 坦克采用柴油机，即使中弹也不容易起火，成为战场上的佼佼者。现在的中国市场如同早期的国际市场，消费者谈到柴油车时，常常会笑言“柴油车最大的好处是不会着火” 。但随着柴油技术日益发展，人们越来越发现柴油机的无穷魅力：高扭矩、高寿命、低油耗、低排放，柴油机成为解决汽车能源问题最现实和最可靠的手段。如今欧洲每推出一款新车都会配有柴油发动机的车型。但一个不争

18、的现实摆在了我们面前：随着能源危机，温室效应的逐渐增加，人们对动力性要求的提高，尽管电子燃油喷射已经被广泛使用，仅仅靠汽油车的解决方案不足以解决这些问题。所以在汽车工业的腹地德国一刻也没有停止对柴油发动机的研究。 瑞风柴油车所搭载的 2.5升柴油机是引进韩国现代汽车公司D4BH 发动机，而一汽 -大众的 4 款柴油乘用车均采用德国大众与博世公司合作的柴油机，这5 款柴油乘用车全部是柱塞泵、泵喷嘴技术。柴油机的优点是：省油、环保、动力强、经济、维修方便，只要解决缺点就具有更大的市场前景，而实现电控柴油机的方案现在看来是一个很好的解决措施。实现柴油控制有三条技术路线图，分别是单体泵、泵喷嘴和高压共

19、轨。目前主要的国际汽车配件供应商都在进行着柴油共轨喷射系统的开发， 如： 博世、 德尔福、 西门子、 电装公司、 VDO 和玛格纳 -马瑞利公司，它们是全球主要的共轨喷射系统供应商，而目前在国内生产共轨柴油喷射系统的还只有博世一家。下面分别介绍三种技术：单体泵技术，泵喷嘴技术，高压共轨技术。单体泵技术图 3-1 单体泵的外形图德尔福在重型车上采用单体泵系统。从成本上讲，国内的发动机从欧II向欧田升级 时，如果采用单体泵，对发动机改动非常小，仅以外挂式的凸轮轴箱代替欧R发动机的 直列泵就可。当从欧田向欧IV升级时，发动机机身主体结构仍然不变，只要把欧田系统 里机械式喷油器改成德尔福的电控喷油器，

20、形成双电磁阀单体泵系统，在发动机整体结构不做大的调整下，就可以达到欧IV的排放水平，单体泵的外形如图3-1所示，单体泵系统控制如图 3-2 所示。图 3-2 电控单体泵(EUP)单体泵控制油路在性能方面，目前在国内单体泵使用的压力达到 200MPa,当向欧IV升级，这个压力 可以达到250 MPa。在单体泵上采用了类似于共轨I2C的系统一致性控制，来优化整个 系统的性能。在供油控制方面，如果使用双电磁阀单体泵系统，不仅可以对压力进行控制，还可以对喷射进行控制，而且还可以采用多次喷射。它可以达到欧IV或者欧V的标 准。目前，德尔福的双电磁阀单体泵系统在欧洲大批量生产，主要供应给欧IV标准的发 动

21、机，欧V标准的发动机相关系统正在做开发工作。单体泵系统的另一个优势单体泵系统的另一个优势就是它的可靠性和寿命，这些性能已经在欧洲和北美市场上得到了 10 年甚至是 15 年的实际使用时间、数百万辆整车使用的证明。单体泵系统在发动机使用过程中，可以保证排放和燃油消耗率低。目前，这种非常强化、非常可靠的性能和使用寿命，仍然在进一步提高。所以，从德尔福的观点来看，在技术方面，相信在 2010年之前， 所有欧洲和北美的重型车生产商绝大多数会采用单体泵系统和泵喷嘴技术。德尔福也在研发2010 年以后新的排放法规所要求的新的系统。泵喷嘴技术优良的混合气是提高柴油发动机动力性、燃油经济性；降低排放率、噪音率

22、的关键因素。这就要求喷射系统产生足够高的喷射压力，确保燃油雾化良好，同时还必须精确控制喷油始点和喷油量。而泵喷嘴系统能够符合上述的严格要求。因此，早在 1905 年柴油发动机的创始人Rudolf diesel 先生就提出了泵喷油器概念，设想将喷油泵和喷嘴合成一体， 省去高压油管并获得高喷射压力。 20 世纪 50 年代， 间歇控制泵喷射系统的柴油发动机就已应用在轮船及卡车上。之后， Volkswagen和Robert Bosh AG公司合作研制出适 用于乘用车的电磁阀控制泵喷射系统，泵喷嘴的结构如图 3-3 所示。图 3-3 泵喷嘴结构图及示意图其中主要部件作用如下：1）单向阀：发动机不工作时

23、，防止燃油回流。2）旁通阀：若燃油内有空气，则通过此处排出。3）节流孔与过滤器：收集、分离供油管内的气泡。4）限压阀1：调节供油管内压力大于0.75MPa 时打开。5）限压阀2：保持回油管内压力在0.10MPa。6）燃油泵：燃油泵是间歇式叶片泵，其优点是在较低发动机转速时也可供油。泵体内油道使油泵转子始终处于被燃油浸润的状态，从而可随时输送燃油，如图 3-4 所示。图 3-4 燃油泵油路连接图7）燃油分配管集成：燃油分配管集成在缸盖内的供油管内，其功能是等量向各泵喷嘴分配燃油，在此，燃油与受热燃油混合，并被泵喷嘴强制流回供油管，使供油管内流向各缸的燃油温度一致。所有泵喷嘴被提供相同量的燃油，使

24、发动机运转平稳。否则，泵喷嘴的油温将会不同，并且泵喷嘴被提供不同质量的燃油。这将会使发动机运转不平稳并将在前几个缸中产生极度高温，燃油分配管如图3-5 所示。图 3-5 燃油分配管8）燃油冷却泵：使冷却液在冷却环路中循环。当燃油温度达到70，发动机控制单元通过燃油冷却泵继电器将其接通。在国内很多的乘用车上使用泵喷嘴，如：宝来TDI 、途安 TDI 和奥迪 TDI 等。泵喷嘴技术相对于之前的技术（如柱塞泵） ，已经具有明显改进，而其最大的好处是大大增加了喷油压力，其涡轮增压泵喷嘴的喷射压力都能达到 200MPa 以上。由于喷射压力直接影响柴油燃烧做功效率，因此，泵喷嘴的燃烧效率很高。3.3 高压

25、共轨技术“ CRDI ” 是英文 Common Rail Direct Injection 的缩写， 意为高压共轨柴油直喷技术，CRDI 技术和 SDI （自然吸气直接喷射柴油发动机）技术、 TDI （直喷式涡轮增压柴油发 动机）技术均为德国博世公司研发的柴油发动机技术。共轨系统由高压泵、喷油管、高 压蓄压器（共轨） 、喷油器、电控单元和传感器及执行器组成。共轨式喷油系统主要的贡献就是将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，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。这一柴油发动机技术的创新最大限度地降低了柴油发动机车型的振动和噪声，同时将油耗进一步降低，使排放

26、更加清洁。但共轨技术的喷油压力低于泵喷嘴系统，一般只能达到160MPa左右。由于喷油压力调节宽泛，采用共轨技术的柴油车能更好地适应各种工况，起步也不会困难。博世公司首家于 1997 年开始批量生产共轨燃油喷射系统的乘用车， 当时博世和奔驰联合推出共轨技术柴油奔驰C 级别车，而在当时阿尔法罗密欧156 也是最早使用高压共轨的乘用车之一。在国产车中，华泰现代使用的是共轨喷射系统。柴油共轨系统已开发了 3 代。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。第一代共轨系统为商用车设计的，最高喷射压力为140MPa,乘用车喷射压力为135MPa。第二代共轨系统可根据发动机需求而改变

27、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，喷射压力能达到160MPa。即使在压力较低的情况下，该系统也可以根据实际状况提供适量的喷油压力。不仅有助于降低燃油消耗，而且还可以降低燃油温度，从而省去燃油冷却装置。预喷射降低了发动机噪声，在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了汽缸压燃，预热燃烧室。预热后的汽缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200250C,降低了排气中的碳氢化合物。博世公司的第二代共轨系统产品已经在沃尔沃的S60、V70D5及宝马的230d等乘用车上试用。第三代共轨

28、系统带有压电直列式喷油器。 2003 年，第三代共轨系统面世，压电式（piezo）共轨系统的压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。省去 了回油管，在结构上更简单。压力从20200MPa弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3, 减小了烟度和NOx的排放。最高喷射压力达到180 MPa,如图3-6所示。图 3-6 压电直列式喷油器1- 电动输油泵2-燃油滤清器3- 回油阀4- 回油储存器 5-CP1 高压泵 6-高压控制阀7-共管压力传感器（RPS）8-共管9-喷油器10-ECU控制单元11-油温传感器12-其它传感器此套采用新研发的压电直列式喷油器的系统使带预喷和后喷的喷油率曲

29、线范围更为轨”被作自由。与其它喷射系统相比，共轨系统把压力产生与实际燃油喷射过程分离。为高压蓄压器，其内部燃油压力始终保持与发动机具体工况相适应的最佳压力。共轨系统可被轻易地安装到各类不同的发动机中。除此之外，共轨系统还提供了更广阔的扩展功能和在燃烧过程设计上更多大的自由度，它可以使柴油发动机以更低的排放、更好的燃油经济性和低噪声运行。由于这些因素，电控共轨技术已普遍为新一代乘用车柴油发动机采用 3 。4 柴油机电子控制技术的发展趋势高的喷射压力为满足排放法规的要求，柴油喷射压力从10MPa提高至ij 200MPa。如此高的喷射压力可明显改善柴油和空气的混合质量，缩短着火延迟期，使燃烧更迅速、

30、更彻底，并且控制燃烧温度，从而降低废气排放。独立的喷射压力控制传统柴油机的供油系统的喷射压力与柴油机的转速负荷有关。 这种特性对于低转速、部分负荷条件下的燃油经济性和排放不利。若供油系统具有不依赖转速和负荷的喷射压力控制能力，就可选择最合适的喷射压力使喷射持续期、着火延迟期最佳，使柴油机在各种工况下的废气排放最低而经济性最优。改善柴油机燃油经济性用户对柴油机的燃油消耗率非常关注。高喷射压力、独立的喷射压力控制、小喷孔、高平均喷油压力等措施都能降低燃油消耗率，从而提高了柴油机的燃油使用经济性。独立的燃油喷射正时控制喷射正时直接影响到柴油机活塞上止点前喷入汽缸的油量，决定着汽缸的峰值爆发压力和最高温度。高的汽缸压力和温度可以改善燃油使用经济性，但导致NOx 增加。而不依赖于转速和负荷的喷射正时控制能力，是在燃油消耗率和排放之间实现最佳平衡的关键措施。可变的预喷射控制能力预喷射可以降低颗粒排放，又不增加 NOx