柴油机电子控制技术

柴油机电子控制技术摘要柴油机的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、应用前景等。随着汽车电子技术日趋完善，时至今日，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。所以，现代直喷式柴油机燃油喷射系统必须具备以下要求具有高的喷射压力，且压力灵活可调；能够精确控制喷油定时和喷油量；能够最优控制燃油喷射率；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。关键词：柴油机；电子控制；发展目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章柴油机电子控制技术的产生81.1柴油机电子控制技术的发展状况8\o"CurrentDocument"1.2柴油机电控燃油喷射系统分析9\o"CurrentDocument"1.3电子控制柴油机技术介绍10\o"CurrentDocument"1.3.1单体泵技术11\o"CurrentDocument"1.3.2泵喷嘴技术12\o"CurrentDocument"1.3.3高压共轨技术14\o"CurrentDocument"1.4共轨式电控燃油喷射技术的原理16\o"CurrentDocument"1.5柴油机共轨式电控燃油喷射系统先进性分析17\o"CurrentDocument"1.6柴油机共轨式电控燃油喷射系统科学性综述17第二章柴油机电子4\o"CurrentDocument"2.1何谓电喷柴油机18\o"CurrentDocument"2.2电控柴油喷射系统分类19\o"CurrentDocument"2.2.1位置控制系统19\o"CurrentDocument"2.2.2时间控制方式19\o"CurrentDocument"2.2.3时间一压力控制方式20\o"CurrentDocument"2.2.4压力控制方式21第三章柴油机电子控制技术的目的、优点及特点.23\o"CurrentDocument"3.1柴油机电子控制技术的目的23\o"CurrentDocument"3.2柴油机电子控制技术的优点23\o"CurrentDocument"1具有多功能的自动调节性能23\o"CurrentDocument"2减轻质量、缩小尺寸、提高柴油机的紧凑性23\o"CurrentDocument"3.2.3部件安装连接方便，提高了维修性23\o"CurrentDocument"3.2.4扩展了故障诊断、联络等功能23\o"CurrentDocument"3.2.5使柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配23\o"CurrentDocument"3.3柴油机电子控制技术的特点24

3.3.1柴油机是一种热效率比较高的动力机械243.3.2由于柴油机的喷射系统形式多样24第四章柴油机电子控制技术的发展趋势第四章柴油机电子控制技术的发展趋势25TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"4.1柴油机电子控制技术在实际工程中的应用25\o"CurrentDocument"4.2发展方向28\o"CurrentDocument"4.2.1高的喷射压力28\o"CurrentDocument"4.2.2独立的喷射压力控制28\o"CurrentDocument"4.2.3改善柴油机燃油经济性29\o"CurrentDocument"4.2.4独立的燃油喷射正时控制29\o"CurrentDocument"4.2.5可变的预喷射控制能力29\o"CurrentDocument"4.2.6最小油量的控制能力29\o"CurrentDocument"4.2.7快速断油能力29\o"CurrentDocument"4.2.8降低驱动扭矩冲击载荷29结论31致谢32\o"CurrentDocument"参考文献33第一章柴油机电子控制技术的产生1.1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，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W、V标准）的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油机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。1.2柴油机电控燃油喷射系统分析柴油机电控燃油喷射系统，具有远优于机械式燃油喷射系统的性能，在其结构形式、工作原理和控制方式上，基本上可划分为三种产品。第一种机械式改进型电控燃油系统。主要应用于二十世纪七十年代，其特点是不改变原来的机械式供油装置和喷射系统（即泵主体与原来一般喷油泵相同，或继续使用原泵体）；只是在供油和供油量调节的机构中，以电控单元（ECU）为核心的位置伺服控制系统取代原来的柱塞泵或分配泵中机械式离心调速器和提前供油两项装置的功能，实现了供油量和喷油定时的自动调节。因而，该种燃油系统也被称为位置控制式电控燃油喷射系统。1）开发型电控燃油系统：虽然在供油方式上仍维持着传统的脉动式柱塞泵油，但是其供油调节，则由电控单元（ECU）控制的强力快速响应电磁阀开闭时刻所决定。因而大大简化了机械结构，提高了喷射压力和燃油量以及定时供油的调节精度，使柴油机获得较好的性能。该种电控燃油喷射系统又可分为电控喷油泵一喷嘴系统和泵一管一嘴一阀系统等类型。在工作中，比纯机械式和机械式改进型电控燃油系统具有许多优越性；但仍然存在着许多不足；如喷油压力随发动机转速而变化，喷射的残余压力不稳定，影响后续喷油；特别是电磁阀的响应快慢直接影响到喷油特性，在转速较高或者瞬时转速变化很大的情况下，其影响尤为严重。因此，对电磁阀的要求特别严格，诸如：在溢流通道的开闭面积，内部高压的保持，快速响应，电压波动时修正等方面。目前虽然已采用小电磁阀配合液压自动阀两级机构共同作用，仍未能满足使用要求，在电磁阀的改进方面有待于继续研究。2）科学型电控燃油系统：主要有电控液压泵一喷嘴系统和高压共轨式电控喷射系统。两种类型其主要特点是基本脱开了传统的机械式供油原理，采用了压力时间式燃油计量原理;因而也可称之为压力控制式电控喷射系统。由于在其工作过程中，燃油泵并不直接产生高压，而是向公共油道供油，以维持所需要的共轨压力；再通过连续调节共轨压力，利用增压活塞使之达到喷射高压而定时定量喷油。因此，习惯上又把第三种电控燃油系统称之为共轨式电控燃油喷射系统。3）高压共轨式电控喷射系统：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陷。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。1.3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坦克的独特命运一一由于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一一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。1.3.1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III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II发动机的直列泵就可。当从欧III向欧W升级时，发动机机身主体结构仍然不变，只要把欧I系统里机械式喷油器改成德尔福的电控喷油器，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W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)在性能方面，目前在国内单体泵使用的压力达到200MPa，当向欧W升级，这个压力可以达到250MPa。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W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W标准的发动机，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。1.3.2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Rudolfdiesel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RobertBoshAG公司合作研制出适用于乘用车的电磁阀控制泵喷射系统，其中主要部件作用如下：单向阀：发动机不工作时，防止燃油回流。旁通阀：若燃油内有空气，则通过此处排出。节流孔与过滤器：收集、分离供油管内的气泡。限压阀1：调节供油管内压力大于0.75MPa时打开。限压阀2：保持回油管内压力在0.10MPa。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°C，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。1.3.3高压共轨技术“CRDI”是英文CommonRailDirectInjection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200〜250°C，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20〜200MPa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180MPa，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线范围更为自由。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。“轨”被作为高压蓄压器，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⑶。1.4共轨式电控燃油喷射技术的原理在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒。实验证明，在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开，产生二次喷油现象。由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残余压力都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷，现代柴油机采用了一种称为“共轨”的技术。共轨技术是指由高压油泵、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陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于共轨管（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。共轨式电控燃油喷射技术，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，以及最佳的着火时间、足够的着火能量和最少的污染排放。其主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。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共油轨，高压共油轨中的压力由电控单元根据共油轨压力传感器测量的共油轨压力以及需要进行调节，高压共油轨内的燃油经过高压油管，根据柴油机的运行状态，由电控单元从预设的MAP图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入汽缸。1.5柴油机共轨式电控燃油喷射系统先进性分析该种喷射系统在工作过程中，由于增压活塞面积比一定，共轨油路中控制油（机油或柴油）的压力由电控中心控制，不受发动机转速影响；而喷油定时和喷油量则由电磁阀的提升和下降时间决定，也由电控中心进行控制，故可以实现油量开始供给控制、定量控制、喷油压力控制和喷油规律等项优化选用。共轨式电控燃油喷射系统的共轨油道中供给高压机油。在工作过程中，机油作为控制油，解决了柴油机在热工况下柴油粘度降低热启动困难的问题；同时，机油粘度高，密封适应性好。但是，在初始启动时，由于机油压力建立较慢，使冷启动比较困难。另外，在每次喷油过程中，控制阀均需完成一个开关动作，对电磁阀的响应时间要求高而且精确。当柴油作为控制油时，喷油定时则由接通三通阀定时来控制；因而对三通阀要求响应时间快，要达到断油迅速果断干脆，必须始终处在高压工作状态，对其强度要求高，密封问题尚未根本解决，有待于今后努力。1.6柴油机共轨式电控燃油喷射系统科学性综述系统有许多相似之处；但其工作压力相差10~30倍，这是因为柴油机需要特殊的高压喷油才能利于雾化而充分燃烧。由于共轨油道中的高压要求，随之带来的高压密封要求、强度要求、快速响应动作要求也较难解决。目前美国BKM公司研制的中压共轨式电控燃油喷射系统（又叫共轨蓄压式电控燃油喷射系统），其输油泵工作压力可降到2~10MPa之间；其关键技术是采用了蓄压式喷油器，实现低压共轨，高压喷射。该种喷射系统对强度和密封性要求较低，但在工作中，平均有效压力柴油机共轨式电控燃油喷射系统采用共轨油道控制油压，同汽油机电控喷射偏低，不利于柴油雾化和空气混合，使微粒排放有所增加，影响排放质量。特别是柴油喷出过程中，蓄压室内开始压力高，其压力逐渐降低，使喷油速率越来越低，不符合先缓后急的喷油燃烧规律。目前德国奔驰公司同博世公司又共同开发独特的高压共轨式电控柴油喷射系统。配置的电控压力调节器为该公司开发的专利产品，可以实现柴油机部分停缸控制，使低速工作时，降低功率消耗；共轨油道中压力可在15~140MPa范围内自由调节，成功地实现低的喷油率，预喷射和多次喷射。第二章柴油机电子控制技术概论2.1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3-1所示。电源■预热塞继电露机绻宰气啧f诘感器——珂技椅音:转速傍考记号传感器―A单元喷如装置凸轮轴相位琴感嚣-►控制单元―AEGR电磁阀踏板佛宣传感器一_＞涡转熠用器电磁阀冷却液温左琴感器►-EDC―a进气歧管拍门引导阀燃油温度传感器-A―—燃汨冷却泵继电器讲器潟度传感器_ABS/TCS/ETC(CAN)进器岐管玉力传感器,―►-―—诊断/.德定瑟离台器开美—―吐辅明信号停至灯开美制动踏极开关■ABS/TCS/ETC►诊断F稳定器一辅助信号►A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2.2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个问题。它的喷油压力低于泵喷嘴系统，能达到160MPa。2.2.1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一高压油管一喷油器系统，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。2.2.2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”。2.2.3时间一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“时间一压力控制”或“压力控制”，用的最多的是“时间一压力控制”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、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。

特许经销商高级技术培训系列教程柴油发动机技术培训图2-3（高压电控喷油系统）特许经销商高级技术培训系列教程柴油发动机技术培训SerVce•Training2003Version高压供油泵高速电磁阀喷油器共轨(Common-rail)燃油压力传感器高压供油泵高速电磁阀喷油器共轨(Common-rail)燃油压力传感器2.2.4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。第三章柴油机电子控制技术的目的、优点及特点3.1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，使柴油机从怠速全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。3.2柴油及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。3.2.3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。3.2.4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。3.2.5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。3.3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。3.3.1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。3.3.2由于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，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。第四章柴油机电子控制技术的发展趋势4.1柴油机电子控制技术在实际工程中的应用2005年国家环保总局批准发布过《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限制值及测量方法（中国III、W、V阶段》，今年环境保护部与国家质量监督检验检疫总局又联合发布了《重型车用汽油发动机与汽车排气污染物排放限制值及测量方法（中国III、W阶段）》。要求在全国范围内从2007年7月1日起开始实施国III排放标准，从2011年起全面实施国W排放标准。北京、上海等地将提前一步，今年3月1日起，北京分两个阶段执行国W机动车排放标准，国III及以下标准的轻型汽车禁止在京销售。上海也在着手准备，力争在明年推行国W排放标准，珠三角地区也将力争提前执行国W排放标准。要满足国I排放法规，对柴油机来说就必须实现高压燃油喷射及喷射定时和喷油量的灵活调节，也即国I排放要求商用车柴油机燃油系统必须配置电子控制系统。因此，随着国111排放法规的执行，我国商用车柴油机电子控制技术的需求将会急剧上升。目前共轨式电控喷油系统已在轿车和中型卡车柴油机上得到批量应用。其中有代表性的有德国博世（Bosch）公司、日本电装（Denso）公司和美国德尔福（Delphi）公司。（1）博世已推出四代产品德国博世（Bosch）公司在全球柴油机燃油系统领域中处于领先的地位。自1995年推出世界上第一台装电控共轨燃油系统的柴油机以来，电控共轨燃油系统已经历四代的发展。博世公司第一代高压电控共轨燃油系统具有135MPa的共轨压力；可以实现预喷射；进行闭环反馈控制；可用于3-8缸轿车柴油机，可满足欧I排放法规等特点。博世公司第二代电控共轨喷射系统具有145MPa的喷油压力；喷油器尺寸紧凑、外形小；各缸喷油量差别小；实行闭环控制；包括预喷、主喷和后喷的3次喷射；使用压电品体作为执行元件等一系列新的特点。博世公司的第三代共轨喷射系统以其高精尖的结构内涵为特征，160MPa的更高的喷油压力。压电式喷油器的高度集成化，使其压电执行器与喷油器头部的针阀靠得很近，从而使系统具有优良的液力响应速度。喷油器运动件质量减少了75%，并将喷油嘴针阀部件的零件数从4个减少到1个。喷油器的液力响应速度是电磁式或压电式的2倍。博世公司第四代共轨喷射系统采用可变喷嘴，具有双通道特征，在怠速和部分负荷时开启小截面喷孔，在高负荷时开启大截面喷孔，以实现精确的燃油计量，使排放和燃油消耗进一步降低。最高喷油压力为180〜200MPa，可以满足2008年欧V排放法规的需要。博世公司与无锡威孚公司于2005年11月共同投资在无锡新区成立了博世汽车柴油系统股份有限公司，博世持有67%的股份，威孚持有33%的股份。注册资金为2亿美元，员工2000人。同时，博世投资5000万欧元，在该公司内建立一个世界级的柴油技术研发中心，进行该领域的技术研发工作。目前研发中心已有400名工程技术人员来支持本地发动机行业的开发工作。把最先进的柴油技术引入中国市场，为实现节能、环保和中国汽车工业的可持续发展作出贡献。现在包括ECU(电子控制单元)，核心的喷油器都已开始在中国生产了。其他的零部件到2009年都能够实现在本地化的生产，包括开发、原材料和组装。有统计认为，该合资公司在国内2008年后的高端柴油机电控喷油系统的配套业务产品竞争中将会占有领先优势，其市场份额有可能达到60%。日本电装与上柴成立合资公司日本电装(Denso)公司自1957年开始生产柴油机系统产品。1995年和1998年电装ECD-U2系列和ECD-U2P系列共轨系统先后开始投放市场，分别用来满足商用车和轿车柴油机的配套需要。1995年开始正式投放市场的第一代ECD-U2系列共轨系统喷射压力可以达到130MPa。4年后第二代共轨系统投放市场。这种系统的喷射压力可以达到160〜180MPa，在主喷射前后可以分别实现两次预喷射：第一次是先导喷射，目的是为了提供冷机的启动性能；第二次是预喷射，目的是为了提高发动机的稳定性、降低噪音和NOx排放。电装第二代共轨系统已经在轿车及卡车上得到了应用，可以满足日本长期排放法规要求。第三代喷射压力为180MPa，第四代喷射压力要控制在200MPa左右，目前正在开发中。2003年电装（中国）投资有限公司与上海柴油机股份有限公司合资在上海成立了上海电装燃油喷射有限公司，同年开始生产电装机械式柴油泵。根据中国市场的实际情况，现已着手在江苏常州建立新工厂准备生产共轨系统。目前上柴公司的电控柴油机全面与日本电装公司的ECD-U2高压共轨喷射系统配套。（3）德尔福在中国市场进展迅速近年美国德尔福（Delphi）公司在扩大生产能力、加强本土研发以及拓展售后市场服务等方面进展令人瞩目。德尔福于2005年在上海浦东外高桥保税区建立了德尔福（中国）科技研发中心。研发中心占地87170平方米，总投资达5000万美元，集中发展汽车电子、安全及动力总成能力。德尔福对中国发动机产品服务按照不同客户的要求分成三部分。针对中、轻型商务车，为客户提供共轨系统；针对中型商务车，为客户提供电控分配泵系统、电控泵喷嘴系统或者提供中型共轨系统；针对重型车市场，提供电控泵喷嘴或者电控单体泵系统。据报道，德尔福公司已为玉柴公司的欧III标准的重型车用柴油机提供电控单体泵系统，目前，还为玉柴提供符合欧I标准的轻型车辆共轨系统，包括适用于新型1.2升TCI系列和现有的2.6升/2.9升系列发动机的共轨泵、喷油器、高压轨及电子控制单元。国内自主开发力量不断加强，国内的企业也在柴油机电子控制技术方面积极探索，取得了一些成绩。一汽无锡油泵油嘴研究所从1996年就开始了自主开发电控共轨系统的历程。2002年5月，一汽无锡油泵油嘴研究所（以下简称无油所）专门组织了工艺、设计团队，花了2000多万元从国外订购设备，自己把握加工难度极大的核心部件的生产，开始了电控高压共轨技术产业化的进程。无油所同时开始在国内寻找其他能够进行精密加工的合作伙伴。2005年，拥有自主知识产权的柴油机电控高压共轨燃油系统在无油所开发成功。10多年来无油所一直致力于高压共轨技术的研究，累计投入资金达1亿元。无油所开发成功的FCRS电控共轨喷油系统，其最高喷射压力为145MPa，可以实现3次喷射，预喷与主喷的时间间隔可以灵活调节，在软件上实现了宽范围的逐缸平衡的控制策略，使发动机运行更加平稳。几年来已完成了多台次共轨泵2500小时可靠性考核。并在无锡等地对多次投入批量运行的公交车辆进行考核，现正在加紧做年产1万套的量产准备。2003年成立的成都威特电喷有限责任公司是国家高新技术企业。它与清华大学、玉柴等单位合作走外挂式电控组合式单体泵的发展道路，通过几年的努力，已取得可喜成绩。这种外挂式电控组合式单体泵采用第二代电磁阀时间控制式电控喷油系统，即在每个柱塞单元的上部设置了一个微型高速电磁阀，燃油升压通过凸轮实现，而喷油时间和喷油量由电磁阀的接通/断开来控制。泵端最高供油压力可达135MPa，有四缸和六缸两种设计，可满足国内市场的大多数轻型和中型车用柴油机产品的配套要求。该系统能满足发动机实现国III排放法规，标定/使用/维护过程相对简单，制造成本较低，尺寸和安装方式与传统的机械式喷油泵相同，发动机无需作大的变动。目前威特提供的WP2000型外挂式电控组合式单体泵已成功地与十余种国产中型车用柴油机匹配，其中多数已通过国I排放认证。不久前山东龙泵集团宣布要研发柴油机电喷系统，准备投入16亿元，计划用5年时间完成年产国I及以上排放标准电控组合泵90万套。另外，据报道还有位于北京和衡阳的亚新科国际及辽宁辽阳新丰等企业也都对开发生产柴油机电控喷射系统表现出浓厚的兴趣4.2发展方向4.2.1高的喷射压力为满足排放法规的要求，柴油喷射压力从10MPa提高到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、更彻底，并且控制燃烧温度，从而降低废气排放。4.2.2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。4.2.3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。4.2.4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