柴油机电控技术的发展.docx

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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：

柴油机电控技术发展

Abstract

Dieselenginestechnologyisinsolvingtheproblemofenergycrisis,andemissionpollutiontwoproblemsinthebackground,therapiddevelopmentoftheelectroniccontroltechnologyplatformdevelopedon.Gasolineengineelectrictechnologydevelopmentfordieselenginestechnologydevelopmenthasprovidedvaluableexperience.Alongwiththeworldurbantransportationvehicles,therapidincreaseofdieselexhaustgashasbecomethemainpollutionsourcestotheearth'senvironment.Worldhasstartedlookingforandeffectivetechnicalmeasuresactivelytoreduceandcontrolforreducingemissionsofpollutants.Dieselcommonrailmonrailelectronic-controlfuelinjectiontechnologyisarelativelysuccessfulcontrolpollutionemissionsofnewtechnology.

Inrecentyears,picktodieseltechnologyrapiddevelopmentandapplication,greatlypromotetheengineperformanceimprovement.ElectronicpaperintroducesthestructureandworkingprincipleofdieselenginecontroltechnologyanddevelopmentsituationofdieselenginesinChinaandthestatusofresearchtechniqueindieselenginesinChina,pointsoutthatthetechnologydevelopmentprocess,analyzestheproblemsexistinginthefuturedevelopmentofdieselengines.

Keywords:

dieselElectronictechnologydevelopmen

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。

第一章电控柴油机的发展概述

1.1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。

1.2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。

下面是国外柴油机应有的一些先进技术：

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。

这些因素的协调配合，可大大提高混合气的形成质量，有效降低烟颗粒HC和NOx排放并提高热效率。

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。

现在这种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。

ECU产生的电脉冲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

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。

 1.3柴油机电控系统的功能

   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、可变进气涡流控制和可变配气正时控制。

   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、负荷信号、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。

ECU主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ECU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。

第二章柴油机电控系统的新技术

2.1电控柴油机的结构

1.电控共轨系统组成

电控高压共轨式燃油系统的基本组成如图2-1所示。

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。

电磁阀控制

电子控制

供油量

油箱供油泵共轨喷油器

2-1燃油供给系统构成框图

（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是电控共轨燃油系统的核心部分。

根据各传感器信息，ECU计算出最佳喷油时间和最合适的喷油量，并且计算出在什么时刻，多长时间的范围内向喷油器发出开启电磁阀的指令等，从精确的控制发动机的工作过程。

ECU的输入是安装在车辆和发动机上的各种传感器和开关，ECU的输出是送往各个执行机构的电子信息。

电子系统的控制框图如图2-2所示。

曲轴转角传感器

加速踏板位置传感器

气缸判别传感器

其他传感器和信号

喷油器

供油泵

控制喷油量

控制喷油时间

控制喷油率

调节喷油压力

电控单元

2-2柴油机电子系统的控制框图

（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。

共轨实际上是一种燃油分配管。

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。

电控共轨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）

2.2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。

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、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与巳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。

2.3高压共轨燃油喷射系统结构特点

共轨式电控喷射系统改变了传统的柱塞泵脉动供油的原理，通过油锤响应、液力增压、共轨蓄压或者高压共轨等形式形成高压。

采用压力时间式燃油计量原理，用电磁阀控制喷射过程，可以实现对喷射油量和喷射定时的灵活控制。

高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止，燃油喷射系统结构如图2-3所示。

高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器，供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。

2-3高压共轨燃油喷射系统图

其主要特点如下：

共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。

通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。

通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。

预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内发生预混合或者部分燃烧，缩短主喷射的着火延迟期。

这样缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发动机工作比较缓和，同时缸内温度降低使得NOx排放减小。

预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的冷起动性能。

主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。

提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。

主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低污染。

2.4共轨式电控燃油喷射技术的优势

柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，集计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油器结构于一身。

它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制，而且还能实现预喷射和分段喷射，从而优化喷油特性、减低柴油机噪声和废气有害成分的排放量。

其特点为：

（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、改善其性能和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。

第三章电控柴油机新技术应用

3.1电控柴油机新技术的分析

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、转速下降、增压和增压中冷比例上升，还包括多气门和中置缩口燃烧室、高压喷射和小孔径多喷孔、小压力室或VCO油嘴、废气再循环、电子控制等新结构、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、转向油泵、排气制动阀等,这些附件增加了发动机功率消耗，使发动机功率增长。

提高功率的途径不外乎扩大缸径、增加排放量或者增压等，但采用大缸径、大排放量自然吸气机型可能会带来一些不利影响，如增加整机的外型尺寸、重量从而增加燃油消耗，而采取合适的技术措施可将这些不利因素的影响减少到最低程度。

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、可靠性、寿命都有利，所以发动机转速呈下降的趋势。

近几年，日本主要厂商生产的3～5L四缸车用柴油机的转速都在3000r/min以上，活塞的平均速度在12m/s以上，而欧美的这一档机型的转速却降到了2600r/min以下，活塞的平均速度在11.5m/s以下。

最为典型的是奔驰OM904LA发动机，转速仅为2300r/min，但该机采用增压中冷，所以达到了较高的升功率。

为了获得较高的车速和较宽的车速范围，该机还配用了六速变速器。

由于转速较低以及缸孔采用感应淬火处理，发动机的使用寿命可达100万公里。

3.增压及增压中冷比例上升

增压不仅可以提高功率、改善燃油经济性，而且也是降低排放和噪声的主要措施之一。

所以当今轻型车采用柴油机增压机型所占比例逐年上升。

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。

增压机型在价格、低速扭矩特性、加速响应性能等方面与自然吸气机型相比仍稍显逊色，但直喷式柴油机在增压中冷的基础上附加其他措施，性能则大为改善，所以原先自然吸气机型都发展了增压、增压中冷机型。

最新开发的产品已没有自然吸气，如奔驰OM900系列、斯太尔M1等系列柴油机都是增压或增压中冷机型。

由于轻型车柴油机转速有一定跨度，为了兼顾高低速性能，特别是改善发动机低速区域的烟度与油耗，往往使用带放气阀的增压器。

近年来电控可变截面/可变喷嘴（VGT/VNT）增压器的问世使低速区域的扭矩、烟度和都油耗得到了进一步改善。

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年代才兴起的。

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、丰田的15BF、AVL开发的LEADER2和LEADER3柴油机。

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5～10年内，多气门技术还将继续发展和普及。

四气门的主要优点有：

第一，油嘴垂直且中心布置，使油线分布均匀，相应的燃烧室也可以中心布置，中心燃烧室与偏置燃烧室相比，进气涡流动能的衰减要明显小得多，另外，中置油嘴加中置燃烧室可以改善混合气的形成，提高燃烧质量，获得低的排放和高的扭矩功率；第二，四气门增加了气门的流通面积和流通能力，进气面积可提高11%以上，排气面积可提高25%以上，从而降低了泵气损失，提高了充气系数，有助于降低燃油消耗率；第三，中置燃烧室使活塞顶上的热负荷趋于均匀，便于冷却油腔的布置，采用冷却油腔的活塞能承受更高的热负荷；第四，四气门采用两个独立的进气道，便于实现可变进气涡流，高转速、全负荷时两个进气道都打开，而在低速时只开一个进气道，从而提高了涡流比；最后，中置且垂直的油嘴安装位置可使用一种新概念的油嘴——可变流道面积喷嘴（VRD），有助于减少排放，特别是低转速、低负荷的颗粒排放。

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，油耗比泵式喷油器的要高。

6.电控废气再循环

柴油机排放控制技术的难点是既要降低NOx的排放量，又要减少颗粒。

NOx大多是在预混合燃烧阶段产生的，而颗粒主要是扩散燃烧阶段产生的，这就要求减小预混合燃烧，同时加速扩散燃烧，但往往采取降低NOx的措施会增加油耗，而减少颗粒排放的措施往往又会引起最大燃烧压力和燃烧强度的增加，反过来使NOx排放量增加。

NOx是在高温富氧的情况下产生的，所以降低缸内燃烧温度和降低氧的含量是控制NOx的有效措施。

目前主要是通过提高喷射压力来降低颗粒，再采取延迟喷油和使用废气再循环（EGR）等措施来降低NOx，因GER减少了进气量中的含氧量，故它只宜在低转速部分负荷或空燃比足够大的工况下采用，这样不会使烟度、HC和颗粒排放量明显增加。

过高的废气再循环率可能导致发动机腐蚀和磨损，影响发动机的使用寿命。

通常可以同时采取延迟喷油定时来降低NOx，这样只要较小的废气再循环率就能达到NOx的排放法规。

另外，可对气缸套活塞环进行表面处理，以防过度磨损，确保发动机高的使用寿命；对废气再循环的关闭、开启大小也都必须进行有效控制，也就是根据发动机运行工况对废气再循环率实施电子控制。

7.缩口环形燃烧室

为了适应更严格的排放法规的要求，AVL公司开发的缩口环形燃烧室现在逐步在小缸径高速直喷式柴油机上被采用。

著名的四角形燃烧室一直是五十铃公司的专利，从B系列到J系列都保留了这一特色。

缩口环形燃烧室后来又发展成为缩口四角形燃烧室，但，为了适应日本的排放法规，20世纪90年代开发的H系列柴油机采有了缩口环形燃烧室。

缩口环形燃烧室的特点是燃烧室中心有较大较高的锥形凸台，燃烧室大部分容积分布在四周圆形内，并带收口。

由于燃烧室中部燃油分布较少，且进气涡流的切向速度和挤流都较小，四周环形内燃油发布较多，涡流速度较高，有利于提高空气利用率和油气混合质量。

中间凸台对挤流起导向作用，在膨胀行程形成逆挤流时对喷油嘴的热冲刷还起到一定的屏蔽作用。

缩口燃烧室除切向的进气涡流外，还形成轴向的较大挤流，因此，缩口燃烧室与直口燃烧室相比，在相同的进气涡流比和燃烧室口径下，燃油分布较多的燃烧室壁面和底部气流速度要高出50%左右，这对于促进油气混合、加速燃烧是十分有利的。

在上止点后，缩口环形燃烧室比直口W型燃烧室的涡流保持性要好得多，所以缩口燃烧室比直口燃烧室的颗粒排放以及全负荷烟度和自由加速烟度都有较大的改善。

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。

20世纪90年代推出的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的单体泵的电子控制、Sprint发动机对转子喷油泵和可变进气涡流的电子控制、奔驰公司的C250柴油机的全电子控制等。

3.2新型喷油系统的研发及应用

提高喷射压力是降低烟度和颗粒的主要技术。

随着平均喷油压力的提高，烟度和颗粒排放直接下降。

为了进一步提高喷射压力，世界主要厂家相继开发了一些新型燃油喷射系统，如高压电子转子泵、径向泵式燃料供给系统（最大喷油压力为1750bar，已装用在大众V6Tdi发动机中）和共轨式喷射系统（最大喷油压力大约为1500bar，目前已成为直喷式柴油机燃油喷射系统的主流）。

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