柴油发动机电控系统中的新技术

作者：东风汽车公司 肖永清

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 车用柴油发动机电控系统的发展 与现代汽车汽油机电控技术的发展背景一样，面对无法回避的局部和全球性的环境和能源问题，现代汽车柴油发动机不得不采用和发展电子控制系统，以便保持汽车柴油发动机的可持续发展，更充分发挥柴油发动机固有的优点(低油耗和低CO2排放)。近年来柴油发动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发动机从2000年开始执行欧3排放标准，电控技术已在需满足欧3标准的柴油发动机上普遍使用，一些大的厂商则早已着手研制满足欧4排放标准的电控柴油发动机，现在，电控共轨系统在多缸柴油发动机上的应用已明显增多。 现代轿车柴油发动机电控系统的新技术 1、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。 2、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。 3、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。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%。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。 4、采用多气门技术 多气门可增大柴油发动机的进气量，使柴油的燃烧更彻底，排气更快、更彻底，从而提高了柴油发动机的输出功率。 5、废气再循环技术 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。 柴油发动机电控供油系统的技术要求 柴油发动机燃油供给系统是柴油发动机的一个非常重要的系统，也是柴油发动机使用与维修的一个重点部位，其技术状况的好坏不仅直接影响着柴油发动机的动力性、经济性及使用的可靠性，而且对减少环境污染也有着极其重要的影响。对柴油发动机电控系统的要求： 1、提高柴油发动机的经济性和降低排放 柴油发动机电控系统应能在不同的工况及工作条件下精确地控制喷油提前角，并始终保持在最佳值，以降低燃油消耗和减少排放污染。 2、提高发动机工作的可靠性 在柴油发动机运转过程中，系统应能随时检测影响发动机工作可靠性的主要参数，一旦某一项或几项参数异常，超出设定值，一方面系统应能立即报警显示，同时还应控制相应的执行器进行相应的调整，直至有关参数或状态正常为止。对于一些对发动机可靠性影响很大的重要参数，系统还必须提供双重或多重保护，以避免发生重大事故。 3、对柴油发动机运行工况进行实时高精度控制 一旦柴油发动机及其系统的运行参数或状态偏离目标值，电控系统就能立即进行调节和控制，从而实现对柴油发动机运行工况的实时高精度控制。 4、较强的适应性 全能电动调速器在出厂前的软件编程中已预设有各种不同调速率的程序，并在控制盒上设有调速率的转换开关，用户可根据柴油发动机的用途和要求设定不同的调速率，这提高了电动调速器的匹配适应能力。 柴油发动机电子控制技术的特点 柴油发动机电控技术有两个明显的特点：一个特点是其关键技术和技术难点就在柴油喷射电控执行器上;另一个特点是柴油电控喷射系统的多样化。柴油发动机在机械控制时代，就已经有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统，每个系统各有其特点和适用范围，每种系统中又有多种不同结构。实施电控技术的执行机构比较复杂，因此形成了柴油喷射系统的多样化。 柴油喷射系统的控制功能和发展 1、柴油发动机电控系统的控制功能 现代汽车柴油发动机电控系统的控制项目已经从仅有循环供(喷)油量控制、喷油正时控制等最基本的控制项目的燃油喷射控制，扩展到包括对喷油速率控制和喷油压力控制在内的多项目标控制的燃油喷射控制;从单一的燃油喷射控制扩展到包括怠速控制、进气控制、增压控制、排放控制、启动控制、故障自诊断、失效保险、发动机与变速器的综合控制等在内的全方位控制。 2、柴油发动机电控燃油喷射系统控制方式的发展 电控柴油喷射系统根据其直接控制的量而分为位置控制和时间控制。位置控制系统的特点是不仅保留了传统的喷油泵-高压油管-喷油器系统，而且还保留了喷油泵中齿条齿圈、滑套、柱塞上控油螺旋槽等控制油量的机械传动机构，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微机控制。而时间控制系统可以是保留原来的喷油泵-高压油管-喷油器系统，也可以采用新型的产生高压的燃油系统，而用高速电磁阀直接控制高压燃油的喷射。一般情况下，电磁阀关闭，执行喷油，电磁阀打开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量则取决于电磁阀关闭时间的长短。传统喷油泵中的齿条齿圈、滑套、柱塞上斜槽、控制喷油正时的提前机构等全部取消。时间控制系统的控制自由度更大。电控柴油喷射系统根据其产生高压燃油的机构，可分为直列泵电控喷射系统、分配泵电控喷射系统、泵喷油器电控喷射系统、单缸泵电控喷射系统、共轨式电控喷射系统。 近20年来，柴油发动机电控燃油喷射系统也经历了几个重要的发展阶段。按对循环供(喷)油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力等的控制方式分，经历了从“位置控制”到“时间控制”，再到“时间-压力控制”或“压力控制”的发展过程。按燃油喷射系统的基本组成和结构分，经历了常规压力电控喷油系统的第一代电控喷油系统到高压电控喷油系统的第二代电控喷油系统的发展过程。在采用“位置控制”的第一代电控喷油系统中，保留了传统燃油喷射系统的基本组成和结构，只是将原有的机械式喷油泵及其机械控制部件用电控喷油泵及其控制部件取代，通过设置控制系统，使控制精度和响应速度得以提高。柴油发动机的结构几乎不需改动，生产继承性好，便于对现有柴油发动机进行升级换代。缺点是“位置控制”系统执行频率响应慢，控制频率低，控制自由度小，控制精度还不够高，喷油压力无法独立控制。在采用“时间控制”的第一代电控喷油系统中，基本保留了传统燃油喷射系统的组成和结构，通过设置控制系统，形成数字式高频调节系统，由电磁阀的关闭时刻和闭合时间决定循环供(喷)油量和喷油正时，其控制自由度和控制精度都是“位置控制”所无法比拟的，其技术上的难点在于如何加快需要通过大油量的高速电磁阀的响应速度，同时喷油压力还是无法独立控制。第一代电控喷油系统包括电控直列泵系统和电控分配泵系统，以及一部分电控单体泵喷油系统或电控泵喷嘴喷油系统。 以高压、中压或低压供油泵、电磁、液力控制式喷油器和公共油轨组成的各种电控共轨式喷油系统的最大特征是：喷油系统的两个基本任务--燃油压力的形成和燃油量的计量，在时间上、在系统中的部位和功能方面都是分开的。燃油压力的形成和燃油的输送基本上与喷油过程无关。根据ECU的指令，带有电液控制件的喷油器可按所要求的喷油正时精确地从共轨中“调出”具有所要求的精确压力和精确循环量的燃油。因无二次喷射的约束，喷油压力可按需控制以实现高压喷射，其平均喷油压力与最大喷油压力非常接近，从而明显改善燃油雾化品质，改善燃烧过程，提高燃烧效率，降低燃烧噪声，降低排放。由于系统可直接控制喷油器针阀的运动，可以实现预喷射和后喷射，因而可获得理想的喷油速率。这样，柴油发动机负荷和转速就不对循环供(喷)油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力产生影响，从而实现系统的独立控制，使实现循环供(喷)油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力的优化控制成为可能，从而大大提高了柴油发动机的在装车率，特别是在轿车发动机中的竞争能力;同时，在采用传统的泵-管-嘴喷油系统的柴油发动机上使用时，不需要对原有结构作很大的改动，所以发展前景很好。 我国对现代柴油发动机电控技术的研究和开发尚处于起步阶段，目前还主要集中在对柴油发动机电控喷射系统的研究与开发上。但随着社会经济的发展，对环保的要求越来越高，柴油发动机电控系统的研究和相应产品的开发必将成为我国汽车柴油发动机技术领域中的一个热点，这将大大促进我国汽车柴油发动机产品的更新换代，为在未来不长的时期里参与国际竞争奠定坚实的基础。(end)

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