柴油机燃油喷射系统研究

近年来，柴油机的关键技术都有很多突破性的发展。

燃油喷射系统是影响燃烧过程的重要因素，高压直喷系统和
共轨系统都使柴油机的燃油经济性和排放性能有很大改善。

废气再循环和催化器改善了柴油机的各项排放。

发动机管
理系统对喷油和进气过程进行综合控制，保证发动机能够在保持良好的动力性基础上，燃油经济性和排放性能都能达
到最优，同时降低振动和噪音。

燃油喷射系统是影响缸内燃烧过程的关键因素，对柴油机的动力性、经济性和排放性能都有重要影响。

要改善柴
油机缸内燃烧，燃油喷射系统一方面要有理想的喷射速率特性，另一方面要提高喷射压力。

传统的喷射系统由于结构
和原理等限制，不能同时达到这两个要求，因此，柴油机电控喷射系统逐渐发展起来。

在传统的喷射系统基础上首先发展起来的电控喷射系统是位置控制系统，称之为第一代电控喷射系统，而基于电
磁阀的时间控制系统则称为第二代电控喷射系统。

第三代电控系统——高压共轨系统被世界内燃机行业公认为20世纪
三大突破之一，将成为21世纪柴油机燃油系统的主流。

第一代位置控制系统
位置控制系统不仅保留了传统的泵－管－嘴系Array统，还保留了原喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜
槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条或者滑套
的运动位置予以电子控制。

日本Denso公司的ECD－V1，德国Bosch公司的
EDC和日本Zexel公司的COVEC等都属于位置控制
的电控分配泵系统。

日本Zexel公司的COPEC，德国
Bosch公司的EDR系统和美国Caterpillar公司的PEEC
系统等都属于位置控制的电控直列泵系统。

第二代时间控制系统
时间控制系统是用高速强力电磁阀直接控制高压燃油，一般情况下，电磁阀关闭，开始喷油；电磁阀打开，喷油
结束。

喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。

传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上
的斜槽和提前期等全部取消，对喷射定时和喷射油量控制的自由度更大。

日本Zexel公司的Model-1电控分配泵，美国Detroit公司
的DDEC电控泵喷嘴、德国Bosch公司的EUP13电控单
体泵都属于时间控制系统。

我国专家欧阳明高和丹麦
Sorenson研制的“泵－管－阀－嘴
（Pump/Pipe/Valve/Injector－PPVI）”电控燃油喷射系统也
属于第二代电控喷射系统。

第三代共轨电控喷射系统
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。

高压共轨系统被世界内燃机行业公认为20世纪三大突破之一，将成为21世纪柴油机燃油系统的主流。

德国Bosch 公司、日本Denso公司和英国Lucas公司都研制出了电控高压共轨系统，并开始小批量向市场供货。

德国戴姆勒·奔驰公司利用Bosch公司的技术首先在世界
范围内推出了采用新型高压共轨燃油喷射系统的4气门直喷
式柴油机，并用于A、C级轿车上。

日本Hino公司利用Denso
公司的技术在新型K13C型柴油发动机和J系列柴油发动机上
均采用了高压共轨系统，日本Mitsubishi公司也利用Denso公
司的技术在重型柴油发动机上应用了高压共轨系统。

第三代共轨电控喷射系统－－－－基本特点
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。

其主要特点可以概括如下：
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。

第三代共轨电控喷射系统－－－－典型系统
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。

第三代共轨电控喷射系统－－－－喷射系统
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，降低烟度和
碳氢排放。

发动机管理系统的核心功能由电控单元来实现。

传感
器为EDC电控单元提供发动机的当前工况信息，电控单
元对传感器的信号进行分析以后，根据预定的控制策略对
执行器发出控制信号，控制喷油量、喷油始点、增压压力、
废气再循环和电热塞系统。

EDC电控单元分析发动机转速、加速踏板位置和冷却水温等传感器的信号，确定所需喷油量，并发相应控制信号给喷油泵中的油量调节器。

通过安装在油量调节器上的活塞位移传感器的反馈，实现油量的闭环控制。

在空气量不够的情况下为了避免黑烟，要根据烟度限制MAP图限制油量。

我要看看这张图！
喷油始点影响发动机起动性能、燃油经济性和排放性能。

EDC电控单元通过喷油量、发动机转速和冷却水温等信号确定最优喷油始点，给喷油泵中的喷油始点控制阀发出相应的控制信号。

针阀升成传感器喷油始点控制阀
增压压力控制系统
控制单元根据进气管压力传感器、进气管温度传感器和海拔传感器等信号确定增压压力控制电信号，传给增压压力控制阀。

增压压力控制阀把电信号转化成真空度信号，传给废气涡轮增压器上的增压压力调节阀，控制增压压力沿理想的特性曲线运行。

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在控制单元内，存有EGR特性曲线，它包括发动机各工况点所需的空气量。

控制单元利用空气流量传感器的信号，把实际进气量与标定进气量进行比较，为补偿这个差值，对EGR控制阀发出相应的控制电信号。

EGR控制阀把电信号转化成真空度信号传给EGR阀，改变EGR阀的开度，控制废气再循环率。

废气再循环（EGR）是为了减少排气中的氮氧化物。

直喷系统的缸内温度相对较高，而且柴油机工作在富氧的环境下，因此排气中产生大量的氮氧化物。

部分的排气通过EGR阀与新鲜空气混合进入发动机，这样缸内混合气的含氧量就降低，从而降低氮氧化物排放。

废气再循环率要受到限制，因为过多的废气会使碳氢、一氧化碳和微粒排放恶化。

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电热塞控制集成在EDC电控单元中，控制分为两部分：预热和后热。

预热：由于直喷柴油机的启动性能好，预热只需在温度低于+9℃以下进行，冷却水温传感器为电控单 元提供准确的温度信号，驾驶员通过仪表盘上的预热报警灯了解预热情况。

后热：发动机启动以后，就要进入后热阶段，后热可以减少发动机的噪音，改善怠速工况的发动机性 能，并且降低碳氢排放。

发动机转速达到2500rpm时后热阶段停止。

控制系统总图
柴油机的排放主要由氮氧化物、碳氢、
一氧化碳和微粒组成。

氧催化转化器可以
降低碳氢、一氧化碳以及部分微粒，氮氧
化物排放要通过废气再循环等方式进行控
制，而微粒则由微粒捕捉器处理。

柴油机工作在富氧的环境下，不适宜采用三元催化器，这里采用氧催化转化器。

氧催化转化器是一个圆筒形的陶瓷载体，中间有许多细长的通道，可以大大增加陶瓷载体内部的表面积。

活性催化材料是
用真空金属化的方法加到陶瓷表面的，有害物质与催化材料接触时就会被转化。

在氧催化转化器中，大约80%未燃烧或部分燃烧的HC被转化成水蒸气和CO2，有害的CO被转化成CO2，氮氧化物NOx不能被氧传感器转化，
因此采用废气再循环的方法减少NOx排放。

废气再循环系统
废气再循环EGR是为了减少排气中的氮氧化合物。

直喷系统的缸内温度相对较高，而且柴油机工作在富氧的环境下，因此排气中生产大量的氮氧化合物。

部分的排气通过EGR阀与新鲜空气混合进入发动机，这样缸内混合气的含氧量就降低，从而降低氮氧化合物排放。

废气再循环率要受到限制，因为过多的废气会使碳氢、一氧化碳和微粒排放恶化。

微粒捕捉器主要用来净化柴油机排气中的颗粒物，是现代柴油机满足欧Ⅲ以上排放法规的有效手段。

柴油机微粒捕捉器的核心是过滤体和过滤体再生装置。

过滤体由多孔陶瓷过滤材料或多孔金属材料制成，目前的过滤体的过滤效率可达90％以上而不会引起过高的排气阻力。

当过滤体过滤的颗粒物引起柴油机排气不畅时，需要及时消除这些颗粒物，以免造成对发动机性能的影响。

再生装置一般是通过直接加热微粒，同时利用催化剂降低微粒着火点，使微粒氧化达到过滤体再生的目的。

概 述
工作原理
控制功能
发展趋势
返 回
电控燃油喷射系统发动机管理系统废气后处理装置
返 回
柴油机的电子控制包括燃油控制、进排气的控制以及对废气的后处理。

其中的
燃油喷射控制是关键，也是柴油机电子控制中的难点。

高压喷射可以有效地改善
柴油机的经济性和排放，而灵活的喷油速率控制（例如预喷射）是解决柴油机的
排放和噪声的有效措施。

废气涡轮增压则不仅能改善柴油机的动力性、经济性，
而且还可以有效地降低柴油机的微粒排放。

通过废气再循环（EGR），柴油机的
氮氧化物排放也可大大降低。

最后，通过后处理装置可以进一步降低柴油机的排
放。

所有这些控制功能只有利用电子控制系统，实现系统综合与优化匹配，才能
获得柴油机的最佳性能。

在柴油机的三代电控燃油喷射系统中，各自的特点和区别是什么？
柴油机的理想喷射特性应是什么样的？
电子控制单元是如何实现增压压力的反馈控制的？
电子控制单元是如何实现废气再循环率的控制的？
柴油机的废气后处理措施有哪些？分别解决什么排放物？
分别列出第一代分配泵电控系统和第三代高压共轨系统的所有的传感器和执行器。

先进高压共轨技术 Robert Bosch GmbH
汽车柴油机动力系统Automotive Powertrain Diesel Systems. Siemens
HEUI电控系统，Caterpillar
ECD-U2电子控制系统，Denso
TDI发动机性能，Valkswagen
中国汽车技术论坛。