柴油机燃油喷射系统的技术发展

柴油机燃油喷射系统的技术发展

摘要利用先进的电子技术、高频高速电磁阀技术，能够自由控制喷油量、喷油压力、喷油正时和喷油(速)率的柴油机电控喷射技术，目前正迅速推广和普及。我国威孚公司和德国Bosch公司的技术合作，将使我国柴油机设计、制造和技术使用进入一个新的历史时期。本文利用简短的文字和资料描述了柴油机燃油喷射技术的发展过程及其技术内涵。关键词电子技术自由控制柴油机燃油发射 20世纪，柴油机技术发展史上经历了三次重大的飞跃:机械式燃油系统、中冷增压和电控喷射。 20世纪60年代后期，瑞士的Hiber教授研制了柴油机电控共轨系统的“原型”，其后以瑞士工业大学的Ganser教授为中心对电控共轨系统进行了一系列的研究。从20世纪70年代开始，鉴于柴油机有害气体排放严重污染自然环境、石油资源的有限开采和利用，人们主动而有效地利用电子技术、计算机技术、传感技术和控制理论推动柴油机燃油喷射技术的发展。1995年末，日本电装公司将ECD- U2型电控共轨系统成功的应用于载重汽车用柴油机上并批量生产，“从此开始了柴油机电控共轨燃油系统的新时代”，随后，德国的Bosch公司、美国的Cummiese公司、瑞典的Volvo公司、意大利的 Fiat 公司和日本五十铃公司等相继将自行开发的分别用于轿车、载重汽车和工程机械的电控共轨系统柴油机投放市场。目前，柴油机电控喷射技术正迅速推广和普及，其技术水平也日趋成熟，总的发展趋势是由位置控制向时间控制过渡、由模拟控制向数字控制过渡。

1 问题的由来

1.1 柴油机的负面效应众所周知，柴油机因其压缩比大，故动力性和燃料使用经济好、且故障少、功率范围宽。但同时带来振动噪声大和氮氧化物(Nox)、颗粒排放(主要成分是碳烟)污染环境的缺点。

1.2 能源危机 1973年和1979年两次波及全世界的石油危机，使人们意识到石油资源的有限性和可利用的时间短的问题。另据资料表明(见图1)，

图1 全世界石油生产量预测

2013年世界石油最高产量为320亿桶/年，2050年将急剧衰减到60亿桶/年，与快速增加的柴油机年保有量形成明显的巨大的反差。

1.3 城市空气质量下降随着人们生活水平的提高，希望人居城市的生活环境有所改善。但与此相反，城市空气质量普遍下降并有恶化的趋势。究其原因，主要是发动机废气有害成分的大量排放(约占50%)。由上述可见，当今柴油机技术中迫切需要解决的问题是:减少其废气中的有害成分;减少柴油消耗。

2 解决问题的技术措施

2.1 实行严格的废气排放法规在保持柴油机原有优点的基础上，降低其燃料消耗并减少柴油机废气中有害成分对自然环境的污染，可以采用行政法规及法律手段来解决。目前工业发达国家在实行US98、欧(EUTO)III排放标准的基础上，逐步推广实施欧IV和欧V排放标准(见表 1)。

表1 ESC和ELR循环排放限值

注:表中*为单缸排量小于0.75L和额定功率转速大于3000r/min的柴油机; ESC——新稳态工况(欧洲稳态循环);ELR——欧洲负荷响应循环;ETC——欧洲瞬态循环。

2.2 改善柴油机的燃烧过程鉴于柴油机技术中的主要问题是柴油与空气组成的可燃混合气的正常燃烧，因此降低柴油机燃料消耗和减少柴油机废气中的有害气体排放，必须围绕改进柴油机可燃混合气形成与燃烧过程而进行。图2为此作出了简要说明。目前最先进的技术措施是在柴油机采用电控共轨式喷油系统。除此以外，还有赖于柴油机废气排放系统中采取废气再循环装置(EGR)、N ox

催化剂(DeNox)、颗粒滤清器等技术措施予以配合。

图2 改善柴油机燃烧过程的技术措施

3 电控共轨式燃油喷射系统

3.1 柴油机电控喷油技术的发展过程柴油机由机械操纵向电子技术控制方向的发展，经历了采用模拟电路控制喷油、计算机控制喷油、喷油定时的电子控制、综合电子控制系统和电控共轨式燃油系统等6个步骤，前5项可视为过渡阶段，最终发展为现阶段的适用范围广泛的电控共轨系统。换言之，柴油机从利用电子技术控制燃油喷射角度，技术进步经历了3个阶段:第一，凸轮压油+位置控制;第二，凸轮压油+电磁阀时间控制; 第三，凸轮压油+共轨蓄压+电磁阀时间-压力控制。 a)位置控制系统保留了传统的机械式泵、喷油及供油调节机构的结构型式(如喷油泵、高压油管、喷油器、供油拉杆或齿条、带螺旋槽的柱塞等)，只是用以单片机为核心的控制器ECU(Electrontic Con trol Unit)指令执行器——电动机(调速器)代替机械离心式调速器。 b)时间控制系统既可以保留传统的机械式泵、喷油结构型式，也可以用新型的高压(130～ 200Mpa)供油泵，但以高速电磁阀直接控制高压柴油喷射。 c)电控共轨系统是迄今为止柴油机电控喷油技术中，结构最完善、性能最先进、技术难度最大的电控喷油系统，其结构

组成在柴油机的总体布置分别如图3、图4所示。

图3 电控共轨系统燃油系统组成

图4 电控共轨系统在柴油机上的布置

电控共轨系统利用各种相关传感器采集并输送柴油机运行状态参数给控制器(ECU)，ECU根据目标(设定)值计算出喷油量、喷油压力、喷油正时和喷油(速)率，随后发出指令给执行器，驱动其动作，让柴油机处于最佳(接近理想——符合实际运行条件的)状态下运转。其整个控制过程，如方框图5所示。

图5 电控共轨系统的控制框图

采用电控共轨系统的柴油机的突出优点是，在理论分析、大量实验的基础上，综合柴油机实际运行状况，能够自由控制喷油量、喷油压力、喷射正时、喷油(速)率和多次喷射(预喷射、主喷射和后喷射)，不仅实现了节省燃料、减少废气有害成分的排放目标，并且给柴油机带来了技术性能的全面提高。据资料介绍，“我国威孚公司和德国Bosch公司合作，在无锡建设专门生产电控燃油系统的工厂。这是一项前瞻性的战略合作，数年之后配装电控燃油系统的柴油机将会由我国柴油机源源不断地流向市场、走向世界”。主要参考资料:1、徐家龙.柴油机电控喷油技术.人民交通出版社.2004年 2、李春明.柴油机电子控制燃油喷射系统.机械工业出版社.2003年 3、杜任武.柴油机电子控制系统.人民交通出版社.2003年 4、杨杰民.汽车柴油机电控系统.辽宁科技出版社.2004年 5、周宽伟.高速直喷柴油机电控喷油系统的现状和发展《国外内燃机》.1998年 6、贾锡印.柴油机燃油喷射与调节.哈尔滨工业大学出版社.2002年