柴油机电子控制技术第1章 概论

第一章柴油机电子控制技术概论第一节柴油机电子控制技术出现的必然趋势在刚刚过去的20世纪中，一方面科学技术的发展突飞猛进，另一方面人类的生存与发展也遇到了前所未有的挑战。

人类文明已陷人了非常尴尬的境地：人类在创造一个丰富的物质世界的同时，也付出了牺牲生存空间的沉重代价。

我国是一个人口众多、资源相对不足的国家，走一条具有中国特色的可持续发展道路，不仅是对联合国等世界组织的承诺，而且也符合中国的国情。

可持续发展问题已不仅是各国政府的行为，它还是每个地区、每个行业、每个企业、每个社会团体，甚至是每一个人的事情。

车用发动机是能源消耗的大户。

据国际汽车工程师协会（FISITI）1996年公布的资料，公路运输是当今世界上最主要的运输方式。

世界客运总量的80％和世界货运总量的42％由公路承担。

在世界能源消耗中，公路运输要占石油消耗的42 % ，约占人类能源总消耗的 16 ％。

由于车用发动机的油耗在世界能源消耗中占有举足轻重的地位，所以降低发动机油耗一直是全人类共同关注的问题。

如从日本载货汽车发动机性能改善的历史来看，全负荷的最低比油耗已从 20 世纪 60 年代的 250g / ( kw·h )下降到 90 年代的 180g / ( kw·h )水平，下降近 30 ％。

欧洲 75kw 以下不同类型轿车发动机每百公里油耗的统计表明，采用直喷式柴油机后，油耗比汽油机下降 35％--40％。

直喷式增压中冷柴油机油耗，又比非增压直喷式柴油机下降 15％。

现在电子控制技术的应用，使发动机在降低油耗、改善性能方面跨人了一个新阶段。

20 世纪后，中国汽车产量迅速上升， 2004 年我国汽车保有量已达到 2830 万辆预计到 2010 年，汽车保有量将达到 4500--5000 万辆。

汽车在我国能源消耗中的地位也将更为重要。

我国是一个能源紧缺的国家， 1997 年生产石油 15 亿吨，不能满足需要，紧缺 3000 万吨，靠进口解决。

因此，不断地降低发动机的油耗，节约能源将是一项长期的任务另外，车用发动机是环境污染的主要来源之一。

内燃机对环境的污染问题已不容忽视。

现在我们生活的这个地球环境状况日益恶化，由于温室效应，全球气温升高，灾害性气候增加，特别是城市的污染问题更为严重。

在城市里，我们已很难看到蓝色的天空，再也呼吸不到新鲜的空气，呼吸道疾病病人在增加，人体内的铅含量严重超标。

这些主要是因为内燃机的排气在起作用。

因此，许多国家都对车辆排放制定了严格的限制标准。

我国对车辆的排放法规与国外发达国相差甚远，如欧洲1992年实施EURO-Ⅰ排放标准， 1995 年已实施 EURO-Ⅱ， 2000 年已实施 EURO - Ⅲ排放标准， 2005 年将实施 EURO-Ⅳ排放标准。

周边国家如泰国、新加坡等国，在 2000 年也已实施了 EURO - Ⅱ排放标准。

我国在 2001 年才在一些局部地区执行 EURO -Ⅰ排放标准，在 2004 年执行 EURO - Ⅱ排放标准，北京将在 2005 年执行 EURO -Ⅲ排放标准， 2010 年与世界接轨。

面对日益严重的能源危机和环境污染，国际内燃机界不停地在寻找实现汽车工业可持续发展的途径。

在不断的技术发展中，人们对柴油机、尤其是车用柴油机有了更新、更深入的认识。

首先，自 20 世纪 90 年代以来，由于排放控制技术的发展，柴油机在车用动力中占据着越来越重要地位。

在中、重型汽车动力中，柴油机保持着其独占的地位；在轻型车动力领域内，柴油机的应用不断扩大；在轿车领域，低油耗、低污染的柴油机轿车在欧洲得到迅速发展。

目前，欧美国家的 100 ％的重型车、90 ％的轻型车采用柴油机。

欧洲柴油机轿车已占轿车年产量的 32 % ，法国、西班牙等国家大于 50 ％以上。

人们逐渐认识到柴油机是当今保持汽车大批量、低成本生产中，解决环保与节能双重压力的最有效、最经济的手段之一。

因此，无论是欧洲排放更清洁的经济型轿车的开发，还是美国的“新一代汽车合作计划（ PNGV ）”，都无一例外地将柴油机作为最佳的选择方案， 3L 轿车（百公里油耗 3L ）的开发成功，则标志着柴油机技术的又一次飞跃。

欧洲和日本等国政府计划在今后相当长的时期内，继续实施低燃油税收的政策，以促进柴油机的发展。

伴随着柴油机技术的不断发展，气体燃料发动机（天然气发动机、液化石油气发动机）、混合动力汽车、电动汽车，以及与之配套的各种动力电池的开发已取得重大突破。

然而，业内人士仍普遍认为，由于受到诸如关键技术水平、生产成本、使用条件等方面的制约，上述新型动力汽车要普及保有量 6 亿多辆和年产 6 000 万辆车的规模，决不是想像中一二十年内能够实现的。

美国《大众科学》杂志 2000 年 9 月号专文指出：“至少在今后几十年内，对于燃料消耗总量以及空气质量来说，新一代超洁净、超高效内燃机的影响，将远远超过高技术的替代手段。

如果燃料经济性和排放仍存在问题的话，那么第一个解决的途径将是柴油机”。

我国内燃机，特别是车用柴油机工业在过去几十年里得到飞速发展，但存在的问题很多。

应该说，过去我国的发展走的是粗放经营的道路，我们取得的高速发展是以高投入换来的。

我们强调了高速发展，却忽视了经济增长的质量。

我们的柴油机产品的质量不高、可靠性差、能耗大、排放污染严重、动力性、紧凑性、振动和噪声等指标也较低。

现在，国外在柴油机方面已普遍采用电子控制技术，直喷式高压喷射技术，以及增压，特别是增压中冷、废气再循环技术和四气门技术。

电子控制共轨喷射技术也已进人实用阶段，并且正在迅速地推广应用。

而在国内，由于缺乏技术开发与投入，车用柴油机的水平相当落后，对国外现在采用的或正在研究的新技术总体上还比较陌生。

科学技术是解决可持续发展难题的必要手段。

为使我国的内燃机工业实现可持续发展，就必须在新技术方面加大人力、财力、物力的投人，并取得重大突破。

在这中间，柴油机采用电子控制技术，特别是电控共轨式喷射技术已势在必行。

采用电子控制技术是当前柴油机技术发展的重要方向之一。

早在 20 世纪 70 年代，世界上许多技术发达国家就已竞相开发柴油机电子控制技术并研制新产品。

到目前为止，已研制并生产出了许多功能各异的柴油机电子控制系统，其中大部分已产品化并投放市场，取得了显著的经济效益，与此同时，也有力地推动了柴油机电子控制系统的进一步发展，控制功能更全、工作更可靠的新产品层出不穷。

柴油机电子控制技术的出现与发展是一个必然趋势，究其原因，主要有以下两个方面：原因之一是由于石油能源危机及严重的环境污染，对柴油机这一主要移动式动力装置的燃油经济性和排放指标，提出了几乎是十分苛刻的要求所导致的。

很久以来，为了降低柴油机的油耗和减少排放，除了对柴油机本身的各个系统进行了研究和改进外，先后出现了各种各样的机械式控制机构。

这些控制机构如机械式调速器、喷油提前装置等，实现了对影响发动机经济性和排放的主要参数的控制，曾取得了不容忽视的成果。

但由于它们不可能实现更为复杂的调控并存在一些先天缺陷，其控制结果终是不能令人满意。

有结果证明：喷油始点改变 1°曲轴转角，燃油消耗率会增加 2 % , HC 排放量增加 16 % , NOx 排放量增加 6 ％。

另一方面，无论是柴油机的循环供油量（齿杆位移量的控制）还是喷油提前角（喷油始点的控制），实际上均受很多因素的制约，其每一瞬时的最佳值均不同。

要想实现发动机的最优运行，必须实现多参量的实时检测与控制，显然，这又是机械式控制无能为力的。

因此，当人们对柴油机的经济性和排放提出更高的要求时，传统的机械式控制系统就有可能被别的更好的系统所取代。

美国国会通过的“大气污染防治法”，要求将重型载货汽车柴油机的排放污染降低 90 % ，欧盟的排放法规也日趋严格。

图 l-1 为美国重型载货汽车柴油机排放标准，图 1-2 则为欧洲重型载货汽车柴油机排放标准，图 1- 3 为不同阶段欧洲的柴油轿车的排放标准限值。

可见对氮氧化物（ NOx ）和颗粒物（ PM ）的限制已经达到相当严的程度。

要降低柴油机 NOx 排放，就要减小柴油机气缸内的最高压力和最高温度，不使气缸内的N2和O2在高温下变成Nox。

这就要求喷油正时滞后，然而喷油正时滞后会引起烟度（颗粒）排放上升，经济性的动力性下降。

矛盾的解决，除提高喷油压力和速率和缩短喷射持续时间外，主要是通过电子控制方式寻求最优化的喷油定时。

废气在循环对降低Nox大有好处，但会引起颗粒排放物的增加，这也需要用电子控制技术来寻求最佳的废气再循环时刻和排量。

可变涡流增压、废气催化这些技术对排放有利，但也必须电子控制技术才能与柴油机运行工况配合起来，达到其应有的效果为降低燃烧噪声和Nox 排放，柴油机要求喷射系统在主喷射之前，有一个如图1-4所示的预喷射。

而且预喷射量、预喷射与主喷射之间的间隔，都能根据不同运行工况有所变化。

显然这些也只有在柴油机电子控制的某些系统（共轨）才能实现。

为降低排放，还要对喷油嘴喷出的瞬时喷油率进行控制，以期实现喷射初期低的喷油速率，降低Nox 和噪声；喷射结束时又要快速断油，以降低颗粒和HC;并且也要随着不同工况进行适当调整。

图1-5是美国Caterpilar 公司在柴油机有和没有对喷油速率的控制对排放指标影响的实验结果。

柴油机采用电子控制技术后，由于其控制精度高、控制自由度大、控制功能容易扩展，因此能实现整个运行范围内参数优化，不仅能改善排放、经济性，还可以有效改善低速性能，改善低温起动和怠速性能，以及改善操作性能。

我国对降低柴油机排放已提出明确要求，并已在1997年10月1日和2000年1月1日对于总质量大于3500kg的中重型汽车柴油机分别实施相当于欧洲1986年的排放法规和1992 年实施的欧洲Ⅰ号排放法规，并且北京市还将在 2005 年实施欧Ⅲ标准，进一步降低柴油机排放指标。

具体指标见表 1-1 。

这样，柴油机电子控制技术在我国的应用已势在必行。

原因之二是单片微型计算机的出现，大大地促进了柴油机控制系统的更新换代，使柴油机电子控制技术的出现与发展成为必然趋势。

自 20 世纪 70 年代以来，微电子技术有了长足的发展。

随着大规模集成电路的出现，微电子产品的成本大幅度下降，在功能强化、功耗降低的情况下，可靠性逐步提高，且性能日臻完善，使柴油机这一特殊设备采用微型计算机控制技术成为可能。

特别是当单片机以崭新的面貌出现以后，采用单片机的柴油机数字控制系统异军突起，发展十分迅速。

可以说电子模拟控制已比传统的机械控制大大前进了一步。

但由于各种内在原因，这种控制仍不能满足更高的要求，而数字控制系统的情形就截然不同了。

与模拟控制相比，数字控制系统具有许多优点，如它的线路简单、所需硬件少、功耗低、抗干扰能力强、可靠性高（集成电路的失效率已达到 10-9 /h）、控制精度高、能实现多功能控制、适应性强且调试方便等。