柴油机电控喷射系统简介

柴油机电控燃油喷射系统及其发展前景

1 前言

柴油机具有效率高、经济性好、功率强大等特点，在交通运输和工程车辆领域有着广泛的应用。在可以预见的未来，柴油机在动力机械领域将继续占有重要的地位。实际上，在汽油机占主导地位的家用轿车领域，柴油机由于其节能的优势，正越来越受到汽车研究人员们的重视。然而，噪声大、NOx和颗粒物排放高等痼疾也一直困扰着柴油机的应用。前不久，欧盟正式制订了欧VI排放标准，颗粒物排放要求减半，氮氧化物排放必须降低77%，并将于2013年底实施[1].

面对日益严苛的柴油机排放标准，研究各种排放控制技术成为内燃机工作者的重要课题。这些控制技术总体上可分为3个方面：提高燃油品质、改善燃烧过程和采用先进的排气后处理技术，其中以改善燃烧过程为最根本的措施。就国外的经验来看，采用电控高压燃油喷射系统以改善柴油机的燃烧过程是普遍的发展趋势[2 ,3 ].

电控喷油技术是柴油机技术三大飞跃的最近一项（另外两项是机械燃油技术和增压中冷技术）[4]，也是内燃机行业20世纪的三大突破之一（另外两项是汽油直喷技术和DME待用燃料）[5]，为柴油机的喷油控制，以及噪声和排放的改善做出的巨大贡献。本文将从技术历程、技术现状及发展前景的角度简略阐述电控喷油技术。

2 电控喷油系统的技术历程

电子技术的迅猛发展使20世纪后半叶的技术领域发生了翻天覆地的变化。汽车行业也不例外。在汽油机中采用喷油器代替化油器，导致燃油系统发生巨大改善，这一转型比较顺利，所用时间也比较短，在21世纪初就已全面完成。但在柴油机中要求高精度地控制高压燃油喷射是非常困难的，而且由于传统的机械式柴油机燃油喷射系统具有非常优越的控制性能，所以，像汽油机那样在柴油机中采用电子控制的喷射系统的发展直到20世纪90年代才到来。

虽然大规模发展较晚，柴油机电控喷射系统却迅速地经历了三代发展。如表2-1所示[6]。

表2-1 三代柴油机电控燃油系统特点

2.1

第一代电控燃油控制很大程度上仍然是基于机械式燃油系统的，将机械式调速器和提前器换成电子控制的机构。燃油压送机构和机械式燃油系统相同。

在第一代电控燃油系统中：

喷油量的控制：根据ECU的指令由齿杆或溢油环的位置进行控制；

喷油时刻的控制：根据ECU的指令由发动机的驱动轴和凸轮轴的相位差进行控制。

ECU根据各种传感器发出的发动机状态和环境条件（主要是负荷与转速），通过所储存MAP数据，计算出适合发动机状态的最佳控制量，并向执行器发出指令。

第一代电控喷油系统主要的改革是采用了机械式燃油系统中没有的微型计算系统，将最

佳调速特性曲线图事先输入计算机的存储器中，可以对目标伺服位置进行非常精确细致的计算处理，使之前不可能实现的精确控制特性成为可能。使得柴油机燃油系统第一次跨入了电控时代。

表2-1所列的三种第一代代表产品分别是电控分配泵系统、电控直列泵系统（电子调速器式）、电控直列泵系统（可变预行程式）。

2.2 第二代：凸轮压油+电磁阀时间控制

在第一代电控燃油系统中，使用的位置控制机构仍然是机械燃油系统中的齿杆、溢油环等机构，采用相位差原理，虽然ECU可以精确得出喷油状态，执行器的执行却不能尽善尽美。于是工程师们采用了高速电磁阀，对喷油时间和喷油量进行精确控制，使得控制自由度较第一代有了阶跃式的提高。

第二代电控喷油系统的特征是：燃油升压是通过喷油泵或者发动机的凸轮实现的。而升压开始时间和升压终了时间则是由高速电磁阀实现，也就是说，喷油量和喷油正时都是有电磁阀的通断来实现，大大提高了控制的精度，配合ECU信号的完善，可以更加准确地控制喷油。

2.3 第三代：燃油蓄压+电磁阀时间控制

第三代电控燃油系统即人们常说的共轨燃油喷射系统（个人见解，不知是否准确）。图2.1和图2.1分别是康明斯和博世公司的共轨燃油系统，简略显示共了其原理[7]。共轨系统将燃油的升压系统独立出来，即燃油的压力与发动机转速和负荷无关。使用可以独立控制压力的蓄压器——共轨。这样，以前一直非常困难的燃油喷射压力可以按照人们的意志进行自由控制。再通过计算机单独控制的各喷油器，将共轨中的压力高达130Mpa—160Mpa[8]的燃油喷入燃烧室。

图2.1 康明斯共轨燃油系统

图2.2 博世公司电控共轨燃油系统

第三代电控喷油系统的最大进步就是使用了共轨，使得高压的产生和喷油控制可以分别进行。由此，可以根据发动机的负荷、转速等各种运行工况，在20—140Mpa的广大范围内改变喷油压力，可以实现预喷射、主喷射以及多段喷射等，根据需要改变喷油率的形状。为了改善柴油机的排放，可以自由自在地改变喷油参数和喷油形态。向着洁净的柴油机时代，可以高自由度地控制喷油策略，在一次工作循环中可以实现多次喷油，可以实现标定转速4000r/min——相当于4.2μs的高速控制，将柴油机的排放性能大大提高一步。

可以总结出三代电控燃油系统的特点，如表2.2所示。

表2.2 三代电控燃油系统技术沿革

共轨燃油系统的基本原理早就广为知晓。但是，技术上的难度限制了该项技术的发展。直到上世纪90年代，共轨燃油系统才获得了突飞猛进式的发展。

3.1 共轨技术简史

共轨喷射系统因其高的喷射压力、可灵活控制的喷射过程以及驱动性能，被公认为能解决柴油机许多不足的法宝。共轨喷射系统的基本原理是由意大利菲亚特公司在上世纪80年代为了应对用户对Croma型柴油机缺乏精确优化的批评而设计的。之后,该公司将该技术的生产特许权卖给德国博世公司以求发展。后者则花了三年时间进行生产准备。博世公司于1997年6月Bari工厂开始大批量生产共轨用高压泵，其它零部件分别在奥地利的Bamberg，法国Mondeville，德国的Homburg，Reutlinge和Salzgitter等地的工厂中生产。在1999年底以前博世公司就已生产出了第一百万套共轨喷油系统[9]。

80年代戴姆勒—奔驰公司详尽地分析了当时尚比较陌生的电控共轨式燃油系统，得出以下优点：

——它取消了限制喷油的供油凸轮，从而大大增加了自由选择预喷射和主喷射的喷油始点的灵活性；