柴油机电控喷射系统简介

对电控柴油喷射系统的论述

班级机械114

学号 110611422

姓名王成坤

二○一三年12 月 1 日

１柴油机电控喷射系统的发展历史

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。

1.1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1所示[6]。

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）。

1.2.2 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。

1.2.3 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。。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。

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所示。

2.高压共轨系统的组成及原理

2.1高压共轨喷射系统简介

它是由燃油泵把高压油输送到公共的、具有较大容积的配油管——油轨内，将高压油蓄积起来，再通过高压油管输送到喷油器，即把多个喷油器，并联在公共油轨上。在公共油轨上，设置了油压传感器、限压阀和流量限制器。由于微电脑对油轨内的燃油压力实施精确控制，燃油系统供油压力因柴油机转速变化所产生的

波动明显减小（这是传统柴油机的一大缺陷），喷油量的大小仅取决于喷油器电磁阀开启时间的长短。

特点：

①、将燃油压力的产生与喷射过程完全分开，燃油压力的建立与喷油过程无关。燃油从喷油器喷出以后，油轨内的油压几乎不变；

②、燃油压力、喷油过程和喷油持续时间由微电脑控制，不受柴油机负荷和转速的影响；

③、喷油定时与喷油计量分开控制，可以自由地调整每个气缸的喷油量和喷射起始角。

2.2高压共轨燃油喷射系统的基本结构

高压共轨燃油喷射系统包括燃油箱、输油泵、燃油滤清器、油水分离器、高低压油管、高压油泵、带调压阀的燃油共轨组件、高速电磁阀式喷油器、预热装置及各种传感器、电子控制单元等装置。

高压共轨燃油喷射系统的低压供油部分包括：燃油箱（带有滤网、油位显示器、油量报警器）、输油泵、燃油滤清器、低压油管以及回油管等；共轨喷射系统的高压供油部分包括：带调压阀的高压油泵、燃油共轨组件（带共轨压力传感器）以及电磁阀式喷油器等。

2.3电控燃油喷射系统的工作原理

电子控制单元接收曲轴转速传感器、冷却液温度传感器、空气流量传感器、加速踏板位置传感器、针阀行程传感器等检测到的实时工况信息，再根据ECU 内部预先设置和存储的控制程序和参数或图谱，经过数据运算和逻辑判断，确定适合柴油机当时工况的控制参数，并将这些参数转变为电信号，输送给相应的执行器，执行元件根据ECU的指令，灵活改变喷油器电磁阀开闭的时刻或开关的开或闭，使气缸的燃烧过程适应柴油机各种工况变化的需要，从而达到最大限度提高柴油机输出功率降低油耗和减少排污的目的。

一旦传感器检测到某些参数或状态超出了设定的范围，电控单元会存储故障信息，并且点亮仪表盘上的指示灯（向操作人员报警），必要时通过电磁阀自动切断油路或关闭进气门，减小柴油机的输出功率（甚至停止发动机运转），以保护柴油机不受严重损坏——这是电子控制系统的故障应急保护模式

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电控喷油系统结构及工作原理

3.1柴油机电控系统的组成：

柴油机电控系统由传感器(Sensors)电控器(ECU)与执行器(Actuator)三部分组成。

1、传感器：传感器的功用是检测柴油机及车辆运行时的各种信息。

2、电控器：电控器(ECU)是柴油机电控的核心部分。

3、执行器：接受ECU传来的指令，并完成所需调控的各项任务。

电控高压共轨系统

电控共轨系统中，将产生高压与控制喷射的功能分开，共轨腔只起着蓄压器的作用，共轨中燃油压力可以由ECU与压力调节阀控制，不受柴油机的转速影响，低速下能保证良好的喷雾，高速下能实现柔性控制。因此增大了调节自由度和改善了控制精度。下图为Bosch公司为Daimlar-Crysler公司的奔驰轿车柴油机