柴油机电控技术的发展历程、现状及发展趋势

柴油机电控技术的发展历程、现状及发展趋势

一、柴油机电控技术出现的背景

1. 石油危机

要降低柴油机油耗，必须在各种工况下对循环供油量和喷油提前角精确控制。

2. 环境污染

要降低NOx和PM排放，必须对喷油正时精确控制

3. 电子技术的发展

单片机技术发展，提高了控制精度和处理信息的能力.同时汽油机电控技术的发展为柴油机提供了宝贵的经验。

二、柴油机电控技术的发展历程

柴油机电控燃油喷射系统的发展分为：位置控制式，时间控制式，时间压力控制式三个阶段。

1、位置控制式

保留了传统的喷油泵-高压油管-喷油嘴系统，只是对齿条（直列泵）或滑套（分配泵）的运动位置实现电子控制。同时，使用了电磁式供油定时控制阀。

图一

如图一所示，为位置控制式的分配泵，它通过采集加速踏板位置信号，转速传感器信号等，确定一个喷油量跟一个合适的喷油提前角。然后给执行器供油时间控制阀和溢油控制线圈通电，在电磁力和机械作用下，调整凸轮盘跟驱动轴的相对位置，同时也能改变滑套相对于回油口的一个相对位置。整个过程中，通过两个电磁阀分别控制喷油量和喷油提前角。同理，位置控制式的柱塞泵也是一样的道理，电磁阀只是控制齿条的相对运动，从而控制柱塞

相对于柱塞套的位置，增大或减小喷油量。

位置控制式电控柴油喷射系统与机械控制柴油喷射系统相比，控制精度和响应速度都有所提高。将机械控制系统改造成为位置型电控系统时，柴油机的机构无需改动，生产继承性好。但是，这种系统的控制频率低，喷油压力跟喷油规律不能独立控制。

2、时间控制式

用高速电磁阀直接控制高压燃油的适时喷射。通过高速电磁阀关闭时刻和关闭时间长短控制喷油正时和喷油量。可保留了传统的喷油泵-高压油管-喷油嘴系统。

图二图三

如图二，图三所示，为VE分配泵部分结构简图。如图二所示，当需要喷油时，电控单元ECU 根据加速踏板位置传感器和柴油机转速传感器的输入信号，首先算出基本供油量，然后根据来自冷却液温度、气温度、进气压力等传感器信号进行反馈修正后，确定最佳供油量。确定喷油延时角，进而确定电磁阀线圈通电时刻，线圈通电并产生吸力，吸引衔铁，衔铁克服阀芯回位弹簧的弹力推动阀芯上座向下运动，当阀芯上座和阀芯下座密封锥面接触时，阀芯关闭形成封闭高压腔。随着柱塞旋转和继续向前运动，高压腔的燃油被压缩产生高压，此时燃油流向如图二所示。如图三，当不需要喷油时，电磁阀断电，喷油阀的阀芯是打开的，进入高压腔的燃油经过溢流阀流回泵腔。

时间控制型的电控喷油系统中，可仍保留了传统的喷油泵-高压油管-喷油嘴系统。利用具有高响应的电磁溢流阀、电控单元及各种传感器进行喷油量控制，通过供油定时控制阀调节喷油定时。这种控制系统虽然控制精度有很大的提高，但是喷油压力还是不能独立控制。

3、时间压力控制式

用一个高压油泵以一定速比（与发动机转速比）连续将高压燃油送入共轨内，然后送入喷油器，用高速电磁阀控制喷射。喷油量及喷油时刻完全由喷油器按照电控单元的指令完成，可实现预喷、主喷，二次喷射。

时间控制式的燃油喷射系统，又可以分为高压共轨，中压共轨。高压共轨的高压油是通过高压油泵加压，然后储存在共轨内。中压共轨只是经过低压油泵加压，储存在共轨内，燃油的高压是在喷油器内建立的。

○1中压共轨，共轨管内的燃油压力低，需要配合整体式喷油器对低压燃油加压。高压的机油通过放大活塞对低压燃油进行加压。

○2高压共轨，燃油通过低压泵，高压泵，两级加压。最后高压油储存在共轨管内。具体结构

如图四所示：

图四

高压油泵是高压回路和低压回路的分界面，在所有工况下，它主要负责在车辆的整个使用寿命中供给足够的高压燃油，同时还必须保证为使发动机迅速起动所需要的额外的供油量和压力要求。高压油泵不断的产生共轨所需的系统压力。这就意味着燃油并不是在每个单一的喷射过程都必须被压缩（相对于传统的系统燃油）。共轨内的油压应随时保持一定，以确保当喷油器打开的瞬间，喷射压力能维持一定。是喷油量唯一的取决于电磁阀打开的时间。

电磁阀断电：球阀关闭控制腔压力＋针阀弹簧压力> 针阀腔压力针阀关闭，不喷射。电磁阀通电：球阀开启，泻油孔泻油控制腔压力＋针阀弹簧压力< 针阀腔压力针阀抬起，喷射。针阀抬起速度取决于泻油孔与进油孔的流量差针阀关闭速度取决于进油孔流量喷射响应＝电磁阀响应＋液力系统响应一般应为0.1ms~0.3ms (喷油速率控制的要求)。

在时间时间压力控制系统中，燃油压力跟发动机转速没关系，而且可以任意调节。因此，我按照需要控制喷油压力和喷油速率。无喷油脉冲，精确的控制喷油量，因为喷油量唯一值取决于电磁阀的通电时间。同时，可实现预喷，主喷，二次喷射。满足动力性的同时，又改善了柴油机的排放性。

三、柴油机电控技术的发展现状

柴油机电子控制技术始于20世纪70年代，20世纪80年代以来，英国卢卡斯公司、德国博世公司、奔驰汽车公司、美国通用的底特律柴油机公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五十铃汽车公司及小松制作所等都竞相开发新产品并投放市场，以满足日益严格的排放法规要求。

由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多。同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。依靠传统的机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转的要求。近年来，随着计算机技术、传感器技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。实际上，柴油机排气中CO和HC比汽油机少得多，NOX排放量与汽油机相近，只是排气微粒较多，这与柴油机燃烧机理有关。柴油机是一种非均质燃烧，可燃混合气形成时间很短，而且可燃混合气形成与燃烧过程交错在一起。通过分析柴油机喷油规律得到：喷入燃料的雾化质量、汽缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程的进展以及有害排放物的生成。提高喷油压力和柴油雾化效果、使用预喷射、分段喷射等可以有效的改善排放。经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。随着国际上日益严格的排放控制标准(如欧洲Ⅳ、Ⅴ标准)的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油机都面临着严峻的挑战，解决的办法之一是采用电子控制燃油喷射的技术。现在，柴油机电子控制技术在发达国家的应用率已达到60%以上。

如今的电控柴油发动机的主流就是高压共轨，增压加中冷技术，同时，还要像汽油机一样，精确控制空燃比。我们能看到有柴油机也有了节气门，有了进气压力传感器。

四、柴油机电控技术的未来发展趋势

现在柴油机的电控，主要控制的只是喷油。未来的发展就是要对柴油机全方位的控制。想汽油机那样，进行怠速的控制，排放的控制，进气控制，增压控制，巡航控制，故障自诊断和失效的保护。现在，只是少量的高端柴油机采用了这些控制技术，但是，未来的柴油车上一定是综合控制的电控系统。

柴油机的开发焦点已由传统的优先考虑经济性、可靠性和耐久性逐步转为目前的优先考虑环保的要求，即以优先保护好人类赖以生存的地球环境为出发点去考虑采用何种技术，去评价其先进性。

优先考虑柴油机排放、噪声对环境的影响问题，与过去相比也有不同，就是在满足目前对排气污染物、颗粒排放及噪声的限制要求时，不再以牺牲经济性、动力性和比质量等为代价，而是在达到上述目标的同时使产品具有可竞争的商业价格。欧洲一些公司近年或稍后将继续推出能满足环境要求的百公里油耗为3L的柴油机。

当前和将来一个时期车用柴油机技术的发展趋势突出表现在如下几个方面：

1、进一步优化燃烧系统，特别重视开发和选择喷射系统

Perkins公司的Ouadram燃烧室、日野公司的HMMS燃烧室，小松公司的MTEC燃烧室及五十铃公司的四角形燃烧室等，都在试验开发阶段，其基本特点是由一个中央涡流及四周的微涡流使空气燃料快速而充分地混合，并配合以合适的燃油喷射系统。电控系统配合HCCI技术等。

目前，喷射系统已进入一个较快的发展时期，现正在研究开发lms内完成一次喷射，并在有限时间内正确控制喷射量的方法。喷射压力已提高到160—180MPa，实验室内已到200 MPa。如共轨式喷射系统及分段预喷射系统等，可根据发动机的负荷与转速自动控制合理的喷射规律和喷油压力。

2、增压及可变气门配气定时

当今柴油机增压和增压中冷已成为标准特点，随着发动机的轻量化与小型化，为了降