車用柴油機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)展

1、.車用柴油機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)展 在保持柴油機(jī)卓越的燃油經(jīng)濟(jì)性的同時，要想滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，除了降低潤滑油消耗、優(yōu)化渦輪增壓技術(shù)和使用先進(jìn)的廢氣后處理系統(tǒng)外，最主要還需進(jìn)一步改善柴油機(jī)的燃燒過程。與現(xiàn)代汽車汽油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展背景一樣，即面對無法回避的局部和全球性的環(huán)境和能源問題，現(xiàn)代汽車柴油機(jī)不得不采用和發(fā)展電子控制系統(tǒng)，以便保持汽車柴油機(jī)的可持續(xù)發(fā)展，更充分發(fā)揮柴油機(jī)固有的優(yōu)點(diǎn)(低油耗和低CO2排放)。而噴油系統(tǒng)性能是影響柴油機(jī)燃燒過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用微機(jī)電控技術(shù)改進(jìn)燃燒過程應(yīng)用了很多新技術(shù)，有的新技術(shù)雖然與電控技術(shù)沒有直接的關(guān)聯(lián)，但由于改善了整機(jī)性能，仍然與電控技術(shù)有間接的聯(lián)

2、系。 柴油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展過程與汽油機(jī)電控系統(tǒng)相似。自80年代開始進(jìn)入市場的現(xiàn)代汽車柴油機(jī)電控系統(tǒng)也是隨著控制項(xiàng)目的不斷增多，控制任務(wù)從簡單到復(fù)雜，直至全方位控制。例如,早期的電控燃油噴射系統(tǒng)都采用了“位置控制”,保持了傳統(tǒng)的脈沖高壓供油原理,只是通過以微機(jī)為核心的控制單元對位置伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，改變油量調(diào)節(jié)齒條(直列泵)或油量調(diào)節(jié)滑套(VE型分配泵)等的位置，用以調(diào)節(jié)噴油泵的循環(huán)供(噴)油量。但由于位置伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行頻率響應(yīng)慢，控制頻率低，控制精度不穩(wěn)定，經(jīng)過了近十年的發(fā)展,到90年代初,“時間控制”式電控燃油噴射系統(tǒng)開發(fā)成功,采用了新型高速強(qiáng)力電磁閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的油量調(diào)節(jié)齒條(直列泵)

3、或油量調(diào)節(jié)滑套(VE型分配泵)等,直接對高壓燃油進(jìn)行數(shù)字式的高頻調(diào)節(jié)，由電磁閥的關(guān)閉時刻和閉合持續(xù)時間決定循環(huán)供(噴)油量和供(噴)油正時。盡管如此,這種“時間控制”式電控燃油噴射系統(tǒng)仍保持了傳統(tǒng)的脈沖高壓供油原理。直到90年代中期，一種新型的電控共軌式燃油噴射系統(tǒng)問世，拋棄了傳統(tǒng)的脈沖高壓供油原理，采用“時間-壓力控制”式燃油計(jì)量原理，通過對公共油軌中油壓的連續(xù)控制和各缸噴油過程的電磁閥控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對循環(huán)供(噴)油量的控制,才使柴油機(jī)的電控燃油噴射技術(shù)進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。 柴油機(jī)電控技術(shù)還面臨著許多課題需要解決，特別是當(dāng)采用高壓電控噴油時，柴油機(jī)電控系統(tǒng)的成本幾乎占發(fā)動

4、機(jī)成本的一半。盡管如此,只有在汽車柴油機(jī)上廣泛采用電控技術(shù),才能面對越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)的挑戰(zhàn)。近年來柴油機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)展勢頭是令人矚目的。以柴油汽車用得最多的歐洲為例,由于歐洲道路車輛用多缸柴油機(jī)從2000年開始執(zhí)行歐3排放標(biāo)準(zhǔn)，電控技術(shù)已在需滿足歐3標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)上普遍使用,一些研究機(jī)構(gòu)和大的廠商則早已著手研制滿足歐4排放標(biāo)準(zhǔn)的電控柴油機(jī),現(xiàn)在,電控共軌系統(tǒng)和電控單體泵系統(tǒng)在多缸柴油機(jī)上的應(yīng)用已明顯增多。 我國對現(xiàn)代柴油機(jī)電控技術(shù)的研究和開發(fā)尚處于起步階段，目前還主要集中在對柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)的研究與開發(fā)上。但隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對環(huán)保的要求越來越高，柴油機(jī)電控系統(tǒng)的研究和相應(yīng)產(chǎn)品

5、的開發(fā)必將成為我國汽車柴油機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中的一個熱點(diǎn)，這將大大促進(jìn)我國汽車柴油機(jī)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，為在未來不長的時期里參與國際競爭奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 2.現(xiàn)代轎車柴油機(jī)電控系統(tǒng)的新技術(shù) 時間控制的柴油電噴技術(shù) 柴油機(jī)的新一代電噴系統(tǒng)采用時間控制,用高速電磁閥取代傳統(tǒng)的機(jī)械噴閥,對高壓燃油實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)。現(xiàn)在這種噴射系統(tǒng)逐漸向高壓化邁進(jìn),高壓噴射可使柴油霧化得非常細(xì),發(fā)動機(jī)的燃燒過程進(jìn)行得相當(dāng)完善,而且速度快,同時又不明顯提高燃燒溫度。提高了直噴式柴油機(jī)壓力,不僅可以全面降低HC、CO、NOx、微粒物和碳煙的排放,而且還能顯著的降低油耗。 共軌式電噴系統(tǒng) 

6、在車用柴油機(jī)中，高速運(yùn)轉(zhuǎn)使柴油噴射過程的時間只有千分之幾秒，在噴射過程中高壓油管各處的壓力是隨時間和位置的不同而變化的。由于柴油的可壓縮性和高壓油管中柴油的壓力波動，使實(shí)際的噴油狀態(tài)與噴油泵所規(guī)定的柱塞供油規(guī)律有較大的差異。油管內(nèi)的壓力波動有時還會在主噴射之后，使高壓油管內(nèi)的壓力再次上升，達(dá)到令噴油器的針閥開啟的壓力，將已經(jīng)關(guān)閉的針閥又重新打開產(chǎn)生二次噴油現(xiàn)象，由于二次噴油不可能完全燃燒，于是增加了煙度和碳?xì)浠衔铮℉C）的排放量，油耗增加。此外，每次噴射循環(huán)后高壓油管內(nèi)的殘壓都會發(fā)生變化，隨之引起不穩(wěn)定的噴射，尤其在低轉(zhuǎn)速區(qū)域容易產(chǎn)生上述現(xiàn)象，嚴(yán)重時不僅噴油不均勻，而且會發(fā)生間歇性不噴射現(xiàn)象

7、。為解決柴油機(jī)這個燃油壓力變化的缺陷，現(xiàn)代柴油機(jī)采用了一種稱為“共軌”的技術(shù)。 它是柴油機(jī)高壓噴射系統(tǒng)的一種，最高壓力可達(dá)到200220MPa。該系統(tǒng)不再采用通用的脈動原理，而是采用壓力時間計(jì)量原理?！肮曹墖娚洹笔峭ㄟ^高壓公用油道和各缸噴射電磁閥控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)噴油控制。這種噴油系統(tǒng)可保證噴油壓力不隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)變化，可降低顆粒物的排放，電控共軌噴射又稱為壓力時間噴射或第三代噴射，它可分為中壓共軌和高壓共軌兩大類。ECU產(chǎn)生的電脈沖按順序觸發(fā)噴油器電磁閥，確定發(fā)動機(jī)每次噴油的起始和關(guān)閉時刻，電控共軌噴射還可采用多次噴射的方式來靈活控制噴油的速率。美國、日本、德國、意大利等國已大批量

8、生產(chǎn)共軌式電噴系統(tǒng)，它將代表未來柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的主流。德國奔馳C200轎車，采用共軌式電控噴射系統(tǒng)，其功率、轉(zhuǎn)矩及排放等各項(xiàng)指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先水平。微機(jī)控制柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)見圖1。  渦輪增壓中冷技術(shù) 柴油機(jī)采用廢氣渦輪增壓技術(shù)后，燃料能夠完全燃燒,可降低CO和HC的生成量。但因進(jìn)氣溫度升高,使NOx的排放量有所增加,若采用增壓并附帶中間冷卻器可同時降低HC、CO、NOx的排放量。采用渦輪增壓中冷技術(shù)還可提高柴油機(jī)的功率,一臺裝有渦輪增壓器的柴油機(jī)功率輸出比未裝增壓器可增加20%30%，而采用增壓中冷技術(shù)甚至可增加50%的功率。新型渦輪增壓器的使用,意味

9、著可以用小排量的發(fā)動機(jī)替代大排量發(fā)動機(jī),減輕發(fā)動機(jī)和整車質(zhì)量,提高經(jīng)濟(jì)性和排放性。采用多氣門技術(shù) 多氣門可增大柴油機(jī)的進(jìn)氣量,使柴油的燃燒更徹底,排氣更快、更徹底,從而提高了柴油機(jī)的輸出功率。 廢氣再循環(huán)技術(shù) 它是在保證發(fā)動機(jī)動力性能不降低的前提下，根據(jù)發(fā)動機(jī)的溫度及負(fù)荷大小,適量地將一部分廢氣引入進(jìn)氣管，再送入汽缸,使燃燒反應(yīng)速度減慢，降低燃燒的最高溫度，從而降低NOx的排放量。尤其是中冷EGR技術(shù)，不僅降低NOx的排放，而且還能保持其污染排放物的低排放水平。 新型的柴油機(jī)清污系統(tǒng) 柴油機(jī)電子控制技術(shù)在國外應(yīng)用率已達(dá)到60%90%。20世紀(jì)8

10、0年代開始投放市場,德國博世公司、美國通用公司的底特律柴油機(jī)公司、日本Zexel等公司都有自己的產(chǎn)品投放市場。目前各大公司競相開發(fā)新產(chǎn)品以滿足排放法規(guī)和市場的要求。電控柴油機(jī)技術(shù)，其技術(shù)的發(fā)展動力來源于改善柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，最大的推動力來源于國際上日益嚴(yán)格的排放法規(guī)。標(biāo)致公司新近開發(fā)出了一種新型的柴油機(jī)清污系統(tǒng)，將于近年揭開其旗艦車的面紗，屆時該車裝備的數(shù)種發(fā)動機(jī)中，有一種2.2L的HDI柴油發(fā)動機(jī)上將裝有獨(dú)特的炭煙過濾系統(tǒng)。標(biāo)致-雪鐵龍公司稱該項(xiàng)技術(shù)在HDI發(fā)動機(jī)上開發(fā)的新系統(tǒng)能有效地克服微粒排放這一難題。該系統(tǒng)能使HDI發(fā)動機(jī)廢氣中的二氧化碳減少20%、一氧化碳減少40%、碳?xì)浠衔餃p少50

11、%，而微粒則能減少60%。被稱之自柴油機(jī)問世以來最大的一項(xiàng)革新。據(jù)悉微粒過濾系統(tǒng)已通過法、德兩國環(huán)境部門的批準(zhǔn)，從而使該項(xiàng)技術(shù)引起了歐洲的注目。長久以來，過濾被認(rèn)為是解決柴油機(jī)廢氣的途徑之一。新型過濾器能使HDI發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)及傳感器探測顆粒物積累狀況，并適時地自動觸發(fā)開關(guān)將顆粒燒盡。這種過濾裝置在未來5年中，如果得到市場認(rèn)可，它將被推廣到所有的標(biāo)致、雪鐵龍柴油車及輕型商用車上。微粒過濾器對汽車原有性能沒有任何影響。HDI發(fā)動機(jī)工作時油耗可能會上升5%，但性能與同類發(fā)動機(jī)相比卻提高了15%。這說明總體上車主們還是劃算的。目前柴油車在歐洲的銷量每年增長約1%，如果隨著技術(shù)進(jìn)步，柴油車越來

12、越被廣大消費(fèi)者接受的話，它的銷量增長會達(dá)2%3%，而微粒過濾系統(tǒng)能加速這一進(jìn)程。據(jù)統(tǒng)計(jì)柴油車目前約占?xì)W洲小客車數(shù)量的25%。PSA微粒過濾系統(tǒng)將被首次裝在新款標(biāo)致車上，用以更新已銷售疲軟的標(biāo)致605系列。裝有該過濾系統(tǒng)的型號為DWl2TED4的2.2L發(fā)動機(jī)，輸出功率可達(dá)110.4kW，扭矩可達(dá)315N·m，比目前使用的2.5L柴油機(jī)的性能還好。 3.共軌式電噴的新技術(shù)是現(xiàn)代車用柴油機(jī)發(fā)展的必然趨勢 隨著世界各國城市交通運(yùn)輸車輛、船舶的急劇增加，柴油機(jī)排放的尾氣已經(jīng)成為對地球環(huán)境的主要污染源。世界各國業(yè)已開始尋找和采取有效的技術(shù)措施主動地減少和控制污染物的排放。柴

13、油機(jī)共軌式電控燃油噴射技術(shù)是一項(xiàng)較為成功的控制污染排放的新技術(shù)。共軌式電控燃油噴射技術(shù)通過共軌直接或間接地形成恒定的高壓燃油，分送到每個噴油器，并借助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關(guān)閥的開啟與閉合，定時、定量地控制噴油器噴射至柴油機(jī)燃燒室的油量，從而保證柴油機(jī)達(dá)到最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的點(diǎn)火時間、足夠的點(diǎn)火能量和最少的污染排放?，F(xiàn)在該項(xiàng)新技術(shù)已開始在國外以柴油機(jī)提供動力的汽車上投入使用。這是世界汽車工業(yè)為滿足日益嚴(yán)格的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的必然趨勢。 柴油機(jī)共軌式電控燃油噴射技術(shù)是一種全新的技術(shù)，因?yàn)樗闪擞?jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感檢測技術(shù)以及先進(jìn)的噴油結(jié)構(gòu)于一身。該技術(shù)的主要

14、特點(diǎn)是：采用先進(jìn)的電子控制裝置及配有高速電磁開關(guān)閥；采用共軌方式供油；高速電磁開關(guān)閥頻響高，控制靈活；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)移植方便，適應(yīng)范圍寬。這一技術(shù)的研究與開發(fā)熱點(diǎn)在于：解決高壓共軌系統(tǒng)的恒高壓密封問題；解決高壓共軌系統(tǒng)中，共軌壓力的微小波動所造成的噴油量不均勻問題；解決高壓共軌系統(tǒng)的多MAP(三維控制數(shù)據(jù)表)優(yōu)化問題；以及解決結(jié)構(gòu)、頻響電磁開關(guān)閥設(shè)計(jì)與制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題。共軌式燃油噴射技術(shù)有助于減少柴油機(jī)的尾氣排放量，以及改善噪聲、燃油消耗等方面的綜合性能；它在有利于地球環(huán)境保護(hù)的同時，也必將促進(jìn)柴油機(jī)工業(yè)、汽車工業(yè)及與之相關(guān)工業(yè)的發(fā)展。 共軌技術(shù)是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成

15、的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過對公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，因此也就減少了傳統(tǒng)柴油機(jī)的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量，噴油量大小取決于燃油軌（公共供油管）壓力和電磁閥開啟時間的長短。共軌式電控燃油噴射技術(shù)通過共軌直接或間接地形成恒定的高壓燃油，分送到每個噴油器，并借助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關(guān)閥的開啟與閉合，定時、定量地控制噴油器噴射至柴油機(jī)燃燒室的油量，從而保證柴油機(jī)達(dá)到最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的點(diǎn)火時間、

16、足夠的點(diǎn)火能量和最少的污染排放。共軌式噴油裝置屬近年研制成功并被認(rèn)為是最理想的一種高壓噴油裝置。在一條共用軌道上分別產(chǎn)生壓力和噴射。噴射壓力可高達(dá)16O MPa。其壓力存儲器和分配器條軌經(jīng)導(dǎo)管通往嘴部。利用控制器上一次脈沖把噴射信號導(dǎo)入電磁閥而引發(fā)一次噴射。通過噴嘴存儲壓力和開啟持續(xù)時間來調(diào)節(jié)油量。目前，該裝置在歐洲各類汽車柴油機(jī)上得到了大量采用，且專家認(rèn)為這是一種能夠滿足未來歐、歐V最有改進(jìn)潛力的噴油裝置。同時,減小噴孔直徑，增加孔數(shù)減小噴孔直徑，增加孔數(shù)，可以改善燃油的霧化和分布均勻性，減少著火滯后，降低NO及顆粒排放。 近年來剛剛商品化的共軌式燃油噴射系統(tǒng)能提供很高的噴油壓力，

17、而且不會出現(xiàn)不可控制的異常噴射，還能有效降低噪聲和氮氧化物排放量。共軌式高壓噴油系統(tǒng)的應(yīng)用是柴油機(jī)技術(shù)的一次革命?，F(xiàn)在該項(xiàng)新技術(shù)已開始在國外以柴油機(jī)提供動力的汽車上投入使用。這是世界汽車工業(yè)為滿足日益嚴(yán)格的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的必然趨勢。 笨重、噪音大、噴黑煙，令人對柴油機(jī)的直觀印象不佳，加上柴油機(jī)的構(gòu)造比較復(fù)雜，不少人對柴油機(jī)缺乏了解，尤其對現(xiàn)代先進(jìn)的柴油機(jī)缺乏了解，因此柴油機(jī)汽車在一些城市成了“被限制的對象”，受到種種歧視。其實(shí)經(jīng)過多年的研究和新技術(shù)應(yīng)用，現(xiàn)代柴油機(jī)的現(xiàn)狀已與往日不可同喻,柴油機(jī)轎車在歐洲比較普遍, 奔馳、大眾、寶馬、雷諾、沃爾沃等歐洲名牌車都有采用柴油發(fā)動機(jī)的

18、車型。經(jīng)過多年的研究和應(yīng)用，現(xiàn)代先進(jìn)的汽車柴油機(jī)一般采用電控噴射、共軌、渦輪增壓中冷等技術(shù)手段，在重量、噪音、煙度等方面已取得重大突破，達(dá)到了汽油機(jī)的水平。 在電控噴射方面柴油機(jī)與汽油機(jī)的主要差別是，汽油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)只是控制空燃比（汽油與空氣的比例），柴油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)則是通過控制噴油時間來調(diào)節(jié)輸出的大小，而柴油機(jī)噴油控制是由發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速踏板位置（油門拉桿位置）來決定的。因此，基本工作原理是計(jì)算機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器和油門位置傳感器的輸入信號，首先計(jì)算出基本噴油量，然后根據(jù)水溫、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力等傳感器的信號進(jìn)行修正，再與來自控制套位置傳感器的信號進(jìn)行反饋修正，確定最佳噴油量的。 電控柴