柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展

1、柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展 摘 要 利用先進(jìn)的電子技術(shù)、高頻高速電磁閥技術(shù)，能夠自由控制噴油量、噴油 壓力、噴油正時和噴油（速）率的柴油機(jī)電控噴射技術(shù)，目前正迅速推廣和普及。 我國威孚公司和德國Bosch公司的技術(shù)合作，將使我國柴油機(jī)設(shè)計、制造和技 術(shù)使用進(jìn)入一個新的歷史時期。本文利用簡短的文字和資料描述了柴油機(jī)燃油 噴射技術(shù)的發(fā)展過程及其技術(shù)內(nèi)涵。關(guān)鍵詞 電子技術(shù)自由控制 柴油機(jī) 燃油 發(fā)射20世紀(jì)，柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展史上經(jīng)歷了三次重大的飛躍:機(jī)械式燃油系統(tǒng)、 中冷增壓和電控噴射。20世紀(jì)60年代后期，瑞士的Hiber教授研制了柴油機(jī) 電控共軌系統(tǒng)的“原型”，其后以瑞士工業(yè) 大學(xué)的Ganser

2、教授為中心對電控共 軌系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究。從20世紀(jì)70年代開始，鑒于柴油機(jī)有害氣體排 放嚴(yán)重污染自然環(huán)境、石油資源的有限開采和利用，人們主動而有效地利用電子 技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和控制理論推動柴油機(jī)燃油噴射技術(shù)的發(fā)展。1995 年末，日本電裝公司將ECD- U2型電控共軌系統(tǒng)成功的應(yīng)用于載重汽車用柴油機(jī) 上并批量生產(chǎn)，“從此開始了柴油機(jī)電控共軌燃油系統(tǒng)的新時代”，隨后，德 國的Bosch公司、美國的Cummiese公司、瑞典的Volvo公司、意大利的Fiat 公司和日本五十鈴公司等相繼將自行開發(fā)的分別用于轎車、載重汽車和工程機(jī)械 的電控共軌系統(tǒng)柴油機(jī)投放市場。目前，柴油機(jī)電控噴射技

3、術(shù)正迅速推廣和普 及，其技術(shù)水平也日趨成熟，總的發(fā)展趨勢是由位置控制向時間控制過渡、由 模擬控制向數(shù)字控制過渡。1問題的由來1.1柴油機(jī)的負(fù)面效應(yīng) 眾所周知，柴油機(jī)因其壓縮比大，故動力性和燃料使用 經(jīng)濟(jì)好、且故障少、功率范圍寬。但同時帶來振動噪聲大和氮氧化物（Nox）、顆 粒排放（主要成分是碳煙）污染環(huán)境的缺點。1.2能源危機(jī)1973年和1979年兩次波及全世界的石油危機(jī)，使人們意識到石 油資源的有限性和可利用的時間短的問題。另據(jù)資料表明（見圖1），(折/鏈想llfflL耕垣舊圖1全世界石油生產(chǎn)量預(yù)測2013年世界石油最高產(chǎn)量為320億桶/年，2050年將急劇衰減到60億桶/年，與 快速增加的

4、柴油機(jī) 年保有量形成明顯的巨大的反差。1.3城市空氣質(zhì)量下降隨著人們生活水平的提高，希望人居城市的生活環(huán)境有 所改善。但與此相反，城市空氣質(zhì)量普遍下降并有惡化的趨勢。究其原因，主 要是發(fā)動機(jī)廢氣有害成分的大量排放（約占50%）。由上述可見，當(dāng)今柴油機(jī)技 術(shù)中迫切需要解決的問題是:減少其廢氣中的有害成分;減少柴油消耗。2解決問題的技術(shù)措施2.1實行嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)在保持柴油機(jī)原有優(yōu)點的基礎(chǔ)上，降低其燃料消 耗并減少柴油機(jī)廢氣中有害成分對自然環(huán)境的污染，可以采用行政法規(guī)及法律手 段來解決。目前工 業(yè)發(fā)達(dá)國家在實行US98、歐（EUTO）III排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上， 逐步推廣實施歐IV和歐V排放標(biāo)準(zhǔn)（

5、見表1）。表1 ESC和ELR循環(huán)排放限值實施階段實施時間CO g/kWhTHC g/kWhNOx g/kWhPT g/kWhSmukeA(歐 UD20001 1CL121016650QI 01 13*Q8E1(歐 W2005l 1CL1LS0146350102Q5歐 V)200& 1CI1LSCL 46200102Q5C (EEV)LS01252001020115etc謚驗循環(huán)排放限值實施階段實施時間CO g/klVhNMHC g/kIVhCH. g/kWhNOk g/kWhPT g/kWh恩歐HD20001 101 15i450178L650CL16 Cl 21*El(歐 W2005l 1

6、01 1400155LI35a 02如（歐V）200a 101 1400155LI20a 02C (EEV)30CL 40CL 65m cnErgir?多 com注:表中*為單缸排量小于0.75L和額定功率轉(zhuǎn)速大于3000r/min的柴油機(jī)；ESC新穩(wěn)態(tài)工況（歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)）；ELR歐洲負(fù)荷響應(yīng)循環(huán);ETC歐洲瞬 態(tài)循環(huán)。2.2改善柴油機(jī)的燃燒過程鑒于柴油機(jī)技術(shù)中的主要問題是柴油與空氣組成 的可燃混合氣的正常燃燒，因此降低柴油機(jī)燃料消耗和減少柴油機(jī)廢氣中的有害 氣體排放，必須圍繞改進(jìn)柴油機(jī)可燃混合氣形成與燃燒過程而進(jìn)行。圖2為此 作出了簡要說明。目前最先進(jìn)的技術(shù)措施是在柴油機(jī)采用電控共軌式噴油系

7、統(tǒng)。 除此以外，還有賴于柴油機(jī)廢氣排放系統(tǒng)中采取廢氣再循環(huán)裝置（EGR）、N ox催化劑（DeNox）、顆粒濾清器等技術(shù)措施予以配合。進(jìn)排氣道最佳化con.控匍質(zhì)油壓力控常唾油率燃嘵室內(nèi)空氣 流動最彳圭減少唬魴散進(jìn)氣葬大化縮短者火霆退降f氐然嘵促進(jìn)燃油與空氣混合小直徑噴油孔內(nèi)凹型燃盅室催化劑（DeNox）、顆粒濾清器等技術(shù)措施予以配合。進(jìn)排氣道最佳化con.控匍質(zhì)油壓力控常唾油率燃嘵室內(nèi)空氣 流動最彳圭減少唬魴散進(jìn)氣葬大化縮短者火霆退降f氐然嘵促進(jìn)燃油與空氣混合小直徑噴油孔內(nèi)凹型燃盅室渦流匕匕最佳化引導(dǎo)噴射定時/退妻哄油嘴q氣門結(jié)構(gòu)圖2改善柴油機(jī)燃燒過程的技術(shù)措施3電控共軌式燃油噴射系統(tǒng)3.1

8、柴油機(jī)電控噴油技術(shù)的發(fā)展過程柴油機(jī)由機(jī)械操縱向電子技術(shù)控制方向的 發(fā)展，經(jīng)歷了采用模擬電路控制噴油、計算機(jī)控制噴油、噴油定時的電子控制、 綜合電子控制系統(tǒng)和電控共軌式燃油系統(tǒng)等6個步驟，前5項可視為過渡 階段， 最終發(fā)展為現(xiàn)階段的適用范圍廣泛的電控共軌系統(tǒng)。換言之，柴油機(jī)從利用電子 技術(shù)控制燃油噴射角度，技術(shù)進(jìn)步經(jīng)歷了 3個階段:第一，凸輪壓油+位置控制; 第二凸輪壓油+電磁閥時間控制；第三，凸輪壓油+共軌蓄壓+電磁閥時間-壓力 控制。a）位置控制系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)的機(jī)械式泵、噴油及供油調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型 式（如噴油泵、高壓油管、噴油器、供油拉桿或齒條、帶螺旋槽的柱塞等），只 是用以單片機(jī)為核心的控

9、制器ECU（Electrontic Con trol Unit）指令執(zhí)行器 電動機(jī)（調(diào)速器）代替機(jī)械離心式調(diào)速器。b）時間控制系統(tǒng)既可以保留傳統(tǒng) 的機(jī)械式泵、噴油結(jié)構(gòu)型式，也可以用新型的高壓（130200Mpa）供油泵，但以 高速電磁閥直接控制高壓柴油噴射。c）電控共軌系統(tǒng)是迄今為止柴油機(jī)電控噴 油技術(shù)中，結(jié)構(gòu)最完善、性能最先進(jìn)、技術(shù)難度最大的電控噴油系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成在柴油機(jī)的總體布置分別如圖3、圖4所示。壓方傳感器1技油泵圖4電控共軌系統(tǒng)在柴油機(jī)上的布置濾清器圖3電控共軌系統(tǒng)燃油系統(tǒng)組成空氣質(zhì)量腕量計電控共軌系統(tǒng)利用各種相關(guān)傳感器采集并輸送柴油機(jī)運行狀態(tài)參數(shù)給控制器 （ECU），ECU根據(jù)目

10、標(biāo)（設(shè)定）值計算出噴油量、噴油壓力、噴油正時和噴油（速） 率，隨后發(fā)出指令給執(zhí)行器，驅(qū)動其動作，讓柴油機(jī)處于最佳（接近理想一一符 合實際運行條件的）狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。其整個控制過程，如方框圖5所 示。圖5電控共軌系統(tǒng)的控制框圖采用電控共軌系統(tǒng)的柴油機(jī)的突出優(yōu)點是，在理論分析、大量實驗的基礎(chǔ)上，綜 合柴油機(jī)實際運行狀況，能夠自由控制噴油量、噴油壓力、噴射正時、噴油（速） 率和多次噴射（預(yù)噴射、主噴射和后噴射），不僅實現(xiàn)了節(jié)省燃料、減少廢氣有 害成分的排放目標(biāo)，并且給柴油機(jī)帶來了技術(shù)性能的全面提高。據(jù)資料介紹，“我國威孚公司和德國Bosch公司合作，在無錫建設(shè)專門生產(chǎn)電控燃油系統(tǒng)的工 廠。這是一項前瞻性的戰(zhàn)略合作，數(shù)年之后配裝電控燃油系統(tǒng)的柴油機(jī)將會由我 國柴油機(jī)源源不斷地 流向市場、走向世界”。主要參考資料：1、徐家龍.柴油 機(jī)電控噴油技術(shù).人民交通出版社.2004年2、