柴油机电子控制系统的发展.docx

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1、柴油机电子控制系统的发展1 前言32 电子操纵柴油机概述42.1 何谓电喷柴油机42.2 柴油机电子操纵技术的进展状况52.3 柴油机电子操纵技术的目的及优点62.3.1 柴油机电子操纵技术的目的62.3.2 柴油机电子操纵技术的优点62.4 柴油机电控技术的特点72.4.1 柴油机是一种热效率比较高的动力机械72.4.2 柴油机的喷射系统形式多样72.5 电控柴油喷射系统分类72.5.1 位置操纵系统82.5.2 时间操纵方式9253时间一压力操纵方式92.5.4 压力操纵方式103 电子操纵柴油机技术介绍103.5 单体泵技术113.1.1 单体泵操纵油路123.1.2 单体泵系统的另一个

2、优势123.2 泵喷嘴技术133.3 高压共轨技术154 柴油机电子操纵技术的进展趋势174.1 高的喷射压力174.2 独立的喷射压力操纵174.3 改善柴油机燃油经济性174.4 独立的燃油喷射正时操纵174.5 可变的预喷射操纵能力184.6 最小油量的操纵能力184.7 快速断油能力184.8 降低驱动扭矩冲击载荷185 结论196 参考文献20柴油机的进展水平一直是车辆进展水平的重要标志，随着国家对环保的重视与国际石油价格高涨，我国应对柴油机的进展引起足够重视。车用柴油机面临着日趋严格的排放法规与降低燃油消耗率等要求，使用电子操纵技术是使柴油机同时满足各类要求的有效手段,而电控单元是

3、整个操纵系统的核心，其中的硬件与操纵软件设计是否合理将对整个操纵系统产生决定性的影响。车用柴油机的结构比较复杂，特别是新兴的电子操纵技术，关于广大汽车驾驶与维修人员来说有着十分重要的意义。文章介绍了柴油机电子操纵技术的进展状况、操纵原理与应用特点及高压共轨技术的工作原理、研究方向、应用前景。关键词：柴油机电子操纵进展1前言随着汽车电子技术日趋完善，时至今日，汽车电子化已达到相当高的程度。柴油机进展越来越完善，以它的高效、功率范围宽广，已广泛应用于工业、农业、军用与民用等领域。随着柴油机数量的不断增多，也引起了人们对柴油机燃油经济性与排放性能的关注，特别是当今排放性能已经被提到首要位置。因此人们

4、也一直在不断地致力于完善柴油机的性能，以期得到好的排放性、经济性、动力性及低噪声，保持一个人类赖于生存的良好环境。影响柴油机排放性、经济性的因素很多，而且相当复杂。改善柴油机的排放性能、经济性能最要紧的手段是改善燃烧性能，这在实践中叶得到了证实。操纵燃烧性能的最要紧的方法有两种：一是合理组织燃烧室内的涡流；二是采取燃烧室内燃油高压喷射。另外,还能够通过操纵燃油喷射率以改善燃烧性能。由于燃油喷射率对NOX、黑烟、噪声的影响也很大。在低负荷时，降低平均喷射率能够降低NC)X的排放;而在高负荷时，相对提高平均喷射率则有助于减少黑烟。喷射初期的喷射率是决定预混合气量的重要因素之一，为了降低NOX与噪声

5、，喷射初期希望喷射率低一些。喷射中期，为了降低黑烟，则希望喷射率高一些，而喷射后期则希望尽量短，喷油提早角对柴油机的排放性与经济性影响也较大。而且影响结果有的时候是相互矛盾的。比如，喷油提早角增大，HC排放量减少，但又增加了NOX的排放量。因此，现代直喷式柴油机燃油喷射系统务必具备下列要求：a.具有高的喷射压力，且压力灵活可调；b.能够精确操纵喷油定时与喷油量；c.能够最优操纵燃油喷射率；d.断油干脆。而要同时达到以上要求，传统的依靠凸轮机构构成的喷油系统是无法达到的。因此务必使用电子操纵式柴油机喷油系统。2电子操纵柴油机概述2.1 何谓电喷柴油机使用电子操纵燃油喷射及排放的柴油机即为电喷柴油

6、机。电喷柴油喷射系统由信号输入装置（传感器）、电子操纵单元（ECU）与执行元件三大部分，如图2-1所示。图2-1柴油机电控系统的构成其任务是对喷油系统进行电子操纵，实现对喷油量与喷油定时随运行工况的实时操纵。使用转速、油门踏板位置、喷油时刻、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却水温度等传感器，将实时检测的参数同时输入计算机（ECU）,与已储存的设定参数值或者参数图谱（MAP图）进行比较,通过处理计算按照最佳值或者计算后的目标值把指令送到执行器。执行器根据ECU指令操纵喷油量（供油齿条位置或者电磁阀关闭持续时间）与喷油正时（正时操纵阀开闭或者电磁阀关闭始点），同时对废气再循环阀、预热塞等执行机构进

7、行操纵，使柴油机运行状态达到最佳I2.2 柴油机电子操纵技术的进展状况柴油机电子操纵技术始于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与最可靠的手段。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、操纵废气排放与噪声污染的要求也越来越高。依靠传统的机械操纵喷油系统已无法满足上述要求，也难以

8、实现喷油量、喷油压力与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进展，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操纵的要求，同时电子操纵燃油喷射很容易实现。实际上，柴油机排气中CO与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、汽缸内气体的流淌与燃烧室形状等均直接影响燃烧过程的进展与有害排放物的生成。提高喷油压力与柴油雾化效果、使用预喷射、分段喷射等能够有效的

9、改善排放。通过多年的研究与新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。现代先进的柴油机通常使用电控喷射、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操纵标准（如欧洲IV、V标准）的颁布与实施，不管是汽油机还是柴油机都面临着严峻的挑战，解决的办法之一是使用电子操纵燃油喷射的技术。现在，柴油机电子操纵技术在发达国家的应用率已达到60%以上。2.3 柴油机电子操纵技术的目的及优点2.3.1 柴油机电子操纵技术的目的优化动力性、改善燃油使用经济性、操纵排放，使柴油机从怠速至额定转速范围内均能获得最佳工作状况，防止可能发生的危险运行状况

10、，延长零件的使用寿命。2.3.2 柴油机电子操纵技术的优点（1）具有多功能的自动调节性能工程机械用柴油机的运转工况是多变的，而且对油耗、排放与可靠性等要求较高。自动操纵技术应用于柴油机的调节系统正好能够实现多功能的自动调节，从而保证柴油机动力性、燃料使用经济性、可靠性与操作方便性等性能充分发挥。（2）减轻质量、缩小尺寸、提高柴油机的紧凑性关于现代高速柴油机而言，由于驱动喷油泵的扭矩较大，要设计一个紧凑与可靠的供油提早自动调节器很复杂，而且在柴油机总体布置上也比较困难。使用自动操纵技术解决供油提早角自动调节问题，不仅能够容易地解决上述难题，而且提高了柴油机的紧凑性。（3）部件安装连接方便，提高了

11、维修性使用自动操纵系统，有关部件尺寸减小（特别是燃油供给系统），安装部位免受空间位置的约束，连接简便，有利于柴油机日常保护及修理。（4）扩展了故障诊断、联络等功能使用自动操纵系统，可方便地与微型计算机相连，很容易实现柴油机性能检测与故障诊断功能，柴油机运行及检测数据的存储与传递等问题也迎刃而解，便于科学管理与使用。（5）使柴油机的动力输出与负荷得到更精确的匹配随着工程机械制造技术高速进展，为了提高自行式工程机械的作业效能，使用了电喷柴油机，电控自动变速器等自动操纵装置,使自行式工程机械在作业时,能随着负荷的变化在一定范围内自动调整动力输出、动力传递，柴油机的动力输出与负荷得到更精确的匹配，充分

12、发挥工程机械作业效能。2.4 柴油机电控技术的特点柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元与执行器三部分构成。在电控喷射方面柴油机与汽油机的要紧差别是，汽油机的电控喷射系统只是操纵空燃比（汽油与空气的比例），柴油机的电控喷射系统则是通过操纵喷油时间来调节输出油量的大小，且柴油机喷油操纵是由发动机的转速与加速踏板位置（油门、供油拉杆位置）来决定的。柴油机电控技术有两个明显的特点：一是柴油喷射电控执行器复杂，二是柴油电控喷射系统的多样化。2.4.1 柴油机是一种热效率比较高的动力机械柴油机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点。其喷射压力高达200MPa,为汽油机喷

13、射压力的百倍以上。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子操纵，困难大得多。而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高，相关于柴油机活塞上止点的角度位置远比汽油机要求准确，这就导致了柴油喷射的电控执行器要复杂得多。2.4.2 柴油机的喷射系统形式多样传统的柴油机具有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不一致的系统。实施电控技术的执行机构比较复杂，形成了柴油喷射系统的多样化；同时柴油机需要对油量、定时、喷油压力等多参数进行综合操纵，其软件的难度也大于汽油机。2.5 电控柴油喷射系统分类最先出现的是电控喷油泵技术，而后又进展了电控泵喷嘴技术与高压共轨喷射技术，后两种技术是现在最要紧的柴油机电控喷射技术。

14、其中，电控泵喷嘴技术的喷油压力非常高，能够达到200MPa,同时泵与喷嘴装在一起，因此只需要很短的高压油引导部分，泵喷嘴系统也能够实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并使用了分段式预喷射，这是很符合柴油机的要求（大众公司的TD1发动机就是使用这种技术）。但电控泵喷嘴技术的喷油压力受柴油机转速影响，使用蓄压系统的高压共轨技术能够解决这个问题。它的喷油压力低于泵喷嘴系统，能达到160MPa251位置操纵系统第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置操纵系统，它用电子伺服机构代替机械调速器操纵供油滑套位置以实现供油量的调整。其特点是保留了传统的喷油泵一高压油管一喷油器系统，只是对齿条或者滑套的运动位置

15、由原先的机械调速器操纵改为计算机操纵，如图2-2所示。使操纵精度与响应速度得以提高。其优点是柴油机的结构几乎不需要改动，生产继承性好，便于对现有柴油机进行升级换代。缺点是“位置操纵”系统响应慢、操纵频率低、操纵自由度小、操纵精度还不够高，喷油压力也无法独立操纵。这类技术已进展到了能够同时操纵定时与预喷射的T1CS系统。图2-2第一代柴油机电控燃油喷射系统（常规压力电控喷油系统）2.5.1 时间操纵方式供油量的“位置操纵”特点是用模拟量来操纵执行元件工作，通过对喷油泵油量操纵机构的定位来得到所需的供油量。不论使用何种类型的电子调速器，总是需要由部分机械装置来完成对喷油泵供油量的调节，也会降低操纵精度与响应速度，因此继供油量“位置操纵之后出现了“时间操纵”O2.5.2 时间一压力操纵方式第二代柴油机电控燃油喷射系统中最典型的是电控共轨式燃油喷射系统。在电控共轨式燃油喷射系统中，对喷油量的操纵使用“时间一压力操纵”或者压力操纵”，用的最多的是“时间一压力操纵”方式，如图2-3所示。在该系统中，ECU通过设置传感器、电控单元、高速电磁阀与有关电/液操纵执行元件等，构成数字式高频调节系统，有电磁阀的通、断电时刻与通、断电时间操纵喷油泵的供油量与供油正时，如图2-4所示。高压供油泵燃油压力传感器2.5.3 图2-4电/液控柴油机电控燃油喷射系统2.5.4 压