共軌式電控柴油機燃油噴射控制的分析

趙文珅++孫燕

文章編號：1000033X（2016）12011503

收稿日期：20160701

摘要：為了使柴油機的尾氣排放達到歐洲Ⅲ號排放標準，高壓共軌式電控燃油系統(tǒng)是目前最好的選擇。通過對共軌式電控柴油機燃油噴射控制系統(tǒng)的噴油數(shù)量、噴油時刻、噴油壓力和噴油速率等進行詳細的分析，使發(fā)動機的操作者能夠掌握其優(yōu)點、特點，以便更加有效地運用柴油機；同時為電控柴油機的使用和檢修提供一定的參考。

關鍵詞：電控柴油機；排放；共軌燃油系統(tǒng)；噴射控制

中圖分類號：U414.03文獻標志碼：B

Analysis on Fuel Injection Control of Electronically Controlled Common Rail Diesel Engine

ZHAO Wenshen， SUN Yan

（School of Mechanical Engineering， Yunnan Jiaotong College， Kunming 650500， Yunnan， China）

Abstract： High pressure common rail fuel system might be the best choice currently for manufacturers to make sure their diesel engines meet the EU Stage III emission standards. A detailed analysis of fuel injection control system of common rail diesel engine was conducted in aspects of injection amount， injection moment， injection pressure and the injection rate， which shows the advantages and characteristics of the electronically controlled common rail diesel engine to operators and enables them to work more effectively. Reference to the usage and maintenance of diesel engine is also provided.

Key words： electronically controlled diesel engine； emission； common rail fuel system； injection control

0引言

高壓共軌燃油系統(tǒng)是目前世界上最先進的燃油系統(tǒng)之一，其優(yōu)點是高壓噴射，最高壓力可達210 MPa。高壓燃油的產(chǎn)生和噴射過程完全獨立，由高壓燃油泵提高燃油壓力且儲存在共軌里，再由電控單元（ECM）控制燃油的噴射；燃油噴射的計量和時刻準確度高，以發(fā)動機轉速傳感器為主要信號計量燃油噴射量，以發(fā)動機凸輪軸位置傳感器為主要信號確定燃油的供油時刻；發(fā)動機尾氣排放較好，采用選擇性催化還原技術（SCR），降低NOx的生成量，采用微粒捕集器技術（DPF）有效地減少顆粒物的排放，降低柴油機的排放污染；渦輪增壓技術實現(xiàn)電子控制，采用連續(xù)反饋技術控制可變噴嘴式渦輪增壓器，確保柴油機在最高標定扭矩點附近增壓器增壓的壓力不致于過高，從而防止負荷過高導致的功率下降以及渦輪增壓器因為超速而損壞；可以通過改變電控系統(tǒng)的控制程序（即對ECM重新進行標定），從而擴大電控柴油機的應用范圍，使之適應性更加廣泛[12]。

高壓共軌柴油機燃油噴射系統(tǒng)在工作時，ECM根據(jù)發(fā)動機當前的工況（即各類傳感器的壓力、溫度、轉速和位置等輸入信號）以及發(fā)動機的輸出功率，在每個工作循環(huán)中，把經(jīng)過計量的燃油按照精確的噴油時間，以相應的噴射壓力噴入發(fā)動機燃燒室內(nèi)，確保燃油能夠有效地燃燒[35]。由此看來，控制好燃油噴射的過程十分重要，其主要內(nèi)容包括噴油數(shù)量、噴油時刻、噴油壓力和噴油速率的控制，下面就對這4個方面進行詳細分析。

1噴油數(shù)量的控制

ECM根據(jù)發(fā)動機上的各類傳感器（發(fā)動機轉速傳感器、發(fā)動機冷卻液溫度傳感器、進氣壓力/溫度傳感器、共軌壓力傳感器以及大氣壓力傳感器等）的輸入信號以及操作者開關信號的指令，經(jīng)過內(nèi)部標定的程序進行計算、比較和分析，迅速確定每一循環(huán)的實際噴油量；然后ECM輸出信號給噴油器，控制噴油器電磁閥通電時間，從而準確控制噴油量[610]。

（1）基本噴油量控制。發(fā)動機在不同工況下輸出的轉矩不同，燃油噴射量就不同?；緡娪土渴怯砂l(fā)動機轉速傳感器、發(fā)動機負荷信號和油門踏板的位置傳感器決定的。保持發(fā)動機轉速，加大油門踏板的開度，可增加基本噴油量。

（2）起動噴油量控制。發(fā)動機的起動補償噴油量由發(fā)動機缸體溫度（即冷卻液溫度）傳感器和進氣溫度傳感器決定，發(fā)動機起動時，起動噴油量由以上兩部分共同決定。

（3）怠速噴油量控制。怠速油量是指使發(fā)動機在怠速工況下維持平衡穩(wěn)定運轉所需油量。如發(fā)動機在低溫怠速工作時，潤滑油粘度大，發(fā)動機摩擦阻力大，怠速可能不穩(wěn)；若提高發(fā)動機怠速轉速，發(fā)動機噪聲會變大，燃油消耗率也增加。ECM會執(zhí)行怠速轉速自動調(diào)節(jié)功能，維持理想怠速轉速所需要的噴油量。ECM將發(fā)動機的實際轉速和理想怠速轉速進行比較，確定兩者差值，求得必需的噴油量，實現(xiàn)反饋控制。

（4）巡航控制噴油量。巡航控制是為了減少駕駛員的疲勞，不需要操縱油門踏板而維持恒速行駛的控制過程。當使用巡航控制時，操縱者接通“巡航控制”開關，巡航控制速度特性開始工作，ECM根據(jù)車輛速度傳感器信號和外界負荷的變化情況自動調(diào)整噴油量，使車輛保持恒速行駛。

（5）空調(diào)運轉噴油量控制。當操作人員打開空調(diào)開關后，ECM根據(jù)輸入信號提高發(fā)動機怠速轉速，然后通過執(zhí)行器輸出信號使空調(diào)壓縮機工作。由于負荷增加，ECM隨之增加噴油量，以適應負荷增大的供油需求，同時ECM還可根據(jù)發(fā)動機工況的變化適時控制空調(diào)壓縮機的工作。當ECM感知節(jié)氣門全開時，將切斷空調(diào)繼電器接地電路，使空調(diào)停止運轉，以減小負荷，減少噴油量，直到節(jié)氣門全開時間超過15 s；如果發(fā)動機水溫超過125 ℃，ECM將斷開空調(diào)繼電器。

（6）不均勻油量補償控制。發(fā)動機工作時，由于噴油量不均勻引起各缸爆發(fā)壓力不同，以及燃燒差異引起各缸活塞上下運動轉速不均勻等，都會導致發(fā)動機振動。為了使轉速保持平衡，必須調(diào)節(jié)各缸供油量，進行不均勻油量補償。ECM通過檢測各缸每次作功行程時的轉速波動，再與各缸平均轉速相比較，分別向各缸補償相應的噴油量。

2噴油時刻控制

噴油時刻準確與否對柴油發(fā)動機的性能和排放有顯著的影響，尤其是氮氧化合物NOx的排放。如果噴油時刻提前，柴油將會提前燃燒，燃燒過程的速燃期壓力升高率較大，使得柴油機工作噪聲高，壽命縮短；噴油時刻如果滯后，柴油燃燒也滯后并且燃燒過程的補燃期延長，由于柴油燃燒不完全，導致碳氫化合物與碳煙增加，發(fā)動機整機過熱，功率下降。

在高壓共軌系統(tǒng)中，噴油時刻的控制是以發(fā)動機凸輪軸位置傳感器信號為主要信號，以發(fā)動機的負荷和冷卻液溫度傳感器、進氣溫度和壓力傳感器、燃油溫度和壓力傳感器等信號為輔助信號。具體控制方法是：ECM通過內(nèi)部的標定程序，根據(jù)發(fā)動機凸輪軸位置傳感器信號提供基本的噴油時刻，以及發(fā)動機的負荷、其他溫度和壓力傳感器等信號，對基本噴油時刻進行修正，最后確定最佳噴油時刻。因此共軌式電控柴油機利用電控單元ECM能夠精確地控制噴油時刻，確保柴油機的各項性能得到最佳發(fā)揮。

3噴油壓力控制

噴油壓力越高，高壓柴油的射程和錐角越大，噴霧越細微，柴油燃燒越完全，發(fā)動機的性能將進一步優(yōu)化。較高的噴射壓力還可有效提高燃油和空氣的混合質量，從而降低不完全燃燒導致的煙度和可吸入顆粒物的排放量；明顯縮短著火落后區(qū)，使柴油機工作更加柔和，減少燃燒噪聲。高壓共軌柴油機的噴射壓力最大可達210 MPa，因此大負荷時柴油機的煙度也大幅度降低。

在高壓共軌燃油系統(tǒng)中，電控單元ECM通過內(nèi)部的標定程序，根據(jù)安裝在高壓燃油共軌內(nèi)部的燃油壓力傳感器信號，確定每一循環(huán)氣缸的實際噴油壓力，并將其與理想噴油壓力值進行比較，隨后ECM即刻輸出指令，命令電子燃油執(zhí)行器控制高壓油泵升高或降低燃油壓力，實行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)最佳噴油壓力的控制。

歐洲Ⅲ號排放標準的高壓共軌柴油機噴射壓力可以達130 MPa以上，歐洲Ⅳ號排放標準的柴油機可以達到200 MPa以上。噴油壓力的控制可以增加燃油噴射的初速度，優(yōu)化柴油的霧化質量，從而提高燃燒效率，有效改善柴油機的排放性能。

4噴油速率控制

噴油規(guī)律是影響柴油機動力性、經(jīng)濟性和污染排放的主要因素。

分析柴油燃燒過程發(fā)現(xiàn)，正確的噴油規(guī)律是在柴油噴射的初期，盡量使噴油速度緩慢，速率不能太高，目的是減少緩燃期內(nèi)的可燃混合氣體量，降低速燃期的燃燒速度，從而有效控制壓力過大和燃燒的最高溫度，抑制氮氧化合物生成并降低燃燒的噪聲。

在高壓共軌燃油系統(tǒng)中，柴油機的噴油速率得到優(yōu)化，實現(xiàn)了循環(huán)多次噴射，使氮氧化合物NOx和煙度顆粒物PM值的排放污染大大降低。ECM通過內(nèi)部的標定程序，能夠在不同的負荷工況下，實現(xiàn)預噴射、中期主噴射和后期噴射等多次噴射，使噴油噴射規(guī)律更加優(yōu)化，燃油燃燒更加完全，從而提高發(fā)動機性能。

（1）預噴射是實現(xiàn)初期緩慢燃燒的最佳方法。在ECM的控制下，柴油機每一循環(huán)工作燃油的噴油量是計量過的，預噴射燃油量雖然相對較少，但是減少了主噴射的燃油量，同時預噴射燃燒形成的活化化合物對主噴射燃油的燃燒產(chǎn)生了很大的促進作用[11]。這樣不但減少了主噴射的燃油量，還縮短了整個燃燒過程的著火延遲期，使氣缸內(nèi)的最高溫度和壓力升高率都明顯下降。

（2）中期主噴射的燃油通常采用高壓力和高速率的噴射方法，可以加快燃燒速度，防止生成微顆粒和降低過高的熱效率，因此使主噴射發(fā)生在中期可加快可燃混合氣的擴散燃燒速度。

（3）后期的燃油噴射要求迅速果斷地結束噴油，這樣可以防止在較低的噴油壓力和噴油速率下燃油霧化的質量變差，導致燃油燃燒不完全使碳氫化合物和微顆粒物排放污染增加。

另外，為了確保燃油能夠完全有效地燃燒，還必須進行增壓進氣的控制。ECM根據(jù)柴油機轉速信號、負荷信號以及增壓壓力信號等，通過控制廢氣旁通閥的開度、廢氣噴射器的噴射角度以及增壓器渦輪廢氣進口截面大小等，實現(xiàn)對廢氣渦輪增壓器工作狀況和增壓壓力的控制，以滿足柴油機在不同工況下對進氣量的要求，改善柴油機的燃燒狀況，提高柴油機的扭矩特性、加速性能，降低排放和噪聲。

5結語

高壓共軌燃油噴射技術實現(xiàn)了高壓燃油的產(chǎn)生與高壓燃油的噴射完全獨立，從而優(yōu)化了柴油機的整機性能，有效地減少了排放污染，在改善直噴式柴油機的燃燒方面具有獨特的優(yōu)勢。同時該系統(tǒng)的另外一個優(yōu)點是柴油機在全工況范圍內(nèi)實現(xiàn)高壓噴射而不受柴油機轉速與負荷的限制，因此該技術被認為是柴油機領域的一個重大突破。同時共軌電控柴油機燃油噴射控制的精確度直接影響發(fā)動機的性能（動力性、經(jīng)濟性和排放），也是判斷電控柴油機質量好壞的標準。隨著中國發(fā)動機排放法規(guī)的日益嚴格，希望國產(chǎn)電控柴油機及燃油噴射系統(tǒng)技術的發(fā)展能夠呈現(xiàn)出蓬勃向上的美好前景，追趕上美國、歐洲和日本等先進國家。

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[責任編輯：杜敏浩]