論柴油機電控技術(shù)

肖慧

【摘? 要】本文介紹了柴油機電子控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢、柴油機電子控制技術(shù)的目的及優(yōu)點、柴油機電控技術(shù)的特點。

【關(guān)鍵詞】柴油機;電控技術(shù)

1.柴油機電子控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢

1.1柴油機電子控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

柴油機電子控制技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，20世紀(jì)80年代以來，英國盧卡斯公司、德國博世公司、奔馳汽車公司、美國通用的底特律柴油機公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五十鈴汽車公司及小松制作所等都競相開發(fā)新產(chǎn)品并投放市場，以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。

由于柴油機具備高扭矩、高壽命、低油耗、低排放等特點，柴油機成為解決汽車及工程機械能源問題最現(xiàn)實和最可靠的手段。因此柴油機的使用范圍越來越廣，數(shù)量越來越多。同時對柴油機的動力性能、經(jīng)濟性能、控制廢氣排放和噪聲污染的要求也越來越高。依靠傳統(tǒng)的機械控制噴油系統(tǒng)已無法滿足上述要求，也難以實現(xiàn)噴油量、噴油壓力和噴射正時完全按最佳工況運轉(zhuǎn)的要求。近年來，隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)及信息技術(shù)的迅速發(fā)展，使電子產(chǎn)品的可靠性、成本、體積等各方面都能滿足柴油機進行電子控制的要求，并且電子控制燃油噴射很容易實現(xiàn)。

實際上，柴油機排氣中CO和HC比汽油機少得多，NOx排放量與汽油機相近，只是排氣微粒較多，這與柴油機燃燒機理有關(guān)。柴油機是一種非均質(zhì)燃燒，可燃混合氣形成時間很短，而且可燃混合氣形成與燃燒過程交錯在一起。通過分析柴油機噴油規(guī)律得到：噴入燃料的霧化質(zhì)量、汽缸內(nèi)氣體的流動以及燃燒室形狀等均直接影響燃燒過程的進展以及有害排放物的生成。提高噴油壓力和柴油霧化效果、使用預(yù)噴射、分段噴射等可以有效的改善排放。

經(jīng)過多年的研究和新技術(shù)應(yīng)用，柴油機的現(xiàn)狀已與以往大不相同。現(xiàn)代先進的柴油機一般采用電控噴射、高壓共軌、渦輪增壓中冷等技術(shù)，在重量、噪音、煙度等方面已取得重大突破，達到了汽油機的水平。隨著國際上日益嚴(yán)格的排放控制標(biāo)準(zhǔn)（如歐洲Ⅳ、Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)）的頒布與實施，無論是汽油機還是柴油機都面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，解決的辦法之一是采用電子控制燃油噴射的技術(shù)?，F(xiàn)在，柴油機電子控制技術(shù)在發(fā)達國家的應(yīng)用率已達到60%以上。

1.2何謂電噴柴油機

采用電子控制燃油噴射及排放的柴油機即為電噴柴油機。電噴柴油噴射系統(tǒng)由傳感器、ECU（計算機）和執(zhí)行機構(gòu)三部分組成。其任務(wù)是對噴油系統(tǒng)進行電子控制，實現(xiàn)對噴油量以及噴油定時隨運行工況的實時控制。采用轉(zhuǎn)速、油門踏板位置、噴油時刻、進氣溫度、進氣壓力、燃油溫度、冷卻水溫度等傳感器，將實時檢測的參數(shù)同時輸入計算機（ECU），與已儲存的設(shè)定參數(shù)值或參數(shù)圖譜（MAP圖）進行比較，經(jīng)過處理計算按照最佳值或計算后的目標(biāo)值把指令送到執(zhí)行器。執(zhí)行器根據(jù)ECU指令控制噴油量（供油齒條位置或電磁閥關(guān)閉持續(xù)時間）和噴油正時（正時控制閥開閉或電磁閥關(guān)閉始點），同時對廢氣再循環(huán)閥、預(yù)熱塞等執(zhí)行機構(gòu)進行控制，使柴油機運行狀態(tài)達到最佳。

1.3柴油機電子控制技術(shù)的發(fā)展趨勢

（1）高的噴射壓力。為滿足排放法規(guī)的要求，柴油噴射壓力從10MPa提高到200MPa。如此高的噴射壓力可明顯改善柴油和空氣的混合質(zhì)量，縮短著火延遲期，使燃燒更迅速、更徹底，并且控制燃燒溫度，從而降低廢氣排放。

（2）獨立的噴射壓力控制。傳統(tǒng)柴油機的供油系統(tǒng)的噴射壓力與柴油機的轉(zhuǎn)速負(fù)荷有關(guān)。這種特性對于低轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷條件下的燃油經(jīng)濟性和排放不利。若供油系統(tǒng)具有不依賴轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的噴射壓力控制能力，就可選擇最合適的噴射壓力使噴射持續(xù)期、著火延遲期最佳，使柴油機在各種工況下的廢氣排放最低而經(jīng)濟性最優(yōu)。

（3）改善柴油機燃油經(jīng)濟性。 用戶對柴油機的燃油消耗率非常關(guān)注。高噴射壓力、獨立的噴射壓力控制、小噴孔、高平均噴油壓力等措施都能降低燃油消耗率，從而提高了柴油機的燃油使用經(jīng)濟性。

（4）獨立的燃油噴射正時控制。噴射正時直接影響到柴油機活塞上止點前噴入汽缸的油量，決定著汽缸的峰值爆發(fā)壓力和最高溫度。高的汽缸壓力和溫度可以改善燃油使用經(jīng)濟性，但導(dǎo)致NOX增加。而不依賴于轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的噴射正時控制能力，是在燃油消耗率和排放之間實現(xiàn)最佳平衡的關(guān)鍵措施。

（5）可變的預(yù)噴射控制能力。 預(yù)噴射可以降低顆粒排放，又不增加NOx排放，還可改善柴油機冷啟動性能、降低冷態(tài)工況下白煙的排放。但是預(yù)噴射量、預(yù)噴射與主噴射之間的時間間隔在不同工況下的要求是不一樣的。因此具有可變的預(yù)噴射控制能力對柴油機的性能和排放十分有利。

（6）最小油量的控制能力。供油系統(tǒng)具有高噴射壓力的能力與柴油機怠速所需要的小油量控制能力發(fā)生矛盾。當(dāng)供油系統(tǒng)具有預(yù)噴射能力后將會使控制小油量的能力進一步降低。由于工程機械用柴油機的工況很復(fù)雜，怠速工況經(jīng)常出現(xiàn)，而電噴柴油機容易實現(xiàn)最小油量控制。

（7）快速斷油能力。噴射結(jié)束時必須快速斷油，如果不能快速斷油，在低壓力下噴射的柴油就會因燃燒不充分而冒黑煙，增加HC排放。電噴柴油機噴油器上采用的高速電磁開關(guān)閥很容易實現(xiàn)快速斷油。

（8）降低驅(qū)動扭矩沖擊載荷。 燃油噴射系統(tǒng)在很高的壓力下工作，既增加了驅(qū)動系統(tǒng)所需要的平均扭矩，也加大了沖擊載荷。燃油噴射系統(tǒng)對驅(qū)動系統(tǒng)平穩(wěn)加載和卸載的能力，是一種衡量噴射系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。而電噴柴油機技術(shù)中的高壓共軌技術(shù)則大大降低了驅(qū)動扭矩沖擊載荷。

2.柴油機電子控制技術(shù)的目的及優(yōu)點

2.1目的

優(yōu)化動力性、改善燃油使用經(jīng)濟性、控制排放，使柴油機從怠速至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能獲得最佳工作狀況，防止可能發(fā)生的危險運行狀況，延長零件的使用壽命。

2.2優(yōu)點

（1）具有多功能的自動調(diào)節(jié)性能。工程機械用柴油機的運轉(zhuǎn)工況是多變的，而且對油耗、排放和可靠性等要求較高。自動控制技術(shù)應(yīng)用于柴油機的調(diào)節(jié)系統(tǒng)正好可以實現(xiàn)多功能的自動調(diào)節(jié)，從而保證柴油機動力性、燃料使用經(jīng)濟性、可靠性和操作方便性等性能充分發(fā)揮。

（2）減輕質(zhì)量、縮小尺寸、提高柴油機的緊湊性。對于現(xiàn)代高速柴油機而言，由于驅(qū)動噴油泵的扭矩較大，要設(shè)計一個緊湊和可靠的供油提前自動調(diào)節(jié)器很復(fù)雜，而且在柴油機總體布置上也比較困難。

（3）部件安裝連接方便，提高了維修性。采用自動控制系統(tǒng)，相關(guān)部件尺寸減?。ㄌ貏e是燃油供給系統(tǒng)），安裝部位免受空間位置的約束，連接簡便，有利于柴油機日常維護及修理。

（4）擴展了故障診斷、聯(lián)絡(luò)等功能。采用自動控制系統(tǒng)，可方便地與微型計算機相連，很容易實現(xiàn)柴油機性能檢測與故障診斷功能，柴油機運行及檢測數(shù)據(jù)的存儲與傳遞等問題也迎刃而解，便于科學(xué)管理和使用。

（5）使柴油機的動力輸出和負(fù)荷得到更精確的匹配。隨著工程機械制造技術(shù)高速發(fā)展，為了提高自行式工程機械的作業(yè)效能，采用了電噴柴油機，電控自動變速器等自動控制裝置，使自行式工程機械在作業(yè)時，能隨著負(fù)荷的變化在一定范圍內(nèi)自動調(diào)整動力輸出、動力傳遞，柴油機的動力輸出和負(fù)荷得到更精確的匹配，充分發(fā)揮工程機械作業(yè)效能。

3.柴油機電控技術(shù)的特點

柴油機電控技術(shù)與汽油機電控技術(shù)有許多相似之處，整個系統(tǒng)都是由傳感器、電控單元和執(zhí)行器三部分組成。在電控噴射方面柴油機與汽油機的主要差別是，汽油機的電控噴射系統(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)輸出油量的大小，且柴油機噴油控制是由發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和加速踏板位置（油門、供油拉桿位置）來決定的。柴油機電控技術(shù)有兩個明顯的特點：一是柴油噴射電控執(zhí)行器復(fù)雜，二是柴油電控噴射系統(tǒng)的多樣化。