柴油机电控系统的发展论文终稿.docx

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柴油机电控系统的发展论文终稿

交通职业学院

毕业论文

论文题目：

柴油机电控系统的发展

所属系别车辆工程系

专业班级汽车检测与维修技术

姓　　名

学　　号

指导教师

撰写日期年月

摘要

与现代汽车汽油机电控技术的发展背景一样，面对无法回避的局部和全球性的环境和能源问题，现代汽车柴油发动机不得不采用和发展电子控制系统，以便保持汽车柴油发动机的可持续发展，更充分发挥柴油发动机固有的优点（低油耗和低CO2排放）。

近年来柴油发动机电控系统的发展势头是令人瞩目的。

柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一项较为成功的控制污染排放的新技术。

近年来，柴油机电控技术得到了快速发展和应用，大大促进了柴油机性能的提高。

本文介绍了电控柴油机的结构和工作原理以及国外柴油机电控技术的发展情况和我国柴油机电控技术的研究现状，指出我国在柴油机电控技术发展过程中存在的问题，分析了今后柴油机电控技术的发展方向。

关键词：

柴油机，电控技术，发展

Abstract

HyundaiMotorgasolineandelectriccontroltechnologybackground，likethefaceofunavoidablelocalandglobalenvironmentalandenergyissues，Hyundaihadtousedieselenginesandthedevelopmentofelectroniccontrolsystems，inordertomaintainthesustainabledevelopmentofautomotivedieselengines，givefullplaytotheinherentadvantagesofdieselengine（lowfuelconsumptionandlowCO2emissions）.

Inrecentyears，dieselenginecontrolsystemdevelopmentmomentumisremarkable.DieselCommonRailfuelinjectiontechnologyisamoresuccessfulcontrolofemissionsofnewtechnologies.Inrecentyears，dieselengineelectroniccontroltechnologyhasbeenrapiddevelopmentandapplication，contributedgreatlytotheimprovementofdieselengineperformance.ThisarticledescribesthestructureandelectroniccontroldieselengineworksandforeigndieselengineelectroniccontroltechnologyandthedevelopmentofelectroniccontroldieselenginetechnologyinChinaResearch，saidChina'selectroniccontroltechnologyindieselenginedevelopmentproblems，analysisofthefuturedieselengineelectroniccontroltechnologydevelopment.

Keywords:

dieselengineelectroniccontroltechnology

1前言

如今柴油机发展越来越完善，以它的高效、功率范围宽广，已广泛应用于工业、农业、军用和民用等领域。

在今后相当长的时间内，柴油机还将占有极重要的地位。

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和排放性能的关注，特别是当今排放性能已经被提到首要位。

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、经济性能最主要的手段是改善燃烧性能，这在实践中叶得到了证实。

控制燃烧性能的最主要的方法有两种：

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[1]。

另外柴油机电控技术还面临着许多课题需要解决，特别是当采用高压电控喷油时，柴油机电控系统的成本几乎占发动机成本的一半。

尽管如此，只有在汽车柴油机上广泛采用电控技术，才能面对越来越严格的排放法规的挑战。

近年来柴油机电控系统的发展势头是令人瞩目的。

以柴油汽车用得最多的欧洲为例，由于欧洲道路车辆用多缸柴油机从2000年开始执行欧3排放标准，电控技术已在需满足欧3标准的柴油机上普遍使用，一些研究机构和大的厂商则早已着手研制满足欧4排放标准的电控柴油机，现在电控共轨系统和电控单体泵系统在多缸柴油机上的应用已明显增多[2]。

2电控柴油机的概述

2.1什么是电控柴油机

采用电子控制燃油喷射及排放的柴油机即为电喷柴油机。

电喷柴油喷射系统由传感器、ECU（计算机）和执行机构三部分组成。

其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。

采用转速、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参数图谱（MAP图）进行比较，经过处理计算按照最佳值或计算后的目标值把指令送到执行器。

执行器根据ECU指令控制喷油量（供油齿条位置或电磁阀关闭持续时间）和喷油正时（正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点），同时对废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，使柴油机运行状态达到最佳。

2.2柴油电控技术的组成

柴油电控技术主要有传感器，执行器和控制器三部分组成。

传感器分压力传感器，进气压力传感器，共轨压力传感器，机油压力传感器，温度传感器，位置传感器等[3]。

2.3柴油机电控系统的功能

1.燃油喷射控制

燃油喷射控制主要包括：

供（喷）油量控制、供（喷）油正时控制、供（喷）油速率控制和喷油压力控制等。

2.怠速控制

柴油机的怠速控制主要包括怠速转速控制和怠速时各缸均匀性的控制。

3.进气控制

柴油机的进气控制主要包括进气节流控制、可变进气涡流控制和可变配气正时控制。

4.增压控制

柴油机的增压控制主要是由ECU根据柴油机转速信号、负荷信号、增压压力信号等，通过控制废气旁通阀的开度或废气喷射器的喷射角度、增压器涡轮废气进口截面大小等措施，实现对废气涡增压器工作状态和增压压力的控制，以改善柴油机的扭矩特性，提高加速性能，降低排放和噪声。

5.排放控制

柴油机的排放控制主要是废气再循环（EGR）控制。

ECU主要根据柴油机转速和负荷信号，按内存程序控制EGR阀开度，以调节EGR率。

6.起动控制

柴油机起动控制主要包括供（喷）油量控制、供（喷）油正时控制和预热装置控制，其中供（喷）油量控制和供（喷）油正时控制与其他工况相同。

7.巡航控制

带有巡航控制功能的柴油机电控系统，当通过巡航控制开关选定巡航控制模式后，ECU即可根据车速信号等自动维持汽车以一定车速行驶[4]。

8.故障自诊断和失效保护

柴油机电控系统中也包含故障自诊断和失效保护两个子系统。

柴油机电控系统出现故障时，自诊断系统将点亮仪表盘上的“故障指示灯”，提醒驾驶员注意，并储存故障码，检修时可通过一定的操作程序调取故障码等信息；同时失效保护系统启动相应保护程序，使柴油能够继续保持运转或强制熄火。

9.柴油机与自动变速器的综合控制

在装用电控自动变速器的柴油车上，将柴油机控制ECU和自动变速器控制ECU合为一体，实现柴油机与自动变速器的综合控制，以改善汽车的变速性能。

2.4柴油机电子控制技术的发展状况

柴油机电控技术的发展过程与汽油机电控系统相似。

自80年代开始进入市场的现代汽车柴油机电控系统也是随着控制项目的不断增多，控制任务从简单到复杂，直至全方位控制。

例如，早期的电控燃油喷射系统都采用了“位置控制”，保持了传统的脉冲高压供油原理，只是通过以微机为核心的控制单元对位置伺服机构进行控制，改变油量调节齿条（直列泵）或油量调节滑套（VE型分配泵）等的位置，用以调节喷油泵的循环供（喷）油量。

但由于位置伺服机构执行频率响应慢，控制频率低，控制精度不稳定，经过了近十年的发展，到90年代初，“时间控制”式电控燃油喷射系统开发成功，采用了新型高速强力电磁阀代替传统的油量调节齿条（直列泵）或油量调节滑套（VE型分配泵）等，直接对高压燃油进行数字式的高频调节，由电磁阀的关闭时刻和闭合持续时间决定循环供（喷）油量和供（喷）油正时[5]。

尽管如此，这种“时间控制”式电控燃油喷射系统仍保持了传统的脉冲高压供油原理。

直到90年代中期，一种新型的电控共轨式燃油喷射系统问世，抛弃了传统的脉冲高压供油原理，采用“时间-压力控制”式燃油计量原理，通过对公共油轨中油压的连续控制和各缸喷油过程的电磁阀控制相结合的方式实现对循环供油量的控制，才使柴油机的电控燃油喷射技术进入了一个新的发展阶段。

3电控柴油机喷射系统的分类

3.1位置控制系统

第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统，它用电子伺服机构代替机械调速器控制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—高压油管—喷油器系统，只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械调速器控制改为计算机控制[6]。

3.2时间控制方式

 供油量的“位置控制”特点是用模拟量来控制执行元件工作，通过对喷油泵油量控制机构的定位来得到所需的供油量。

不论采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，也会降低控制精度和响应速度，所以继供油量“位置控制”之后出现了“时间控制”。

3.3时间－压力控制方式

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，对喷油量的控制采用“时间－压力控制”或“压力控制”，用的最多的是“时间－压力控制”方式，在该系统中，ECU通过设置传感器、电控单元、高速电磁阀和相关电/液控制执行元件等，组成数字式高频调节系统，有电磁阀的通、断电时刻和通、断电时间控制喷油泵的供油量和供油正时

3.4压力控制方式

在后期开发的柴油机电控共轨式燃油喷射系统中，为降低对供油压力的要求，喷油量的控制采用控制喷油压力的方法实现，即喷油量的“压力控制”方式。

喷油器喷孔尺寸一定，喷油时间一定，控制喷油压力即可控制喷油量；而在增压活塞和柱塞尺寸一定时，喷油压力（即增压压力）取决于共轨中的油压，共轨中的油压是由ECU根据各种传感器信号通过燃油压力调节阀来控制的，所以将此种喷油量控制方式称为“压力控制”方式。

在系统中，ECU根据实际的共轨压力信号对共轨压力进行闭环控制[7]。

4电子控制柴油机技术介绍

柴油机的优点是：

省油、环保、动力强、经济、维修方便，只要解决缺点就具有更大的市场前景，而实现电控柴油机的方案现在看来是一个很好的解决措施。

实现柴油控制有三条技术路线图，分别是单体泵、泵喷嘴和高压共轨。

目前主要的国际汽车配件供应商都在进行着柴油共轨喷射系统的开发，如：

博世、德尔福、西门子、电装公司、VDO和玛格纳-马瑞利公司，它们是全球主要的共轨喷射系统供应商，而目前在国内生产共轨柴油喷射系统的还只有博世一家。

下面分别介绍三种技术：

单体泵技术，泵喷嘴技术，高压共轨技术。

4.1单体泵技术

在性能方面，目前在国内单体泵使用的压力达到200MPa，当向欧Ⅳ升级，这个压力可以达到250MPa。

在单体泵上采用了类似于共轨I2C的系统一致性控制，来优化整个系统的性能。

在供油控制方面，如果使用双电磁阀单体泵系统，不仅可以对压力进行控制，还可以对喷射进行控制，而且还可以采用多次喷射。

它可以达到欧Ⅳ或者欧Ⅴ的标准。

目前，德尔福的双电磁阀单体泵系统在欧洲大批量生产，主要供应给欧Ⅳ标准的发动机，欧Ⅴ标准的发动机相关系统正在做开发工作。

单体泵系统的另一个优势就是它的可靠性和寿命，这些性能已经在欧洲和北美市场上得到了10年甚至是15年的实际使用时间、数百万辆整车使用的证明。

单体泵系统在发动机使用过程中，可以保证排放和燃油消耗率低。

目前，这种非常强化、非常可靠的性能和使用寿命，仍然在进一步提高。

所以，从德尔福的观点来看，在技术方面，相信在2010年之前，所有欧洲和北美的重型车生产商绝大多数会采用单体泵系统和泵喷嘴技术。

德尔福也在研发2010年以后新的排放法规所要求的新的系统。

4.2泵喷嘴技术

优良的混合气是提高柴油发动机动力性、燃油经济性；降低排放率、噪音率的关键因素。

这就要求喷射系统产生足够高的喷射压力，确保燃油雾化良好，同时还必须精确控制喷油始点和喷油量。

而泵喷嘴系统能够符合上述的严格要求。

因此，早在1905年柴油发动机的创始人Rudolfdiesel先生就提出了泵喷油器概念，设想将喷油泵和喷嘴合成一体，省去高压油管并获得高喷射压力。

20世纪50年代，间歇控制泵喷射系统的柴油发动机就已应用在轮船及卡车上

4.3高压共轨技术

“CRDI”是英文CommonRailDirectInjection的缩写，意为高压共轨柴油直喷技术，CRDI技术和SDI（自然吸气直接喷射柴油发动机）技术、TDI（直喷式涡轮增压柴油发动机）技术均为德国博世公司研发的柴油发动机技术。

共轨系统由高压泵、喷油管、高压蓄压器（共轨）、喷油器、电控单元和传感器及执行器组成。

共轨式喷油系统主要的贡献就是将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，通过对共轨管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速基本无关。

这一柴油发动机技术的创新最大限度地降低了柴油发动机车型的振动和噪声，同时将油耗进一步降低，使排放更加清洁。

但共轨技术的喷油压力低于泵喷嘴系统，一般只能达到160MPa左右。

由于喷油压力调节宽泛，采用共轨技术的柴油车能更好地适应各种工况，起步也不会困难。

博世公司首家于1997年开始批量生产共轨燃油喷射系统的乘用车，当时博世和奔驰联合推出共轨技术柴油奔驰C级别车，而在当时阿尔法罗密欧156也是最早使用高压共轨的乘用车之一。

在国产车中，华泰现代使用的是共轨喷射系统。

柴油共轨系统已开发了3代。

第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致燃油的浪费和很高的燃油温度。

第一代共轨系统为商用车设计的，最高喷射压力为140MPa，乘用车喷射压力为135MPa[8]。

第二代共轨系统可根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能。

带有控制油量的油泵，喷射压力能达到160MPa。

即使在压力较低的情况下，该系统也可以根据实际状况提供适量的喷油压力。

不仅有助于降低燃油消耗，而且还可以降低燃油温度，从而省去燃油冷却装置。

预喷射降低了发动机噪声，在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了汽缸压燃，预热燃烧室。

预热后的汽缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。

在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200～250℃，降低了排气中的碳氢化合物。

博世公司的第二代共轨系统产品已经在沃尔沃的S60、V70D5及宝马的230d等乘用车上试用。

第三代共轨系统带有压电直列式喷油器。

2003年，第三代共轨系统面世，压电式（piezo）共轨系统的压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。

省去了回油管，在结构上更简单。

压力从20～200MPa弹性调节。

最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOx的排放。

最高喷射压力达到180MPa

5现代轿车柴油机电控系统的新技术

5.1时间控制的柴油电喷技术

柴油发动机的新一代电喷系统采用时间控制，用高速电磁阀取代传统的机械喷阀，对高压燃油实现数字调节[9]。

现在这种喷射系统逐渐向高压化迈进，高压喷射可使柴油雾化得非常细，发动机的燃烧过程进行得相当完善，而且速度快，同时又不明显提高燃烧温度。

提高了直喷式柴油发动机压力，全面降低HC、CO、NOx、微粒物和碳烟的排放，还能显著的降低油耗。

5.2共轨式电喷系统

 它是柴油发动机高压喷射系统的一种，最高压力可达到220MPa。

该系统不再采用通用的脉动原理，而是采用压力时间计量原理。

这种喷油系统可保证喷油压力不随发动机转数变化，可降低颗粒物的排放，电控共轨喷射又称为压力时间喷射或第三代喷射，它可分为中压共轨和高压共轨两大类。

ECU产生的电脉冲按顺序触发喷油器电磁阀，确定发动机每次喷油的起始和关闭时刻，电控共轨喷射还可采用多次喷射的方式来灵活控制喷油的速率。

5.3涡轮增压中冷技术

柴油发动机采用废气涡轮增压技术后，燃料能够完全燃烧，可降低CO和HC的生成量[10]。

采用涡轮增压中冷技术还可提高柴油发动机的功率，一台装有涡轮增压器的柴油发动机功率输出比未装增压器可增加20%～30%。

新型涡轮增压器的使用，意味着可以用小排量的发动机替代大排量发动机，减轻发动机和整车质量，提高经济性和排放性。

5.4采用多气门技术

多气门可增大柴油发动机的进气量，使柴油的燃烧更彻底，排气更快、更彻底，从而提高了柴油发动机的输出功率。

5.5废气再循环技术

根据发动机的温度及负荷大小，适量地将一部分废气引入进气管，再送入汽缸，使燃烧反应速度减慢，降低燃烧的最高温度，从而降低NOx的排放量。

尤其是中冷EGR技术，不仅降低NOx的排放，而且还能保持其污染排放物的低排放水平。

6柴油发动机电控供油系统的技术要求

柴油发动机燃油供给系统是柴油发动机的一个非常重要的系统，也是柴油发动机使用与维修的一个重点部位，其技术状况的好坏不仅直接影响着柴油发动机的动力性、经济性及使用的可靠性，而且对减少环境污染也有着极其重要的影响。

对柴油发动机电控系统的要求：

6.1提高柴油发动机的经济性和降低排放

柴油发动机电控系统应能在不同的工况及工作条件下精确地控制喷油提前角，并始终保持在最佳值，以降低燃油消耗和减少排放污染。

6.2提高发动机工作的可靠性

在柴油发动机运转过程中，系统应能随时检测影响发动机工作可靠性的主要参数，一旦某一项或几项参数异常，超出设定值，一方面系统应能立即报警显示，同时还应控制相应的执行器进行相应的调整，直至有关参数或状态正常为止。

对于一些对发动机可靠性影响很大的重要参数，系统还必须提供双重或多重保护，以避免发生重大事故。

6.3对柴油发动机运行工况进行实时高精度控制

一旦柴油发动机及其系统的运行参数或状态偏离目标值，电控系统就能立即进行调节和控制，从而实现对柴油发动机运行工况的实时高精度控制。

6.4较强的适应性

全能电动调速器在出厂前的软件编程中已预设有各种不同调速率的程序，并在控制盒上设有调速率的转换开关，用户可根据柴油发动机的用途和要求设定不同的调速率，这提高了电动调速器的匹配适应能力。

6.5柴油发动机电子控制技术的特点

柴油发动机电控技术有两个明显的特点:

一个特点是其关键技术和技术难点就在柴油喷射电控执行器上;另一个特点是柴油电控喷射系统的多样化。

柴油发动机在机械控制时代，就已经有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统，每个系统各有其特点和适用范围，每种系统中又有多种不同结构。

实施电控技术的执行机构比较复杂，因此形成了柴油喷射系统的多样化。

7柴油喷射系统的控制功能和发展

7.1柴油发动机电控系统的控制功能

现代汽车柴油发动机电控系统的控制项目已经从仅有循环供（喷）油量控制、喷油正时控制等最基本的控制项目的燃油喷射控制，扩展到包括对喷油速率控制和喷油压力控制在内的多项目标控制的燃油喷射控制;从单一的燃油喷射控制扩展到包括怠速控制、进气控制、增压控制、排放控制、启动控制、故障自诊断、失效保险、发动机与变速器的综合控制等在内的全方位控制。

7.2柴油发动机电控燃油喷射系统控制方式的发展

电控柴油喷射系统根据其直接控制的量而分为位置控制和时间控制。

位置控制系统的特点是不仅保留了传统的喷油泵-高压油管-喷油器系统，而且还保留了喷油泵中齿条齿圈、滑套、柱塞上控油螺旋槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械调速器控制改为微机控制。

而时间控制系统可以是保留原来的喷油泵-高压油管-喷油器系统，也可以采用新型的产生高压的燃油系统，而用高速电磁阀直接控制高压燃油的喷射。

一般情况下，电磁阀关闭，执行喷油，电磁阀打开，喷油结束。

喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量则取决于电磁阀关闭时间的长短。

传统喷油泵中的齿条齿圈、滑套、柱塞上斜槽、控制喷油正时的提前机构等全部取消。

时间控制系统的控制自由度更大。

电控柴油喷射系统根据其产生高压燃油的机构，可分为直列泵电控喷射系统、分配泵电控喷射系统、泵喷油器电控喷射系统、单缸泵电控喷射系统、共轨式电控喷射系统

近20年来，柴油发动机电控燃油喷射系统也经历了几个重要的发展阶段。

按对循环供（喷）油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力等的控制方式分，经历了从“位置控制”到“时间控制”，再到“时间-压力控制”或“压力控制”的发展过程。

按燃油喷射系统的基本组成和结构分，经历了常规压力电控喷油系统的第一代电控喷油系统到高压电控喷油系统的第二代电控喷油系统的发展过程。

在采用“位置控制”的第一代电控喷油系统中，保留了传统燃油喷射系统的基本组成和结构，只是将原有的机械式喷油泵及其机械控制部件用电控喷油泵及其控制部件取代，通过设置控制系统，使控制精度和响应速度得以提高。

柴油发动机的结构几乎不需改动，生产继承性好，便于对现有柴油发动机进行升级换代。

缺点是“位置控制”系统执行频率响应慢，控制频率低，控制自由度小，控制精度还不够高，喷油压力无法独立控制。

在采用“时间控制”的第一代电控喷油系统中，基本保留了传统燃油喷射系统的组成和结构，通过设置控制系统，形成数字式高频调节系统，由电磁阀的关闭时刻和闭合时间决定循环供（喷）油量和喷油正时，其控制自由度和控制精度都是“位置控制”所无法比拟的，其技术上的难点在于如何加快需要通过大油量的高速电磁阀的响应速度，同时喷油压力还是无法独立控制。

第一代电控喷油系统包括电控直列泵系统和电控分配泵系统，以及一部分电控单体泵喷油系统或电控泵喷嘴喷油系统。

以高压、中压或低压供油泵、电磁、液力控制式喷油器和公共油轨组成的各种电控共轨式喷油系统的最大特征是:

喷油系统的两个基本任务--燃油压力的形成和燃油量的计量，在时间上、在系统中的部位和功能方面都是分开的。

燃油压力的形成和燃油的输送基本上与喷油过程无关。

根据ECU的指令，带有电液控制件的喷油器可按所要求的喷油正时精确地从共轨中“调出”具有所要求的精确压力和精确循环量的燃油。

因无二次喷射的约束，喷油压力可按需控制以实现高压喷射，其平均喷油压力与最大喷油压力非常接近，从而明显改善燃油雾化品质，改善燃烧过程，提高燃烧效率，降低燃烧噪声，降低排放。

由于系统可直接控制喷油器针阀的运动，可以实现预喷射和后喷射，因而可获得理想的喷油速率。

这样，柴油发动机负荷和转速就不对循环供（喷）油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力产生影响，从而实现系统的独立控制，使实现循环供（喷）油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力的优化控制成为可能，从而大大提高了柴油发动机的在装车率，特别是在轿车发动机中的竞争能力;同时，在采用传统的泵-管-嘴喷油系统的柴油发动机上使用时，不需要对原有结构作很大的改动，所以发展前景很好。

我国对现代柴油发动机电控技术的研究和开发尚处于起步阶段，目前还主要集中在对柴油发动机电控喷射系统的研究与开发上。

但随着社会经济的发展，对环保的要求越来越高，柴油发动机电控系统的研究和相应产品