1 柴油機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢(shì)
1.1柴油機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r
柴油機(jī)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(guó)盧卡斯公司、德國(guó)博世公司、奔馳汽車公司、美國(guó)通用的底特律柴油機(jī)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(jìng)相開發(fā)新產(chǎn)品并投放市場(chǎng)，以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。
由于柴油機(jī)具備高扭矩、高壽命、低油耗、低排放等特點(diǎn)，柴油機(jī)成為解決汽車及工程機(jī)械能源問題最現(xiàn)實(shí)和最可靠的手段。因此柴油機(jī)的使用范圍越來越廣，數(shù)量越來越多。同時(shí)對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)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(jī)械控制噴油系統(tǒng)已無法滿足上述要求，也難以實(shí)現(xiàn)噴油量、噴油壓力和噴射正時(shí)完全按最佳工況運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。近年來，隨著計(jì)算機(jī)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(jī)進(jìn)行電子控制的要求，并且電子控制燃油噴射很容易實(shí)現(xiàn)。
實(shí)際上，柴油機(jī)排氣中CO和HC比汽油機(jī)少得多，NOX排放量與汽油機(jī)相近，只是排氣微粒較多，這與柴油機(jī)燃燒機(jī)理有關(guān)。柴油機(jī)是一種非均質(zhì)燃燒，可燃混合氣形成時(shí)間很短，而且可燃混合氣形成與燃燒過程交錯(cuò)在一起。通過分析柴油機(jī)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(dòng)以及燃燒室形狀等均直接影響燃燒過程的進(jìn)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(jī)的現(xiàn)狀已與以往大不相同。現(xiàn)代先進(jìn)的柴油機(jī)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(dá)到了汽油機(jī)的水平。隨著國(guó)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(shí)施，無論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)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)。現(xiàn)在，柴油機(jī)電子控制技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用率已達(dá)到60%以上。
1.2何謂電噴柴油機(jī)
采用電子控制燃油噴射及排放的柴油機(jī)即為電噴柴油機(jī)。電噴柴油噴射系統(tǒng)由傳感器、ECU(計(jì)算機(jī))和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。其任務(wù)是對(duì)噴油系統(tǒng)進(jìn)行電子控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量以及噴油定時(shí)隨運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)控制。采用轉(zhuǎn)速、油門踏板位置、噴油時(shí)刻、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、燃油溫度、冷卻水溫度等傳感器，將實(shí)時(shí)檢測(cè)的參數(shù)同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)(ECU)，與已儲(chǔ)存的設(shè)定參數(shù)值或參數(shù)圖譜(MAP圖)進(jìn)行比較，經(jīng)過處理計(jì)算按照最佳值或計(jì)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(shí)間)和噴油正時(shí)(正時(shí)控制閥開閉或電磁閥關(guān)閉始點(diǎn))，同時(shí)對(duì)廢氣再循環(huán)閥、預(yù)熱塞等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最佳。
1.3柴油機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
1.3.1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。
1.3.2獨(dú)立的噴射壓力控制
傳統(tǒng)柴油機(jī)的供油系統(tǒng)的噴射壓力與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速負(fù)荷有關(guān)。這種特性對(duì)于低轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷條件下的燃油經(jīng)濟(jì)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(jī)在各種工況下的廢氣排放最低而經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。
1.3.3改善柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性
用戶對(duì)柴油機(jī)的燃油消耗率非常關(guān)注。高噴射壓力、獨(dú)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(jī)的燃油使用經(jīng)濟(jì)性。
1.3.4獨(dú)立的燃油噴射正時(shí)控制
噴射正時(shí)直接影響到柴油機(jī)活塞上止點(diǎn)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(jì)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(shí)控制能力，是在燃油消耗率和排放之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡的關(guān)鍵措施。
1.3.5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(jī)冷啟動(dòng)性能、降低冷態(tài)工況下白煙的排放，降低噪聲，改善低速扭矩。但是預(yù)噴射量、預(yù)噴射與主噴射之間的時(shí)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(duì)柴油機(jī)的性能和排放十分有利。
1.3.6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(jī)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(huì)使控制小油量的能力進(jìn)一步降低。由于工程機(jī)械用柴油機(jī)的工況很復(fù)雜，怠速工況經(jīng)常出現(xiàn)，而電噴柴油機(jī)容易實(shí)現(xiàn)最小油量控制。
1.3.7快速斷油能力
噴射結(jié)束時(shí)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(huì)因燃燒不充分而冒黑煙，增加HC排放。電噴柴油機(jī)噴油器上采用的高速電磁開關(guān)閥很容易實(shí)現(xiàn)快速斷油。
1.3.8降低驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)驅(qū)動(dòng)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(jī)技術(shù)中的高壓共軌技術(shù)則大大降低了驅(qū)動(dòng)扭矩沖擊載荷。
2 柴油機(jī)電子控制技術(shù)的目的及優(yōu)點(diǎn)
2.1目的
優(yōu)化動(dòng)力性、改善燃油使用經(jīng)濟(jì)性、控制排放，使柴油機(jī)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(xiǎn)運(yùn)行狀況，延長(zhǎng)零件的使用壽命。
2.2優(yōu)點(diǎn)
2.2.1具有多功能的自動(dòng)調(diào)節(jié)性能
工程機(jī)械用柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況是多變的，而且對(duì)油耗、排放和可靠性等要求較高。自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于柴油機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)正好可以實(shí)現(xiàn)多功能的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保證柴油機(jī)動(dòng)力性、燃料使用經(jīng)濟(jì)性、可靠性和操作方便性等性能充分發(fā)揮。
2.2.2減輕質(zhì)量、縮小尺寸、提高柴油機(jī)的緊湊性
對(duì)于現(xiàn)代高速柴油機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)噴油泵的扭矩較大，要設(shè)計(jì)一個(gè)緊湊和可靠的供油提前自動(dòng)調(diào)節(jié)器很復(fù)雜，而且在柴油機(jī)總體布置上也比較困難。采用自動(dòng)控制技術(shù)解決供油提前角自動(dòng)調(diào)節(jié)問題，不僅可以容易地解決上述難題，而且提高了柴油機(jī)的緊湊性。
2.2.3部件安裝連接方便，提高了維修性
采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，相關(guān)部件尺寸減小(特別是燃油供給系統(tǒng))，安裝部位免受空間位置的'約束，連接簡(jiǎn)便，有利于柴油機(jī)日常維護(hù)及修理。
2.2.4擴(kuò)展了故障診斷、聯(lián)絡(luò)等功能
采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，可方便地與微型計(jì)算機(jī)相連，很容易實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)性能檢測(cè)與故障診斷功能，柴油機(jī)運(yùn)行及檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳遞等問題也迎刃而解，便于科學(xué)管理和使用。
2.2.5使柴油機(jī)的動(dòng)力輸出和負(fù)荷得到更精確的匹配
隨著工程機(jī)械制造技術(shù)高速發(fā)展，為了提高自行式工程機(jī)械的作業(yè)效能，采用了電噴柴油機(jī)，電控自動(dòng)變速器等自動(dòng)控制裝置，使自行式工程機(jī)械在作業(yè)時(shí)，能隨著負(fù)荷的變化在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整動(dòng)力輸出、動(dòng)力傳遞，柴油機(jī)的動(dòng)力輸出和負(fù)荷得到更精確的匹配，充分發(fā)揮工程機(jī)械作業(yè)效能。
3 柴油機(jī)電控技術(shù)的特點(diǎn)
柴油機(jī)電控技術(shù)與汽油機(jī)電控技術(shù)有許多相似之處，整個(gè)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(jī)與汽油機(jī)的主要差別是，汽油機(jī)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(jī)的電控噴射系統(tǒng)則是通過控制噴油時(shí)間來調(diào)節(jié)輸出油量的大小，且柴油機(jī)噴油控制是由發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)電控技術(shù)有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：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。
3.1柴油機(jī)是一種熱效率比較高的動(dòng)力機(jī)械
柴油機(jī)燃油噴射具有高壓、高頻、脈動(dòng)等特點(diǎn)。其噴射壓力高達(dá)200MPa，為汽油機(jī)噴射壓力的百倍以上。對(duì)燃油高壓噴射系統(tǒng)實(shí)施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對(duì)噴射正時(shí)的精度要求很高，相對(duì)于柴油機(jī)活塞上止點(diǎn)的角度位置遠(yuǎn)比汽油機(jī)要求準(zhǔn)確，這就導(dǎo)致了柴油噴射的電控執(zhí)行器要復(fù)雜得多。
3.2由于柴油機(jī)的噴射系統(tǒng)形式多樣
傳統(tǒng)的柴油機(jī)具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結(jié)構(gòu)完全不同的系統(tǒng)。實(shí)施電控技術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，形成了柴油噴射系統(tǒng)的多樣化；同時(shí)柴油機(jī)需要對(duì)油量、定時(shí)、噴油壓力等多參數(shù)進(jìn)行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機(jī)。
4 電控柴油噴射系統(tǒng)分類
最先出現(xiàn)的是電控噴油泵技術(shù)，而后又發(fā)展了電控泵噴嘴技術(shù)和高壓共軌噴射技術(shù)，后兩種技術(shù)是現(xiàn)在最主要的柴油機(jī)電控噴射技術(shù)。其中，電控泵噴嘴技術(shù)的噴油壓力非常高，可以達(dá)到200MPa，并且泵和噴嘴裝在一起，所以只需要很短的高壓油引導(dǎo)部分，泵噴嘴系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)很小的預(yù)噴量，其噴油特性是三角形的，并采用了分段式預(yù)噴射，這是很符合柴油機(jī)的要求(大眾公司的TDI發(fā)動(dòng)機(jī)就是使用這種技術(shù))。但電控泵噴嘴技術(shù)的噴油壓力受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速影響，使用蓄壓系統(tǒng)的高壓共軌技術(shù)可以解決這個(gè)問題。它的噴油壓力低于泵噴嘴系統(tǒng)，能達(dá)到160MPa。有些公司看中了它對(duì)任意缸數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油壓力調(diào)節(jié)很寬泛的特點(diǎn)，逐步擴(kuò)大其使用范圍(最早使用高壓共軌的轎車是阿爾法羅密歐156和奔馳C級(jí)別車)。
4.1第一代柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)也稱位置控制系統(tǒng)
它用電子伺服機(jī)構(gòu)代替機(jī)械調(diào)速器控制供油滑套位置以實(shí)現(xiàn)供油量的調(diào)整。其特點(diǎn)是保留了傳統(tǒng)的噴油泵——高壓油管——噴油器系統(tǒng)，只是對(duì)齒條或滑套的運(yùn)動(dòng)位置由原來的機(jī)械調(diào)速器控制改為計(jì)算機(jī)控制。這類技術(shù)已發(fā)展到了可以同時(shí)控制定時(shí)和預(yù)噴射的TICS系統(tǒng)。
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