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技术资料
现代车用柴油机共轨式电喷的新技术
时间:2011/11/21 17:19:31 来源:本站 点击数:1951 字体大小:

内容提要:本文阐述了现代车用柴油机电控系统的发展目的、意义和现状;重点介绍了现代轿车柴油机电控系统(含时间控制的柴油电喷、共轨式电喷、涡轮增压中冷、废气再循环等)的新技术;同时指出其中共轨式电喷的新技术是今后现代车用柴油机发展的必然趋势。
关键词:柴油机 电控系统 共轨式电喷 新技术

1.车用柴油机电控系统的发展

与现代汽车汽油机电控技术的发展背景一样,即面对无法回避的局部和全球性的环境和能源问题,现代汽车柴油机不得不采用和发展电子控制系统,以便保持汽车柴油机的可持续发展,更充分发挥柴油机固有的优点(低油耗和低CO2排放)。在保持柴油机卓越的燃油经济性的同时,要想满足越来越严格的排放法规,除了降低润滑油消耗、优化涡轮增压技术和使用先进的废气后处理系统外,最主要还需进一步改善柴油机的燃烧过程。而喷油系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键环节,利用微机电控技术改进燃烧过程应用了很多新技术,有的新技术虽然与电控技术没有直接的关联,但由于改善了整机性能,仍然与电控技术有间接的联系。

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。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(喷)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。

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。

我国对现代柴油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,柴油机电控系统的研究和相应产品的开发必将成为我国汽车柴油机技术领域中的一个热点,这将大大促进我国汽车柴油机产品的更新换代,为在未来不长的时期里参与国际竞争奠定坚实的基础。

2.现代轿车柴油机电控系统的新技术

时间控制的柴油电喷技术 柴油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。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。提高了直喷式柴油机压力,不仅可以全面降低HC、CO、NOx、微粒物和碳烟的排放,而且还能显著的降低油耗。

共轨式电喷系统 在车用柴油机中,高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒,在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动,使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后,使高压油管内的压力再次上升,达到令喷油器的针阀开启的压力,将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象,由于二次喷油不可能完全燃烧,于是增加了烟度和碳氢化合物(HC)的排放量,油耗增加。此外,每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化,随之引起不稳定的喷射,尤其在低转速区域容易产生上述现象,严重时不仅喷油不均匀,而且会发生间歇性不喷射现象。为解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷,现代柴油机采用了一种称为“共轨”的技术。

它是柴油机高压喷射系统的一种,最高压力可达到200~220MPa。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。“共轨喷射”是通过高压公用油道和各缸喷射电磁阀控制相结合的方式实现喷油控制。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。美国、日本、德国、意大利等国已大批量生产共轨式电喷系统,它将代表未来柴油机燃油喷射系统的主流。德国奔驰C200轿车,采用共轨式电控喷射系统,其功率、转矩及排放等各项指标均处于世界领先水平。微机控制柴油机高压共轨喷射系统见图1。

涡轮增压中冷技术 柴油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。但因进气温度升高,使NOx的排放量有所增加,若采用增压并附带中间冷却器可同时降低HC、CO、NOx的排放量。采用涡轮增压中冷技术还可提高柴油机的功率,一台装有涡轮增压器的柴油机功率输出比未装增压器可增加20%~30%,而采用增压中冷技术甚至可增加50%的功率。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。
采用多气门技术 多气门可增大柴油机的进气量,使柴油的燃烧更彻底,排气更快、更彻底,从而提高了柴油机的输出功率。

废气再循环技术 它是在保证发动机动力性能不降低的前提下,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。

新型的柴油机清污系统 柴油机电子控制技术在国外应用率已达到60%~90%。20世纪80年代开始投放市场,德国博世公司、美国通用公司的底特律柴油机公司、日本Zexel等公司都有自己的产品投放市场。目前各大公司竞相开发新产品以满足排放法规和市场的要求。电控柴油机技术,其技术的发展动力来源于改善柴油机的经济性,最大的推动力来源于国际上日益严格的排放法规。标致公司新近开发出了一种新型的柴油机清污系统,将于近年揭开其旗舰车的面纱,届时该车装备的数种发动机中,有一种2.2L的HDI柴油发动机上将装有独特的炭烟过滤系统。标致-雪铁龙公司称该项技术在HDI发动机上开发的新系统能有效地克服微粒排放这一难题。该系统能使HDI发动机废气中的二氧化碳减少20%、一氧化碳减少40%、碳氢化合物减少50%,而微粒则能减少60%。被称之自柴油机问世以来最大的一项革新。据悉微粒过滤系统已通过法、德两国环境部门的批准,从而使该项技术引起了欧洲的注目。长久以来,过滤被认为是解决柴油机废气的途径之一。新型过滤器能使HDI发动机管理系统的计算机及传感器探测颗粒物积累状况,并适时地自动触发开关将颗粒烧尽。这种过滤装置在未来5年中,如果得到市场认可,它将被推广到所有的标致、雪铁龙柴油车及轻型商用车上。微粒过滤器对汽车原有性能没有任何影响。HDI发动机工作时油耗可能会上升5%,但性能与同类发动机相比却提高了15%。这说明总体上车主们还是划算的。目前柴油车在欧洲的销量每年增长约1%,如果随着技术进步,柴油车越来越被广大消费者接受的话,它的销量增长会达2%~3%,而微粒过滤系统能加速这一进程。据统计柴油车目前约占欧洲小客车数量的25%。PSA微粒过滤系统将被首次装在新款标致车上,用以更新已销售疲软的标致605系列。装有该过滤系统的型号为DWl2TED4的2.2L发动机,输出功率可达110.4kW,扭矩可达315N·m,比目前使用的2.5L柴油机的性能还好。

3.共轨式电喷的新技术是现代车用柴油机发展的必然趋势

随着世界各国城市交通运输车辆、船舶的急剧增加,柴油机排放的尾气已经成为对地球环境的主要污染源。世界各国业已开始寻找和采取有效的技术措施主动地减少和控制污染物的排放。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。共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油,分送到每个喷油器,并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合,定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量,从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化,以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。现在该项新技术已开始在国外以柴油机提供动力的汽车上投入使用。这是世界汽车工业为满足日益严格的废气排放标准的必然趋势。

柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术,因为它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。该技术的主要特点是:采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀;采用共轨方式供油;高速电磁开关阀频响高,控制灵活;系统结构移植方便,适应范围宽。这一技术的研究与开发热点在于:解决高压共轨系统的恒高压密封问题;解决高压共轨系统中,共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题;解决高压共轨系统的多MAP(三维控制数据表)优化问题;以及解决结构、频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。共轨式燃油喷射技术有助于减少柴油机的尾气排放量,以及改善噪声、燃油消耗等方面的综合性能;它在有利于地球环境保护的同时,也必将促进柴油机工业、汽车工业及与之相关工业的发展。

共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中,将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式,由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管,通过对公共供油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无关,可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化,因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量,喷油量大小取决于燃油轨(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油,分送到每个喷油器,并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合,定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量,从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化,以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。共轨式喷油装置属近年研制成功并被认为是最理想的一种高压喷油装置。在一条共用轨道上分别产生压力和喷射。喷射压力可高达16O MPa。其压力存储器和分配器条轨经导管通往嘴部。利用控制器上一次脉冲把喷射信号导入电磁阀而引发一次喷射。通过喷嘴存储压力和开启持续时间来调节油量。目前,该装置在欧洲各类汽车柴油机上得到了大量采用,且专家认为这是一种能够满足未来欧Ⅳ、欧V最有改进潜力的喷油装置。同时,减小喷孔直径,增加孔数减小喷孔直径,增加孔数,可以改善燃油的雾化和分布均匀性,减少着火滞后,降低NO及颗粒排放。

近年来刚刚商品化的共轨式燃油喷射系统能提供很高的喷油压力,而且不会出现不可控制的异常喷射,还能有效降低噪声和氮氧化物排放量。共轨式高压喷油系统的应用是柴油机技术的一次革命。现在该项新技术已开始在国外以柴油机提供动力的汽车上投入使用。这是世界汽车工业为满足日益严格的废气排放标准的必然趋势。

笨重、噪音大、喷黑烟,令人对柴油机的直观印象不佳,加上柴油机的构造比较复杂,不少人对柴油机缺乏了解,尤其对现代先进的柴油机缺乏了解,因此柴油机汽车在一些城市成了“被限制的对象”,受到种种歧视。其实经过多年的研究和新技术应用,现代柴油机的现状已与往日不可同喻,柴油机轿车在欧洲比较普遍, 奔驰、大众、宝马、雷诺、沃尔沃等欧洲名牌车都有采用柴油发动机的车型。经过多年的研究和应用,现代先进的汽车柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术手段,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。

在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是,汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比(汽油与空气的比例),柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出的大小,而柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置(油门拉杆位置)来决定的。因此,基本工作原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号,首先计算出基本喷油量,然后根据水温、进气温度、进气压力等传感器的信号进行修正,再与来自控制套位置传感器的信号进行反馈修正,确定最佳喷油量的。

电控柴油喷射系统由传感器、ECU(计算机)和执行机构等组成。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、温度、压力等传感器,将实时检测的参数同步输入计算机,与巳储存的参数值进行比较,经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制,驱动喷油系统,使柴油机运作状态达到最佳。

随着世界各国城市交通运输车辆的急剧增加,柴油机排放的尾气已经成为对地球环境的主要污染源。世界各国业已开始寻找和采取有效的技术措施主动地减少和控制污染物的排放。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。

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