柴油机电子控制燃油喷射技术综述

摘要 本文介绍了电控柴油喷射系统控制原理,阐述了柴油机电子控制技术的特点,提出了柴油机电子控制技术的发展趋势。

关键词 柴油机;电控;燃油喷射技术

中图分类号TK42文献标识码A文章编号1674-6708(2010)23-0081-02

0 引言

高产出低投入,柴油机因此在各领域得到广泛应用。然而其燃油经济性与排放随着柴油机数量的增加引起人们的关注,各国政府从20世纪70年代陆续开始出台越来越严格的排放法规。传统的依靠凸轮机构组成的机械式柴油机燃油喷射系统因其控制精度低、响应速度慢、控制自由度小等固有缺点[1],已无法满足人们对柴油机高功率、低油耗和降低排烟、噪声、排放等方面的要求。所以运用电子控制技术控制柴油机已成必然。

1 电控柴油喷射系统控制原理

传感器包括燃油温度、冷却水温度、进气温度、进气压力齿条位置、油门踏板位置、柴油机转速、车速、喷油时刻等,电子控制单元(ECU)根据各种传感器实时监测到的柴油机运行参数,与ECU中预先存储的参数值或参数图谱(MAP图)相比较,按其最佳值或计算后的目标值把喷令输送到执行器。执行器根据ECU指令控制喷油正时(正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点)和喷油量(电磁阀关闭持续时间或齿条位置)。电控柴油喷射系统还能和制动防抱系统ABS的ECU、整车传动装置的ECU及其他系统的ECU互通数据而实现整车的电子控制。

2 柴油机电子控制技术的特点

柴油机电控技术和汽油机电控技术有许多相似的地方,整个系统都是由电控单元、传感器、和执行器3大部分组成。电控单元在硬件方面很相似,在整车管理系统的软件方面也有近似处[2]。柴油机电控技术有两个明显特点:1)柴油电控喷射系统的多样化;2)关键技术和技术难点在柴油喷射电控执行器。电控柴油机上所用的像温度、压力、转速及油门踏板传感器等传感器,和汽油机电控系统都是一样的。

柴油机是热效率较高的机械。为造成最佳的燃油和空气混合及燃烧的最有利条件,达到柴油机在功率、转速、怠速、扭矩、排放、噪声等要求,它在适当的时期、空间状态,将适量的燃油通过高压喷油泵和喷油器喷入柴油机的燃烧室。柴油机燃油喷射具有脉动、高压、高频等特点,器喷射速度高达60~150MPa,甚至200MPa[2],为汽油机的几百、几千倍。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制,困难得多。而且柴油机喷射对喷射正时的精度要求很高,相对于柴油机活塞上死点的角度位置远比汽油机要求准确,因而造成柴油机喷射的电控执行器要复杂得多。因此,电控柴油喷射系统(主要是喷油量和喷油正时)就是柴油机电控技术的关键和难点。

直列泵、单缸泵、分配泵、泵喷油器等结构完全不同的柴油机系统在机械控制时代就已出现,每个系统各有其适用范围和特点,每种系统又有多种不同结构。柴油喷射系统因复杂的实施电控技术的执行机构而多样化。

3 柴油机电子控制技术的发展趋势

3.1 改善柴油机燃油经济性

用户对柴油的燃油消耗始终十分关心。燃油系统必须采取各种措施来实现这一要求。措施有独立于转速和负荷的喷射压力控制、平均喷油压力、高喷射压力、小喷孔和峰值压力之比值尽量大,以及尽可能地把产生喷射持续期结束时的燃油系统内部压力能部分地转化为驱动链的能量等。

3.2 高的喷射压力

为满足排放法规要求,喷射压力从100MPa升高到120MPa直到200MPa[2]。高喷射压力不但可明显改善燃油和空气的混合,降低烟(颗粒)排放,而且大大缩短着火延迟期。若采用减少先期着火时喷入的燃油量,结合推迟喷射正时,就能显著降低排放。

3.3 可变的预喷正时控制

预喷射可降低颗粒排放,并不增加排放,而且改善柴油机冷启动性能,降低柴油机在冷态工况下白烟的排放,还能降低噪声,改善低速扭矩[2],但在不同工况下,预喷射量、与喷射与主喷射之间的时间间隔是不同的。故可变的预喷射控制能力对柴油机的性能和排放十分必要。

3.4 降低驱动扭矩冲击载荷

燃油喷射系统对驱动系统平衡的加载及卸载能力,是衡量喷射系统的一种标准。因为燃油喷射系统在高压力工况下,增加了驱动系统所需平均扭矩及其冲击载荷。

3.5 最小油量控制

燃油系统具有高喷射压力的能力与柴油机怠速所需小流量控制能力往往矛盾。燃油系统具有与喷射能力后将会是控制小油量的能力进一步降低。

3.6 独立的喷射压力控制

传统喷油泵—高压油管—喷油器系统,喷射压力与柴油机负荷有关[2]。这对烟度及低转速、部分负荷条件下的燃油经济性有害。为保证柴油机在部分负荷、低速工况下混合气形成所需足够能量,若按照上述特性,那么标定工况、转速下的喷射压力和系统的机械应力会过高。若系统不采用转速和负荷的喷射压力控制,就能采用最佳的喷射压力的方法使着火延迟期、喷射持续期最优化,和烟度最低,经济性最佳。

3.7 快速断油

喷油结束时,需要快速断油。要求在结束喷时人处于较高喷射压力条件下,使燃油及空气的混合始终很好,直到燃烧结束[2]。若不能快速断油则在低压力下喷射的燃油就会燃烧不充分而冒烟,使HC排放增加。

3.8 独立的喷射正时控制

喷射正时决定着气缸的最高温度及峰值爆发压力,因为其直接影响柴油机上死点前喷入气缸的油量。高的汽缸压力和温度,可改善柴油机经济性,却造成因此实现在燃油消耗率和排放之间最佳组合的关键是具有不被转速和负荷影响的喷射正时控制能力。

4 结论

欧洲在2009年实施欧洲5号排放标准,我国计划在2010年实行欧洲3号标准[3]。为此,对主要国产喷油泵进行电控系统的包括硬件和软件的开发,并尽快实现产业化,同时要专门组织力量,队主要在中、重型车上使用的高压共轨系统及在轻、轿车上使用的时间控制式VE分配泵系统进行联合开发、攻关。

参考文献

[1]赵亚杰,张希武,邹乃威.柴油机高压共轨燃油喷射技术[J].机械工程师,2006(1):94-96.

[2]李春明,焦传君.汽车发动机燃油喷射技术[M].2版.北京:北京理工大学出版社,2005:211-213.

[3]冯立军.汽车电子燃油喷射技术[J].科技与经济,2007(4):65-66.

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