車用電控柴油機的發展與探索

摘 要:本文闡述了電控柴油機的優勢，發動機柴油化的發展現狀，現階段車用柴油機的技術研究，以及柴油機電控技術、排放控制等的應用發展趨勢進行研究。

關鍵詞:柴油機性能技術研究發展趨勢

中圖分類號:TK421文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(c)-0086-02

The development and research of vehicle diesel Engine which is electronic controlled

DU Hong

(Jinbei?Toyota?Technician College，Liaoning Province，110015)

Abstract: Here presents some research about electronic controlled diesel engine in this article:the advances ofelectronic controlled diesel engine，the development condition of engine diesel，the technology study on vehicle diesel engine，and the research on the application trend of electronic control technology，emission control in diesel engine，ect.

Key words:diesel;performance;technology study;development tendency

1 柴油機發展的必要性

當今能源短缺尤其是石油短缺是全球性的問題，而作為經濟快速增長的中國在能源方面保持著強勁的需求。當前，中國資源的“紅燈”已經亮起，其中石油資源的短缺十分突出。同時，我國汽車數量的增長將成為工業增長最重要的拉動力之一。據預測，到2020年中國城鎮居民家庭用車保有量將達到6833萬量。汽車燃油消耗約占全國石油消費的三分之一。而我國機動車燃油經濟性水平普遍偏低，總體而言比歐洲低25%，比日本低20%，比美國整體水平低10%。因此如何有效降低汽車的燃油消耗，是我國在大力發展汽車工業時不得不面對的嚴峻問題。在2005年，國家發改委與科技部共同組織起草的《中國節能技術政策大綱》征求意見稿再次提出“要鼓勵發展節能型轎車和柴油車”。

2 電控柴油機的主要特點

今年來柴油機電控技術的發展勢頭是令人矚目的，柴油機采用電控技術以后，可以實現更為復雜的控制規律，且隨著電控技術的逐步發展和不斷成熟，更容易滿足人們對柴油機所提出的種種苛刻要求。與傳統柴油機相比較，采用電控技術的現代柴油機具有以下主要特點:

(1)柴油機經濟性和排放性更好。(2)工作可靠性高。(3)低溫起動更容易。(4)運轉更穩定，響應快、精度高。(5)適應性強。(6)動力輸出和負荷匹配更精確。(7)結構緊湊，維修方便。

3現階段車用柴油機的發展情況

采用電子控制技術是當前柴油機技術發展的重要方向之一。早在20世紀70年代，世界上許多發達國家就已競相開發柴油機電子控制技術。到目前為止，柴油機電子控制系統的發展主要經歷了以下幾個階段。

3.1 電控直列噴油泵

電控直列式噴油泵是在直列泵基礎上發展起來的電子控制燃油噴射裝置，它具有噴油量與噴油定時控制功能或只具備其中一種功能，有些控制系統還具有噴油壓力和噴油速率等控制功能。

電控直列泵的噴油量控制裝置為電控調速器。電控調速器使噴油量隨轉速變化的控制易于實現，而且其響應速度比機械式或機械液壓式調速器快得多，因此，使用范圍非常廣泛。電控調速器按執行機構的不同可分為電子調速器及電子液壓式調速器。

3.2 電控單體泵系統

德國Bosch公司的電控單體泵系統，采用較短的高壓油管，可實現較高的噴油壓力，最高噴油壓力可達到160Mpa，該系統采用高速電磁閥控制噴油定時及噴油量。

3.3 電控分配泵

柴油機電控分配泵的噴油量及噴油定時的控制一般采用高速電磁閥，電磁閥的閉合時刻對應著噴油定時，電磁閥從閉合到開啟的時間確定了噴油量。如日本豐田公司的ECD-2型電控VE泵。德國Audi公司轎車用柴油機也采用電子控制分配泵。

3.4 電控泵噴嘴系統

電子控制泵噴嘴系統可分為機械驅動式和蓄壓式兩種，目前發展最完善的電控泵噴嘴系統是機械驅動電控泵噴嘴系統。現在產品的噴油壓力已高達150Mpa以上甚至有的產品達到200MPa以上。機械驅動式電子泵噴嘴系統在國外已獲得充分發展，從單缸排量不足1L的小型柴油機到單缸排量大到幾升的重型柴油機都獲得了令人滿意的使用效果。

今年來，電控蓄壓式泵噴嘴的研究比較活躍。因為它不需要機械驅動裝置和機械調節裝置，因此可以在不重新設計柴油機的情況下發揮泵噴嘴的優點。如美國卡特彼勒公司的電控蓄壓式泵噴嘴系統HEUI，該系統的主要特點是:將電控和液壓技術相結合，按時間控制噴射過程和噴射壓力。該系統的工作與發動機轉速無關，可在寬廣的工況范圍內保持較高的噴油壓力，最高噴油壓力可達150MPa，具有噴油速率控制功能，對初始供油期、備燃期和主噴射期間的供油量進行優化控制，應用該噴油系統的柴油機的煙度、顆粒和N0x排放以及相應性都獲得了改善。

3.5 電控共軌燃油技術

20世紀90年代研制出了一種全新的燃油噴射系統電控共軌燃油系統。該系統雖然正式問世不久，但已顯示出它的巨大的優越性。

通過各種傳感器檢測出發動機的實際運行狀態，通過計算機的計算和處理，可以對噴油時間、噴油壓力和噴油率進行最佳控制。

第一代蓄壓式電控共軌系統出現在20世紀末。第二代高壓電控共軌系統緊接著在21世紀初就出現了。隨著排放法規的日益苛刻，柴油機高壓電控共軌系統的技術發展必將以驚人的速度向前發展。

4 現代柴油機的先進技術

經過多年的研究和新技術應用，柴油機的技術現狀已與以往大不相同。現代先進的柴油機一般采用電控燃油噴射、高壓共軌、渦輪增壓中冷等技術，在重量、噪聲、煙度等方面已取得重大突破，達到了汽油機的水平。

4.1 “時間控制”燃油噴射技術

在傳統柴油機燃料供給系統中，供油的開始與結束時刻，都是供油提前角自動調節機構、高壓油泵和噴油器這些機械裝置來控制的。現代柴油機通過有ECU控制的高速電磁閥來直接控制供油的開始和結束時刻，利用高速電磁閥動作頻率高、控制靈活的特點，使控制供油量和供油正時的精度大大提高，并且能方便地實現預噴射和優化噴油規律等功能。

4.2 渦輪增壓及增壓中冷

柴油機通過增壓和增壓中冷可達到接近相同排量汽油機的功率，并且在低、中轉速的扭矩明顯高于汽油機。此外，采用增壓和增壓中冷的柴油機比一般柴油機的經濟性也有很大改善。更重要的是，因為增壓中冷可降低進氣溫度從而大大改善了N0x排放。當今柴油機增壓和增壓中冷已成為標準特點。隨著發動機的輕量化與小型化，為了降低車輛油耗，提高車輛裝載效率，必須繼續提高增壓比及增壓器效率。進一步提高大負荷區的過量空氣系數可以減少顆粒排放，同時通過稀燃化，減少熱損失，提高循環效率，進而同時降低油耗。隨著高增壓化，組裝有多個增壓器的復合系統已成為可能。另外，增壓器固定的噴嘴幾何形狀也將由可用于多用途的電控可變幾何形狀所取代。

4.3 多氣門結構

多氣門結構一般是指3個或3個以上的進排氣門布置。目前最為流行的是4氣門(2進2排的布置)結構。4氣門在大型柴油機上應用較早，現在逐漸向小型柴油機領域發展，最先用于缸徑為85mm的小型轎車用直噴柴油機上。4氣門可以減少換氣損失，特別是可以提高低速范圍內的充氣效率，從而改善低速扭矩;又可使活塞上燃燒室凹坑和缸蓋上的噴油器位置布置在氣缸中央，從而改善了進氣渦流及油霧分布的均勻，以及改善活塞和噴油器的冷卻條件。

另外，因為可在不同轉速下實現渦流比可變，空氣利用率高，從而使N0x和顆粒排放達到最低效果。但因這種結構增加了成本和復雜性，故在排放要求不十分嚴格時在小型柴油機上一般傾向于不采用，但如按歐Ⅲ的要求則必須采用。

5 柴油機電控技術的應用研究

電控柴油機在近10年發展較快，尤其是轎車用柴油機。目前對燃油噴射時間、噴射量、慣性增壓、增壓器、進氣渦流及廢氣再循環(EGR)等都能實現電子優化的可變控制，從而對降低排放、減少油耗、提高輸出功率和起動性能等有很大作用。但這些控制中的多半內容，如EGR、自動診斷等，還有很多技術不夠完善，有待進一步研究和開發。今后還將繼續開發其它方面的電子可變控制結構，尤其是與整車協調統一的綜合化的全電子控制系統。借助電控系統可以根據需要達到以下目的:

(1)在運轉中，控制保持最佳的供油量、噴油定時甚至供油速率，也可實現預噴射，以保證在各種工況下的動力性、經濟性及排放性能都能得到綜合的優化結果，并同時保證所要求的加速性能、調速性能及其它特定的性能。(2)對整個增壓系統進行控制，包括放氣閥、可變幾何噴嘴截面裝置、中冷器旁通等。(3)控制煙度極限功率，得到所需各種不同的功率和扭矩特性曲線。(4)控制啟動和暖車過程，得到良好的啟動性能和消除啟動冒煙。(5)自動進行高海拔條件下的補償以及根據油溫進行自動補償。(6)在小負荷情況下實現停缸運轉并可根據發動機負荷情況自動調整怠速轉速。(7)根據不同工況控制廢氣再循環。(8)自動控制冷卻風扇。(9)實現顫振阻尼以提高駕駛性能。(10)與整車的電控系統相聯接，實現順序換擋、巡駛控制等操作。

6 柴油機排放控制及降噪技術的研究

對如何降低NOx及顆粒當前所采用的對策:一是采用機內凈化技術，即從根本上避免生成NOx及顆粒。如避免產生缸內高溫條件，改進燃燒室形狀、供油系和改善缸內的空氣流動等。再就是采用機外凈化技術，即排氣后處理技術等。

目前流行的主要排放控制措施:

(1)噴射性優化:改善燃油噴射正時特性，采用電子控制噴油泵，根據發動機負荷選取最佳噴射時間與壓力。還可采用預噴射法。(2)渦流室:采用陶瓷材料，提高燃料著火性能;采用副噴嘴，改善紊流強度和燃燒。(3)直噴式燃燒室:開發各種帶有紊流發生罐式的燃燒室，通過調整噴嘴、紊流強度來改善燃燒，控制排放。(4)廢氣再循環(EGR):根據發動機負荷、轉速，將部分廢氣引入氣缸再循環，可以降低燃燒溫度，減少NOx排放。現已發展到用計算機控制進氣節流和再循環廢氣率。另外如對引入廢氣進行冷卻則效果更佳。

參考文獻

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