柴油机电控技术的发展_姚层林

农业装备与车辆工程

农业装备与车辆工程ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｎｏ．７２００７

（Ｔｏｔａｌｌｙ１９２）

柴油机电控技术的发展

姚层林，李素华

（江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉４３００５６）

摘要：从柴油机发展面临的问题入手，介绍了柴油机电控技术的几种型式：电控柴油喷射技术、针对排放的电控技术和柴油机电控管理技术，并阐述了柴油机电控燃油喷射技术在不同车型中的应用及今后的发展趋势。关键词：柴油机；电控技术；发展；高压共轨系统中图分类号：ＴＫ４２１＋．４

文献标识码：Ｂ

文章编号：１６７３－３１４２（２００７）０７－００１０－０３

ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＤｉｅｓｅｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＹＡＯＣｅｎｇ－ｌｉｎ，ＬＩＳｕ－ｈｕａ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ４３００５６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｒｔｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｔｈａｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｉｓｃｏｎｆｒｏｎｔｅｄｗｉｔｈ，ａｆｅｗｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｄｉｅｓｅｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎ，ｆｏｒｅｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｆｏｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．Ａｎｄｖａｒｉｏｕｓｖｅｈｉｃｌｅｍｏｄｅｌｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｓｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｄｉｅｓｅｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｕｓｅｄａｒｅｓｅｔｆｏｒｔｈ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；ｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｍｍｏｎｒａｉｌｓｙｓｔｅｍ

在过去的１００年中，柴油机得到了非常大的发展，这不仅表现在使用范围上，从船用扩大到机车、工程机械和发电等多种领域，同时由于柴油机具有的独特优点，其使用率仍在不断扩大，而且在质量、性能方面，也经历了飞速发展，单机功率不断扩大，油耗不断降低。目前，柴油机仍然是各种动力装置中热效率最高的一种，具有广阔的应用范围。

的产量外，要进一步开发其他的代用燃料如ＬＰＧ（液化石油气）、乙醇和氢气等。所谓“节ＣＮＧ（天燃气）、流”就是要提高发动机和整车的效率和燃油经济性，减少燃料的消耗。

车辆排放控制的对策有几种：一是在用车的改造，二是代用燃料，三是新车的技术进步。但在用车改造存在一些问题：无法根据燃料的特性对发动机进行优化匹配；因发动机的原始状态不同，改装后的效果可能不同，有可能反而恶化排放质量等。目前代用燃料技术也有许多不尽理想之处，近期代用燃料不可能成为发动机燃料的主流。所以新车的技术进步将是发展柴油机技术不懈的追求。

１柴油机发展面临的问题

目前柴油机发展面临的问题主要有两个，即能源问题和排放问题。

世界能源消费自１９７８年以来就出现强劲增长。其中，亚太地区的石油消耗的增长尤为迅速。我国是一个石油消耗大国，从１９９３年我国成为石油纯进口国以来，进口量越来越大，２００４年原油进口达到

２柴油机电控技术

除去代用燃料外，柴油机电控技术将解决柴油机面临的两大问题，包括电控燃油喷射系统、排放控制技术和柴油机电控管理系统等。

９０００多万ｔ，预计到２０１０年，我国的石油消费将达

到３．５～３．８亿ｔ。因此，能源供应方面的压力越来越

大。其次就是排放问题，柴油机的排放污染物，包括一氧化碳（ＣＯ），碳氢化合物（ＨＣ），氮氧化合物（ＮＯＸ），微粒（ＰＭ）等，这些成分的质量总和在柴油机排气中所占的比例虽然还不到１％，但它们是有害的，因此被列为有害排放物。

面对巨大的石油供应压力，我们的对策可以概括为：开源、节流。“开源”就是除了增加汽油和柴油

收稿日期：２００７－０２－２７

作者简介：姚层林（１９７２－），男，湖北武汉人，工程师，２００４年硕士毕业于华中科技大学计算机专业，从事汽车电子电器及电控系统的研究工作。

２．１电控柴油喷射技术

在燃油喷射方面，欧Ⅲ排放标准以后的柴油机典型的喷射系统有４种：电控分配泵技术、电控泵喷嘴技术、电控单体泵技术和电控高压共轨喷射技术。

２．１．１电控分配泵技术

电控分配泵技术也称位置控制系统，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———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电子伺服机构控制。这项技术１９９０年已经投入使用，喷油压力能

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姚层林等：柴油机电控技术的发展２００７年７月

够达到１００ＭＰａ。就分配喷油泵而言，目前已经开始生产第４代产品。被命名为ＶＰ４４的第４代分配泵将高压油泵技术和电控技术结合在一起。这些系统使直喷高性能柴油机能满足越来越严格的排放法规和降低燃油消耗的需求。目前即使不带ＮＯｘ（氮氧化物）和颗粒过滤器的系统也已达到了欧Ⅲ排放标准的要求。目前，博世公司正在开发满足未来欧Ⅳ标准的系统。最新一代的分配泵可将喷射压力提高到１８５ＭＰａ。

２．１．２电控泵喷嘴技术

泵喷嘴将油泵和喷嘴集成在一起，通过高精度喷射高速电磁喷油器和高效电子单元保证精密喷射功能。这套系统是专为全新概念设计的发动机而开发的，每缸一个喷油器被安装在发动机缸头的气门之间，并通过发动机凸轮轴驱动。而电磁喷油器以低于１ｍｓ的极短切换时间进行工作。可以通过

ＥＣＵ来校正喷油器特性。高喷射压力可降低排放。单柱塞泵喷嘴系统和电控单体泵系统产生２００ＭＰａ

甚至更高的喷射压力。最新一代的轿车用泵喷嘴系统可匹配高功率、低排放和低噪声的发动机。泵喷嘴系统的嘴端压力最大可达到２０５ＭＰａ，通过机械和液压方式可以使全喷油量分成预喷和主喷两部分，这样便可降低燃烧噪声，预喷时的喷油量只有１．５ｍｍ３。

泵喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式预喷射，这很符合柴油机的要求。但电控泵喷嘴技术的喷油压力受柴油机转速影响。

２．１．３电控单体泵技术

电控单体泵在泵喷嘴的基础上衍生出来，除了

压力较泵喷嘴稍低一点外，其他功能基本和泵喷嘴相近。

德尔福电控单体泵系统是目前欧洲中重型载重车市场应用最广的电喷系统之一，该系统不但可以提供完美的排放控制，达到欧Ⅲ、欧Ⅳ排放要求，并且具有优越的可靠性和燃油品质适应性，已有可以达到１００万ｋｍ可靠运行的实例。同时，该系统还提供了大量的整车辅助控制功能，利于优化车机匹配，实现整车网络控制。

单体泵技术更适应国内的维修市场以及国内的油品品质，在成本上，单体泵维护成本较低，但制造成本相对高压共轨（喷射装置）要高。

２．１．４电控高压共轨喷射技术

使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决喷油压力受柴油机转速影响的问题。共轨喷射技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制装置（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。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供，通过公共供内的油压实现精确控制，使高压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变化的程度。ＥＣＵ控制喷油器的喷油量，其大小取决于燃油轨道（公共供）压力和电磁阀开启时间的长短。该技术通过共轨直接或间接的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启闭，定时定量的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，以及最佳的发火时间、足够的能量和最少的污染排放。

目前博世公司已经开发出了更先进的共轨燃油喷射系统（ＣＲＳ），这个系统开辟了进一步降低油耗和排放的新途径。目前所采用的第二代共轨系统从

２００１年开始批量生产，它可产生高达１６０ＭＰａ的最

大喷油压力。共轨系统很容易取代传统的喷油系统，未来共轨系统的技术将有更大的发展。未来发展需要进一步提高喷射压力并实现多次喷射，主喷射有较低的初始喷射速率。各企业实现这些要求的技术路线不同，有的通过传统的电控共轨系统，也有的通过电控液力放大共轨系统，如ＢＯＳＣＨＣＲＩＮ４液力放大共轨系统或德尔福的双电磁阀电控泵喷嘴系统。

高压共轨技术在国内的应用瓶颈是材料，持续高压对发动机的可靠性是严峻考验。此外，国内的油品质量较差，容易导致高压共轨油嘴的密封带出问题，排放不能达到要求。所以进口重型卡车也不敢贸然将高压共轨技术引进国内市场。

德尔福在中国市场针对中轻型车推广共轨技术，针对重型车提供泵喷嘴和单体泵技术；博世电喷系统最新技术已经由电控共轨发展到电控液力放大系统，博世在中国市场主推高压共轨系统；电装目前正在研发第３代、第４代共轨系统。

２．２针对排放的电控技术

除了柴油机电控燃油喷射可以降低排放外，柴油机一般还有单独的排气处理技术，如废气再循环

ＥＧＲ技术。ＥＧＲ系统是将柴油机产生的废气的一小

部分再送回气缸。由于柴油机中富余的氧气较多，当送回汽缸的废气与新鲜空气混合后，该过程导致气缸内氧气浓度降低，使燃烧速度减慢，燃烧温度下降，从而减少有害成分氮氧化物（ＮＯｘ）的形成。

柴油机一般有三个处理单元，第一个是氧化单元，主要针对一氧化碳和碳氢化合物；第二个是颗粒物处理单元，第三个是针对ＮＯｘ的处理单元。不同

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２００７年第７期农业装备与车辆工程

公司后两个处理单元的顺序可能不同。２．３柴油机电控管理技术

柴油机电控管理技术和燃油喷射电子控制技术是柴油机智能化技术的组成部分。电控管理技术是将柴油机及其主要零部件工作状态的实时监控、自动记录与处理以及维护保养为一体的电控管理系统。ＭＴＵ８０００型系列柴油机采用了ＭＤＥＣ（ＭＴＵ

ＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌ）柴油机管理系统，它对柴油机

的所有功能和参数进行精密测控，使柴油机发挥最佳效果。同时，该系统还设有联合控制设施，使柴油机的控制纳入整个系统的监测装置，从而形成一套完整的控制系统。ＭＡＮＰ＆Ｗ公司从１９９２年就开始研究电控智能化柴油机，并且在１９９３年开始在４Ｔ５０ＭＸ试验机上试验，高压油泵、

排气门均由电控油压执行，气缸润滑和柴油机起动采用电控，柴油机与电液控制系统及一些电子监控系统综合在一起，称之为“智能柴油机（ＩＥ）”。从２０００年开始，电控管理系统已陆续应用于７Ｓ６０ＭＥ－Ｃ等柴油机上。

３柴油机电控燃油喷射技术的应用

各种电控燃油喷射技术各有自己的优缺点。从应用的领域来看，电控分配泵技术可以用在轻型卡车和轿车上，电控单体泵技术主要用于中、重型卡车，电控泵喷嘴技术可用于轻型卡车、

轿车，也可用于重型卡车，高压共轨技术应用范围也比较广，但不太适合重载柴油机，采用新技术后的共轨系统发动机的排量范围可以得到拓展。在中、重型柴油机领域，通常倾向于将共轨系统与单体泵对比，从某种程度来讲，共轨系统最大优势是低噪音、高喷射稳定性和灵活的喷射过程控制，它的不足是匹配标定的周期长、环节多、油品适应性差，一般需要四气门和

ＥＧＲ（废气再循环装置）。单体泵最大优势是喷油规

律，并可使用两气门和传统的机械喷油器，油品适应性强，换代成本低，最大不足是灵活性和低速时的喷油稳定性较差，噪音没有明显改善。因此针对满足欧Ⅲ法规来说，电控单体泵技术在中、重型卡车上是有相对优势的。

国内主流主机企业的欧Ⅲ动力基本采用的都是单体泵或共轨技术。如玉柴，其原则是中重型发动机采用单体泵，中轻型采用共轨。国外目前３００马力以上的主流发动机普遍还是采用单体泵技术，如奔驰欧Ⅴ排放之前的产品全部是用单体泵，到欧Ⅵ才可能采用高压共轨技术。此外，国内的油品质量较差，容易导致高压共轨油嘴的密封带出问题，排放

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不能达到要求。所以进口重型卡车也不敢贸然将高压共轨技术引进国内市场。相反，单体泵技术更适应国内的维修市场以及国内的油品品质；在成本上，单体泵维护成本较低，但制造成本相对高压共轨要高。专家认为共轨是今后惟一的发展方向，其他产品都属于过渡产品。单体泵的价格优势有时是可以转变的。当一种新技术大家都采用时，批量必定增大，这样成本就降低了。

欧洲市场重型柴油机８５％以上都是采用电控单体泵技术，而美洲市场则偏向于高压共轨技术。国内，锡柴“奥威”机采用的是高压共轨技术，杭发采用了单体泵加共轨的“泵轨”技术，并选择了在重型商用车方面有比较优势的日本电装的燃油喷射系统，大柴欧Ⅲ动力与德国道依茨公司合作研发，同样采用了欧洲偏爱的单体泵技术，潍柴欧Ⅲ发动机采用的是共轨技术。

４结束语

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射时，柴油机电控系统的成本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Ⅲ排放标准，电控技术已在需要满足欧Ⅲ排放标准的柴油机上普遍使用，但一些研究机构和大的厂商则早已着手研制满足欧Ⅳ排放标准的电路电控柴油机。

柴油机电控技术的发展主要沿着以下方向进行：（１）随着柴油机的广泛应用及人们对环境保护的深入，新一代的电控共轨系统是电控燃油喷射系统的发展趋势；（２）随着计算机技术、网络技术和信息技术的发展，将会出现更加完善的电子控制系统，实现智能化的柴油机是柴油机电控技术发展的必然趋势。

参考文献

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