柴油机电控技术发展三个阶段的技术简介

●  柴油机供（喷）油量控制

    一、位置控制方式 

    柴油机供（喷）油量的控制方法随供给系统的类型而异。

    第一代柴油机电控燃油喷射系统主要以电控直列柱塞泵或电控转子分配泵为特征。

    1.直列柱塞泵的供油量控制

    “位置控制”的直列柱塞泵供油量控制装置一般采用占空比控制型电磁阀（简称占空比电磁阀）式或直流电动机式电子调速器。

    2.转子分配泵的供油量控制

    “位置控制”的转子分配泵供油量控制装置，一般采用转子式或占空比电磁阀式电子调速器。

    第一代位置控制系统

    位置控制系统不仅保留了传统的泵－管－嘴系统，还保留了原喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条或者滑套的运动位置予以电子控制。

    日本Denso公司的ECD－V1，德国Bosch公司的EDC和日本Zexel公司的COVEC等都属于位置控制的电控分配泵系统。日本Zexel公司的COPEC，德国Bosch公司的EDR系统和美国Caterpillar公司的PEEC系统等都属于位置控制的电控直列泵系统。

    二、时间控制方式

    供油量的“位置控制”特点是用模拟量来控制执行元件工作，通过对喷油泵油量控制机构的定位来得到所需的供油量。不论采用何种类型的电子调速器，总是需要由部分机械装置来完成对喷油泵供油量的调节，也会降低控制精度和响应速度。所以继供油量“位置控制”之后出现了“时间控制”。

    1.转子分配泵的供油量控制

    在回油通道中安装一个有ECU控制的高速电磁阀来控制回油通道的开闭，也就实现供油量的“时间控制”。“时间控制”的转子分配泵取消了油量控制滑套和泵油柱塞上的回油槽（或孔）。

    2.P-T喷油器的供油量控制 

    取消了原P-T燃油系统中结构复杂的调速器和喷油器中的计量装置，使燃油供给系统大为简化。

    高速电磁阀关闭的时刻即是喷油开始时刻，高速电磁阀关闭的持续时间决定了喷油量。

    第二代时间控制系统

    时间控制系统是用高速强力电磁阀直接控制高压燃油，一般情况下，电磁阀关闭，开始喷油；电磁阀打开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽和提前期等全部取消，对喷射定时和喷射油量控制的自由度更大。

    日本Zexel公司的Model-1电控分配泵，美国Detroit公司的DDEC电控泵喷嘴、德国Bosch公司的EUP13电控单体泵都属于时间控制系统。我国专家欧阳明高和丹麦Sorenson研制的“泵－管－阀－嘴（Pump/Pipe/Valve/Injector－PPVI）”电控燃油喷射系统也属于第二代电控喷射系统。

    三、时间－压力控制方式

    第二代柴油机电控燃油喷射系统中最典型的是电控共轨式燃油喷射系统。在电控共轨式燃油喷射系统中，对喷油量的控制采用“时间－压力控制”或“压力控制”，用的最多的是“时间－压力控制”方式。

    在该系统中，ECU控制供油压力调节阀使喷油器的喷油压差保持不变，再通过控制三通电磁阀工作实现喷油量和喷油正时的控制。电磁阀通电开始时刻决定了喷油的开始时刻，其通电时间决定喷油量。

    四、压力控制方式

    在后期开发的柴油机电控共轨式燃油喷射系统中，为降低对供油压力的要求，喷油量的控制采用控制喷油压力的方法实现，即喷油量的“压力控制”方式。

    喷油器喷孔尺寸一定，喷油时间一定，控制喷油压力即可控制喷油量；而在增压活塞和柱塞尺寸一定时，喷油压力（即增压压力）取决于共轨中的油压，共轨中的油压是由ECU根据各种传感器信号通过燃油压力调节阀来控制的，所以将此种喷油量控制方式称为“压力控制”方式。在系统中，ECU根据实际的共轨压力信号对共轨压力进行闭环控制。

    第三代共轨电控喷射系统

    共轨式电控喷射系统改变了传统的柱塞泵脉动供油的原理，通过油锤响应、液力增压、共轨蓄压或者高压共轨等形式形成高压。采用压力时间式燃油计量原理，用电磁阀控制喷射过程，可以实现对喷射油量和喷射定时的灵活控制。

    高压共轨系统被世界内燃机行业公认为20世纪三大突破之一，将成为21世纪柴油机燃油系统的主流。德国Bosch公司、日本Denso公司和英国Lucas公司都研制出了电控高压共轨系统，并开始小批量向市场供货。

    德国戴姆勒•奔驰公司利用Bosch公司的技术首先在世界范围内推出了采用新型高压共轨燃油喷射系统的4气门直喷式柴油机，并用于A、C级轿车上。日本Hino公司利用Denso公司的技术在新型K13C型柴油发动机和J系列柴油发动机上均采用了高压共轨系统，日本Mitsubishi公司也利用Denso公司的技术在重型柴油发动机上应用了高压共轨系统。

    第三代共轨电控喷射系统基本特点

    高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。其主要特点可以概括如下：

    1.共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。

    2.通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。

    3.通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。

    第三代共轨电控喷射系统的典型系统

    高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器。供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。

    第三代共轨电控喷射系统的喷射系统

    预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内发生预混合或者部分燃烧，缩短主喷射的着火延迟期。这样缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发动机工作比较缓和，同时缸内温度降低使得NOX排放减小。预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的冷起动性能。
主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。

    提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放。