柴油机电子控制系统发展

1、柴油发动机电子控制技术目录一. 引言 .（1）二. 柴油机的诞生 （2）三. 柴油机的基本概述 （3）（一）柴油机的分类 （3）（二）柴油机的燃烧过程 .（4）（三）柴油机电控系统的组成 .（4）（四）柴油机电控技术的特点 .（6）四. 柴油机电子控制技术的发展状况 .（7）（一）发展与环保政策 .（7）（二）我国柴油机应用技术现状 .（11）（三）国外柴油机应用的先进技术 .（12）五. 柴油机电子控制技术的发展趋势 （ 12）（一）电子控制技术的发展趋势（12）（二）柴油机电控系统发展趋势 .（14）（三）柴油机的推广和应用发展 （16）六. 总结 （18）参考文献 （19）-1 -柴油机

2、电子控制系统发展摘要： 柴油机是目前产业化应用的各种动力机械中热效率最高、 能量利用率最好、最节能的机型，它已经成为汽车、农业机械、工程 机械、船舶、内燃机车、地质和石油钻机、军用、通用设备、移动和 备用电站等装备的主要配套动力。 本论文分析的主要方向是汽车柴油 发动机电子控制技术的发展。关键词：柴油机、电子控制系统、发展趋势、环保政策Key words: diesel engine 、 electronic control system Development trend 、 environmental protection policy一、引言汽车是人类物质文明重要的一个组成部分，随着电子

3、技 术在汽车行业的广泛渗透和应用，使得现代汽车产品已不再 是单纯的机械结构，而是机械、电子、信息、计算机与自动 控制等集成机电一体化产品。国外汽车运用电子技术从 20 世纪 60 年代开始，而大规 模的运用在 90 年代后。从汽车电子化发展进程看，可分为 三个阶段，从 20 世纪 60 年代中期到 70 年代末期，汽车上 运用电子技术主要是对汽车电器产品进行电子技术改造，以 改善部分性能。进入 70 年代，随着汽车工业的快速发展， 汽车需求数量呈直线增长，汽车排放公害日益严重，能源危 机问题日益突出，以及汽车的安全问题迫使各国政府出台相20应的法规，使各国汽车生产厂无不感到巨大压力。所幸的是

4、从 70 年代末期到 90 年代中期，由于电子工业的长足发展， 别特是集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路技术 的飞速发展，为人们在汽车上广泛采用电子技术提供了可 能，形成汽车电子技术发展的第二阶段。这一阶段的主要特 征是，广泛采用机电一体化装臵，解决机械系统无法解决的 复杂的自动控制问题，强调解决汽车的安全、环保及节能三 大问题，从而引发世界的汽车技术革命。第三阶段，从 世纪 90 念叨中期至今，其特征是强调以人车环境为主 线的系统工程整体优化，主要体现在智能化上。可以相信， 随着电子技术、信息技术、能源技术、新材料技术、人类科 学及其他新科学技术的近一步发展，汽车将更好地为人类服 务

5、。二、柴油机的诞生柴油机的名称，至今在很多地方仍然被称为“狄塞尔发动机”。 那是因为世界第一台柴油机的发明者是德国工程师鲁道夫狄塞尔 (Rudofl Diesel) ，1892 年他首创了压缩点火式内燃机，为内燃机的 发展开拓了新途径。第二年，MAf公司根据这一专利，制造出了世界上第一台柴油发 动机的原型机，并取名叫“狄塞尔”发动机。然而，狄塞尔并不满足 于这一发明，经过 5 年的试验， 1897 年制成了第一台具有实用价值 的高压缩型自动点火内燃机， 即压燃式柴油机。 气缸直径为 15 厘米， 活塞冲程为 40 厘米。它加长了燃烧过程前的压缩过程，这是内燃机 技术的第二次突破。 历史上第一台

6、柴油机就此诞生了。 这款发动机能 将 26的燃料潜能转变成动力。1924 年，美国的康明斯公司正式采用了泵喷油器，这一发明有 效地降低了柴油机的质量。1936 年，奔驰公司制造出第一台装有狄塞尔发动机的轿车。一 直到 1950 年左右，柴油机才得以广泛应用。三、柴油机的基本概述（一）柴油机的分类柴油机可按不同特征分类： 按转速分为高速、 中速和低速柴油机； 按燃烧室的型式分为直接喷射式、 涡流室式和预燃室式柴油机等； 按 气缸进气方式分为增压和非增压柴油机； 按气体压力作用方式分为单 作用式、双作用式和对臵活塞式柴油机等；按用途分为船用柴油机、 机车柴油机等。低速柴油机和部分中、高速柴油机主要

7、用无涡流的开式燃烧室。小型高速柴油机大多采用有涡流的半开式燃烧室（二）柴油机的燃烧过程柴油发动机的燃烧过程一般分为着火延迟期、 速燃期、缓燃期和 后燃期四个阶段。着火延迟期是指从燃料开始喷射到着火， 其间经过喷散、 加热蒸 发、扩散、混合和初期氧化等一系列物理的和化学的准备过程。它是 燃烧过程的一个重要参数， 对燃烧放热过程的特性有直接影响。 在着 火延迟期内喷入燃烧室的燃料， 在速燃期内几乎是同时燃烧， 所以放 热速度很高，压力升高也特别快。缓燃期阶段中燃料的燃烧取决于混合的速度。 因此，加强燃烧室 内的空气扰动和加速空气与燃料的混合， 对保证燃料在上止点附近迅 速而完全地燃烧有重要作用。柴

8、油机的混合和燃烧时间很短， 以致有些燃料不能在上止点附近 及时烧完， 而拖到膨胀行程的后期放出的热量不能得到充分利用， 因 此应尽量避免燃料在后燃期燃烧。 燃烧室的优劣对柴油机的性能有决 定性的作用， 因此是柴油机设计的关键。 燃烧室按组织燃烧过程的特 点和结构不同分为开式、半开式、预燃室式和涡流室式四类。前两类 属于直接喷射式燃烧室；后两类属于分隔式燃烧室。（三）柴油机电控系统的组成 柴油机电控系统通常由传感器及信号输入装臵、电子控制单元- 5 -(ECU和执行器三部分组成。下面是柴油机电控系统组成的电路图li'rurn图1柴油机魅料电控 烦射系绑的姐咸I燃油箱I 2喷袖泉总 成I

9、2A-压力栓制阀 PCX喷油杀I戈C手油4G 21A供油 魚 2K旁 ilfi 2F-G 01轴转角惟罟传遵器.3-逆油谑芯* 4-&流 阀,-公共汕曲6-IU sra. 了一流垦冲濤I X-喷油器】lO-l-CU(Krfj 机控制Sh H-NE(转 速传感器1. 传感器及信号输入装臵它是检测柴油机与汽车的运行状态， 并将其输入到ECU中去。在柴油机上使用的传感器主要有：加速踏板位臵传感器、转速传感器、 泵角传感器、溢流环位臵传感器、正时活塞位臵传感器、控制拉杆位 臵传感器、控制套筒位臵传感器、着火正时传感器、水温传感器、进 气压力传感器、进气温度传感器、E/G开关、A/C开关、动力转

10、向油 压开关、空挡启动开关等。2.电子控制单元(ECU它负责信号的采集和处理，计算决策和执行程序，并将结果为控 制指令输出到执行器。此外，它还有通讯功能，和其他的控制系统进 行数据传输和交换，再根据汽车运行实情对执行器输出指令作适当的 修正。传执 行*发一 油动;器;机图2柴油机电控系统组成框架图3.执行器执行器由执行电器和机械执行机构组成，主要有：电动调速器、 溢流控制电磁铁、电子控制正时控制阀、电子控制正时器、电磁溢流 阀、高速电磁阀和电子液力控制喷油阀器等。 这些执行器实质上是电 磁铁、螺旋管、直流电动机、步进电动机和力矩电动机等电器。压力控制图3系统控制系统（四）柴油机电控技术的特点柴

11、油机的电控喷射系统是通过控制喷油时间来调节输出油量的大小，且柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位臵（油门、供油拉杆位臵）来决定的。柴油机电控技术有两个明显的特点：一是 柴油喷射电控执行器复杂，二是柴油电控喷射系统的多样化。1.柴油机是一种热效率比较高的动力机械柴油机燃油喷射具有咼压、咼频、脉动等特点。其喷射压力咼达200MPa为汽油机喷射压力的百倍以上。对燃油高压喷射系统实施喷 油量的电子控制，困难大得多。而且柴油喷射对喷射正时的精度要求 很高，相对于柴油机活塞上止点的角度位臵远比汽油机要求准确，这就导致了柴油喷射的电控执行器要复杂得多。12. 由于柴油机的喷射系统形式多样传统的柴油机具

12、有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统。实施电控技术的执行机构比较复杂， 形成了柴油喷射 系统的多样化；同时柴油机需要对油量、定时、喷油压力等多参数进 行综合控制，其软件的四、柴油机电子控制技术的发展状况（一）发展与环保政策柴油机电子控制技术始于20世纪70年代，20世纪80年代以来,英国卢卡斯公司、德国博世公司、奔驰汽车公司、美国通用的底特律-9 -柴油机公司、康明斯公司、 卡特彼勒公司、日本五十铃汽车公司及小 松制作所等都竞相开发新产品并投放市场， 以满足日益严格的排放法 规要求。但在 20世纪 90年代后半期， 柴油机发生了一次重大的技术 变化，即有柴油发动机心脏之称的燃

13、油喷射系统从机械式转向电子控 制式。这个变化极大地改善了柴油发动机的技术性能。由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油 机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。 因此柴 油机的使用范围越来越广， 数量越来越多。同时对柴油机的动力性能、 经济性能、 控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。 依靠传统的 机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、。近年 来，随着计算机技术、 传感喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转 的要求器技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、 体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求， 并且电子控制燃 油喷射很容易实现

14、。实际上，柴油机排气中CO和HC比汽油机少得多，NOX非放量与 汽油机相近，只是排气微粒较多，这与柴油机燃烧机理有关。柴油机 是一种非均质燃烧， 可燃混合气形成时间很短， 而且可燃混合气形成 与燃烧过程交错在一起。 通过分析柴油机喷油规律得到： 喷入燃料的 雾化质量、汽缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程 的进展以及有害排放物的生成。 提高喷油压力和柴油雾化效果、 使用 预喷射、分段喷射等可以有效的改善排放。面对市场需求的压力和重要的技术突破， 国际上有关的大公司都 对开发新一代燃油喷射系统进行了大量投入。上世纪 80 年代末到 90 年代，德国博世、日本杰克赛尔、美国 Stana

15、dyne 等公司分别推出了 基于不同设计理念的电控柴油喷射系统。 1987 年前后，由菲亚特首 先提出的电控高压共轨系统后来逐步成为一个主流的方向。从 1993 年前后，博世从菲亚特手中买断专利，开始了共轨系统的研发。电控 共轨系统是解决柴油机排放问题和进一步改善性能的关键。电控喷射系统的革命大大扩展了柴油发动机的应用范围。 由于电 控高压共轨等一系列燃油喷射技术的出现，柴油机的噪音大大降低、 舒适性大大提高， 加上柴油机在能源效率上的固有优势， 原来为汽油 机所统治的轿车行业呈现出明显的 “柴油机化” 趋势，尤其是在欧洲。 随着国际各大汽车厂商不断推出柴油机配臵的轿车产品， 这一趋势大 有被

16、不断加速的可能。经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相 同。现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷 等技术，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。随着国际上日益严格的排放控制标准的颁布与实施， 无论是 柴油机还是汽油机都面临着严峻的挑战， 解决的办法之一是采用电子 控制燃油喷射的技术。 现在， 柴油电子控制技术在发达国家的应用率 已达到 60%以上。最近 10 年间，一次重大技术变化大幅度改变了柴油发动机的性 能。 技术变化的第一个动力来自政府管制下的市场需求变化。随着 环保意识高涨， 1982年至 1998 年间，美国政府对汽车柴油机

17、氮氧化 物和颗粒的允许排放值降低了三次；欧洲的排放法规也从 1993 年开 始执行的欧洲 I 号标准迅速提高到欧洲 II 号和欧洲 III 号标准，目 前乘用车已经开始执行欧洲 IV 号标准，而商用车在 2006 年 1 月也开 始执行欧洲 IV 号标准。各国法规都对柴油机的发展形成了越来越大 的压力，迫使企业寻求技术解决之道。 技术变化的第二个动力来自新 技术供给的变化。进入上世纪 80 年代之后，电子技术和精密加工技 术的长足进步， 特别是电磁控制手段的加入， 新的电控喷射系统得以 彻底替代传统机械式喷油系统。 一般认为， 经过改进的机械控制喷射 系统最多可以满足欧 I 、欧 II 排放标

18、准，但如果要达到欧 III 甚至 更为严格的排放标准就须采用电控喷油系统。随着控制手段更加精 确，柴油机的震动、噪音被大大减小，舒适性大大提高，进而使柴油 机经济性好、动力大等优点充分凸现。在我国， 1999 年国家环保总局制定了车用汽油有害物质控制标 准和相当于欧洲 1 号和欧洲 2 号排放法规的国家第一、 二阶段轻型汽 车和重型车用压燃式发动机排气污染物排放标准， 使中国的汽车污染 物排放标准的控制水平向前推进了 20 年。目前我国拟在 2007年和 2010 年分别实施国家第三、 四阶段机动 车排放标准。若按计划实施这两项标准，从 2008 年到 2012 年，仅道 路车辆就将减少氧化氮

19、排放量 180 万吨、碳氢化合物 220 万吨、一氧 化碳 1600 万吨，将给社会带来重大的环境效益，并将进一步推动技 术升级，缩短与国际先进水平的差距，增强国际竞争力，有利于相关 产品出口。国家污染物排放标准在优化机动车工业发展环境中发挥着 重要的作用。就每台发动机而言，每实施一个新阶段排放标准，其单 机污染物排放量就会降低 30%以上。国家环保总局科技标准司司长赵 英民说：“与国外先进水平相比，中国生产汽车的排放控制技术水平 差距将由 2000年的 8年缩短到 2010年的 5年。”（注：次信息来源于 道依茨柴油机维修服务网 ）目前，世界范围内总质量大于 3.5 吨的汽车 90都采用的是

20、柴 油发动机，2004 年欧洲国家新生产的轿车 48.2 采用了柴油发动机。 宝马的柴油发动机轿车比例已达 60，而奔驰新车型也提高了柴油 机比例。在我国，中重型卡车和大客市场一直是柴油机的主要阵地， 这个市场大约占据了柴油机产销量的 70以上，国产轿车中，只有 捷达、宝来和奥迪等有柴油机产品， 但采用的都不是国际最先进技术。（二）我国柴油机应用技术现状1. 我国重型柴油车的产量在逐年增加， 中型、轻型车柴油化步伐 也在加快。2. 柴油品质差、柴油标准的制修订严重滞后于汽车工业发展的需 要，对柴油机技术的发展以及各种新技术、 改善柴油机排放措施的 应用造成障碍。3. 柴油机行业投入不足， 严重

21、制约了生产工艺水平、 规模发展和 自主开发能力的提高。4. 我国柴油机技术的落后、 产品质量差以及车辆使用中维修保养- 13 -措施不力，导致低性能、高排放柴油车在使用中对城市环境和大气质量造成不良影响。（三）国外柴油机应用的先进技术目前，柴油机电控技术已经成熟，功能各异的柴油机电控系统相 继研发成功并投放市场，国外的应用率已达到 60% 90%。美、欧、 日等地的大部分柴油机轿车和轻型客车都使用直列式转子式电控柴 油喷射系统，并向更新型的电控高压共轨系统转化。 重型载货柴油车 也广泛使用了泵嘴型或单体泵型的电控装臵。 下表是目前先进技术的 应用。1.共轨与四气门技术2.高压喷射和电控喷射技术

22、3增压中冷技术4.排气再循环（EGR技术的应用5.后处理技术6.新型柴油的研发7.乳化柴油的应用8.降低机油消耗五、柴油机电子控制技术的发展趋势（一）电子控制技术的发展趋势汽车由人驾驶并在道路上行驶。这样，人-车-道路三位一体,便构成了一个有机的、 完整的汽车交通系统。 为了适应现代观念的要 求，就必须使汽车及其使用环境智能化、高科技化。而高科技对该系 统的支持技术之一就是传感器技术。 汽车所需求的信息都是依靠传感 器来获取的。那么，汽车对信息的需求目前都有哪些呢？车辆本身所需的信息包括检测车辆运动状态的信息、 检测驾驶操 纵状态所需的信息、车辆控制所需的信息、 运动环境检测所需的信息、 异常

23、状态监控所需的信息等。1. 运动状态的信息： 这类信息包括车速、加速度、回转角速度等参数。它们不仅是各 种车辆控制基础， 且对驾驶员的心理状态和驾驶操纵等都有影响， 同 时也是驾驶支持系统和各种情报提供系统的重要组成部分。2. 操纵状态的信息： 这类信息包括转向、加速、制动等参数。 它是检测驾驶员操纵意志以及操纵状态的重要数据。3. 车辆控制的信息： 其中包括发动机的控制、变速器的控制、 驱动力矩控制、悬架控制、转向控制等各种参数。4. 动环境检测的信息： 这里包括行驶环境识别、空调器功效等 参数。5. 常状态监控的信息： 包括单侧车轮制动状态、燃油残留量、 轮胎气压等参数。（二）柴油机电控系

24、统发趋1. 高的喷射压力为满足排放法规的要求，柴油喷射压力从 10MPS提高到200MPa 如此高的喷射压力可明显改善柴油和空气的混合质量， 缩短着火延迟 期，使燃烧更迅速、更彻底，并且控制燃烧温度，从而降低废气排放。觀油泵的结构I-三締昭凸枪伽 2-盜滋亂 A鄭动山他 4-NtM呱油热 5-PCV£力柠制阀h百-Nm2頓渤辰，7- Filial食-输抽毎I OY；|lh轴转阳愷曽传感器2. 独立的喷射压力控制传统柴油机的供油系统的喷射压力与柴油机的转速负荷有关。这种特性对于低转速、部分负荷条件下的燃油经济性和排放不利。若供 油系统具有不依赖转速和负荷的喷射压力控制能力，就可选择最合

25、适的喷射压力使喷射持续期、着火延迟期最佳，使柴油机在各种工况下 的废气排放最低而经济性最优。3. 改善柴油机燃油经济性用户对柴油机的燃油消耗率非常关注。高喷射压力、独立的喷射压力控制、小喷孔、高平均喷油压力等措施都能降低燃油消耗率，从 而提高了柴油机的燃油使用经济性。4. 独立的燃油喷射正时控制 喷射正时直接影响到柴油机活塞上止点前喷入汽缸的油量， 决定 着汽缸的峰值爆发压力和最高温度。 高的汽缸压力和温度可以改善燃 油使用经济性，但导致NOX增加。而不依赖于转速和负荷的喷射正时 控制能力，是在燃油消耗率和排放之间实现最佳平衡的关键措施。5. 可变的预喷射控制能力预喷射可以降低颗粒排放，又不增

26、加NOX非放，还可改善柴油机 冷启动性能、降低冷态工况下白烟的排放， 降低噪声，改善低速扭矩。 但是预喷射量、预喷射与主喷射之间的时间间隔在不同工况下的要求 是不一样的。 因此具有可变的预喷射控制能力对柴油机的性能和排放 十分有利。6. 最小油量的控制能力 供油系统具有高喷射压力的能力与柴油机怠速所需要的小油量控制能力发生矛盾。 当供油系统具有预喷射能力后将会使控制小油量 的能力进一步降低。 由于工程机械用柴油机的工况很复杂， 怠速工况 经常出现，而电喷柴油机容易实现最小油量控制。7. 快速断油能力喷射结束时必须快速断油， 如果不能快速断油， 在低压力下喷射 的柴油就会因燃烧不充分而冒黑烟，增

27、加 HC排放。电喷柴油机喷油 器上采用的高速电磁开关阀很容易实现快速断油-17 -8. 降低驱动扭矩冲击载荷燃油喷射系统在很高的压力下工作， 既增加了驱动系统所需要的 平均扭矩， 也加大了冲击载荷。 燃油喷射系统对驱动系统平稳加载和 卸载的能力， 是一种衡量喷射系统的标准。 而电喷柴油机技术中的高 压共轨技术则大大降低了驱动扭矩冲击载荷。（三）柴油机的推广和应用发展 柴油机的推广和应用对柴油机的新技术发展非常重要， 在今后势 必会朝以下十个方面发展。1、应用现代设计技术和现代设计手段，缩短产品开发周用。提 高产品智能化水平，改善综合性能。2、不断降低有客排放物和噪声，满足起来越严格的环保要来。

28、车用柴油机的有害排放物包括 CO HG NOx及颗粒物等，汽油机主要 是CO和HG柴油机主要是NOx及颗粒物。现在欧洲各国实施欧洲II 号排放法规，美国加利福利亚洲排放法规是世界上最严格的排放法 规，日本排放法规与欧洲法规大致相当。排放法规将进一步强化，需 要采取更先进的机内和机外净化措施。 噪声法规也将进一步强化， 需 要从结构设计、材料选用和加工工艺上采取措施才能达到法规要求。3、开发全电控车用柴油机产品。利用微电子技术的成果对内燃 机燃油、进气、排气、冷却等系统进行控制，并对环境、工况和故障 等作出反应， 实施全自动的管理。 也是车用柴油机达到排放法规必要 的技术措施。4、进一步发展高效率、高压比涡轮增压系统及中冷技术。增压 和中冷技术已在多缸机上普遍采用， 并成为满足现代排放法规和噪声 法规必须的技术措施之一。5、开发高速小型直喷燃烧系统柴油机。由于在喷燃烧系统能够 降低 10左右的燃油耗，并降低气缸盖的热负荷，所以在大中型柴 油机上全部采用。 在小型高速轿车柴油机上也更多的采用， 目前欧洲 和美国研制开发中的3L（ 100km油耗）车，就是首选小型直喷柴油机。6、采用先进技术，进一步降低车用柴油机产品能耗。提高内燃 机的效率， 降低内燃机能耗的研究工作， 是内燃机永恒的主题。 目前， 大型柴油机的有效效率已近 50。车用汽油机燃油耗为 2603