电喷柴油发动机技术

电喷柴油发动机技术介绍

目前柴油机实现三次排放的电控方式有三条主流技术路线，分别是电控单体泵、电控泵喷嘴和高压共轨。目前主要的国际汽车配件供应商都在进行着柴油共轨喷射系统的开发，如：博世、德尔福、西门子、电装公司、VDO和玛格纳-马瑞利公司，它们是全球主要的共轨喷射系统供应商，而目前在国内生产共轨柴油喷射系统的还只有博世一家。下面分别介绍几种包括三条主要技术路线在内的电控技术：

1、电控单体泵技术 (EUP)

德国 Bosch公司的电控单体泵系统 ,采用较短的高压油管 ,可实现较高的喷油压力 ,最高喷油压力可达 250 MPa.该系统采用高速电磁阀控制喷油定时及喷

油量。

2、电控泵喷嘴技术

优良的混合气是提高柴油发动机动力性、燃油经济性；降低排放率、噪音率的关键因素。这就要求喷射系统产生足够高的喷射压力，确保燃油雾化良好，同时还必须精确控制喷油始点和喷油量。而泵喷嘴系统能够符合上述的严格要求。因此，早在1905年柴油发动机的创始人Rudolf diesel 先生就提出了泵喷油器概念，设想将喷油泵和喷嘴合成一体，省去高压油管并获得高喷射压力。20

世纪50年代，间歇控制泵喷射系统的柴油发动机就已应用在轮船及卡车上。之后，Volkswagen和Robert Bosh AG公司合作研制出适用于乘用车的电磁阀控制泵喷射系统。泵喷嘴的结构如图3所示。

1. 隔热密封垫

2. O 型环

3. 高压腔

4. 喷射凸轮

5. 滚柱式摇臂

6. 球销

7. 泵活塞

8. 活塞弹簧

9. 电磁阀针阀10. 喷嘴电磁阀11. 回油管

12. 收缩活塞13. 供油管14. 喷嘴弹簧15. 针阀缓冲元件16. 缸盖

17. 针阀

图3 泵喷嘴结构图及示意图

泵喷嘴工作原理（如上图所示）：泵喷嘴的喷油始点和喷油终点由快速启闭的电磁阀控制。电磁阀关闭，将柱塞高压油腔与低压油路切断，燃油加压并开始喷射。电磁阀开启则泄掉喷射压力，结束喷射。喷油量由中低压油泵的供油压力和电磁阀的关闭延续时间决定。通过电磁阀的多次动作产生多次喷射，实现对喷油速率的控制，从而使燃烧过程得到优化，可靠性和效率得到提高。该系统能改善各缸供油均匀性及调速特性，并具有良好的怠速稳定性和冷启动性能。

其中主要部件作用如下：

（1）单向阀：发动机不工作时，防止燃油回流。

（2）旁通阀：若燃油内有空气，则通过此处排出。

（3）节流孔与过滤器：收集、分离供油管内的气泡。

（4）限压阀1：调节供油管内压力大于0.75MPa时打开。

（5）限压阀2：保持回油管内压力在0.10MPa。

（6）燃油泵：燃油泵是间歇式叶片泵，其优点是在较低发动机转速时也可供油。泵体内油道使油泵转子始终处于被燃油浸润的状态，从而可随时输送燃油。如图5所示。

图5 燃油泵油路连接图

（7）燃油分配管集成：燃油分配管集成在缸盖内的供油管内，其功能是等量向各泵喷嘴分配燃油，在此，燃油与受热燃油混合，并被泵喷嘴强制流回供油管。使供油管内流向各缸的燃油温度一致。所有泵喷嘴被提供相同量的燃油，使发动机运转平稳。否则，泵喷嘴的油温将会不同，并且泵喷嘴被提供不同质量的燃油。这将会使发动机运转不平稳并将在前几个缸中产生极度高温。燃油分配管如图6所示。

图6 燃油分配管

（8）燃油冷却泵：使冷却液在冷却环路中循环。当燃油温度达到70℃，发动机控制单元通过燃油冷却泵继电器将其接通。

在国内很多的乘用车上使用泵喷嘴，如：宝来TDI、途安TDI和奥迪TDI等。泵喷嘴技术相对于之前的技术（如柱塞泵），已经具有明显改进，而其最大的好处是大大增加了喷油压力，其涡轮增压泵喷嘴的喷射压力都能达到200MPa以上。由于喷射压力直接影响柴油燃烧做功效率，因此，泵喷嘴的燃烧效率很高。

3、高压共轨技术（CRDI）

“CRDI”是英文Common Rail Direct Injection的缩写，意为高压共轨柴油直喷技术，CRDI技术和SDI（自然吸气直接喷射柴油发动机）技术、TDI（直喷式涡轮增压柴油发动机）技术均为德国博世公司研发的柴油发动机技术。共轨系统由高压泵、喷油管、高压蓄压器（共轨）、喷油器、电控单元和传感器及执行器组成。

共轨式喷油系统主要的贡献就是将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，通过对共轨管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速基本无关。这一柴油发动机技术的创新最大限度地降低了柴油发动机车型的振动和噪声，同时将油耗进一步降低，使排放更加清洁。但共轨技术的喷油压力低于泵喷嘴系统，一般只能达到160MPa左右。由于喷油压力调节宽泛，采用共轨技术的柴油车能更好地适应各种工况，起步也不会困难。

博世公司首家于1997年开始批量生产共轨燃油喷射系统的乘用车，当时博世和奔驰联合推出共轨技术柴油奔驰C级别车，而在当时阿尔法罗密欧156也是最早使用高压共轨的乘用车之一。在国产车中，华泰现代使用的是共轨喷射系统。柴油共轨系统已开发了3代。

第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致燃油的浪费和很高的燃油温度。第一代共轨系统为商用车设计的，最高喷射压力为140MPa，乘用车喷射压力为135MPa。

第二代共轨系统可根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能。带有控制油量的油泵，喷射压力能达到220MPa。即使在压力较低的情况下，该系统也可以根据实际状况提供适量的喷油压力。不仅有助于降低燃油消耗，而且还可以降低燃油温度，从而省去燃油冷却装置。预喷射降低了发动机噪声：在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了汽缸压燃，预热燃烧室。预热后的汽缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200～250℃，降低了排气中的碳氢化合物。博世公司的第二代共轨系统产品已经在沃尔沃的S60、V70D5及宝马的230d等乘用车上试用。

第三代共轨系统带有压电直列式喷油器。2003年，第三代共轨系统面世，压电式（piezo）共轨系统的压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。省去了回油管，在结构上更简单。压力从20～200MPa弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX的排放。最高喷射压力达到180MPa。此套采用新研发的压电直列式喷油器的系统使带预喷和后喷的喷油率曲线范围更为自由。

4、电控VE分配泵（CAPS）

VE分配泵的基本结构和工作原理如下：

VE分配泵喷油系统的油路如上图所示。燃油通过输油泵增加后进入VE分配泵。由曲轴齿轮带动分配泵的传动轴，其前端的滑片式输油泵再次加压燃油，压力达到0.6～0.8 MPa。然后燃油进入分配泵泵体内，泵轴转动带动一个内凸轮环中的两个径向对置式柱塞对向运动实现泵油（该内凸轮环有六个对称布置的凸轮凸起的，每个柱塞在每转一周中六次抵达凸轮凸起上，实现泵油六次），被对向运动的柱塞压缩的燃油流经分配套筒上的进油孔和旋转着的分配轴的油槽，通过分配套筒上的出油孔和泵头上的连接管道、出油阀和高压油管进入喷油嘴（供油及分配原理如下图所示）。泵体内多余的柴油从顶盖上的溢流阀返回油箱。柴油如此循环流动既可带走油路中的气泡和零件摩擦产生的热量，又可润滑各个运动零件。该泵采用高速电磁阀直接控制高压供油量（由ECU控制其开启与关闭的时刻从而控制供油量）、供油提前角、供油速率和预喷射。

该型喷油泵的主要问题是，将六个缸的压力油分配集成由一个旋转分配轴和固定分配套筒完成，同时因供油压力较高，为防止泄漏，对分配泵旋转偶件有一些特殊要求，例如旋转偶件间隙要在0．001mm，这不仅给机械加工带来了很多困难，而且在旋转分配转子的结构设计上也带来了一些问题。为此，要考虑孔、槽、沟的位置，以及在高压力下的压力问题，以免使转子单向受力加速磨损。同时也要采用特殊的表面处理技术，防止转子磨损和咬卡。另外还要对油泵的清洁度和燃油的杂质含量提出更高的要求。

5、电控直列式喷油泵

在直列泵基础上发展起来的电子控制燃油喷射装置最多 ,它具有喷油量与喷油定时控制功能或只具备其中一种功能 ,有些控制系统还具有喷油压力和喷油速率等控制功能 . 电控直列泵的喷油量控制装置为电控调速器 .电控调速器使喷油量随转速变化的控制易于实现 ,而且其响应速度比机械式或机械液压式调速器快得多 ,因此 ,适用范围非常广泛 .电控调速器按执行机构的不同可分为电子调速器 (如日本 DKK公司的 RED- 型电子调速器、德国 Heinzmann公司的 E型电子调速器及美国 Barber Colmann公司的电子调速器等 )及电子液压式调速器 (如德国 Bosch公司的 EDR型调速器等 ) .

电控直列泵的喷油定时装置一般采用电子液压式执行器 ,如德国 MTU公司 880系列柴油机的 ECS系统、电装公司的 ECD- P3型电液正时器及美国卡特彼勒公司的 PEEC系统等. 日本 ZEXEL 公司的 TICS系统采用柱塞滑套式定时调节机构 ,通过控制定时滑套的位置改变柱塞供油的预行程 ,从而调整供油定时 ,同时还可以与升速式凸轮相配合来控制喷油速率和喷油压力 .日本小松也开发了采用独特的组合式柱塞的可变预行程的 KP2 1型喷油泵 ,德国波许公司也研制了 RP39、 RP43型可变喷油速率、喷油定时和喷油量控制的控制滑套式喷油泵 ,其工作原理和结构与 ZEXEL公司的 P- TICS系统相似 ,也属于一种可变预行程直列泵。

6、废气再循环技术

根据发动机的温度及负荷大小,适量地将一部分废气引入进气管，再送入汽缸,使燃烧反应速度减慢，降低燃烧的最高温度，从而降低NOx的排放量。尤其是中冷EGR技术，不仅降低NOx的排放，而且还能保持其污染排放物的低排放水平。

柴油发动机电控供油系统的技术要求

柴油发动机燃油供给系统是柴油发动机的一个非常重要的系统，也是柴油发动机使用与维修的一个重点部位，其技术状况的好坏不仅直接影响着柴油发动机的动力性、经济性及使用的可靠性，而且对减少环境污染也有着极其重要的影响。对柴油发动机电控系统的要求：

1、提高柴油发动机的经济性和降低排放柴油发动机电控系统应能在不同的工况及工作条件下精确地控制喷油提前角，并始终保持在最佳值，以降低燃油消耗和减少排放污染。

2、提高发动机工作的可靠性在柴油发动机运转过程中，系统应能随时检测影响发动机工作可靠性的主要参数，一旦某一项或几项参数异常，超出设定值，一方面系统应能立即报警显示，同时还应控制相应的执行器进行相应的调整，直至有关参数或状态正常为止。对于一些对发动机可靠性影响很大的重要参数，系统还必须提供双重或多重保护，以避免发生重大事故。

3、对柴油发动机运行工况进行实时高精度控制一旦柴油发动机及其系统的运行参数或状态偏离目标值，电控系统就能立即进行调节和控制，从而实现对柴油发动机运行工况的实时高精度控制。

4、较强的适应性全能电动调速器在出厂前的软件编程中已预设有各种不同调速率的程序，并在控制盒上设有调速率的转换开关，用户可根据柴油发动机的用途和要求设定不同的调速率，这提高了电动调速器的匹配适应能力。

柴油发动机电子控制技术的特点

柴油发动机电控技术有两个明显的特点:一个特点是其关键技术和技术难点就在柴油喷射电控执行器上;另一个特点是柴油电控喷射系统的多样化。柴油发动机在机械控制时代，就已经有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统，每个系统各有其特点和适用范围，每种系统中又有多种不同结构。实施电控技术的执行机构比较复杂，因此形成了柴油喷射系统的多样化。

柴油喷射系统的控制功能和发展

1、柴油发动机电控系统的控制功能

现代汽车柴油发动机电控系统的控制项目已经从仅有循环供(喷)油量控制、喷油正时控制等最基本的控制项目的燃油喷射控制，扩展到包括对喷油速率控制和喷油压力控制在内的多项目标控制的燃油喷射控制;从单一的燃油喷射控制扩展到包括怠速控制、进气控制、增压控制、排放控制、启动控制、故障自诊断、失效保险、发动机与变速器的综合控制等在内的全方位控制。

2、柴油发动机电控燃油喷射系统控制方式的发展

电控柴油喷射系统根据其直接控制的量而分为位置控制和时间控制。位置控制系统的特点是不仅保留了传统的喷油泵-高压油管-喷油器系统，而且还保留了喷油泵中齿条齿圈、滑套、柱塞上控油螺旋槽等控制油量的机械传动机构，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微机控制。而时间控制系统可以是保留原来的喷油泵-高压油管-喷油器系统，也可以采用新型的产生高压的燃油系统，而用高速电磁阀直接控制高压燃油的喷射。一般情况下，电磁阀关闭，执行喷油，电磁阀打开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量则取决于电磁阀关闭时间的长短。传统喷油泵中的齿条齿圈、滑套、柱塞上斜槽、控制喷油正时的提前机构等全部取消。时间控制系统的控制自由度更大。电控柴油喷射系统根据其产生高压燃油的机构，可分为直列泵电控喷射系统、分配泵电控喷射系统、泵喷油器电控喷射系统、单缸泵电控喷射系统、共轨式电控喷射系统。

近20年来，柴油发动机电控燃油喷射系统也经历了几个重要的发展阶段。按对循环供(喷)油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力等的控制方式分，经历了从“位置控制”到“时间控制”，再到“时间-压力控制”或“压力控制”的发展过程。按燃油喷射系统的基本组成和结构分，经历了常规压力电控喷油系统的第一代电控喷油系统到高压电控喷油系统的第二代电控喷油系统的发展过程。在采用“位置控制”的第一代电控喷油系统中，保留了传统燃油喷射系统的基本组成和结构，只是将原有的机械式喷油泵及其机械控制部件用电控喷油泵及其控制部件取代，通过设置控制系统，使控制精度和响应速度得以提高。柴油发动机的结构几乎不需改动，生产继承性好，便于对现有柴油发动机进行升级换代。缺点是“位置控制”系统执行频率响应慢，控制频率低，控制自由度小，控制精度还不够高，喷油压力无法独立控制。在采用“时间控制”的第一代电控喷油系统中，基本保留了传统燃油喷射系统的组成和结构，通过设置控制系统，形成数字式高频调节系统，由电磁阀的关闭时刻和闭合时间决定循环供(喷)油量和喷油正时，其控制自由度和控制精度都是“位置控制”所无法比拟的，其技术上的难点在于如何加快需要通过大油量的高速电磁阀的响应速度，同时喷油压力还是无法独立控制。第一代电控喷油系统包括电控直列泵系统和电控分配泵系统，以及一部分电控单体泵喷油系统或电控泵喷嘴喷油系统。

以高压、中压或低压供油泵、电磁、液力控制式喷油器和公共油轨组成的各种电控共轨式喷油系统的最大特征是:喷油系统的两个基本任务--燃油压力的形成和燃油量的计量，在时间上、在系统中的部位和功能方面都是分开的。燃油

压力的形成和燃油的输送基本上与喷油过程无关。根据ECU的指令，带有电液控制件的喷油器可按所要求的喷油正时精确地从共轨中“调出”具有所要求的精确压力和精确循环量的燃油。因无二次喷射的约束，喷油压力可按需控制以实现高压喷射，其平均喷油压力与最大喷油压力非常接近，从而明显改善燃油雾化品质，改善燃烧过程，提高燃烧效率，降低燃烧噪声，降低排放。由于系统可直接控制喷油器针阀的运动，可以实现预喷射和后喷射，因而可获得理想的喷油速率。这样，柴油发动机负荷和转速就不对循环供(喷)油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力产生影响，从而实现系统的独立控制，使实现循环供(喷)油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力的优化控制成为可能，从而大大提高了柴油发动机的在装车率，特别是在轿车发动机中的竞争能力;同时，在采用传统的泵-管-嘴喷油系统的柴油发动机上使用时，不需要对原有结构作很大的改动，所以发展前景很好。