【正文】 緒論1第一章 緒論 電控柴油機(jī)發(fā)展電控柴油發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)柴油機(jī)的主要區(qū)別在于它的燃油供給系統(tǒng)的不同，前者采用的是電控燃油噴射系統(tǒng)，而后者采用的是機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)。電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得柴油機(jī)在動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能等方面都取得巨大的進(jìn)步。到目前為止，已經(jīng)研究出許多功能各異的柴油機(jī)電子控制技術(shù)，大部分已經(jīng)產(chǎn)品化并投放市場。第一代——位置控制系統(tǒng)這種系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是保留了大部分的燃油系統(tǒng)部件，如噴油泵—高壓油管—噴油嘴系統(tǒng)和噴油泵中齒條、齒圈、滑套、柱塞上的螺旋槽等零件，只是用電子伺服機(jī)構(gòu)替代機(jī)械式調(diào)速器來控制供油滑套或燃油齒條的位置，使得供油量的調(diào)整更為靈敏和精確。這類技術(shù)已發(fā)展到了可以同時控制定時和預(yù)噴射的正時和噴油率控制系統(tǒng)(TICS)。其噴油量和噴油正時是由電腦控制的強(qiáng)力高速電磁閥的開閉時刻所決定：電磁閥關(guān)閉，執(zhí)行噴油；電磁閥打開，噴油結(jié)束。傳統(tǒng)噴油泵中的齒條、滑套、柱塞上的斜槽和提前機(jī)構(gòu)等全部取消，使系統(tǒng)對噴油定時和噴油量控制的自由度更大。圖 12 徑向柱塞分配泵第三代——時間—壓力控制式也稱高壓共軌系統(tǒng)，這種系統(tǒng)包括了高壓共軌系統(tǒng)和中壓共軌系統(tǒng)這是 20世紀(jì) 90 年代國外最新推出的新型柴油機(jī)電控噴油技術(shù)。圖 13 康明斯柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)為滿足日益嚴(yán)格的尾氣排放法規(guī)，降低發(fā)動機(jī)的燃油消耗和減少廢氣排放中的有害成分，單靠傳統(tǒng)的機(jī)械控制不足以解決問題，目前滿足我國國Ⅲ排放第一章 緒論3標(biāo)準(zhǔn)的柴油發(fā)動機(jī)主要采用的是電控高壓共軌系統(tǒng)。博世公司于 1995 年發(fā)表了用于轎車的高壓共軌系統(tǒng)，采用徑向柱塞轉(zhuǎn)子式供油泵，噴油器電磁閥采用球閥結(jié)構(gòu)。德爾福與西門子分別在 1998 年和 2022 年推出轎車 MultecDCR1400 共軌系統(tǒng)，采用徑向柱塞轉(zhuǎn)子式供油泵，德爾福公司的噴油器電磁閥設(shè)計在噴油器內(nèi)，使得噴油器體積更小巧；西門子噴油器采用壓電執(zhí)行器，響應(yīng)時間更短；而日本電裝公司在 1991 年研究開發(fā)出的 ECDU2 第一代產(chǎn)品，并于 1995 年匹配Hino 的 J08C 柴油機(jī)、五十鈴的 6HK1 柴油機(jī)，經(jīng)過多年的改進(jìn)與完善，最新產(chǎn)品已用于轎車的 ECDU2P 系統(tǒng)。長城汽車與博世公司開發(fā)出了高壓共軌柴油發(fā)動機(jī)，此外奧迪、奔馳、華泰等品牌也推出了采用共軌系統(tǒng)的汽車。因此，我國在電控直噴式柴油機(jī)方面已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但總體來說與國外還存在差距，主要體現(xiàn)在制造工藝和批量生產(chǎn)的質(zhì)量控制。國外公司與中國企業(yè)競爭已不占絕對優(yōu)勢，相對于汽油機(jī)而言，國內(nèi)在電控柴油機(jī)方面與國外差距相對較小。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，柴油機(jī)必須采用電控噴射系統(tǒng)。如無錫油泵油嘴研究所研發(fā)的共軌系統(tǒng)已在無錫公交使用，同時國內(nèi)從事電控柴油機(jī)研發(fā)的企業(yè)數(shù)量較多，因而國內(nèi)在電控柴油機(jī)市場今后一定會有所作為。同時，在售后服務(wù)及配件供應(yīng)方面，國內(nèi)自主品牌系統(tǒng)也存在明顯的優(yōu)勢，國內(nèi)自主研發(fā)的電控燃油系統(tǒng)競爭力主要體現(xiàn)在以下幾方面：首先，價格便宜，經(jīng)濟(jì)批量較小。還有，對于中重型車輛，在國Ⅲ階段已開始實(shí)施共軌、單體泵等技術(shù)路線。但這些會隨時間推移，不久將逐步得到解決。圖 14 國外電控高壓共軌柴油機(jī)德國 Bosch 公司于 2022 年推出了第三代使用壓電噴油器的高壓共軌電控噴射系統(tǒng)。壓電式噴油器的高度集成化，使其壓電元件與噴嘴中的針閥靠得更近，從而使系統(tǒng)具有優(yōu)良的“液壓響應(yīng)速度” 。 Bosch 正在研究帶壓力擴(kuò)大器的共軌燃油概念系統(tǒng)。由于壓力如此之高，因而霧化更加良好，更容易與空氣混合，從而燃燒得更徹底。Multec DCR 設(shè)計獨(dú)特的噴油器是帶有平衡控制和反饋控制的電磁閥噴油器!其響應(yīng)迅速并能精確計量燃油。日本電裝的 ECDU2 共軌系統(tǒng)由高壓供油泵、共軌管、噴油器、各種傳感器和電控制單元組成。噴嘴的開啟和關(guān)閉完全由噴油器控制腔中的壓力和共軌壓力的差值決定，改變施加在三通閥上的電脈沖寬度，可以控制噴油量；改變?nèi)ㄩy上的電脈沖發(fā)生時刻，可控制噴油定時。為了盡快提高我國的自主開發(fā)和核心競爭力，應(yīng)不遺余力的在電控噴油器、液力控制閥、噴油嘴偶件和高速執(zhí)行器、ECU 軟硬件等關(guān)鍵零部件的制造以及控制策略和功能、匹配標(biāo)定技術(shù)、提高產(chǎn)品可靠性和安全、降低制造成本等方面開展研究（如圖 15） 。在控制策略上，目前國內(nèi)主要采用經(jīng)典的 PID控制方法，這種方法原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好，但存在需要在不同工況下反復(fù)調(diào)節(jié)和不能在線調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)。第一代共軌高壓泵總是保持在最高壓力，導(dǎo)致燃油的浪費(fèi)和很高的燃油溫度。自從 1991 年日本電裝公司發(fā)表 ECD—U2 高壓共軌論文以來，國外燃油制造商紛紛投入具額的資金和人力來開發(fā)共軌技術(shù)。博時公司于 1997 年首家批發(fā)生產(chǎn)燃油噴射系統(tǒng)的乘用車，當(dāng)時博士和奔馳聯(lián)合推出了共軌技術(shù)柴油奔馳 C 級轎車，而當(dāng)時阿爾法羅密歐 156 也是最早使用共軌技術(shù)的乘用車之一。第二代共軌技術(shù)可根據(jù)發(fā)動機(jī)需求來改變輸出壓力，并具有預(yù)噴射和后噴射功能，帶有控制油量的油泵，壓力達(dá)到 160MPa。不僅有助于燃油的消耗，還可以降得燃油的溫度，從而省去燃油冷卻裝置。在主噴射前的百萬分之一秒內(nèi)少量的燃油被噴入汽缸壓燃，預(yù)熱燃燒室。在膨脹過程中產(chǎn)生后噴射，產(chǎn)生二次噴射，缸內(nèi)溫度增加到 200 度到 250 度，降低了排氣中的碳?xì)浠衔?。第三代高壓共軌帶有壓電直列式噴油器。省去了回油管，結(jié)構(gòu)上更加簡單。此套帶有壓電式高壓共軌技術(shù)使帶預(yù)噴射和后噴射噴油率的曲線更加自由。而只有通過靈活的燃油噴射控制才能實(shí)現(xiàn)最佳的缸內(nèi)燃燒。因?yàn)樗淖兞藗鹘y(tǒng)的機(jī)械式噴油系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，使噴射壓力的產(chǎn)生完全獨(dú)立于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和噴射過程，真正地實(shí)現(xiàn)了噴油壓力、噴油時刻、噴油量和多次噴射的獨(dú)立及柔性控制，從而實(shí)現(xiàn)與發(fā)動機(jī)的完美匹配，大大提升了柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放及噪聲方面的綜合性能。（2）自由調(diào)節(jié)噴油量。（4）自由調(diào)節(jié)噴油率。（6）噴油壓力與實(shí)際工況相適應(yīng)。（8）控制參數(shù)多，控制精確。（10）系統(tǒng)油壓波動小。（12）適用范圍廣。圖 16 控制精確的噴油速率淮安信息這也技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）8圖 17 電控高壓共軌和電控單體泵的對比優(yōu)點(diǎn)：（1）自由控制噴油壓力電控噴油柴油機(jī)的噴油壓力不受曲軸轉(zhuǎn)速以及凸輪形狀的影響，可以根據(jù)需要靈活控制，能夠提高噴油壓力、提高供油能量、改善霧化質(zhì)量、縮短噴油延續(xù)時間，從而降低 NOx 排放。推遲噴油定時的方法求得 NOx 和 PM(顆粒)的折中關(guān)系。（2）精確控制噴油量。ECU 計算出目標(biāo)噴油量，計算出噴油裝置需要的供油時間，并向驅(qū)動單元發(fā)送驅(qū)動信號，從而控制噴油量。（3）精確控制噴油定時。由于工作油對提前機(jī)構(gòu)的作用，改變?nèi)加蛪核屯馆喌南辔唤?，或提前、或延遲，從而控制噴油定時。電噴柴油機(jī)能夠自由地實(shí)現(xiàn)對噴油率的控制，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)靴形噴油率，還可以實(shí)現(xiàn)多段噴油。 自我故障診斷功能就是由 ECU 監(jiān)視、發(fā)現(xiàn)電子控制系統(tǒng)中故障產(chǎn)生的位置，并向駕駛員或修理人員提供故障信息的功能。缺點(diǎn)：（1）價格較高（2）國內(nèi)無供應(yīng)商（3）匹配時間和供貨受供應(yīng)商制約（4）要求燃油品質(zhì)非常嚴(yán)格第二章 電控高壓共軌柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)原理9第二章 電控高壓共軌柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 電控高壓共軌的組成柴油機(jī)共軌式電控燃油噴射技術(shù)是一種全新技術(shù)，因?yàn)樗闪擞嬎銠C(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感檢測技術(shù)及噴油結(jié)構(gòu)于一身。高壓共軌發(fā)動機(jī)由以下 2 大部分組成：燃油系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)（如圖 21） 。淮安信息這也技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）10（1）供油泵（高壓油泵）——將燃油產(chǎn)生高壓，供到共軌內(nèi)。（3）噴油器——噴油器是由電磁閥控制的噴油閥，由 ECU 控制電磁閥控制其開關(guān)，從而控制電磁閥的噴油時間和噴油量。圖 23 電控共軌燃油噴射系統(tǒng)的工作過程 電控系統(tǒng)——由傳感器、ECU、執(zhí)行器三部分組成。主要傳感器有：（1）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器（曲軸轉(zhuǎn)速傳感器、凸輪軸轉(zhuǎn)速傳感器）曲軸轉(zhuǎn)速傳感器檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，凸輪軸轉(zhuǎn)速器確定發(fā)動機(jī)工作順序。（3）空氣流量傳感器（進(jìn)氣壓力傳感器）檢測發(fā)動機(jī)空氣流量信號。第二章 電控高壓共軌柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)原理11（6）共軌壓力傳感器采集共軌內(nèi)的燃油壓力，進(jìn)行反饋，控制共軌內(nèi)的燃油壓力。由 ECU 控制各種電磁閥的開啟和關(guān)閉時刻，對共軌內(nèi)的噴油壓力，噴油器的噴油量、噴油時間、噴油率進(jìn)行控制。德國博世公司從推出第一代、第二代柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)后，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第三代高壓共軌噴射系統(tǒng)。高壓共軌系統(tǒng)主要由低壓回路和高壓回路兩部分組成。發(fā)動機(jī)工作時，高壓油泵上自帶的齒輪泵通過負(fù)壓從油箱中吸油，并以一定的壓力（約 5～7bar）將過濾后燃油送入高壓油泵。圖 24 電控高壓共軌系統(tǒng)的工作原理淮安信息這也技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）12 電控高壓共軌柴油機(jī)的燃油電器元件 燃油粗濾器和精濾器帶手動油泵和油水分離器的燃油粗濾器可以濾去燃油中的污染物、雜質(zhì)、顆粒物和水分，并可對分離出來的水量進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)發(fā)動機(jī)燃油耗盡時，進(jìn)行油水分離器內(nèi)的排水工作，更換燃油濾清器后，重新啟動發(fā)動機(jī)前要先按壓手動輸油泵直到按不動為止。電控共軌系統(tǒng)對燃油濾清的分離效率、流量和水分分離能力有特殊的要求，燃油粗濾器的濾水能力要達(dá)到 93%，燃油精濾器的濾水能力要達(dá)到 95%（如圖 25） 。輸油泵出現(xiàn)故障時無法給高壓泵提供足夠的燃油，這會造成高壓過低使發(fā)動機(jī)無法正常工作或無法成功啟動。首次啟動前或當(dāng)油箱被抽干時需為其加注燃油，可把手油泵直接安裝在齒輪泵或低壓油管上。齒輪泵的吸入壓力為—70~ —30KPa，該壓降來自燃油濾清器的過濾阻力（如圖 26） 。高壓油泵由齒輪泵、油量計量單元、溢流閥、進(jìn)出油閥和高壓柱塞等部分組成。齒輪泵的任務(wù)是向高壓油泵供給足夠的低壓燃油，安裝在高壓油泵泵體后端，依靠位于高壓油泵凸輪軸末端的齒輪來驅(qū)動，它的轉(zhuǎn)速是高壓油泵 2．85 倍。油量計量單元的主要作用是調(diào)節(jié)進(jìn)入高壓柱塞腔的油量，以控制共軌管內(nèi)的燃油壓力的大?。ㄈ鐖D 228） ?；窗残畔⑦@也技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）14共軌管的主要作用是蓄壓和分配燃油，阻尼燃油壓力波動同時還限制最高燃油壓力，使之不超過安全限值。油軌進(jìn)出口處的節(jié)流孔設(shè)計可減小共軌管和高壓油管中的壓力波動。當(dāng)壓力限制閥打開后，它仍能將軌壓維持在一個正常范圍（如 700～800bar） ，讓車輛在故障情況下仍能繼續(xù)運(yùn)行至維修站點(diǎn)，即跛行回家。噴油器主要由噴油器體、電磁閥、油嘴、針閥組件和彈簧等部分組成，圖5 所示為 Bosch 的第二代商用車噴油器 CRIN2。第二章 電控高壓共軌柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)原理15圖 210 噴油器結(jié)構(gòu)圖 211 噴油器工作過程 電控高壓共軌柴油機(jī)的主要電氣元件電控高壓共軌柴油機(jī)電氣元件主要包括傳感器部分、ECU、執(zhí)行器部分（如圖212） 。曲軸位置傳感器的作用就是確定曲軸的位置，也就是曲軸的轉(zhuǎn)角。功用：曲軸位置傳感器（CKPS）又稱轉(zhuǎn)速傳感器，檢測曲軸轉(zhuǎn)角位移，給ECU 提供發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號，作為燃油噴射和點(diǎn)火控制的主控制信號。安裝位置：曲軸、凸輪軸、飛輪或分電器處。圖 213 曲軸轉(zhuǎn)速傳感器 第二章 電控高壓共軌柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)原理17通過收集油門踏板位置傳感器信號，將重新整理后的油門信號傳往電腦，提高引擎的響應(yīng)性能，從而提高油門靈敏度，加快起步速度，提升車輛瞬時提速性能,避免車輛突發(fā)性前竄,避免發(fā)動機(jī)積碳（如圖 214） 。該傳感器是普通的電控汽油機(jī)所沒有的，為共軌柴油機(jī)所必須的。功用：燃油通過共軌上的一個小孔流向共軌壓力傳感器，有壓力的燃油通過一個盲孔到達(dá)傳感器膜片。圖 215 軌壓傳感器淮安信息這也技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）18采集共軌內(nèi)燃油壓力，進(jìn)行反饋，控制共軌內(nèi)的燃油壓力（如圖 216） 。此外，凸輪軸位置信號還用于發(fā)動機(jī)起動時識別出第一時刻點(diǎn)火。類型：光電式和磁感應(yīng)式圖 216 凸輪軸傳感器ECU 根據(jù)溫度傳感器的數(shù)值對噴油始點(diǎn)、噴油率及其它參數(shù)進(jìn)行最佳匹配（如圖 217）。第二章 電控高壓共軌柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)原理19圖 217 水溫傳感器為了獲得空氣流量，傳感器元件上的傳感器膜片（發(fā)熱金屬鉑絲固定在薄樹脂上構(gòu)成）被中間安裝的加熱電阻加熱， 膜片上的溫度分配被與加熱電阻平行安裝的 2 個溫度電阻測量。在傳感器內(nèi)部安裝有進(jìn)氣溫度傳感器，用以測量進(jìn)氣溫度（如圖 218） 。圖 219 空氣流量計 ECU根據(jù)各種傳感器傳來的發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)信息，進(jìn)行計算、分析、發(fā)出控制指令，對噴油時間、噴油量、噴油率、噴油壓力進(jìn)行控制。圖 21 ECU淮安信息這也技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）20 主要執(zhí)行器由 ECU 控制各種電磁閥的開啟和關(guān)閉時刻，對共軌內(nèi)的噴油壓力，噴油器的噴油時間、噴油量、噴油率進(jìn)行控制。（如圖 221）輸油泵將燃油從 油箱泵吸,經(jīng)過帶有油水分離裝置的燃油濾清器到達(dá)高壓泵的進(jìn)油口。凸輪軸使三個泵的柱塞按照凸輪的外 形上下運(yùn)動高壓泵的柱塞向下運(yùn)動時（吸油行程） ，輸油泵使燃油經(jīng)高壓泵進(jìn)油計量比例閥和階躍回油閥進(jìn)入柱塞腔。這樣 ，柱塞腔內(nèi)的燃油被密封，它將以高于供油壓力的油壓被壓縮，油壓的升高一旦達(dá)到共軌的油壓，出油閥被打開，被壓縮的燃油就進(jìn)入了高壓循環(huán)。只要柱塞腔內(nèi)的壓力降至低于輸油泵的供油壓力時，進(jìn)油閥又開啟，吸油過程又開始。即使大量燃油排出時，共軌也能將其內(nèi)部壓力保持基本不變。根據(jù)系統(tǒng)不同有的高壓蓄壓器帶限壓閥,限壓器可將共軌中的燃油壓力限制