共轨式柴油电喷控制技术抢占“奥运商机”

目前，能源危机和生态环境污染问题是全世界人们关注的焦点a随着汽车和动力机械的保有量不断增加，汽车排放的有害气体和微粒已超过工业污染物的排放量而成为一大公害，人们对这两个问题越来越重视，各国都相继制定了越来越严格的汽车排放规定a

随着社会的发展，人们对汽车的经济性和舒适性要求也越来越高a迫于各方面的压力，人们开始寻找新的途径来解决降低排放和油耗问题a其中排气净化和节能是决定汽车能否继续生存发展的两大课题a这样内燃机的电子控制技术就蓬勃发展起来a

首先发展起来的是汽油机的电控技术a到目前为止，主要轿车生产国的汽油机已经全部实现了电子控制a而柴油机则可以通过改进燃烧系统和增压中冷等技术措施来改善排放d降低油耗d提高功率a传统的柴油机是采用机械控制系统来控制柴油机的喷油正时和喷油量，也具有优越的控制性能a另一方面由于研制快速d大功率d高性能的电控执行器技术要求高，难度大a所以柴油机电控技术的发展要晚于汽油机a

车用柴油机不仅随着转速改变喷油量和喷油时间相应改变，而且随着负荷的变化采用复杂的控制模型对温度d进气压力等参数进行补偿控制a20世纪80年代以来，微电子技术的迅速发展及其在汽油机电控方面的成功应用，解决了柴油机电控技术的瓶颈，使得柴油机电控技术也发展起来a采用电控技术可以改善驾驶性能，降低噪声和振动，提供舒适d易操作的行驶控制功能；可以借助于故障显示和自诊断功能改善车辆的安全性和维护保养的方便性；可以改善冷起动d稳定怠速和良好的加速等性能， 从而推动和加速了柴油机电控的发展a20世纪80 年代，越来越多的汽车柴油机采用了电子控制，而且电子控制的项目愈来愈多，这些技术在不同的柴油机上，以及不同的条件下逐步实施，使柴油机的电控技术水平一步一步地提高，柴油机的电控技术一代又一代地向前发展a到目前为止，柴油机电控燃油系统的主要类型有：电控直列泵d电控分配泵和电控共轨燃油系统a

1 共轨式电控喷油系统的特点及其结构原理

提高柴油机动力性，实现低污染d低油耗的中心任务就是改善柴油机的燃烧过程a也就是要保证组成燃烧过程的进气d喷油d燃烧三要素中的油d气良好混合和在不同工况下满足不同的燃烧和放热要求a其中喷油是最重要的因素a因此喷油系统的控制成为柴油机电控的核心a

1.1 共轨式喷油系统的特点

共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能a可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力，可同时控制NOx 和微粒在较小的数值内，以满足排放要求a柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机NOx，又能保证优良的动力性和经济性a

1.2 共轨式喷油系统的结构原理

由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放a共轨式喷油系统，是柴油机电控技术发展过程中的一个大的飞跃，它改变了传统的喷油系统的组成结构，最大特点就是将燃油压力产生和燃油喷射分离开来， 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a

电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器， 共轨中的燃油压力由一个电磁压力调节阀控制，根据发动机的工作需要进行连续压力调节a电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程a喷油量的大小取决于燃油轨中的油压和电磁阀开启时间的长短，及喷油嘴液体流动特性a按照喷油高压形成的不同， 共轨式电控燃油喷射系统有两种基本型式， 即高压共轨式和中压共轨式a

1.2.1 高压共轨系统

高压输油泵直接产生高压燃油后，输送至共轨中消除压力的脉动，再分送到各喷油器；当电子控制装置按需要发出指令信号后，高速电磁阀迅速打开或关闭，进而控制喷油器工作，即按设定的要求喷出或停喷高压燃油a

1.2.2 中压共轨系统

中压输油泵将中压燃油输送到共轨中消除压力的脉动，再分送至带有增压柱塞的喷油器中；当高速电磁阀开关阀接收到电子控制装置发送的指令信号后，就迅速开启或关闭，从而控制燃油器工作，随即通过高压柱塞的增压作用，将从共轨中来的中压燃油加压至高压后喷出或停喷a中压共轨系统又包括共轨蓄压式和共轨液压式，共轨蓄压式的控制油和喷射油均来自共轨管；而共轨液压式的控制油来自共轨管，喷射油来自燃油输油泵，所以该系统的控制油和喷射油可以采用不同物质a其典型代表有日本电装公司的高压共轨式喷油系统ECD--U2，英国Lucas Varity 公司的LDCR 型高压共轨喷油系统，德国Benz 公司的OM611 柴油机上的电控高压共轨喷油系统，美国B K M 公司的Servojet共轨蓄压式电控喷射系统，美国Caterpillar公司的HEUI共轨液压式喷射系统a

1.3 柴油机电控燃油喷射系统的组成

柴油机电控燃油喷射系统除了控制喷油量外，对喷油正时和喷油的压力都有很高的要求（柴油机电控燃油喷射系统的喷油压力较高约19.6MPa），各种柴油电控系统的区别在于控制功能d传感器的数量和类型d执行元件的类型dECU 控制软件d主要电控元件的结构原理和安装位置，基本组成与其他电子控制系统一致，也由传感器-ECU-执行元件3 部分组成a

1.3.1 传感器

加速踏板位置传感器； 反馈信号传感器；燃油温度传感器；其他传感器和信号开关a

1.3.2 柴油机控制ECU

根据各传感器输入信号和内存程序，计算出供（喷）油量和供（喷）油开始时刻，并向执行元件发出执行令信号a

1.3.3 执行元件

执行ECU 的指令，调节柴油机的供（喷）油量和供（喷）油正时a

2 柴油机电控技术的发展及其电控燃油喷射系统的优点

2.1 柴油机电控技术的发展

柴油机电控技术是在解决能源危机和排放污染两大难题的背景下，在飞速发展的电子控制技术平台上发展起来的a汽油机电控技术的发展为柴油机电控技术的发展提供了宝贵经验a

第一代柴油机电控燃油喷射系统（常规压力电控喷油系统）的优点是结构不需改动，生产继承性好，便于对现有柴油机进行升级换代；缺点是系统响应慢d控制频率低d控制自由度小d控制精度不够高，喷油压力无法独立控制a

第二代柴油机电控燃油喷射系统（高压电控喷油系统）改变了传统燃油供给系统的组成和结构，主要以电控共轨（各缸喷油器共用一个高压油管）式喷油系统为特征，直接对喷油器的喷油量d喷油正时d喷油速率和喷油规律d喷油压力等进行“时间-压力控制”或“压力控制”a其特点是通过设置传感器d电控单元d高速电磁阀和相关电/ 液控制执行元件等，组成数字式高频调节系统，用电磁阀的通d断电时刻和通d断电时间控制喷油泵的供油量和供油正时a但供油压力还无法独立控制a

2.2 柴油机电控燃油喷射系统的优点

柴油机电控燃油喷射系统的优点如下a

2.2.1 改善低温起动性

电子控制系统能够以最佳的程序替代驾驶员进行这种麻烦的起动操作，使柴油机低温起动更容易a

2.2.2降低氮氧化物和烟度的排放

采用柴油机电控技术，可精确地将喷油量控制在不超过冒烟界限的适当范围内，同时根据发动机工况调节喷油时刻，从而有效地抑制排烟a

2.2.3 提高发动机运转稳定性

采用柴油机电控系统，无论负荷怎样增减，都能保证发动机怠速工况下以最低的转速稳定运转，有利于提高其经济性a

2.2.4 提高发动机的动力性和经济性

柴油机电控系统中，ECU 根据传感器信号，精确计算喷油量和喷油正时，从而提高发动机动力性和经济性a

2.2.5 控制涡轮增压

采用电子控制技术可以对增压装置进行精确的控制a

2.2.6 适应性广

只要改变E C U 的控制程序和数据，一种喷油泵就能广泛用于各种柴油机，而且柴油机燃油喷射控制可与怠速控制等各种控制系统进行组合实现集中控制， 有利于缩短柴油机电控系统开发周期， 并降低成本， 从而扩大柴油机电控系统的应用范围a

3 柴油机电控系统的功能

常见柴油机电控系统的功能如下a

3.1 燃油喷射控制

燃油喷射控制主要包括：供（喷）油量控制d供（喷）油正时控制d供（喷）油速率控制和喷油压力控制等a

3.2 怠速控制

柴油机的怠速控制主要包括怠速转速控制和怠速时各缸均匀性的控制a

3.3 进气控制

柴油机的进气控制主要包括进气节流控制d可变进气涡流控制和可变配气正时控制a

3.4 增压控制

柴油机的增压控制主要是由ECU 根据柴油机转速信号d负荷信号d增压压力信号等，通过控制废气旁通阀的开度或废气喷射器的喷射角度d增压器涡轮废气进口截面大小等措施，实现对废气涡增压器工作状态和增压压力的控制，以改善柴油机的扭矩特性，提高加速性能，降低排放和噪声a

3.5 排放控制

柴油机的排放控制主要是废气再循环（EGR）控制aECU 主要根据柴油机转速和负荷信号，按内存程序控制EGR 阀开度，以调节EGR 率a

3.6 起动控制

柴油机起动控制主要包括供（喷）油量控制d供（喷）油正时控制和预热装置控制，其中供（喷）油量控制和供（喷）油正时控制与其他工况相同a

3.7 巡航控制

带有巡航控制功能的柴油机电控系统，当通过巡航控制开关选定巡航控制模式后，ECU 即可根据车速信号等自动维持汽车以一定车速行驶a

3.8 故障自诊断和失效保护

柴油机电控系统中也包含故障自诊断和失效保护2个子系统a柴油机电控系统出现故障时，自诊断系统将点亮仪表盘上的“故障指示灯”，提醒驾驶员注意，并储存故障码，检修时可通过一定的操作程序调取故障码等信息；同时失效保护系统启动相应保护程序，使柴油能够继续保持运转或强制熄火a

3.9 柴油机与自动变速器的综合控制

在装用电控自动变速器的柴油车上， 将柴油机控制ECU 和自动变速器控制ECU 合为一体， 实现柴油机与自动变速器的综合控制，以改善汽车的变速性能a

4 常见车用柴油机电控燃油喷射系统实例

4.1 日本电装公司ECD-V1 系统

日本丰田公司柴油轿车最早装用的就是由日本电装公司开发的ECD-V1 系统，该系统是在转子分配式喷油泵的基础上，加装电子控制装置而形成的a主要传感器包括：发动机转速传感器d加速踏板位置传感器d滑套位置传感器d正时活塞位置传感器d进气压力传感器d进气温度传感器d冷却液温度传感器d车速传感器d空挡开关d起动开关d空调开关等aECD-V1 系统的控制功能包括：燃油喷射控制d进气节流控制d预热塞控制d自诊断和安全保护功能等a

4.2 日本电装公司ECD-V3 系统

日本电装公司开发的ECD-V3系统也是在转子分配式喷油泵基础上，增加电子控制装置形成的柴油机电控燃油喷射系统a与ECD-V1系统相比，主要是喷油量控制方法不同，ECD-V3 系统是通过控制喷油时间来实现对喷油量控制的，即ECU 在确定喷油器的喷油开始时刻后，再通过回油控制电磁阀来控制柱塞泵回油的时刻（即停止喷油的时刻），以此来控制喷油量；为控制喷油时间，在转子分配式喷油泵内增设了泵角传感器a泵角传感器采用电磁感应式，向ECU 提供喷油泵凸轮轴位置和转角信号a此外，ECD-V3 系统装用光电式着火正时传感器，对喷油正时实施反馈控制a

发动机转速传感器安装在曲轴上a

4.3 日本五十铃公司L-TEC 系统

五十铃公司L-TEC（全电子控制式）是在转子分配式喷油泵基础上，增加电子控制装置形成的全电子控制式柴油机电控燃油喷射系统a该系统的主要特点是：具有巡航控制功能，设有燃油温度传感器，不对喷油正时进行反馈控制a此外，加速踏板位置传感器采用差动电感式；进气节流（节气门）不受E C U 控制a

4.4 直列柱塞泵电控

系统装用直流电动机式电子调速器的直列柱塞泵电控系统，用电子调速器取代原有的机械调速器，以实现对喷油量的控制；用正时控制器取代原有的机构离心式供油提前角自动调节器，来对喷油正时进行控制；并设有油量调节拉杆（或齿条）位置传感器和正时传感器，对喷油量和喷油正时的控制均采用闭环控制方式a

4.5 美国Caterpillar公司HEUI系统

该系统具有共轨式柴油机电控燃油喷射系统的基本组成和结构，属第二代电控共轨式燃油喷射系统a该系统的控制功能包括：燃油喷射控制d进气控制d起动控制d故障自诊断d失效保护和应急备用，同时还具有与其他控制系统进行数据传输的功能aHEUI 系统的喷油量控制采用了“压力控制”方式，通过由传感器dECU 和执行元件等组成的控制系统，对循环喷油量d喷油正时d喷油速率和喷油压力进行控制a

4.6 日本电装公司ECD-U2 系统

该系统主要用于载重汽车装用的柴油机上，日本日野汽车公司d三菱汽车公司和日产汽车公司生产的载重汽车柴油机多数采用ECD-U2系统a该系统具有共轨式喷油系统的基本组成和结构，属于第二代柴油机电控燃油喷射系统，ECD-U2系统的组成由各种传感器dE C Ud燃油压力控制阀和三通电磁阀等组成的控制系统，对喷油量d喷油正时d喷油速率和喷油压力进行“时间压力控制”a

5 共轨式柴油电喷控制技术抢占“奥运商机”

随着北京2008年奥运会日益临近，中国全面实施欧Ⅲ排放法规的期限也在步步逼近，北京已经提前实施了这项法规a欧Ⅲ排放标准迫使卡车和大客车逐渐放弃传统的机械式柴油发动机，转而采用电控发动机a这种大规模的技术升级不仅将催生出新的商机，也可能彻底改变原有产业竞争态势a因此，柴油发动机产业链条上的企业无不关注着电控发动机技术和市场的每一个进展a

与机械式发动机相比，电控发动机不仅能提升排放清洁度，由于为发动机加入了以芯片组为控制核心的电子系统，还具备了更好的可控制性和可管理性，使整车性能获得质的飞跃a因此，它被称为“智能发动机”a驾乘人员将有完全不同的驾驶感受，如发动机自我保护d巡航控制d道路速度控制等a

更为整车厂商所关注的是：在环保排放标准提升越来越快的今天，机械发动机为满足排放标准，后续技术投入非常大，而电控发动机却具备更好的向上兼容性，只需要局部改进，就能够提升排放清洁度a因此，对整车厂商来说，谁能更早转移到电控平台，选择一家对整车厂商的需求有深入理解的电控机生产商达成深入合作协议，谁就能确保未来几年的排放环保改进成本得到最好的控制a

虽然离2008年全国全面实施欧Ⅲ标准还有2年的时间，但围绕欧Ⅲ的市场争夺战已经在一些城市展开a业内人士分析认为，因为整车厂商和发动机厂商之间的技术匹配需要一定的时间，所以，谁准备得早，谁就能获得更多的时间，就能拿出成熟的整车匹配方案，就能在欧Ⅲ电控机市场上占有主动权a

6 结束语

共轨式电控燃油喷射技术有助于减少柴油机的有害尾气排放量，并具有降低噪声d降低燃油耗d提高动力输出等方面的综合性能a高压共轨电控燃油喷射技术的应用有利于地球环境保护，加速促进柴油机工业d汽车工业，特别是工程机械相关工业的向前发展a

高压电控燃油喷射系统对控制排放十分有利，其中，共轨式电控喷射系统的供油和燃油计量是完全分开的，从而其喷油压力d喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响，尤为各国青睐a我国对现代柴油发动机电控技术的研究和开发尚处于起步阶段，目前还主要集中在对柴油发动机电控喷射系统的研究与开发上a但随着社会经济的发展，对环保的要求越来越高，柴油发动机电控系统的研究和相应产品的开发必将成为我国汽车柴油发动机技术领域中的一个热点，这将大大促进我国汽车柴油发动机产品的更新换代，为在未来短期内参与国际竞争奠定坚实的基础a