柴油機方面的論文
柴油機方面的論文
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摘要：介紹了柴油機電子控制技術的發展狀況、控制原理和應用特點及高壓共軌技術的工作原理、研究方向、應用前景。
關鍵詞：柴油機電控技術；高壓共軌技術；應用前景
1 柴油機電子控制技術的發展狀況及發展趨勢
1.1柴油機電子控制技術的發展狀況
柴油機電子控制技術始於20世紀70年代，20世紀80年代以來，英國盧卡斯公司、德國博世公司、賓士汽車公司、美國通用的底特律柴油機公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五十鈴汽車公司及小松製作所等都競相開發新產品並投放市場，以滿足日益嚴格的排放法規要求。
由於柴油機具備高扭矩、高壽命、低油耗、低排放等特點，柴油機成為解決汽車及工程機械能源問題最現實和最可靠的手段。因此柴油機的使用範圍越來越廣，數量越來越多。同時對柴油機的動力效能、經濟效能、控制廢氣排放和噪聲汙染的要求也越來越高。依靠傳統的機械控制噴油系統已無法滿足上述要求，也難以實現噴油量、噴油壓力和噴射正時完全按最佳工況運轉的要求。近年來，隨著計算機技術、感測器技術及資訊科技的迅速發展，使電子產品的可靠性、成本、體積等各方面都能滿足柴油機進行電子控制的要求，並且電子控制燃油噴射很容易實現。
實際上，柴油機排氣中CO和HC比汽油機少得多，NOX排放量與汽油機相近，只是排氣微粒較多，這與柴油機燃燒機理有關。柴油機是一種非均質燃燒，可燃混合氣形成時間很短，而且可燃混合氣形成與燃燒過程交錯在一起。透過分析柴油機噴油規律得到：噴入燃料的霧化質量、汽缸內氣體的流動以及燃燒室形狀等均直接影響燃燒過程的進展以及有害排放物的生成。提高噴油壓力和柴油霧化效果、使用預噴射、分段噴射等可以有效的改善排放。
經過多年的研究和新技術應用，柴油機的現狀已與以往大不相同。現代先進的柴油機一般採用電控噴射、高壓共軌、渦輪增壓中冷等技術，在重量、噪音、煙度等方面已取得重大突破，達到了汽油機的水平。隨著國際上日益嚴格的排放控制標準(如歐洲Ⅳ、Ⅴ標準)的頒佈與實施，無論是汽油機還是柴油機都面臨著嚴峻的挑戰，解決的辦法之一是採用電子控制燃油噴射的技術。現在，柴油機電子控制技術在發達國家的應用率已達到60%以上。
1.2何謂電噴柴油機
採用電子控制燃油噴射及排放的柴油機即為電噴柴油機。電噴柴油噴射系統由感測器、ECU(計算機)和執行機構三部分組成。其任務是對噴油系統進行電子控制，實現對噴油量以及噴油定時隨執行工況的實時控制。採用轉速、油門踏板位置、噴油時刻、進氣溫度、進氣壓力、燃油溫度、冷卻水溫度等感測器，將實時檢測的引數同時輸入計算機(ECU)，與已儲存的設定引數值或引數圖譜(MAP圖)進行比較，經過處理計算按照最佳值或計算後的目標值把指令送到執行器。執行器根據ECU指令控制噴油量(供油齒條位置或電磁閥關閉持續時間)和噴油正時(正時控制閥開閉或電磁閥關閉始點)，同時對廢氣再迴圈閥、預熱塞等執行機構進行控制，使柴油機執行狀態達到最佳。
1.3柴油機電子控制技術的發展趨勢
1.3.1高的噴射壓力
為滿足排放法規的要求，柴油噴射壓力從10MPa提高到200MPa。如此高的噴射壓力可明顯改善柴油和空氣的混合質量，縮短著火延遲期，使燃燒更迅速、更徹底，並且控制燃燒溫度，從而降低廢氣排放。
1.3.2獨立的噴射壓力控制
傳統柴油機的供油系統的噴射壓力與柴油機的轉速負荷有關。這種特性對於低轉速、部分負荷條件下的燃油經濟性和排放不利。若供油系統具有不依賴轉速和負荷的噴射壓力控制能力，就可選擇最合適的噴射壓力使噴射持續期、著火延遲期最佳，使柴油機在各種工況下的廢氣排放最低而經濟性最優。
1.3.3改善柴油機燃油經濟性
使用者對柴油機的燃油消耗率非常關注。高噴射壓力、獨立的噴射壓力控制、小噴孔、高平均噴油壓力等措施都能降低燃油消耗率，從而提高了柴油機的燃油使用經濟性。
1.3.4獨立的燃油噴射正時控制
噴射正時直接影響到柴油機活塞上止點前噴入汽缸的油量，決定著汽缸的峰值爆發壓力和最高溫度。高的汽缸壓力和溫度可以改善燃油使用經濟性，但導致NOX增加。而不依賴於轉速和負荷的噴射正時控制能力，是在燃油消耗率和排放之間實現最佳平衡的關鍵措施。
1.3.5可變的預噴射控制能力
預噴射可以降低顆粒排放，又不增加NOX排放，還可改善柴油機冷啟動效能、降低冷態工況下白煙的排放，降低噪聲，改善低速扭矩。但是預噴射量、預噴射與主噴射之間的時間間隔在不同工況下的要求是不一樣的。因此具有可變的預噴射控制能力對柴油機的效能和排放十分有利。
1.3.6最小油量的控制能力
供油系統具有高噴射壓力的能力與柴油機怠速所需要的小油量控制能力發生矛盾。當供油系統具有預噴射能力後將會使控制小油量的能力進一步降低。由於工程機械用柴油機的工況很複雜，怠速工況經常出現，而電噴柴油機容易實現最小油量控制。
1.3.7快速斷油能力
噴射結束時必須快速斷油，如果不能快速斷油，在低壓力下噴射的柴油就會因燃燒不充分而冒黑煙，增加HC排放。電噴柴油機噴油器上採用的高速電磁開關閥很容易實現快速斷油。
1.3.8降低驅動扭矩衝擊載荷
燃油噴射系統在很高的壓力下工作，既增加了驅動系統所需要的平均扭矩，也加大了衝擊載荷。燃油噴射系統對驅動系統平穩載入和解除安裝的能力，是一種衡量噴射系統
的標準。而電噴柴油機技術中的高壓共軌技術則大大降低了驅動扭矩衝擊載荷。
2 柴油機電子控制技術的目的及優點
2.1目的
最佳化動力性、改善燃油使用經濟性、控制排放，使柴油機從怠速至額定轉速範圍內均能獲得最佳工作狀況，防止可能發生的危險執行狀況，延長零件的使用壽命。
2.2優點
2.2.1具有多功能的自動調節效能
工程機械用柴油機的運轉工況是多變的，而且對油耗、排放和可靠性等要求較高。自動控制技術應用於柴油機的調節系統正好可以實現多功能的自動調節，從而保證柴油機動力性、燃料使用經濟性、可靠性和操作方便性等效能充分發揮。
2.2.2減輕質量、縮小尺寸、提高柴油機的緊湊性
對於現代高速柴油機而言，由於驅動噴油泵的扭矩較大，要設計一個緊湊和可靠的供油提前自動調節器很複雜，而且在柴油機總體佈置上也比較困難。採用自動控制技術解決供油提前角自動調節問題，不僅可以容易地解決上述難題，而且提高了柴油機的緊湊性。
2.2.3部件安裝連線方便，提高了維修性
採用自動控制系統，相關部件尺寸減小(特別是燃油供給系統)，安裝部位免受空間位置的約束，連線簡便，有利於柴油機日常維護及修理。
2.2.4擴充套件了故障診斷、聯絡等功能
採用自動控制系統，可方便地與微型計算機相連，很容易實現柴油機效能檢測與故障診斷功能，柴油機執行及檢測資料的儲存與傳遞等問題也迎刃而解，便於科學管理和使用。
2.2.5使柴油機的.動力輸出和負荷得到更精確的匹配
隨著工程機械製造技術高速發展，為了提高自行式工程機械的作業效能，採用了電噴柴油機，電控自動變速器等自動控制裝置，使自行式工程機械在作業時，能隨著負荷的變化在一定範圍內自動調整動力輸出、動力傳遞，柴油機的動力輸出和負荷得到更精確的匹配，充分發揮工程機械作業效能。
3 柴油機電控技術的特點
柴油機電控技術與汽油機電控技術有許多相似之處，整個系統都是由感測器、電控單元和執行器三部分組成。在電控噴射方面柴油機與汽油機的主要差別是，汽油機的電控噴射系統只是控制空燃比(汽油與空氣的比例)，柴油機的電控噴射系統則是透過控制噴油時間來調節輸出油量的大小，且柴油機噴油控制是由發動機的轉速和加速踏板位置(油門、供油拉桿位置)來決定的。柴油機電控技術有兩個明顯的特點：一是柴油噴射電控執行器複雜，二是柴油電控噴射系統的多樣化。
3.1柴油機是一種熱效率比較高的動力機械
柴油機燃油噴射具有高壓、高頻、脈動等特點。其噴射壓力高達200MPa，為汽油機噴射壓力的百倍以上。對燃油高壓噴射系統實施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對噴射正時的精度要求很高，相對於柴油機活塞上止點的角度位置遠比汽油機要求準確，這就導致了柴油噴射的電控執行器要複雜得多。
3.2由於柴油機的噴射系統形式多樣
傳統的柴油機具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結構完全不同的系統。實施電控技術的執行機構比較複雜，形成了柴油噴射系統的多樣化；同時柴油機需要對油量、定時、噴油壓力等多引數進行綜合控制，其軟體的難度也大於汽油機。
4 電控柴油噴射系統分類
最先出現的是電控噴油泵技術，而後又發展了電控泵噴嘴技術和高壓共軌噴射技術，後兩種技術是現在最主要的柴油機電控噴射技術。其中，電控泵噴嘴技術的噴油壓力非常高，可以達到200MPa，並且泵和噴嘴裝在一起，所以只需要很短的高壓油引導部分，泵噴嘴系統也可以實現很小的預噴量，其噴油特性是三角形的，並採用了分段式預噴射，這是很符合柴油機的要求(大眾公司的TDI發動機就是使用這種技術)。但電控泵噴嘴技術的噴油壓力受柴油機轉速影響，使用蓄壓系統的高壓共軌技術可以解決這個問題。它的噴油壓力低於泵噴嘴系統，能達到160MPa。有些公司看中了它對任意缸數的發動機噴油壓力調節很寬泛的特點，逐步擴大其使用範圍(最早使用高壓共軌的轎車是阿爾法羅密歐156和賓士C級別車)。
4.1第一代柴油機電控燃油噴射系統也稱位置控制系統，它用電子伺服機構代替機械調速器控制供油滑套位置以實現供油量的調整。其特點是保留了傳統的噴油泵——高壓油管——噴油器系統，只是對齒條或滑套的運動位置由原來的機械調速器控制改為計算機控制。這類技術已發展到了可以同時控制定時和預噴射的TICS系統。