柴油机电子控制系统发展.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date柴油机电子控制系统发展目 录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

2、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）柴油机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 engin

3、e、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

4、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应的法规，使各国汽车生产厂无不感到巨大压力。所幸的是从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置，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20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

5、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。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，MAN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

6、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、双作用式和对置活塞式柴油机等；按用途分为船用柴油

7、机、机车柴油机等。低速柴油机和部分中、高速柴油机主要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

8、全地燃烧有重要作用。柴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置、电子控制单元（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。1.传感器及信号输入装置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

9、的传感器主要有：加速踏板位置传感器、转速传感器、泵角传感器、溢流环位置传感器、正时活塞位置传感器、控制拉杆位置传感器、控制套筒位置传感器、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。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

10、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。图3 系统控制系统（四）柴油机电控技术的特点 柴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置(油门、供油拉杆位置)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高压、高频、脉动等特点。其喷射压力高达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

11、。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置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。 2.由于柴油机的喷射系统形式多样 传统的柴油机具有直列泵、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

12、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

13、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。 实际上，柴油机排气中CO和HC比汽油机少得多，NOX排放量与汽油机相近，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

14、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Stanadyne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

15、各大汽车厂商不断推出柴油机配置的轿车产品，这一趋势大有被不断加速的可能。 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，

16、美国政府对汽车柴油机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排放标准，但如果要达到欧III甚至更为严格的排放标准就须采

17、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

18、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

19、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

20、）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置。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

21、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

22、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10MPa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。2.独立的喷射压力控制 传统柴油机的供油系统的

23、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

24、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，又不增加NOX排放，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

25、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。 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

26、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。车用柴油机的有害排放物包括CO、HC、NOx及颗粒物等，汽油机主要是CO和HC，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

27、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260340

28、gkwh，车用柴油机为200270gkwh。要进一步改善车用柴油机的能耗，需要采取更先进的技术，提高燃烧效率和机械效率。7、发展新型喷油系统，提高喷油系统的喷射压力。这是改进燃烧过程，降低燃油消耗、减少废气排放和降低噪声的有效措施。目前，开发应用的有可调预行程泵、电控泵喷嘴及共轨喷油系统等。8、发展排气后处理技术。当排放法规进一步强化到欧洲II号法规水平以后，就需要采用机外净化措施，包括废气再循环、氧化催化技术、脱NOX催化剂等。9、推广应用汽油机缸内喷射技术。汽油缸内喷射是大幅度提高汽油机燃油经济性、减少有害气体排放的有效措施。目前，日本已有产品问世。10、推广应用清洁能源内燃机（LPG、C

29、NG等替代燃料发动机）。汽车是城市大气污染的主要污染源，除了不断强化内燃机汽车的排放法规，尽可能减少其有害排放物外，采用清洁燃料也是一种有效的措施，可以使主要排放物减少3090。目前，国外已有600万辆左右的气体燃料（LPG、CNG）汽车。六、总结柴油机具有热效率高的显著优点，其应用范围越来越广。现代汽车柴油发动机电控系统的控制项目将从仅有循环供(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

30、综合控制等在内的全方位控制。 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。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，为在未来不长的时期里参与国际竞争奠定坚实的基础。随着强化程度的提高，柴油机单位功率的重量也显著降低。为了节能，各国都在注重改善燃烧过程，研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。此外，降低摩擦损失、广泛采用废气涡轮增压并提高增压度、进一步轻量化、高速化、低油耗、低噪声和低污染，都是柴油机的重要发展方向。-