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早期的柴油机电控燃油喷射系统都采用“位置控制”,采用传统的脉冲高压供油原理,但其控制频率低、精度不稳定。20世纪90年代后,采用“时间控制”,用新型高速强力电磁阀代替了传统的油量调节齿条(直列泵)或油量调节滑套,直接对高压燃油进行数字式的高频调节,由电磁阀的关闭时刻和闭合持续时间决定循环供(喷)油量和供(喷)油正时。在“时间控制”式电控燃油喷射系统的基础上,又开发展了一种新型电控共轨式燃油喷射系统,它采用“时间—压力控制”式燃油计量原理,通过对公共油轨中油压的连续控制和各缸喷油过程的电磁阀控制相结合的方式对循环供(喷)油量进行控制,这使柴油机的电控燃油喷射技术进入了一个新的发展阶段。

1.电控喷射系统基本原理

各种输入信号通过传感器及其他信号输入装置输入电子控制单元,经过输入回路或模/数(A/D)转换器输入微机。在微机的存储器中,存有柴油机和各有关调控参数或状态的目标数据。传感器检测实际参数输入微机后,先与存储器中的相应参数和最优运行结果比较,如果两者相同,则电控系统保持原状态,柴油机继续按当前状态运行。当实际参数偏离目标参数时,微机将根据偏离值大小和方向按一定的控制对策,进行有关的信息处理。经运算处理后微机通过I/O(输入/输出)接口输出控制指令信号,经输出回路放大后控制有关执行器动作,使柴油机相应参数或状态向目标逼近,接近程度也可由相应传感器检测,并将检测结果反馈给电子控制单元(ECU),实行闭环控制,使柴油机按最佳状态运行。

2.怠速控制

现代车用柴油机控制系统中的怠速控制主要包括怠速转速和怠速时各缸循环供(喷)油量的均匀性控制。

现代车用电控柴油机怠速控制系统中怠速转速的控制,是通过对怠速时喷油系统循环供(喷)油量的控制,进而控制怠速转速。所以在现代车用柴油机怠速控制系统中,对怠速转速控制的方法与一般工况下对循环供(喷)油量的控制是一样的。怠速工况时,ECU根据从节气门位置传感器、柴油机转速传感器、冷却液温度传感器、进气空气温度传感器、空调离合器开关、蓄电池电压传感器等得到的信息,按预先存储在ECU中的相对于所要求的怠速转速的怠速循环供(喷)油量脉谱图,确定循环供(喷)油量,并通过各种提供反馈信号的传感器,对怠速循环供(喷)油量进行反馈控制。这样,既能较容易地柔性控制怠速转速的高低,又能控制怠速转速的稳定。

3.进气控制

车用柴油机电控系统中的进气控制通常是指进气管节流控制、可变进气涡流控制和可变配气正时控制等。车用柴油机电控系统能很方便地实时控制进气管中节流阀的开度,以满足高、低转速工况不同性能的要求。如涡轮增压柴油机的电控进气管节流控制系统,在分隔成两半的进气总管中,各设有一个节流阀,即主阀和副阀。主阀由加速踏板直接驱动,而副阀由真空弹簧膜片阀驱动。分别与真空弹簧膜片两侧相通的两个真空开关阀按ECU的指令改变真空回路,在真空弹簧膜片阀的驱动下,控制副阀的开度,使其处于全开、半开或全闭的位置。在怠速或低速工况下,主阀关闭或开度很小,而受到ECU控制的副阀开度,除了可使得处于小流量状态下的进气流速增大、气流惯性增大、充气量增多、涡流强度增强、为怠速或低速工况下获得较好的工作环境外,还因为进气管中节流所产生的真空度可使气缸压力下降,有效地降低了怠速或低速时的噪声和振动。此外,当燃油系统突发故障,造成柴油机转速突然增高(飞车)时,除了将加速踏板松开使主阀关闭外,ECU得到来自柴油机转速传感器的超速信号后,也会迅速关闭副阀,防止柴油机飞车。

4.增压控制

现代车用柴油机用得最多的是涡轮增压。这里讲的增压控制是指废气涡轮增压的控制。

由于柴油机是一种容积式机械,而废气涡轮增压器是一种具有喷嘴特性的空气动力涡轮机械,两者的空气流量-转速变化规律是不同的,两者的匹配是相当不稳定的。废气涡轮增压是靠废气排出的能量驱动涡轮增压器中的涡轮-压气机轴的。当柴油机转速低时,排气流速也低,由于排气量能量不足,涡轮转速下降,增压压力下降,会造成燃烧冒黑烟、排气温度和零件温度升高、转矩特性变差等后果;反之,当柴油机转速升高、排气量多、排气流速高时,涡轮转速升高,增压效果就好。因此,废气涡轮增压在柴油机处于低速大负荷工况下就很难满足车辆对转矩适应性的要求。所以,为了使车用柴油机在低转速时获得足够高的增压压力以提高低速大负荷时的转矩,就必须使低速下最大转矩工况点匹配在压气机的高效率区,但是这样会使柴油机在高速大负荷时增压压力过高,造成增压器超速、气缸燃烧压力过高。此外,由于运动件惯性的原因,在低速区或涡轮增压器的响应性很差,很难满足车辆对瞬变工况快速反应的要求。

针对上述问题,多年来各国对涡轮增压器及其与柴油机相连接的进、排气系统做了大量的研究工作。重点是采用各种可调系统,优化涡轮增压器与柴油机的匹配性能,以改善涡轮增压器的流体力学性能,改善涡轮增压柴油机的低速转矩特性和提高其瞬态响应能力。其中,废气旁通和可变涡轮通流面积等技术的采用,特别是电控技术在相应的带废气放气阀增压系统和可变涡轮通流面积增压系统(也称可变几何涡轮增压系统)的应用和发展,有效地拓宽了废气涡轮增压柴油机的工作范围,改善了瞬态响应特性,使车用废气涡轮增压柴油机有了广阔的市场前景。因而,在废气涡轮增压汽车柴油机增压控制系统中,增压控制通常包括废气旁通控制、涡轮通流面积控制等。

5.排放控制

降低柴油机特别是直喷式柴油机排放的主要目标是降低NOX和颗粒物排放。上述以微机为控制单元的现代车用柴油机电控系统中的燃油喷射控制、进气控制、增压控制等都能在不同程度上改善工作过程,有效地降低NOX和颗粒物排放。与此同时,也采取了各种机内或机外的净化措施。

对降低颗粒物排放而言,主要是通过在排气管上安装各种形式的颗粒物捕集器、颗粒物净化器等机外净化的方法。而对降低NOX排放来说,由于柴油机的燃烧过程是属于富氧燃烧,所以无法采用汽油机所用的技术,即在排气管上安装三元催化反应器加上氧传感器的反馈控制系统,以降低废气中有害气体的排放。所以迄今为止,主要采取以废气再循环(EGR)为代表的机内净化措施。实践证明,这是降低NOX排放最简单而有效的方法之一。

在柴油机的EGR系统中,也是采用一个特殊的通道将排气歧管与进气歧管连通,在通道上装上EGR阀,通过控制EGR阀的开度控制废气再循环量。在采用机械式控制时,所能控制的EGR率的范围为5%~15%,控制的自由度也比较小,控制的精度也低。所以,在以微机为控制单元的现代车用柴油机电控系统中,用ECU控制EGR。但EGR不仅会使柴油机动力性和经济性下降,更严重的负面影响则是颗粒物排放的增加,EGR率的增加会使颗粒物排放急剧增加。所以要在高负荷下用EGR控制NOX排放,但若不希望产生过多的颗粒物排放,必须对EGR率进行严格控制,有非常精确的EGR率计量系统。

近年来,一种旨在同时降低直喷式柴油机NOX和颗粒物排放(同时也可降低噪声)的燃烧方式,即“低温预混合燃烧方式(MK燃烧方式)已开始实用化。它是通过推迟喷油正时、延长滞燃期以增加预混合燃烧在整个燃烧过程中的比例,在预混合燃烧过程中采用EGR率高达45%的废气再循环,通过大幅度降低缸内气体中氧浓度以降低火焰温度,从而降低NOX排放。另一方面,由于扩散燃烧在整个燃烧过程中比例减小,而颗粒物又是大多在扩散燃烧中生成的,所以颗粒物排放相对也减少了。此外,由于喷油正时大幅度推迟,燃烧开始的时间较常规燃烧时晚,燃烧速率上升平缓,气缸内压力升高率降低,燃烧噪声降低。至于因喷油延迟和等容燃烧部分减少而造成热效率下降,则通过涡流比和燃烧室形状的优化等加以弥补。显然,要实现上述MK燃烧方式,在预混合燃烧过程中精确控制EGR率是十分关键的。

现代车用柴油机电控系统中,对EGR的控制是由ECU完成的。主要有两种控制方式,即可变EGR率废气再循环开环控制和可变EGR率废气再循环闭环控制。

6.启动控制

由于启动时所需的启动转矩和最低启动转速随温度降低而增加,所以,改善启动性能主要是降低启动阻力(包括预热、稀释润滑油或采用低温稠化润滑油、减压启动等)和改善着火条件(包括进气预热、冷却液预热、启动加浓、燃烧室局部加热、采用自燃性能好的燃料等)。

在常规的启动控制系统中,已将电热元件通电持续时间和“可以启动”信号指示的控制组合在一起,构成一个用塑料外壳密封,能起控制、保护和监控作用的控制单元。它包括一个调节电流大小的功率继电器、控制通电持续时间和“可以启动”信号指示的电路以及有保护功能的元件。由装在控制单元中的温度传感器控制通电时间,以满足启动要求。此外,在一些柴油机上还装有NTC冷却液温度传感器以更精确地控制通电持续时间,其输出信号也被控制单元用作对蓄电池电压波动进行补偿的依据。

在现代车用电控柴油机的启动控制系统中,用ECU实现上述控制。当点燃/启动开关处于“点燃”位置时,根据柴油机冷却液温度,决定ECU电热塞或进气预热塞是否要点燃和通电持续时间。7.柴油机电子控制技术的发展趋势

(1)提高喷射压力

为满足排放法规要求,喷射压力从100 MPa提高到120 MPa直到200 MPa。如此高的喷射压力可明显改善燃油和空气的混合,从而降低烟雾(颗粒物)排放。同时高喷射压力又可大大缩短着火延迟期。如果采用减少先期着火时喷入的燃油量,再与推迟喷射正时相结合,能显著降低NOX排放。

(2)独立的喷射压力控制

一般的喷油泵-高压油管-喷油器系统的喷射压力还与柴油机负荷有关。这种特性对于低转速、部分负荷条件下的燃油经济性和烟度不利。为保证柴油机在低速、部分负荷工况下形成混合气所需的足够能量,如果按照上述特性,那么标定转速、标定工况下的喷油压力过高,系统的机械应力就太高。如系统具有不依赖于转速和负荷的喷油压力控制能力,就可用选择最合适的喷射压力的办法使喷射持续期、着火延迟期最佳化,使柴油机在各种工况下NOX和烟度排放最低而经济性最优。

(3)改善燃油经济性

将高喷射压力、独立的喷射压力控制、小喷孔、喷油平均压力与峰值压力之比值尽量大,以及尽可能地把产生于喷射持续期结束时的燃油系统内部压力能部分地转化为驱动链的能量等,均可改善燃油经济性。

(4)独立的喷油正时控制

喷射正时直接影响柴油机上止点前喷入气缸的油量,决定气缸的峰值爆发压力和最高温度。一般来说,气缸压力和温度高,可以改善柴油机经济性,但增加NOX排放。因此不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组合的关键措施。

(5)可变的预喷射控制能力

预喷射可以降低颗粒物排放,而又不增加NOX排放;也可改善柴油机冷启动性能,降低柴油机在冷态工况下白烟的排放;还可降低噪声,提高低速转矩。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)最小油量控制能力

燃油系统具有高喷射压力的能力,往往与柴油机怠速所需要的小油量控制能力相矛盾。燃油系统具有预喷射能力后,控制小油量的能力进一步降低。但燃油系统又必须具备能控制最小怠速稳定油量一半的能力。

(7)快速断油能力

快速断油要求在结束喷射时仍然处于较高喷射压力,使燃油和空气始终能很好混合,直到燃烧结束。如果不能快速断油,那么低压力下喷射的燃油就会燃烧不充分而冒烟,增加碳氢化合物排放。

(8)降低驱动转矩冲击载荷

燃油喷射系统在很高的压力下工作,既增加驱动系统所需要的平均转矩,也增加扭矩的冲击载荷。因此,燃油喷射系统对驱动系统平稳的加载和卸载能力是衡量喷射系统优劣的一个标准。

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