国内外柴油机电控喷油技术的发展现状及前景_杜建华

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收稿日期：２０１０－０３－１９

国内外柴油机电控喷油技术的发展现状及前景

杜建华１，蒋公见２，蒋海牙３

（１．首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北　唐山０６３２００；２．第二炮兵驻郑州办，河南　郑州　４５００００；

３．哈尔滨理工大学电气与电子学院，黑龙江　哈尔滨　１５００４０）

摘 要：本文首先阐述柴油机电控喷油技术国内外发展的背景和现状，接着介绍柴油机电控喷油系统的基本组成和控制原理，简要介

绍了其分类。根据柴油机电控系统的组成和控制原理以及国内外现状，针对国内外现有柴油机电控技术存在的几个问题，探讨将来柴油机电控技术的发展方向和前景。并综合得出未来最具前景的系统为电控高压共轨式喷油系统。

关键词：柴油机；电控系统；喷油技术；发展动向和前景

中图分类号：ＴＰ２９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３－７２４１（２０１０）０８－００１６－０５

Present and Future Development at Home and Abroad on EFI

DU Jian-hua 1, JIANG Gong-jian 2, JIANG Hai-ya 3

( 1. Shougang Jingtang Iron & Steal United Co., Ltd., Tangshan 063200 China;

2. Zhengzhou office of Second artillery, Zhengzhou 450000 China;

3. College of Electrical and Electronic Harbin University of Science and Technology, Harbin 150040 China )

Abstract: This paper introduces the development background of diesel injection technology at home and abroad, the electronic

control principle of the diesel injection system, and it’s classification at first. According to the system of diesel engines and electronic control principle, with the status in diesel engines at home and abroad, the problems of existing technical on electronic control. Then discusses the future development direction in diesel engines electronic control technology and prospect. The most promising system is the electronic control system of high pressure common rail diesel engine.

Key words: Diesel engine; control system; spray technology; prospects of development trends

１ 引言

车用的柴油机自１８９７年第一台产生以来，由于它的高效、节能等性能在汽车动力中受到高度重视，特别在近现代，柴油机的应用趋势在逐渐扩大，由于车用发动机对能源消耗较大，对环境污染特别严重，所以对该项污染问题不能忽视，全世界的能源枯竭和所以人们对发动机汽车尾气对世界的污染日益严重，所以全世界人类在对节约能源和汽车尾气排放上有了更高的规定。所以目前在考虑燃油经济性的同时降低车用机排放，以满足日益严格的排放法规要求，已经是关系未来柴油机发展的关键问题。所以近期柴油机领域的主要工作主要为开发新技术，大力解决柴油机排放问题，可以说将来

车用柴油机车的关键技术就是柴油机及其电控燃油喷射系统的研究［１］。只要控制了燃油喷射系统即可主导发动机甚至汽车的市场。现在国外如欧美市场电子控制高压燃油喷射技术已经相当发达，在所有满足欧Ⅲ及其将来的排放法规要求的车用柴油机已经全部采用电子控制燃油喷射系统，所以说柴油机电控喷油技术是未来柴油机技术发展的必然趋势。

２ 国内外电控柴油机发展背景和现状

２．１ 国外

柴油机的发展已有一百年多的历史，其技术发展可分为三个阶段。第一阶段：２０世纪２０年代中期以德国Ｂｏｓｃｈ公司为代表的机械式喷油系统代替了蓄压式供油系统，这样柴油机在车辆上的应用就产生了。第二阶段：

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５０年代初废气涡轮增压技术，奠定了它在该行业中的动力装置的基础。第三个阶段：８０年代至今，现代微机作为电控单元的电控技术在柴油机上的应用，就有了现代先进汽车柴油机电控系统的产生和发展，使柴油机在动力性、经济性、排放及噪声指标等具有了强有力的竞争能力，柴油机技术的发展因而进入了一个新的历史阶段。仅１９９３年统计，德国Ｂｏｓｃｈ公司的电控分配泵和电控直列泵在市场上已超２５万台，美国底特律柴油机公司ＤＤＥＣ电控泵喷嘴系统生产了１０万多台，还有日本一些公司生产的可变预行程的ＴＩＣＳ直列泵已达２万多台，其中绝大部分是电控的。另外如美国Ｃａｔｅｒｐｉｌｌａｒ公司、日本Ｎｉｐｐｏｎ公司、德国Ｄｅｎｓｏ公司都进行了共轨电控燃油喷射系统研究，并相继投入到生产中［２］。到目前为止，各国已研制并生产各种柴油机电子控制系统，有力的缓解了当前的世界性能源危机和汽车污染。一些汽车工业发达国家的柴油机电控技术水平目前已相当发达。

目前欧美国家中１００％重型车、９０％轻型车采用柴油机，欧洲的柴油轿车在轿车保有量中比例超过４０％，新车产量比例超过５０％。博世公司对中国市场的保守预测是，到２０１５年，柴油车所占比例能达到２５％，而同样到２０１５年据有些文章［３］介绍在美国轻型车辆和轿车领域，柴油车的市场份额将提高到大约１５％。

柴油机的电子控制技术大致可分为３个阶段：（１）　２０世纪７０年代的初始研发阶段，此时电控主要用于发电机组用柴油机；

（２）　２０世纪８０年代为实用阶段，发展了多种位置控制式和时间控制式电喷系统，被控量也由原来的一种发展为多种；

（３）　２０世纪９０年代至今为成熟阶段，功能更为强大的电喷系统可以控制喷油量、喷油正时、喷油压力以及喷油率［４］

。

２．２ 国内

目前国内的柴油机电控燃油喷射技术比国外又落后很多，我国汽车工业与国际水平还存在相当大的差距，对电控柴油机技术的应用还是不完善。我国的柴油机电控技术起步较晚，自２０世纪８０年代中期以后，许多科研单位和院校进行了该项技术的研究，并有了一定成果。

在位置控制系统方而，国内研究的是比较多的。如长春汽车研究所对直列泵的可变预行程控制进行了研究，实现了ＣＡ６１１０系列柴油机的调速控制；北京理工大学用电磁阀通过液压伺服机构来驱动齿条实现了直列泵的喷

油量控制；东汽公司在　ＣＵＭＭＩＮＳ６ＢＴ上进行的基于调节齿杆位置控制油量的调速器系统也取得了一定成效［５］。

在开发高压共轨系统及其与柴油机匹配技术方面目前正处于研制开发阶段，目前主要研究工作是柴油机电控喷射系统的研究与开发。国内这方面研究的重点大学如吉林工业大学等以及长春和无锡的等７０个研究所分别在循环供（喷）油量和供（喷）正时的“位置控制”、“时间控制”和“共轨式系统＂等各个方面进行了开发和试验研究工作，并取得了显著成果。

国内既积极引进国外先进技术又努力自主开发，０４年底威孚集团和Ｂｏｓｃｈ公司联合组建了博世汽车柴油系统股份有限公司，该公司以Ｂｏｓｃｈ公司技术为依托在无锡生产高压共轨系统。Ｂｏｓｃｈ公司满足欧Ⅲ排放标准的高压共轨系统已投入使用国内市场。

国内在一些关键技术问题如高速电磁阀的研究、泵油量的控制、执行机构的开发、泄漏问题、各学科分工合作等还不怎么成熟和完善。目前相关企业正在致力于做一些共轨电控及其标定系统研制开发、零部件的优化调整、燃油特性分析和燃油系统的模拟计算等方面工作。

３ 柴油机电控喷油系统基本原理

３．１ 原理

柴油机电控喷油系统组成如图１。整个系统共分为发动机部分、电控单元（ＥＣＵ）控制部分和执行器三大部分［６］。１）发动机部分即系统中的信号的采集和输入相对应的硬件部分。通常有若干个具有各样功能的传感器和信号调理电路组成，该传感器主要指柴油机和共轨组件及相应的传感器等；２）电控单元部分即ＥＣＵ控制部分为系统的软件部分，即系统的控制方法和控制策略电控单元，它负责对各种传感器信号进行分析处理，通过其内算法，向被控单元输出控制信号；３）执行器部分包括测功仪、油耗仪、水温和机油温度调节装置等，它是ＥＣＵ与柴油

图１ 柴油机电控喷油系统基本原理框图

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机的接口，接受ＥＣＵ的信号以改变柴油机的状态［７］。

其中电子控制单元（ＥＣＵ）对系统的控制有喷油量控制、喷油定时控制、共轨压力控制、目标怠速控制、逐缸平衡控制等。这些控制策略一般是在ＭＡＰ图原理上的开环控制，但关于某些特殊参数如轨压、怠速油量的控制一般采用比例积分微分反馈控制。

３．２ 电控柴油机分类及应用现状

柴油机电控喷油系统按控制原理可分为位置控制和时间控制系统两大类［７］，更细化的分类法应该是位置控制系统（或称第一代电控喷油系统）、时间控制系统（或称第二代）和压力时间控制系统（或称共轨系统、第三代）。位置控制系统包括电控直列泵系统和电控分配泵系统；时间控制系统包括电控泵－喷嘴系统、电控分配泵系统、电控单体泵或直列泵系统；压力时间控制系统包括电控泵－喷嘴系统、电控分配泵系统、电控单体泵或直列泵系统；压力时间控制系统（即共轨喷油系统）包括增压式共轨系统（也可称为中压共轨系统）和高压共轨系统，中压共轨系统按其产生高压喷射方式的不同分为蓄压式电控燃油喷射系统和液力增压式电控燃油系统［８］。该分类的简单框图如图２。

目前最先进的电控燃油喷射系统是电控泵喷嘴系统和共轨式喷油系统［９，１０］。泵喷嘴系统结构简单紧凑，喷油嘴孔径很小，所以燃油喷射压力比传统机械式喷油系统有较大提高。电控共轨系统的最大优点是可进行反复多次的喷射，且可以任意调节喷射压力，可使得发动机在极为理想的振动噪音指标可进行低速扭矩。上述可知新一代轿车柴油机均普遍采用该项技术。目前

图２ 电控柴油机控制系统分类框图

一些配备电控分配泵的中型车用柴油机也改用电控共轨系统，如美国康明斯公司的ＩＳＢ系列柴油机。

３．３ 电控柴油机喷油技术的优点

柴油机电控技术得到大量应用后。目前与传统的机械式燃油喷射系统相比，电控燃油喷射系统具有以下优点：

１）　控制自由度较宽，能在不同的运行工况下迅速调整从而实现对喷油量、喷油正时、喷油压力和喷油速率等参数的最优控制，使柴油机在大部分工况下均有较好的性能。

２）　控制精度高，尤其是对上述同等参数的控制精度均远高于机械式燃油喷射系统，控制功能更强。

３）　能全面考虑非主要因素的影响燃油喷射和缸内燃烧的一系列因素如大气压力、水温、油温、柴油品质等，并做出准确的校正。

４ 存在的问题和高压共轨式

４．１ 电控喷油柴油机存在的问题

在国外，一直都在研究先进的燃油系统，且往往超前于发动机和汽车的开发。然而，传统上我国由于燃油喷射系统的技术基础比较差，还有就是人们的观念跟不上，市场过分强调价格和低成本，推动技术进步的动力不足，所以研发工作重视程度不高，投入不高，因此燃油系统的研发常常滞后于柴油机的发展，不能很好地满足柴油机的配套要求，一定程度上对我国柴油机和汽车的发展有一定制约作用。

柴油机电控共轨式燃油喷射技术是一种全新现代微机控制技术，该系统对降低柴油机的排放有着最关键的作用［１１］，它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。该技术的主要特点是：１）采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀；２）采用共轨方式供油；３）高速电磁开关阀频响高，控制灵活；４）系统结构移植方便，适应范围宽。这一技术的研究与开发热点问题有：１）对高压共轨系统的恒高压密封的研究问题；２）对高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀的研究问题；３）对高压共轨系统的多ＭＡＰ即三维控制数据表优化的研究问题；４）对微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术的研究问题等。

４．２ 高压共轨式

目前公认的最有前途的电控高压共轨燃油喷射系统可以降低汽车碳烟和颗粒排放，提高发动机动力性和燃油经济性，改善起动性能和降低燃烧噪声，它的高度柔性

的燃油喷射系统，在柴油机的结构设计和性能优化上有了广阔的自由空间，但系统中大量的基本参数的可变性对于废气排放、噪声水平、经济性和动力性折衷优化匹配带来了困难［１２］。所以在高压共轨式的研究上具有的热点问题即上一段中所述的几个研究热点问题一致。

在机械方面，对于电控高压共轨式喷射系统，国外开发商正在着眼于提高燃油喷射压力和精确性，以使燃油更充分燃烧，其中最高压力可达２６０Ｍｐａ。在高压油泵、油路，喷嘴的材料和加工过程上进行改进方法有：１）对泵轴及驱动系统进行专门设计以增强其刚度和硬度。２）减小喷油孔直径，该直径小于０．２ｍｍ，最小可达０．１２ｍｍ和增加油孔数目。３）减小喷油提前角，增大燃烧室直径和提高压缩比。４）进一步减少零部件，因为较少的零部件意味着较少的管路、接头和振动。在电气方面，重点在于执行器和ＥＣＵ的设计。国内对柴油机电控燃油喷射系统的研究起步较晚，在２０世纪９０年代才开始有几家单位研究，但呈后起直追之势，在控制理论、系统组成、关键零部件研究等方面取得了一些进展［１３］。

高压共轨燃油喷射系统在现代发动机对燃油喷射系统的要求达到了所需目标，只要对现有发动机作较小改动的就可满足欧Ⅲ排放标准，高压共轨系统被内燃机行业公认为是２０世纪二大突破技术之一，是２１世纪车用柴油机电控燃油系统开发的主流，高压共轨系统的开发热潮己经到来［１４］。因此，高压共轨技术已经被汽车工业界认定为柴油机动力车领域最具发展前途的燃油喷射技术。

总之，由于电控柴油机与传统的柴油机在使用及维修上都有本质的不同，因此，需要做一些教育宣传等工作以便让用户在观念上接受。对操作维护人员也要进行培训，以便对电控柴油机进行正确的使用和保养，使其充分发挥优势。为了兼顾能源和排放标准，要努力发展国内电控喷油技术在实际中的应用。

５ 柴油机电控喷油技术的发展前景和动向

由前述目前的状况可知，电控高压共轨式喷射系统是未来最有前景的控制系统，对于燃油喷射控制的原理，各种共轨喷射系统近期变化较小。可以说将来的柴油机燃油喷射系统将会是高喷射压力、喷油量及喷油定时可灵活控制、最佳喷油速率控制的这样的一个趋势，全电子控制的燃油喷射系统是实现燃油喷射过程柔性控制的必然趋势［１５］。综合分析柴油机电控燃油喷射系统的研究历史和现状，柴油机电控喷射系统应将以下几点作为发展动向：

１）　使高压技术进一步发展。最根本的解决尾气排放达标问题办法是提高共轨压力。电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是喷射压力达１８０￣２００ＭＰａ，甚至出现了“超高压喷射”的概念。但相关研究也指出，在综合考虑油束贯穿距离足够大、压力提高值对燃烧改善效果较明显的前提下，最高喷射压力取１８０　ＭＰａ。

　２）　喷孔直径向更小化发展、响应时间更短化和功率消耗更低化从而提高关键部件的可靠性和寿命。由于喷射压力的提高，在电磁阀、喷油器的要求上相应提高，要求其响应速度快，高压稳定性好，同时可靠性好，使用时间长，这将都取决于零部件制造技术的发展。关键技术采用压电晶体喷油器而取代以前的电磁阀。

３）　共轨系统具有更好的经济性。柴油机电控高压共轨喷射系统的研究前景和趋势：大力研制新型智能型传感器，如研究更高精度和响应速度的传感器；新型喷油器的研究，控制精度和速度的提高，喷油器的加工难度的降低，喷油器寿命的加长；共轨燃油压力波动的控制和计算的研究，如持续恒压反馈控制的进一步深入研究和完善；最佳控制策略的研究，入反复多次喷射的控制技术以及通过控制压力调节喷油规律等［１６］；安全保护与提高故障诊断及紧急运行能力的研究；研究整个喷射系统优化匹配；提高整个喷油系统的可靠性，降低制造成本；研究应用新材料和新的表面处理技术；提高喷油系统的耐久性等等。

６ 结束语

本文首先叙述了电控柴油机喷油系统的发展现状和历史背景，然后简单阐述了电控柴油机喷油系统的工作原理和组成，按控制方案给出了分类。综合分析各种控制系统得出目前最有发展前景的控制系统为电控高压共轨式喷油控制系统，并详细综述了该系统的现状，根据未来最具前景和应用最广的电控高压共轨式喷油控制系统概括性的给出了未来电控喷油系统的发展前景和动向。为了满足未来燃油经济性和欧Ⅲ排放标准，电控高压共轨式喷油系统的是目前最具条件和发展潜力的控制系统。

参考文献：

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作者简介：杜建华（１９８０－），男，工学硕士，电气工程师，研究

方向：发电机组，电控柴油机，电机研究等。

（上接第１５页）

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图６ 预估模糊PID 控制系统仿真结构图

图７ 调整后预估模糊PID 控制系统仿真结果

作者简介：刘芳园（１９８３－），女，助教，从事生产过程自动化专业控制理论教学工作。

图６中，调整ＰＩＤ参数01.0K ,5K 01,.0K ,0.01K u C i e ====，进行仿真，初始温度为２５℃。如图５所示。

由图６、７可看出，采用预估模糊ＰＩＤ控制策略的系统克服了系统无预估时的振荡现象，响应时间为４４０ｓ；该仿真实验说明，采用预估模糊ＰＩＤ控制策略的系统响应速度快，过渡时间较短，稳态误差较小。

４ 结束语

本文对铝及铝合金镀银自动线镀槽液温度的冷却

控制进行了研究。由于该温度控制系统一般都具有大惯性、带有纯滞后、建模困难的特点，控制策略采用预估模糊ＰＩＤ控制策略。论述了预估模糊ＰＩＤ控制系统的设计，并且对温度控制系统进行了仿真研究。

经多次仿真表明，在改变控制条件或系统产生扰动信号时，预估模糊ＰＩＤ控制系统的抗干扰能力及鲁棒性都还比较满意。

在动态变化较大的控制系统中选用预估智能控制策略，经理论分析和仿真实验均表明是可行的。控制策略清楚易理解，参数调整方便，控制效果好。

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