共轨式电控柴油机燃油喷射控制的分析

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文章编号：1000033X（2016）12011503

收稿日期：20160701

摘要：为了使柴油机的尾气排放达到欧洲Ⅲ号排放标准，高压共轨式电控燃油系统是目前最好的选择。通过对共轨式电控柴油机燃油喷射控制系统的喷油数量、喷油时刻、喷油压力和喷油速率等进行详细的分析，使发动机的操作者能够掌握其优点、特点，以便更加有效地运用柴油机；同时为电控柴油机的使用和检修提供一定的参考。

关键词：电控柴油机；排放；共轨燃油系统；喷射控制

中图分类号：U414.03文献标志码：B

Analysis on Fuel Injection Control of Electronically Controlled Common Rail Diesel Engine

ZHAO Wenshen， SUN Yan

（School of Mechanical Engineering， Yunnan Jiaotong College， Kunming 650500， Yunnan， China）

Abstract： High pressure common rail fuel system might be the best choice currently for manufacturers to make sure their diesel engines meet the EU Stage III emission standards. A detailed analysis of fuel injection control system of common rail diesel engine was conducted in aspects of injection amount， injection moment， injection pressure and the injection rate， which shows the advantages and characteristics of the electronically controlled common rail diesel engine to operators and enables them to work more effectively. Reference to the usage and maintenance of diesel engine is also provided.

Key words： electronically controlled diesel engine； emission； common rail fuel system； injection control

0引言

高压共轨燃油系统是目前世界上最先进的燃油系统之一，其优点是高压喷射，最高压力可达210 MPa。高压燃油的产生和喷射过程完全独立，由高压燃油泵提高燃油压力且储存在共轨里，再由电控单元（ECM）控制燃油的喷射；燃油喷射的计量和时刻准确度高，以发动机转速传感器为主要信号计量燃油喷射量，以发动机凸轮轴位置传感器为主要信号确定燃油的供油时刻；发动机尾气排放较好，采用选择性催化还原技术（SCR），降低NOx的生成量，采用微粒捕集器技术（DPF）有效地减少颗粒物的排放，降低柴油机的排放污染；涡轮增压技术实现电子控制，采用连续反馈技术控制可变喷嘴式涡轮增压器，确保柴油机在最高标定扭矩点附近增压器增压的压力不致于过高，从而防止负荷过高导致的功率下降以及涡轮增压器因为超速而损坏；可以通过改变电控系统的控制程序（即对ECM重新进行标定），从而扩大电控柴油机的应用范围，使之适应性更加广泛[12]。

高压共轨柴油机燃油喷射系统在工作时，ECM根据发动机当前的工况（即各类传感器的压力、温度、转速和位置等输入信号）以及发动机的输出功率，在每个工作循环中，把经过计量的燃油按照精确的喷油时间，以相应的喷射压力喷入发动机燃烧室内，确保燃油能够有效地燃烧[35]。由此看来，控制好燃油喷射的过程十分重要，其主要内容包括喷油数量、喷油时刻、喷油压力和喷油速率的控制，下面就对这4个方面进行详细分析。

1喷油数量的控制

ECM根据发动机上的各类传感器（发动机转速传感器、发动机冷却液温度传感器、进气压力/温度传感器、共轨压力传感器以及大气压力传感器等）的输入信号以及操作者开关信号的指令，经过内部标定的程序进行计算、比较和分析，迅速确定每一循环的实际喷油量；然后ECM输出信号给喷油器，控制喷油器电磁阀通电时间，从而准确控制喷油量[610]。

（1）基本喷油量控制。发动机在不同工况下输出的转矩不同，燃油喷射量就不同。基本喷油量是由发动机转速传感器、发动机负荷信号和油门踏板的位置传感器决定的。保持发动机转速，加大油门踏板的开度，可增加基本喷油量。

（2）起动喷油量控制。发动机的起动补偿喷油量由发动机缸体温度（即冷却液温度）传感器和进气温度传感器决定，发动机起动时，起动喷油量由以上两部分共同决定。

（3）怠速喷油量控制。怠速油量是指使发动机在怠速工况下维持平衡稳定运转所需油量。如发动机在低温怠速工作时，油粘度大，发动机摩擦阻力大，怠速可能不稳；若提高发动机怠速转速，发动机噪声会变大，燃油消耗率也增加。ECM会执行怠速转速自动调节功能，维持理想怠速转速所需要的喷油量。ECM将发动机的实际转速和理想怠速转速进行比较，确定两者差值，求得必需的喷油量，实现反馈控制。

（4）巡航控制喷油量。巡航控制是为了减少驾驶员的疲劳，不需要操纵油门踏板而维持恒速行驶的控制过程。当使用巡航控制时，操纵者接通“巡航控制”开关，巡航控制速度特性开始工作，ECM根据车辆速度传感器信号和外界负荷的变化情况自动调整喷油量，使车辆保持恒速行驶。

（5）空调运转喷油量控制。当操作人员打开空调开关后，ECM根据输入信号提高发动机怠速转速，然后通过执行器输出信号使空调压缩机工作。由于负荷增加，ECM随之增加喷油量，以适应负荷增大的供油需求，同时ECM还可根据发动机工况的变化适时控制空调压缩机的工作。当ECM感知节气门全开时，将切断空调继电器接地电路，使空调停止运转，以减小负荷，减少喷油量，直到节气门全开时间超过15 s；如果发动机水温超过125 ℃，ECM将断开空调继电器。

（6）不均匀油量补偿控制。发动机工作时，由于喷油量不均匀引起各缸爆发压力不同，以及燃烧差异引起各缸活塞上下运动转速不均匀等，都会导致发动机振动。为了使转速保持平衡，必须调节各缸供油量，进行不均匀油量补偿。ECM通过检测各缸每次作功行程时的转速波动，再与各缸平均转速相比较，分别向各缸补偿相应的喷油量。

2喷油时刻控制

喷油时刻准确与否对柴油发动机的性能和排放有显著的影响，尤其是氮氧化合物NOx的排放。如果喷油时刻提前，柴油将会提前燃烧，燃烧过程的速燃期压力升高率较大，使得柴油机工作噪声高，寿命缩短；喷油时刻如果滞后，柴油燃烧也滞后并且燃烧过程的补燃期延长，由于柴油燃烧不完全，导致碳氢化合物与碳烟增加，发动机整机过热，功率下降。

在高压共轨系统中，喷油时刻的控制是以发动机凸轮轴位置传感器信号为主要信号，以发动机的负荷和冷却液温度传感器、进气温度和压力传感器、燃油温度和压力传感器等信号为辅助信号。具体控制方法是：ECM通过内部的标定程序，根据发动机凸轮轴位置传感器信号提供基本的喷油时刻，以及发动机的负荷、其他温度和压力传感器等信号，对基本喷油时刻进行修正，最后确定最佳喷油时刻。因此共轨式电控柴油机利用电控单元ECM能够精确地控制喷油时刻，确保柴油机的各项性能得到最佳发挥。

3喷油压力控制

喷油压力越高，高压柴油的射程和锥角越大，喷雾越细微，柴油燃烧越完全，发动机的性能将进一步优化。较高的喷射压力还可有效提高燃油和空气的混合质量，从而降低不完全燃烧导致的烟度和可吸入颗粒物的排放量；明显缩短着火落后区，使柴油机工作更加柔和，减少燃烧噪声。高压共轨柴油机的喷射压力最大可达210 MPa，因此大负荷时柴油机的烟度也大幅度降低。

在高压共轨燃油系统中，电控单元ECM通过内部的标定程序，根据安装在高压燃油共轨内部的燃油压力传感器信号，确定每一循环气缸的实际喷油压力，并将其与理想喷油压力值进行比较，随后ECM即刻输出指令，命令电子燃油执行器控制高压油泵升高或降低燃油压力，实行闭环控制，从而实现最佳喷油压力的控制。

欧洲Ⅲ号排放标准的高压共轨柴油机喷射压力可以达130 MPa以上，欧洲Ⅳ号排放标准的柴油机可以达到200 MPa以上。喷油压力的控制可以增加燃油喷射的初速度，优化柴油的雾化质量，从而提高燃烧效率，有效改善柴油机的排放性能。

4喷油速率控制

喷油规律是影响柴油机动力性、经济性和污染排放的主要因素。

分析柴油燃烧过程发现，正确的喷油规律是在柴油喷射的初期，尽量使喷油速度缓慢，速率不能太高，目的是减少缓燃期内的可燃混合气体量，降低速燃期的燃烧速度，从而有效控制压力过大和燃烧的最高温度，抑制氮氧化合物生成并降低燃烧的噪声。

在高压共轨燃油系统中，柴油机的喷油速率得到优化，实现了循环多次喷射，使氮氧化合物NOx和烟度颗粒物PM值的排放污染大大降低。ECM通过内部的标定程序，能够在不同的负荷工况下，实现预喷射、中期主喷射和后期喷射等多次喷射，使喷油喷射规律更加优化，燃油燃烧更加完全，从而提高发动机性能。

（1）预喷射是实现初期缓慢燃烧的最佳方法。在ECM的控制下，柴油机每一循环工作燃油的喷油量是计量过的，预喷射燃油量虽然相对较少，但是减少了主喷射的燃油量，同时预喷射燃烧形成的活化化合物对主喷射燃油的燃烧产生了很大的促进作用[11]。这样不但减少了主喷射的燃油量，还缩短了整个燃烧过程的着火延迟期，使气缸内的最高温度和压力升高率都明显下降。

（2）中期主喷射的燃油通常采用高压力和高速率的喷射方法，可以加快燃烧速度，防止生成微颗粒和降低过高的热效率，因此使主喷射发生在中期可加快可燃混合气的扩散燃烧速度。

（3）后期的燃油喷射要求迅速果断地结束喷油，这样可以防止在较低的喷油压力和喷油速率下燃油雾化的质量变差，导致燃油燃烧不完全使碳氢化合物和微颗粒物排放污染增加。

另外，为了确保燃油能够完全有效地燃烧，还必须进行增压进气的控制。ECM根据柴油机转速信号、负荷信号以及增压压力信号等，通过控制废气旁通阀的开度、废气喷射器的喷射角度以及增压器涡轮废气进口截面大小等，实现对废气涡轮增压器工作状况和增压压力的控制，以满足柴油机在不同工况下对进气量的要求，改善柴油机的燃烧状况，提高柴油机的扭矩特性、加速性能，降低排放和噪声。

5结语

高压共轨燃油喷射技术实现了高压燃油的产生与高压燃油的喷射完全独立，从而优化了柴油机的整机性能，有效地减少了排放污染，在改善直喷式柴油机的燃烧方面具有独特的优势。同时该系统的另外一个优点是柴油机在全工况范围内实现高压喷射而不受柴油机转速与负荷的限制，因此该技术被认为是柴油机领域的一个重大突破。同时共轨电控柴油机燃油喷射控制的精确度直接影响发动机的性能（动力性、经济性和排放），也是判断电控柴油机质量好坏的标准。随着中国发动机排放法规的日益严格，希望国产电控柴油机及燃油喷射系统技术的发展能够呈现出蓬勃向上的美好前景，追赶上美国、欧洲和日本等先进国家。

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