第一章 基础知识
一、电控柴油机与传统柴油机的区别与优点
1.什么是电控柴油发动机?
柴油机将化学能转换为机械能并对外输出，是压燃式内燃机。
柴油机在工作时，吸入柴油机气缸的空气因活塞的运动而受到较高程度的压缩，可以达到500～700℃的高温。然后，将柴油以雾状喷入高温空气中，与高温空气混合燃烧。
柴油机的电控系统主要包括燃油系统的电子控制和空气供给系统的电子控制。燃油喷射控制主要包括：供(喷)油量控制、供(喷)油正时控制、供(喷)油速率控制和喷油压力控制等。柴油机的进气控制主要包括进气节流控制、可变进气涡流控制和可变配气正时控制。另外，还有一些辅助电控系统，如起动控制系统、排放控制系统、故障自诊断和失效保护系统。
电子控制系统的应用使得柴油机在动力性、经济性和排放性能等方面都取得了巨大的进步。
2.电控柴油机与传统柴油机有什么区别?
电控柴油发动机与传统柴油机的主要区别在于它的燃油供给系统的不同，前者采用的是电控燃油喷射系统，而后者采用的是机械式燃油喷射系统。
现仅以电控高压共轨燃油喷射技术为例进行比较。
(1)传统机械燃油喷射系统
传统机械式燃油喷射系统如图1-1所示，其喷油泵的控制依赖于柴油机。喷油泵喷油的大体时刻由柴油机间接控制，并且柴油机的供油压力随柴油机转速的变化较大。喷油提前器是在柴油机转速较高时使喷油泵的凸轮轴相应地提前一个角度，满足柴油机高速时的要求。调速器是通过感应元件感知柴油机的各种工况，对柴油机进行控制，主要是满足怠速时的稳定性和超过标定转速时的断油，其余工况依靠感应元件和调速器内的弹簧的平衡来稳定柴油机的转速。
(2)电控共轨燃油喷射系统
电控共轨式喷油系统的组成如图1-2所示。其主要部件包括：高压供油泵、燃油滤清器、高压共轨管、电控喷油器、电控单元(ECU)和各种传感器等。机构的改进决定了电控共轨系统相对于传统机械式喷油系统有很多的优点。
燃油共轨技术通过共轨系统直接或间接地形成恒定的高压燃油，分别送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射到燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的雾化、燃烧和最少的污染排放。
共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与柴油机的转速无关，这样可以大幅度减小柴油机供油压力随柴油机转速的变化，因此也就克服了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，而喷油量的大小取决于共轨(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。
图1-1 传统机械式燃油喷射系统
图1-2 柴油机电控共轨燃油系统
3.机械燃油喷射与电控共轨燃油喷射有什么不同?
机械燃油喷射与电控共轨燃油喷射的差异主要表现在燃油的供给方式和对喷油时刻的选择上。
(1)传统机械式喷油系统
1)高压油管内的油压是瞬间脉动高压，主要是由柱塞连续供油形成的。
2)传统机械式喷油系统的喷油量主要是受负荷的影响，负荷调整喷油量即通过提前器和调速器对此油量进行修正，但不能实现精确控制。
(2)电控高压共轨燃油喷射系统
1)高压油管的压力总是保持在比较恒定的范围内，这是因为供油泵产生的脉动油压在共轨管内的容积增加时，产生谐振效应，使压力的波动减小和削弱，当油压变化时，由压力调节器起作用，将喷油器的燃油压力调节到比较恒定的状态。
2)电控高压共轨燃油喷射系统的喷油量是由多因素控制的，控制喷油量的基本因素有负荷(加速踏板开度表示)、转速、冷却液温度、进气温度和油温，以及燃油油压和尾气中含氧量的多少。确定喷油量的同时，由ECU控制电磁阀开启时间的长短，确定每次喷油量大小。
目前电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是更高的喷射压力(超过200MPa)、更小的喷孔直径(ϕ0.11～ϕ0.13mm)、更短的响应时间(0.1ms)、更低的功率消耗(采用压电晶体喷油器)和功能更完善的软件。
4.电控柴油机有哪些优点?
(1)改善低温起动性
传统柴油机起动系统预热需要人工操作，而电控柴油机进气预热器由ECM(电控单元)通过一个连接到蓄电池电源上的继电器控制。进气预热器安装在发动机进气道中，其预热器特性通过标定设置，用户不能调整。发动机在低温起动时，由ECM以最佳的程序代替驾驶人的操作，使柴油机低温起动快捷。
(2)降低氮氧化物和烟度的排放
电控柴油机可根据发动机的转速和负荷精确控制喷油量，使之不超过冒烟界限的范围；与此同时，又可以根据发动机工况调节喷油始点，从而可以降低烟度。在有效地减少和抑制颗粒物和氮氧化物(NOx)生成方面，电控柴油机采用SCR(选择性催化还原)技术，可以降低NOx的生成量；或采用DPF(微粒捕集器)技术有效地减少颗粒物和降低NOx排放量。DPF的工作原理是用捕集器过滤废气中的颗粒物，然后通过氧化颗粒物来清洁捕集器使之再生。
(3)提高发动机的运转平稳性
传统柴油机的机械式调速器的反馈控制响应速度慢，容易导致柴油机在负荷变化时运转速度产生波动。而电控柴油机取消了机械调速器，改用由传感器、电控单元和执行器组成的电子调速器。电控单元根据各种传感器和开关信号决定怠速转速开始时刻和怠速转速的大小，并决定在该怠速转速下相应的喷油量。电子调速器控制电路响应性好，无论负荷怎样增减，都不会使发动机运转产生波动，保证发动机运转平稳。
(4)提高发动机的动力性和经济性
传统柴油机燃油供给装置由柱塞、出油阀、喷油器等组成，由于机械磨损，会使喷油量、喷油正时产生较大的误差。电控柴油机的电控单元能根据各种传感器信号精确计算喷油量和喷油量和喷油正时，从而可以提高柴油机的动力性和经济性。
相同功率的柴油车和汽油车相比，柴油车要节省25%～30%的燃油。
(5)控制涡轮增压
废气涡轮增压器采用电子控制，目的是保证柴油机在低速时有较高的转矩，又能保证柴油机在标定点附近增压压力不致过高，以防止负荷过高而功率下降和涡轮增压器超速。电控柴油轿车上使用可调增压器，在重型载货汽车上采用连续反馈控制可变喷嘴涡轮增压器，采用电子控制技术可对它们进行精确控制。
(6)电控柴油机适应性广
只要改变电控单元的控制程序和数据，即对电控单元重新标定，一种喷油泵就能广泛应用在各种柴油机上。柴油机的燃油喷射控制可与变速器控制、怠速控制等各种控制系统进行组合实行集中控制，缩短柴油机电控系统开支周期，并可降低成本，从而扩大柴油机电控系统的应用范围。
5.电控柴油机发展主要经历了哪几个阶段?
到目前为止，柴油机电控技术已经历了三代技术变化。
(1)第一代为凸轮压油、位置控制技术
在第一代位置控制式燃油系统中，基本保留了传统柴油机燃油系统的结构，只取消了机械式调速器，改为传感器、电控单元和执行器组成的电子控制执行机构，使控制精度和响应速度得到了一定程度的提高。位置控制式电控系统的优点是柴油机的基本结构几乎不需改动，便于对现有的柴油机进行升级换代。其不足之处是响应慢、控制精度不高、喷油压力不能独立控制。
(2)第二代为凸轮压油、时间控制技术
在第二代时间控制式燃油系统中，也保留了传统柴油机燃油供给系统的结构，通过新增加的传感器、电控单元和高速电磁阀(执行器)组成的数字式调节系统，由高速电磁阀直接控制高压燃油的喷射正时和喷油量。电磁阀关闭，执行喷油；电磁阀打开，喷油结束。因此，由电磁阀通、断时刻和通、断时间长短控制喷油正时和喷油量。其优点是，控制自由度大，供油加压和供油调节在结构上相互独立，可以简化喷油泵结构，强度得到提高，高压燃油喷射能力加强。其不足之处是供油压力还无法控制。
(3)第三代为共轨蓄压、电磁阀时间控制技术
这是一种新型柴油机电控技术，国内一般称为高压共轨系统。该技术基本改变了传统燃油供给系统的组成和结构，主要以电控共轨(各缸喷油器共用一个高压油管)式喷油系统为特征，对喷油器的喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油规律、喷油压力等进行时间-压力控制。高压油泵并不直接控制喷油，而仅仅向共轨供油以维持所需的共轨压力，并通过连续调节共轨压力来控制喷射压力。
就高压共轨系统而言，德国博世(Bosch)公司已将该技术发展到了第三代共轨系统，而且一代比一代控制精度高、喷射压力高。到目前为止，排放达欧Ⅳ、欧Ⅴ标准的电控柴油机，其燃油喷射最高压力可达200MPa。
高压共轨系统是目前世界上最先进的燃油系统，其优点是可实现高压喷射，最高压力已达200MPa，喷射压力独立于发动机转速，即与发动机转速无关，可实现理想的喷油规律，具有优异的喷射特性，可实现多次喷射，能有效地抑制和减少尾气排放物中的有害成分。目前，高压共轨系统已广泛应用在电控柴油轿车、载货汽车、客车、工程机械、水泥搅拌车和牵引汽车柴油发动机上。
6.国内电控柴油机应用现状?
目前，柴油机中最关键的电控燃油喷射技术，均来自德国博世公司、美国德尔福公司、德国西门子公司和日本电装公司。其中德国博世公司的高压共轨系统占据大多数市场，主要应用在锡柴、玉柴、潍柴、朝柴及康明斯等一些发动机产品牌上，这些发动机主要装备一汽解放、陕汽、福田、江铃、江潍等一些载货汽车及金龙、宇通等一些载客汽车上；日本电装的共轨产品主要提供给一汽锡柴、上柴及重汽杭发生产的柴油发动机，这些发动机一般应用在一汽解放、重汽豪沃、福田欧曼、华菱等载货汽车上；美国德尔福共轨系统主要提供给玉柴发动机，应用在一些载客汽车上。
我国汽车行业先后从美国、德国、日本、意大利、奥地利和法国等国家引进了先进技术，经过消化、吸收，推出了一系列适合我国国情的、不同排量的电控柴油机，同时也正在努力开发具有自主品牌的电控柴油机。中国一汽与德国大众公司合作，先后生产出捷达、宝来、奥迪A6等电控柴油轿车，其尾气排放达欧Ⅲ标准。上海大众汽车公司也在帕萨特、波罗轿车上安装电控柴油机。昆明云内汽车公司推出了两款适合于轻型车使用的D16TCI和D19TCI电控柴油机，上海奇瑞也推出了三款小排量电控柴油机。在商用车方面，由各大柴油机制造公司合资生产的适合城市公交客车、豪华大巴和载货汽车、工种机械、牵引车、水泥搅拌车使用的电控柴油机更是名目繁多。
例如，广西玉柴机器集团有限公司生产的主要机型有YC6M、YC6L、YC6G、YC6A、YC4F、YC4W等，产品大量供应东风、北汽福田、宇通、一汽等厂家。玉柴生产的柴油机，其尾气排放大多达欧Ⅲ标准，有些机型达欧Ⅳ标准，例如YC6L-40、YC4G260N-40，分别采用高压共轨和电控单体泵、每缸4气门技术、涡轮增压、中冷技术。为了使柴油机的排放达到欧Ⅳ标准，玉柴的YC6L-40型柴油机除了采用电控单体泵和增压中冷技术，还采用德国的SCR(选择性催化还原后处理系统)。SCR是目前欧洲的主流技术路线，在国内柴油含硫量较高的情况下，SCR方案是中重型柴油机从欧Ⅲ走向欧Ⅳ的最好选择，因为SCR催化器排气后处理系统对硫相对不敏感。目前，玉柴的欧Ⅳ柴油机也使用在北京的公交车上。但欧Ⅳ排放标准柴油机价格高，玉柴YC6L-40柴油机比欧Ⅲ发动机价格高出50%，欧Ⅳ柴油机推向市场仍然任重道远。
一汽集团所属的大柴、锡柴，锡柴与奥地利AVL公司合作开发的欧Ⅲ柴油机6DL1-3ZE3，采用日本电装公司高压共轨ECD-U2技术、增压中冷技术，烟度小于1.5FSN，噪声低于95Db(A)，排放达欧Ⅲ标准。大柴生产的BF6M1013、BF4M1013电控单体泵喷射系统柴油机，排放达欧Ⅲ标准。大柴与道依茨合作生产的CA4DC、CA4DS、CA6DE、CA6DF柴油机，其尾气排放达欧Ⅲ标准。
东风康明斯发动机公司生产的ISBe、ISDe、ISLe柴油机是引进美国康明斯技术合作生产的欧Ⅲ柴油机，它们被应用在公交客车、载货汽车、豪华旅游汽车和工程机械及特种车辆上。
上海柴油机公司与日本日野柴油机公司合作生产的PIIC系列柴油机，采用日本电装公司高压共轨技术，最高喷射压力达180MPa，排放达欧Ⅲ标准，并且具有达欧Ⅳ标准潜质。日野PIIC电控柴油机适用于豪华旅游客车和重型载货汽车。
已经推出达到欧Ⅲ标准柴油机的部分国内厂家主要有广西玉柴、潍柴动力、上海柴油机股份有限公司、上海日野、一汽解放汽车有限公司无锡柴油机分公司、东风康明斯发动机有限公司、重庆康明斯发动机有限公司、华北柴油机厂、昆明云南动力股份有限公司、东风朝阳柴油机有限责任公司、江苏四达集团无锡柴油机厂、奇瑞动力、南京依维柯(IVECO)、北京福田环保动力股份有限公司发动机厂、南昌江铃汽车集团发动机有限责任公司等。一汽集团无锡油泵油嘴研究所自主开发的高压共轨系统已在深圳、无锡、上海等地公交车上成功试用。清华大学、成都威特电喷有限责任公司合作开发的组合式电控单体泵已批量装车成功运用。
7.柴油机电控技术的发展趋势是怎样的?
随着美国和欧洲各国排放法规日益严格，柴油机的燃油喷射系统在向高压喷射方向发展。西方国家柴油机已广泛采用电控泵喷嘴(时间控制式)、电控单体泵(时间控制式)和电控高压共轨(时间-压力控制式)燃油喷射系统来解决柴油机尾气排放污染问题。
柴油机电控技术的发展趋势主要有以下几个方面：
(1)高的喷射压力
为了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。排放可达欧Ⅳ、欧Ⅴ标准。
(2)独立的喷射压力控制
传统的柴油机供油系统的喷射压力与柴油机的转速及负荷有关。这种特性不利于车辆在低转速、部分负荷使用条件下的燃油经济性和排放要求。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、喷射持续期、最佳着火延迟期，使柴油机在各种工况下的废气排放最低而经济性最优。
(3)改善柴油机的燃油经济性
高喷射压力、独立的喷射压力控制、小孔径喷油、较高的平均喷油压力等措施都能降低燃油消耗率，从而提高柴油机的燃油消耗经济性。
(4)独立的燃油喷射正时控制
喷射正时直接影响着柴油机活塞上止点前喷入气缸的油量，决定着气缸的峰值爆发压力和最高温度。高的气缸压力和温度可以改善燃油消耗经济性，但会导致NOx增加，而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，又不至增加NOx的排放，还可以改善柴油机冷起动性能、降低冷态工况下白烟的排放，降低噪声，改善低速转矩。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之间发生矛盾。当供油系统具有预喷射能力后，将能够使控制小油量的能力进一步提高。由于工程机械用柴油机的工况很复杂，怠速工况经常出现，而柴油机电控技术容易实现最小油量控制。
(7)快速断油能力
燃油喷射结束时，必须快速断油。如果不能快速断油，则在低压力下喷射的柴油就会因燃烧不充分而冒黑烟，导致HC的排放增加。电控柴油机喷油器上采用高速电磁阀开关就很容易实现快速断路。
(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，既增加了驱动系统所需要的平均转矩，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。而柴油机电控技术中的高压共轨技术则大大降低了驱动转矩冲击载荷。