论柴油机电控技术的现状及发展前景
摘 要 本文在阐述柴油机电控技术产生和发展的基础上，分析了目前柴油机燃油电控技术的现状，论述了柴油机共轨式电控燃油喷射系统的先进性和科学性，并指出我国今后在发展柴油机电控技术过程中的努力方向。
关键词 柴油机 电控技术 燃油喷射系统
自1897年第一台柴油机问世以来，在百余年的发展过程中，柴油机技术历经了三个重要的发展阶段。第一阶段是二十世纪二十年代末用机械式喷油系统取代了原来的蓄压式供油系统；第二阶段是在二十世纪五十年代广泛采用增压技术，使功率提高30%~100%甚至更多；在高原缺氧地区也能大大提高动力性和加速性等性能指标，而且在改进了中间冷却技术后，对赤道附近的热带地区也将更加适应。但是，科学技术的发展是无止境的，到了二十世纪的八十年代，柴油机发展到第三阶段，即微机电子控制技术蓬勃兴起，而且已成为柴油机电控技术发展的重要方向。在第三个阶段发展过程中，柴油机还远不如汽油机的电控技术那样普及；但其发展趋势也已被许多人所认识。
一、柴油机电控技术的产生
众所周知，柴油机的特点是：功率高、扭矩大；在工作中，能挑重担，吃苦耐劳，这是汽油机无法相比的。但是，柴油机对雾化质量有着特殊的要求，它是利用高压喷油实现燃烧充分，使排放烟度符合排放标准。
在柴油机上，燃油喷射系统是保障高压喷油的核心部件，传统的机械式燃油喷射系统存在着严重的缺陷和不足。作为喷射系统心脏的柱塞式喷油泵在工作中采用柱塞脉动式供油方式，导致进一步提高柴油喷射压力受到限制；同时喷油泵结构复杂，在机械式调速器和供油提前装置的自动调节过程中，不可避免的出现磨损和惯性冲击等；使油量调节受到影响，提前供油受到限制，造成动力性、经济性下降，排放烟度、噪声和耐久性受到影响。
在微电子技术、机电一体化技术及其它相关技术共同发展的过程中，带动了柴油机燃油喷射系统的变革；从机械供油装置的改进逐步发展到电控燃油喷射系统，继而发展到柴油机电子控制技术①。纵观目前柴油机电子控制技术，主要表现在三个方面：即电控燃油喷射系统、数控电子调速器和电控变截面涡轮增压器。虽然种类繁多，但其组成均由四部分组成：即被控对象柴油机有关零部件，各种传感器，电控单元（ECU，即Electronic Control Unit）和执行器，它们共同构成了闭环反馈控制系统②。在柴油机工作中的反馈控制，即是电子控制技术的具体体现，其核心是电控燃油喷射系统，如图一所示。
图一 柴油机电子控制示意图
Figure 1 schematic of diesel electronic control
二、柴油机电控燃油喷射系统技术分析
柴油机电控燃油喷射系统，具有远优于机械式燃油喷射系统的性能，在其结构型式、工作原理和控制方式上，基本上可划分为三种产品。
第一种机械式改进型电控燃油系统。主要应用于二十世纪七十年代，其特点是不改变原来的机械式供油装置和喷射系统（即泵主体与原来一般喷油泵相同，或继续使用原泵体）；只是在供油和供油量调节的机构中，以电控单元（ECU）为核心的位置伺服控制系统取代原来的柱塞泵或分配泵中机械式离心调速器和提前供油两项装置的功能，实现了供油量和喷油定时的自动调节。因而，该种燃油系统也被称为位置控制式电控燃油喷射系统。
第二种为开发型电控燃油系统。虽然在供油方式上仍维持着传统的脉动式柱塞泵油，但是其供油调节，则由电控单元（ECU）控制的强力快速响应电磁阀开闭时刻所决定。因而大大简化了机械结构，提高了喷射压力和燃油量以及定时供油的调节精度，使柴油机获得较好的性能。该种电控燃油喷射系统又可分为电控喷油泵—喷嘴系统和泵－管－嘴－阀系统等类型。在工作中，比纯机械式和机械式改进型电控燃油系统具有许多优越性；但仍然存在着许多不足；如喷油压力随发动机转速而变化，喷射的残余压力不稳定，影响后续喷油；特别是电磁阀的响应快慢直接影响到喷油特性，在转速较高或者瞬时转速变化很大的情况下，其影响尤为严重。因此，对电磁阀的要求特别严格，诸如：在溢流通道的开闭面积，内部高压的保持，快速响应，电压波动时修正等方面。目前虽然已采用小电磁阀配合液压自动阀两级机构共同作用，仍未能满足使用要求，在电磁阀的改进方面有待于继续研究。
第三种为科学型电控燃油系统，主要有电控液压泵－喷嘴系统和高压共轨式电控喷射系统。两种类型其主要特点是基本脱开了传统的机械式供油原理，采用了压力时间式燃油计量原理；因而也可称之为压力控制式电控喷射系统。由于在其工作过程中，燃油泵并不直接产生高压，而是向公共油道供油，以维持所需要的共轨压力；再通过连续调节共轨压力，利用增压活塞使之达到喷射高压而定时定量喷油。因此，习惯上又把第三种电控燃油系统称之为共轨式电控燃油喷射系统⑶。
三、柴油机共轨式电控燃油喷射系统先进性分析
该种喷射系统在工作过程中，由于增压活塞面积比一定，共轨油路中控制油（机油或柴油）的压力由电控中心控制，不受发动机转速影响；而喷油定时和喷油量则由电磁阀的提升和下降时间决定，也由电控中心进行控制，故可以实现油量开始供给控制、定量控制、喷油压力控制和喷油规律等项优化选用。
共轨式电控燃油喷射系统的共轨油道中供给高压机油。在工作过程中，机油作为控制油，解决了柴油机在热工况下柴油粘度降低热启动困难的问题；同时，机油粘度高，密封适应性好。但是，在初始启动时，由于机油压力建立较慢，使冷启动比较困难。另外，在每次喷油过程中，控制阀均需完成一个开关动作，对电磁阀的响应时间要求高而且精确。当柴油作为控制油时，喷油定时则由接通三通阀定时来控制；因而对三通阀要求响应时间快，要达到断油迅速果断干脆，必须始终处在高压工作状态，对其强度要求高，密封问题尚未根本解决，有待于今后努力。
四、柴油机共轨式电控燃油喷射系统科学性综述
柴油机共轨式电控燃油喷射系统采用共轨油道控制油压，同汽油机电控喷射系统有许多相似之处；但其工作压力相差10~30倍，这是因为柴油机需要特殊的高压喷油才能利于雾化而充分燃烧。由于共轨油道中的高压要求，随之带来的高压密封要求、强度要求、快速响应动作要求也较难解决。目前美国BKM公司研制的中压共轨式电控燃油喷射系统（又叫共轨蓄压式电控燃油喷射系统），其输油泵工作压力可降到2~10MPa之间；其关键技术是采用了蓄压式喷油器，实现低压共轨，高压喷射。该种喷射系统对强度和密封性要求较低，但在工作中，平均有效压力偏低，不利于柴油雾化和空气混合，使微粒排放有所增加，影响排放质量。特别是柴油喷出过程中，蓄压室内开始压力高，其压力逐渐降低，使喷油速率越来越低，不符合先缓后急的喷油燃烧规律。目前德国奔驰公司同博世公司又共同开发独特的高压共轨式电控柴油喷射系统。配置的电控压力调节器为该公司开发的专利产品，可以实现柴油机部分停缸控制，使低速工作时，降低功率消耗；共轨油道中压力可在15~140MPa范围内自由调节，成功地实现低的喷油率，预喷射和多次喷射。
五、柴油机电控技术的展望
由于柴油机在工作中对高压喷油的特殊要求，在某种程度上制约了柴油机电控技术的发展。尽管到目前为止，柴油机还不如汽油机的电控技术那样成熟；但是由于柴油机特有的经济性、耐久性和良好的排放性能，除了应用在大中型货车上，各种轿车也逐渐推广和选用电喷柴油机。意大利菲亚特集团研制的阿尔法—罗密欧156型轿车选用的FIAT1。9FID柴油机就配置了共轨式电喷系统；近二十年来，轿车和客车上选用高速轻型电喷柴油机正在呈发展趋势；如德国大众公司高尔夫（GOIF）轿车中就有两种首选电喷柴油机，以其动力强劲，百公里油耗仅5.2升（汽油机为8.7升）的优良经济性能使世人瞩目。除此之外，日本小松公司，宝马公司；法国标致—雪铁龙集团等相继推出电喷柴油机系列，其应用范围也愈来愈广泛，见表一所示。
表一 目前柴油机电控系统的应用
Table 1 application of current diesel electronic control technique
序号 类型 应用范围
1 电控式分配泵 中小货车等
2 电控式柱塞泵 货车、工程机械、船舶等
3 泵－管－嘴－阀系统 轿车、货车、工程机械、船舶等
4 电控液压泵－喷嘴系统 轿车、货车、工程机械、发电机组等
5 共轨式电控系统 轿车、货车、工程机械、发电机组、船舶等
六、我国电喷柴油机今后努力的方向
柴油机电控技术在我国的研究虽然起步较晚，但是目前已取得可喜的成果。例如，天津大学已开发出一种共轨蓄压式电控柴油喷射系统，（97年专利）；上海船舶研究所、北京理工大学等单位也相继研究出节流式电控喷油器和喷油定时电子控制系统，已经应用到汽车上，无锡市油泵油嘴研究所也在电子调速器方面取得较大进展，并于2000年在常州市举办的国际中小企业产品博览会上亮相。从总体上讲，我国的柴油机电喷技术现在仍滞后于世界上许多发达国家，主要在四个方面急需加强。
1、高速高压电磁阀是关键部件，国外已达0.27MS的开闭周期；我国仍处于研制阶段，所涉及到电工材料，微电子技术方面的问题较难解决。
2、在共轨式喷油系统中，供油泵的供油量控制尚缺少灵敏的控制机构。因此，在供油过程中，油压与油量的脉动变化仍制约着供油量的准确性。
3、在执行机构的开发研制上，仍限于传统的机械装置，未能从根本上向机电一体化和微电子化方向发展。
4、共轨油道中的控制油多以中、高压为主。因此，许多工作部件因为润滑不当使磨损加剧，影响密封而泄漏增加；在产生泄漏后降压不可避免；今后对加强密封、防止泄漏最佳材料的研究，有待于加强。
