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柴油机电喷系统分析

来源:中经纵横 更新日期:2018-02-01 15:05:24

报告内容

一、柴油机电喷系统

整个系统都是由传感器、电控单元和执行器三部分组成。柴油机的电控喷射系统通过控制喷油时间来调节输出油量的大小,且柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置(油门、供油拉杆位置)来决定的。它具有如下功能:

1、燃油喷射控制

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。

2、怠速控制

柴油机的怠速控制主要包括怠速转速控制和怠速时各缸均匀性的控制。

3、进气控制

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。

4、增压控制

柴油机的增压控制主要是由ECU根据柴油机转速信号、负荷信号、增压压力信号等,通过控制废气旁通阀的开度或废气喷射器的喷射角度、增压器涡轮废气进口截面大小等措施,实现对废气涡增压器工作状态和增压压力的控制,以改善柴油机的扭矩特性,提高加速性能,降低排放和噪声。

5、排放控制

柴油机的排放控制主要是废气再循环(EGR)控制。ECU主要根据柴油机转速和负荷信号,按内存程序控制EGR阀开度,以调节EGR率。

6、起动控制

柴油机起动控制主要包括供(喷)油量控制、供(喷)油正时控制和预热装置控制,其中供(喷)油量控制和供(喷)油正时控制与其他工况相同。

7、巡航控制

带有巡航控制功能的柴油机电控系统,当通过巡航控制开关选定巡航控制模式后,ECU即可根据车速信号等自动维持汽车以一定车速行驶。

8、故障自诊断和失效保护

柴油机电控系统中也包含故障自诊断和失效保护2个子系统。柴油机电控系统出现故障时,自诊断系统将点亮仪表盘上的“故障指示灯”,提醒驾驶员注意,并储存故障码,检修时可通过一定的操作程序调取故障码等信息;同时失效保护系统启动相应保护程序,使柴油能够继续保持运转或强制熄火。

9、柴油机与自动变速器的综合控制

在装用电控自动变速器的柴油车上,将柴油机控制ECU和自动变速器控制ECU合为一体,实现柴油机与自动变速器的综合控制,以改善汽车的变速性能。

 

二、汽车加速柴油化电喷技术主导柴油机发展

汽车柴油化进程加快

不断攀升的燃油价格促进了汽车柴油化的进程,原来以汽油机为主要动力的轻型客车,2006年上半年第一次出现了柴油车销量超过汽油车的现象,这个趋势仍在继续。

国内几个骨干柴油机企业也相继开发出供乘用车(轿车及微型车)用的柴油机,改变了原来乘用车柴油机基本由国外柴油机独揽的局面。

目前国产中重型车用柴油机以国产品牌为主,且基本拥有自主知识产权,乘用车柴油机以国外品牌为主,且基本依靠进口,只有部分低端产品用国产柴油机,轻型车柴油机则是中外合资和国产品牌并举。

经过这几年的快速发展,国内已出现了几家技术力量及资金雄厚的企业,如潍坊柴油机公司、玉林柴油机公司、上海柴油机公司、无锡柴油机厂、大连柴油机厂、朝阳柴油机厂、云南内燃机厂等,其销售量、销售收入及生产规模都非常可观。国外先进的柴油机技术如高压喷射、增压中冷、可变截面增压器、四气门技术、电控燃油喷射技术、排放控制技术等已在国内得到推广应用,柴油机的升功率、燃油消耗率、排放性能、可靠性等指标有了大幅度的提高,开始了从传统机械产品向机械电子技术产品的过渡。但与欧美日先进水平相比,还有较大差距,主要是没有掌握柴油机的核心技术,如电控燃油喷射系统的技术仍被国外公司垄断。自主研发和创新能力还较弱,产品研发主要依靠与国外设计公司合作开发。另外,乘用车柴油机尽管已开发出产品,但基本没有投放市场,只在一些低端轻型客车和SUV上使用。

过去的几年,国内柴油机行业发展迅速,但应清醒地认识到,国产柴油机生产规模虽然很大,但大多数国产柴油机产品的技术水平还是较低的,国内柴油机企业的研发力量还很薄弱,新产品的研发大多依靠国外公司,因此我国目前只是柴油机的制造大国,还不是制造强国。

电控燃油喷射技术取得突破

国际上柴油机电控燃油喷射系统都是由实力雄厚的专业生产厂来研发生产的,比如德国博世、日本电装、美国德尔福等。以前,国内还没有一家零部件厂商有能力研发和生产电控燃油喷射系统,可喜的是,近几年国内在最薄弱的柴油机电控燃油喷射系统技术研发方面取得了重大突破,如成都威特电喷公司与清华大学联合于2004年成功研制出具有自主产权的电控单体泵系统,并于当年开始提供成套产品供重型车用,现已提供了上千套产品,成为国内第一家生产柴油机电控燃油喷射系统产品的企业,打破了国外企业的垄断。一汽集团无锡油泵油嘴研究所完全依靠自己的力量也成功开发出具有自主产权的第一代电控共轨燃油喷射系统,但还没有进行商业应用。

国4重型柴油机技术路线待定

经过这几年的发展,国内柴油机企业已能适应排放标准,很多企业已在开发符合国4排放标准要求的产品,而国4排放标准对柴油机来讲,是一个技术的转折点。国4标准之前,柴油机排放可以通过机内净化技术来解决污染物的排放控制,达到相应的标准,而从国4开始,除了改进燃油喷射系统、优化燃烧过程等机内净化措施外,还必须增加机外后处理装置才能使排放达标。欧洲主要采用了两条技术路线:其一是SCR(选择性催化还原)技术路线,它是通过优化喷油和燃烧过程,尽量在机内控制微粒的产生,在机外后处理过程,采用尿素溶液对氮氧化物进行选择性催化还原;其二是EGR+DPF(废气再循环加微粒捕集器)技术路线,它以废气再循环为基础,在机内抑制氮氧化物的产生,在机外后处理过程中采用微粒捕集器对微粒进行微粒捕捉。

两种技术路线各有优缺点,采用SCR方案,对发动机不须做进一步的强化处理。燃油中的硫含量对于系统的影响较小,可回避燃油含硫量高的难题,而硫含量高是国产柴油近几年难以克服的技术问题,采用SCR方案可通过调整喷油特性而节省燃油消耗约5%,但需在加油站设立相关的尿素溶液补充设备,整车也需增加一套尿素贮存和转化装置而使成本增加。采用EGR+DPF方案需对原发动机进行强化,提高喷油压力和增压中冷能力。其次,需提高微粒捕集器的再生能力,还有对燃油含硫量要求较严,且燃油消耗较高,但不增加额外的装置,用户只要定期更换微粒捕集器。

对于汽车厂和柴油机厂来说,采用以EGR+DPF方案对柴油机的改动较大,但不需增加基础设施。采用SCR方案可以较容易地使现有欧Ⅲ柴油机升级到欧Ⅳ机型,而且由于省油,可以抵消使用尿素所增加的费用。但用户需不断给车辆补充尿素溶液。目前在欧洲两种技术方案并存,以SCR方案略占优势。

实施国4排放标准的另一个重要条件是低硫柴油,国内目前市场供应的柴油只符合国2标准(北京等地有少量符合国3标准的柴油),含硫量在500ppm以下,而国4标准要求的柴油含硫量小于50ppm。国内的炼油企业何时能提供符合要求的超低含硫量柴油仍是个未知数,这也是国内大多数柴油机企业准备采用SCR技术方案的原因之一。当然,选择SCR技术路线将牵涉到社会基础设施的建设,需要政府部门和相关行业的支持,因此,选择哪种技术方案目前未定。

三、市场增长带动柴油机电控系统革新

随着我国汽车排放标准的不断升格,可提高柴油机性能,改善其排放的电控单体泵、高压共轨、电控泵喷嘴三项技术受到关注。采取适合我国发展现状的技术推进柴油机排放升级达标,加强油路系统管理等成为关注的话题,同时显现出我国在柴油技术领域的新进展。

国内产业化进程加快

随着一些高等院校和研究机构的许多研究成果从停留在实验室阶段走向产业化,促进了我国柴油机业的升级。清华大学开发的新型电控直列组合泵共有7项专利,为国产的直列泵改成电控单体达到欧Ⅲ标准提供良好模式。它基本不需要改变原有的生产线,利用原来的直列泵的位置安装单体泵,并增加ECU、传感器等零部件,经过优化设计及匹配标定,可以达到欧III排放标准。并且可靠性高、价格低、安装方便、系统标定过程简单。

与国外同类技术比较,虽然轿车柴油机肯定是高压共轨技术占优势,但商用车由于转速范围窄、里程长,电控直列组合泵系统在性能、成本、可靠性、可维护性等综合性能方面具有优势。从近中期看,国内柴油车市场主要是商用车市场,因而此系统发展潜力巨大。

此外,清华大学在新型喷射控制模块、电控柴油机控制平台技术、电控柴油机控制算法、电控柴油机的匹配标定技术与产品开发、新型电控柴油动力总成等方面都已取得了一定的成就,产业化亦在推进。混合动力辅助动力单元由株洲时代华通公司生产,已被安凯客车应用。这些市场的推进为下一步的开发奠定了基础。

除在核心技术上取得应用突破外,在另一方面,电控单体泵技术的应用对柴油机的一些零部件提出更高要求。电控单体泵技术的应用对单体泵系统的偶件加工精度、电磁铁、ECU的性能及一致性、可靠性等方面都提出了更高的要求;同时与系统有关的高压油管、输油泵等零部件也都有特殊要求。因此,相关零部件生产企业不但应该有高精度的加工及检测设备,掌握相应的加工技术,更应加强产品的质量管理和服务意识。

加快提升配套环节水准

发动机作为一套复杂的系统,除燃油喷射技术至关重要外,其他如油路系统、后处理技术、燃料质量等亦是使柴油机排放达标的关键环节。美国西南研究院陶小建介绍,油路系统发展趋势是:一是更高的油压;二是智能油路控制系统;三是好的滤清和污染排放策略;四是可兼容各种燃烧材料;五是分气缸控制,这种技术在美国、日本、欧洲等已经市场化,应用比较多,中国在这方面可以有所作为;六是后市场维修保养方便。

此外,为满足日益严格的排放标准,从国Ⅳ开始,除了改进柴油燃油喷射系统、优化燃烧过程等机内净化措施外,还必须增加机外后处理装置才能使排放达标。中国汽车工程学会发动机分会秘书长陈上华介绍,欧洲主要采用了两条技术路线:其一是SCR(选择性催化还原)技术路线;其二是EGR+DPF(废气再循环加微粒捕集器)技术路线。美国认为SCR到2010年将是成熟技术。

生物柴油是未来发展方向,但问题是如何解决高温问题与油泵问题。国外对生物柴油需求量也比较大,中国企业如果解决了这些问题,则发展空间很大。

我国在开发生物柴油方面稍落后发达国家,但目前发展较为迅速。国内有清华大学、北京化工大学等多家单位已介入了生物柴油技术领域的研究和开发,也取得了不少成果。据报道,目前包括已实现产业化及继续在研究探讨的方法有化学合成法、生物酶法、超临界反应法等。

紧跟未来发展潮流

未来柴油技术发展是进一步提高喷射压力并实现多次喷射。欧III排放之后我国会执行更严格的排放标准,比如欧IV、欧V。而要实现欧IV、欧V的排放标准,泵喷嘴、单体泵都有一定难度,除非经过特殊设计能够实现多次喷射;一般采用高压共轨技术加EGR(废气再循环)技术及VGT(可变截面增压器)技术等。

而各跨国企业实现这些要求的技术路线不同。德尔福在中国市场针对中轻型车推广共轨技术,针对重型车提供泵喷嘴和单体泵技术。博世电喷系统最新技术已经由电控共轨发展到电控液力放大系统。博世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%。博世与无锡威孚合资成立的新公司专门生产喷油器和喷嘴,旨在中国生产和推广电控柴油喷射系统。

未来柴油机技术的重点是更清洁、更环保,需要改进的技术有:燃烧技术(如多点喷射、HCCL、低温燃烧、MK燃烧),后处理技术如DOC、DPF、SCR、LNT等,以及燃料的低硫化、低芳香族化技术。这一是需要汽车研究机构与石油化工产业的相互提携;二是需要政府强力正确的指导;三是消费者的理解与支持。



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