1、第四章第四章柴油机电子控制技术柴油机电子控制技术目 录第一节 概述第二节 柴油发动机电子控制燃油喷射技术第三节 柴油发动机废气涡轮增压系统第四节 柴油发动机尾气后处理技术柴油机排放法规柴油机排放法规柴油机排气中CO，HC等的排放量相当低，但其微粒和NOx的排放量高柴油机的排放控制技术更为多样化也更为复杂柴油机电控技术已成为当前柴油机技术的主要发展方向排放排放等级等级执行执行时间时间测试测试循环循环PM PM SOOTSOOTEuro IIIEuro III1999.10,1999.10,EEVs EEVs onlyonlyESC&ELRESC&ELR1.51.50.20.25 52 20.02
2、0.020.150.15 2000.12000.1ESC&ELRESC&ELR2.12.10.60.66 65 50.10.10.80.80.130.13*Euro IVEuro IV2005.12005.11.51.50.40.46 63.53.50.020.020.50.5Euro VEuro V2008.12008.11.51.50.40.46 62 20.020.020.50.5第一节第一节 概述概述柴油机电控的主要内容包括最佳喷油量特性控制、最佳喷射定时控制，以及喷油压力和喷油速率的柔性控制（多次喷射），并采用很高的喷油压力以期获得良好的雾化效果提高燃油喷射压力，可以直接改善直喷式柴
3、油机的燃油雾化效果，促进混合气的形成和充分燃烧，降低油耗和排放共轨式柴油机电控燃油喷射系统的特点共轨式柴油机电控燃油喷射系统的特点雾化良好，有利于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共轨油管中的柴油压力由ECU控制，不受发动机转速影响；而喷油量和喷油定时可以实现喷油量控制、喷油定时控制、喷射压力控制和喷油规律等项的优化共轨油管中的高压可达200MPa，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柴油机电子控制指标和要求柴油机电子控制指标和要求目标喷油量控制 可按要求来设计任何模式(全程、两极或其它)的油量调速曲线，以及包括起动加浓、转
4、矩校正在内的“校正外特性”曲线目标喷油定时控制 根据排放、油耗、功率和其它性能指标如噪声、冷起动等多方面的综合要求来确定各工况所需的最优化定时值油量及喷油定时的补偿控制 根据环境状态参数如大气压力、大气温度、冷却水温、柴油油温的变化对目标喷油量和定时进行补偿控制冷起动及怠速稳定性控制冷起动油量和定时都由起动转速、加速踏板位置以及冷却水温、燃油温度共同决定通过检测怠速时各缸所对应的曲轴转速信号的波动情况进行分缸油量补偿以稳定转速柴油机电子控制指标和要求柴油机电子控制指标和要求过渡性能与烟度控制 通过对过渡过程中油量和定时的综合补偿来满足最佳过渡性能和降低烟度的要求喷油规律与喷油压力的控制 通过控
5、制电磁阀升程和调节共轨腔中的压力达到控制喷油率、喷油压力和预喷射油量的目的其它参数及性能的控制 废气再循环控制；增压器涡轮机喷口的可变截面控制；可变气门定时、可变进气涡流、可变进气管长度的控制；暖机时对进、排气的节流控制；部分停缸控制等电控柴油喷射系统的类型电控柴油喷射系统的类型位置控制系统保留了传统的喷油泵高压油管喷油嘴系统，齿条或滑套的运动位置由原来的机械调速器控制改为电子控制时间控制系统可以是保留原来的喷油泵高压油管喷油嘴系统，也可以采用新型的蓄压式高压共轨燃油系统，采用高速电磁阀直接控制高压燃油的喷射电控柴油喷射系统根据其产生高压燃油的机构不同，可分为 直列泵电控喷射系统 分配泵电控喷
6、射系统 泵喷嘴电控喷射系统 单体泵电控喷射系统 共轨式电控喷射系统第二节第二节 柴油发动机电控燃油喷射技术柴油发动机电控燃油喷射技术电控直列泵系统电控直列泵系统第一代电控直列泵 调节喷油量的元件仍然是调节齿杆，由调速器执行器进行位置控制；喷油时间的控制则是根据ECU的指令通过提前器执行器控制发动机驱动轴和凸轮轴之间的相位差实现的TICS系统 TICS以传统的直列泵为基础，在柱塞部分附加上一个可动的定时套筒，定时套筒可以根据需要改变预行程，按照发动机的转速和负荷改变喷油定时，控制喷油率日本电装日本电装ECD-U2共轨系统共轨系统由高压输油泵、共轨、喷油器、控制单元(ECU)以及传感器等组成ECU
7、通过高压输油泵的PCV控制阀对共轨压力进行反馈控制，保证共轨中的压力稳定喷油器是由针阀偶件、液压活塞、节流阀以及三向电磁阀等组成喷油器的喷射量和喷射时刻，是通过三向电磁阀调节液压活塞顶部控制室内的油压来控制的ECD U2 的三向电磁阀的三向电磁阀三向电磁阀的结构主要包括内阀，外阀和阀体喷油开始 三向电磁阀(TWV)接通时，外阀上移 密封面A关闭切断共轨高压燃油进入液压活塞项上的控制室 密封面B打开，使液压活塞顶上的高压油向燃油箱泄油，油压降低，喷油器针阀在其承压锥面上的高压燃油的作用升起，喷油开始喷油结束 三向电磁阀断电，外阀在弹簧力的作用下下移 密封面B关闭，而密封面A打开 共轨的高压燃油进
8、入喷油器针阀的承压锥面室和液压活塞顶的控制室。液压活塞在共轨高压燃油的作用下，推动针阀落座，使针阀关闭，喷油停止电控共轨系统的喷油量控制电控共轨系统的喷油量控制起动喷油量 发动机的起动喷油量由发动机转速和水温两个参数查表确定过渡状态的喷油量 加速时油门开度变化大，使燃油按一定的斜率增加，来控制黑烟排放电控共轨系统的喷油量控制电控共轨系统的喷油量控制基本喷油量 发动机转速保持一定，油门开度大，则喷油量增加最高转速时的喷油量 在发动机最高转速附近按一定的斜率减小喷油量进气压力修正喷油量 进气压力低时，为了减少排烟，限制由于进气压力所对应的最大喷油量电控共轨系统的喷油率电控共轨系统的喷油率预喷射及其
9、控制 预喷射是在主喷油之前有一个喷油量很小的喷射过程。预喷射的参数是预喷油量和预喷油与主喷油之间的时阀间隔 在主喷射之前进行的预喷射(时间间隔约1ms)可以使燃烧噪声明显降低，但是预喷射会导致PM排放增加电控共轨系统的多次喷射电控共轨系统的多次喷射多次喷射是将一个喷油循环细分成若干段相互关联的、各自独立的喷射段引导喷射、预喷射、主喷射、后喷射及次后喷射电控泵喷嘴电控泵喷嘴电控泵喷嘴由泵喷嘴体、控制阀以及电机等组成。泵喷嘴体将喷油泵和喷油器作成一体，取消了喷油泵和喷油器之间高压油管在喷油泵柱塞上取消了在普通机械式喷油泵柱塞上用于控制供油量的螺旋槽，喷油正时和喷油量是通过高速电磁阀控制泵喷嘴进油阀
10、的开启时刻和开启持续时间来控制电控单体泵电控单体泵电控单体泵是一种通过发动机凸轮轴驱动设置在发动机内部的用于泵油的柱塞部，并经短的喷射管向喷油器供油的喷射系统由滚轮式挺柱、柱塞及其回位弹簧、泵体、控制阀以及电磁阀等组成发动机运转时，内置的凸轮轴直接驱动滚轮式挺柱，使柱塞进行泵油增压技术可以显著地提高柴油机升功率，热效率和机械效率也得以提高，有助于降低燃油消耗率，提高发动机的经济性柴油机增压技术有机械增压、废气涡轮增压和复合增压等几种类型废气涡轮增压是柴油机增压的主要方式，它利用柴油机排出的废气能量来驱动涡轮来提高进气压力，不需要发动机的动力输出来驱动增压器第三节第三节 柴油发动机废气涡轮增压系
11、统柴油发动机废气涡轮增压系统固定涡轮截面废气涡轮增压的缺点固定涡轮截面废气涡轮增压的缺点发动机在低速运行时，排气流速低、流量小，涡轮机可利用的排气能量少，导致增压器转速低，发动机低速时动力不足发动机在高速运行时，排气流速高、流量大，涡轮增压器又有超速的危险当柴油机处于加速等瞬变工况时，其进气量供给的响应明显滞后于燃油量供给的响应，产生所谓“增压延迟”现象，容易出现冒烟现象可变喷嘴涡轮增压器可变喷嘴涡轮增压器VNT是可变截面涡轮增压器的一种主要型式，通过改变涡轮喷嘴环流通截面积的大小来改变排气的流通特性VNT增压器的控制 发动机低转速区，将涡轮喷嘴环出口面积减小，使涡轮转速升高，压气机出口压力增
12、大 发动机高转速区，则增大喷嘴出口面积，使压气机出口压力降低，从而减小发动机的最大功率，以防止发动机机械负荷超载 VNT的叶片与控制拉杆相连，控制拉杆的位移由VNT上的真空气室的真空度控制柴油机柴油机VNT电子控制系统电子控制系统由喷嘴叶片执行器、PCM单元阀（压力控制阀）、发电机、真空泵、控制单元及各种传感器和显示仪表等组成控制单元根据传感器信号向PCM阀发出控制信号，通过改变PCM的PWM信号占空比来调节由真空泵产生的负压的大小系统对增压压力进行闭环反馈控制，采用前馈+PI（比例积分）控制算法柴油机的尾气排放污染物，有氮氧化合物NOx、硫酸化合物、CO、HC、微粒等美、日、欧等先进国家的柴
13、油机排放标准的变化趋势第四节第四节 柴油发动机尾气后处理技术柴油发动机尾气后处理技术氧化催化器氧化催化器(DOC)将HC、CO以及有机微粒等可溶有机成分（SOF）中的多环芳香烃（PAH）和醛（HCHO）氧化成无害的CO2和H2ODOC的催化剂有铂、镉等重金属、卤碱金属及LaMnO3系列金属，涂敷材料有Al2O3及SiO2DOC应用于重型柴油车的主要困难是尾气中的SO2会被氧化为硫酸盐，从而增加颗粒物的排放，并导致催化剂中毒SCR催化转换系统工作原理催化转换系统工作原理32.5尿素溶液Urea喷入柴油机废气中，尿素溶液蒸发，并分解NH3(ammonia)(NH2)2CO(s)+H2O(g)2NH
14、3(g)+C02(g)氨气作为SCR催化转换器中的还原剂起作用。4NH3+4NO+O24N2+6H2O 4NH3+2NO+2NO24N2+6H2O SCR催化转换系统的组成催化转换系统的组成SCR独立的控制器与共轨喷射ECU之间采用CAN总线通讯，共享发动机状态信息系统使用四个传感器：一个增压器涡轮机排气出口NOx传感器；SCR前后两个温度传感器；以及一个发动机进口空气流量传感器，这些信号输入ECU，计算出应喷入排气的尿素量 柴油机微粒的组成及特性柴油机微粒的组成及特性 微粒成分干碳烟（DS）、可溶性有机物（SOF）、少量的硫化物和水其中，碳烟所占的比例达50%以上，是微粒的主要成分，其次是S
15、OF，干碳烟主要由碳元素组成 SOF是被含碳物凝聚和吸附着的高分子量有机物。它们包括未燃烧的燃油、润滑油以及不同程度的氧化和裂解产物微粒的生成机理微粒的生成机理 微粒是由于碳氢燃料不完全燃烧而生成的，其中可溶性有机成分来自不完全燃烧的燃油和润滑油。而碳烟是在高压燃烧的条件下，过浓的混合气在高温时深度裂解的产物 柴油机的微粒排放后处理技术柴油机的微粒排放后处理技术 氧化型催化器DOC SOF的主要成分是HC，DOC可以有效地转化排气中的HC和CO柴油机的微粒排放后处理技术柴油机的微粒排放后处理技术 微粒捕集器DPF的结构 过滤器的载体分为陶瓷纤维载体、陶瓷蜂窝载体以及金属载体等柴油机的微粒排放后处理技术柴油机的微粒排放后处理技术 微粒捕集器DPF的工作原理 整体式蜂窝状多孔陶瓷滤芯中，废气通道壁由多孔陶瓷组成，通道一端被“塞子”（Plug）封死。废气只能通过渗透到相邻通道向外流动。尺寸大于陶瓷孔洞的微粒，被附着于陶瓷表面，更多的微粒则聚集于塞子附近柴油机的微粒排放后处理技术柴油机的微粒排放后处理技术 DPF的再生技术 断续加热再生是指在DPF每工作一段时间后，采用电加热方法以消除积存的微粒 在DPF上游安装氧化型催化器，氧化型催化器将NO氧化成NO2，然后在DPF表面，NO2将微粒中的C氧化电加热再生PDF连续催化再生DPF
