3 柴油机电子控制系统
从20世纪70年代开始，随着微电子技术的发展，8位微处理器开始在汽车电子控制系统应用，柴油机也开始了电子控制的进程。从结构和功能的角度看，柴油机的电子控制系统包括燃油系统的电子控制（这也是柴油机电子控制的核心问题）和柴油机空气系统的电子控制，后者包括增压压力（可变截面涡轮）控制系统、排气再循环（EGR）控制系统以及为了满足未来更加严格的排放法规而开发的排放后处理电子控制系统。这些电子控制系统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，是继20年代用机械喷射代替空气喷射、50年代采用排气涡轮增压技术之后，柴油机技术的第三次里程碑式的进步。目前，轿车柴油机在保证百公里油耗3L经济性的同时，还能保证排放达到欧III、欧IV甚至更好的排放标准。例如，奇瑞公司的1.9L轿车柴油机，其最佳燃油经济性已达200g/(kW·h)。进入21世纪以来，随着全球石油短缺和二氧化碳减排的需要，基于电控柴油机的新型混合动力系统也开始陆续推出，出现了柴油机加上一体化起动电机-发电机（integrate starter generator, ISG）这样的轿车轻度混合动力系统，以及以电控柴油机为辅助动力总成（axuarially power unit, APU）的串联式大客车混合动力系统。
从图3.0.1可以看出，为了满足国III以上的排放，首先需要采用的技术是电子控制燃油喷射；为了满足更加严格的排放法规，则需加入排放后处理装置和采用更加清洁的燃油；为了进一步降低柴油机的二氧化碳排放，还需要进一步改善其燃烧方式和采用混合动力。
图3.0.1 未来柴油机电控技术的发展趋势
在柴油机的电子控制系统中，最早研究并实现产业化的是电子控制的柴油喷射系统。随着排放法规的加严以及加工和制造技术的进步，先后出现了3代电控燃油喷射系统，即第一代的位置控制式电控燃油喷射系统、第二代的时间控制式（喷射电磁阀）电控燃油喷射系统，以及第三代的高压共轨系统。其中的第一代电控系统由于不能满足更加严格的排放法规，因此将逐步退出市场；第二代的时间控制式电控燃油喷射系统中，又根据具体的结构可以划分为电控泵喷嘴系统、电控单体泵系统、电控分配泵系统和直列（组合）泵电控系统。这些系统性能比较可参见表3.0.1。从这些比较可以看出，电控组合泵和高压共轨系统都能够实现欧III～欧V的排放法规，都不需要对缸体和缸盖生产线进行改动，是最值得我国推广应用的两种电控燃油喷射系统。表3.0.1 各种电控燃油喷射系统的比较电控系统类型电控分配泵插入式单体泵电控泵喷嘴电控组合泵高压公共系统结构喷油规律最高喷射压力/MPa<200>300>300>250>200全工况高压喷射不能不能不能不能能压力柔性控制不能不能不能不能能多次喷射能力不能两次两次两次多次可满足的排放要求欧III，需要排放后处理配合欧III和欧V，欧IV以上时需要排放后处理配合欧III～欧V，欧IV以上时需要排放后处理配合欧III～欧V，欧IV以上时需要排放后处理配合欧III～欧V，欧IV以上时需要排放后处理配合可能的重要配套措施燃烧系统优化重新设计缸体，燃烧系统优化重新设计缸体、缸盖，燃烧系统优化燃烧系统优化燃烧系统优化制造成本低低高低最高加工难度容易容易难容易最难油品的适应能力差好好好最差主要配套机型轻型商用车和轿车中重型商用车，转速
<3000r/min轻型和中重型商用车和轿车，转速
<5000r/min轻型和中重型商用车，转速
<3600r/min轿车到重型商用车的各种车型均可适用，但用在轻型车上时的优势更加明显3.1 第一代电控柴油喷射系统（位置控制式）
传统的机械式喷油系统的燃油控制是利用油泵上的机械式调速器完成驾驶员的控制命令与发动机实际运行状态（转速、负荷）之间的调节与平衡，最终喷油量的控制是通过油泵的齿条（齿杆）或者滑套的位置来实现的。根据原有机械泵形式的不同，第一代电控燃油喷射系统又可划分为分配泵位置电控系统、直列泵位置电控系统和单体泵位置电控系统等。下面通过传统机械直列泵和电控直列泵的结构对比来进行说明。
3.1.1 在直列泵上实施的位置式电控系统
传统柱塞式喷油泵喷射过程的控制机理如图3.1.1所示。\柱塞与齿圈连接在一起由齿条带动，而柱塞套则不转动。当齿条的位置向右移动时，齿圈转过的角度也加大，于是柱塞上的斜槽与出油阀之间的柱塞行程加大，喷油量也就加大。在直列泵上实施的位置电子控制就是将传统的机械调速器取消，将齿条的控制改由一个电子控制的执行器。执行器的类型既有旋转的电机，也有直线运动的电机。如图3.1.2所示为BOSCH公司的一种电子控制方案，采用的是直线运动的线性电磁铁作为执行器，直接安装在传统的机械调速器的壳体内，而机械调速器已经被取消。图3.1.1 柱塞和柱塞套的控制方式
图3.1.2 取消机械调速器的直列泵电控系统
为了检测发动机的工作转速，图3.1.2中还在油泵凸轮轴的自由端安装了测速齿盘和转速传感器。
在图3.1.2所示的位置控制式电控燃油喷射系统中，执行器线性电磁铁决定了齿条的位置，但由于存在弹簧预紧力，以及线性电磁铁电流到力之间受到温度、摩擦等非线性因素的影响，在外界驱动电压一致的条件下，相同的驱动电流对应的齿条位置可能有所不同。因此当采用线性电磁铁作为执行器时，必须要反馈齿条位置才能知道当前齿条的准确位置，这对于车用发动机来说是必需的。但在有些电站用的柴油机上可以例外。因为发电条件下对应的发动机转速是固定的，电子控制系统将发动机转速作为闭环的控制目标，而不要求精确控制齿条的位置，这时不需要反馈齿条的位置。
除了在直列泵上实施的位置控制式电控燃油喷射系统以外，还有在泵喷嘴和单体泵上实施的位置控制式电控燃油喷射系统。这些系统中的位置电控在控制机理、结构上都和直列泵有类似之处，只要在其控制齿杆的连接处加装一个电子执行器就能够实现电控，这里不再详述。
3.1.2 第一代电控燃油喷射系统的控制特点
通过对比直列泵上实施的位置控制式电控燃油喷射系统以及其他构型的第一代电子控制系统，可以看出其共同之处在于： 
① 二者都是将传统的机械式喷油系统作了局部改进，如取消了调速器，保留了柱塞和柱塞套（产生高压的装置与机械一致），改用电子执行器来完成分配转子与滑套（或者柱塞和柱塞套）之间的相对位置控制。
② 增加了反馈位置的传感器、转速传感器以及燃油温度传感器等，从而实现对油泵的精确控制。
③ 实施了电子控制后，整个系统的优点在于，不同转速与负荷下的喷油量可以灵活标定，因此在发动机的整个稳态工况范围，发动机的工作特性可以按照性能最佳的方式来确定，而传统的机械式系统则只能保证个别点工况下的特性最佳，其他工况下的特性不能灵活改变（因为弹簧刚度不能改变）. 
第一代位置控制式电控燃油喷射系统的最大优点是相对原有系统改动简单，成本低。但是由于喷射压力相对原有系统没有提高，因此对发动机的排放性能改善有限，只是对动力性和经济性以及整车的驾驶性能有所改善。但是第一代位置电控相对传统机械系统已经改变整个发动机的控制和匹配模式，在柴油机电子控制的道路上迈出了第一步。
由于第一代位置控制式电控燃油喷射系统只是在原有的机械调速器的位置实施电控，所以又被称为电子调速器。有的电控系统在加装电子控制执行器的同时，还保留了原有的机械调速器，形成了机电混合调速器。
3.2 第二代电控燃油喷射系统（时间控制式）
第二代时间控制式的电控燃油喷射系统根据高压产生装置的不同，也可以分为分配泵、直列泵、泵喷嘴和单体泵电控燃油喷射系统，下面以电控直列泵和电控单体泵为例，介绍第二代时间控制式的电控燃油喷射系统的特点。
3.2.1 在直列泵上实施的时间控制式
在传统直列泵上可以实施时间控制式的电控化改造。如图3.2.1和图3.2.2所示，将与直列泵相连的原机械调速器取消，在喷油泵出油阀和喷油器之间的高压油管上，安装一个三通电磁阀，得到所谓的泵-管-阀-嘴（pump-pipe-valve-injector, PPVI）式电控燃油喷射系统\，即通常的电控组合泵系统。与传统的泵-管-嘴的机械式喷油系统相比，每缸都对应安装了一个控制喷射过程的电磁阀。与此同时，传统柱塞上的斜槽被取消，柱塞泵的功能只是建立高压，不再具有喷油量调节的功能，真正的喷油控制由电磁阀来完成。
图3.2.1 电控组合直列泵的结构图
图3.2.2 电控直列组合泵的工作原理图
图3.2.2中，在泵体上安装了指示凸轮轴相位的转速传感器，目的是为喷射过程的相位计量提供基准。当柱塞上行时（见图3.2.2) ，如果电磁阀通电，则高低压之间的连通被隔断，高压建立，燃油经过高压油管自喷油器中喷出；当电磁阀断电后，电磁阀阀杆在回位弹簧的作用下打开密封端面，高压油路和低压油路被连通，燃油经电磁阀迅速泄压，喷射过程随之停止。电磁阀通电开始时刻决定了喷射定时，电磁阀通电时间的长短决定了喷射脉宽，即决定了发动机的负荷大小。可见对电磁阀实施的控制在时间上要求很高，这也是为什么叫“时间控制式”的主要原因。
图3.2.3给出了PPVI系统电磁阀的基本结构。该结构采用了所谓的多极式电磁铁结构，以期在单位面积内产生最大的电磁力，衔铁与电磁铁之间的间隙很小（0.2mm左右），目的是使相同通电电流下的电磁力达到较大值，同时满足电磁阀打开和关闭的升程变化的需要，电磁阀线圈的匝数、电磁铁与衔铁的正对面积、衔铁的厚度、回位弹簧的刚度和预紧力以及电磁阀密封锥角的角度等都要经过仔细优化。
图3.2.3 PPVI系统电磁阀的基本结构
图3.2.4为电磁阀线圈驱动电路的示意图。高位MOSFET M0为各缸共用的高端驱动，低位MOSFET M1～M6为对应各缸电磁阀的选缸驱动，只有当M0和M1～M6中的每一个都导通时，对应缸电磁阀线圈才有电流通过。M0上的脉宽调制器（pulse width modulated,PWM)控制信号可以灵活控制线圈电流的大小，其调制频率可达20～25kHz。从单片机或者信号发生装置输出的0～5V控制信号A和B (TTL/CMOS电平）经过一定变换后分别控制高位MOSFET M0和低位MOSFET M1～M6。整个喷射过程的控制时序如图3.2.5所示。安装在凸轮轴末端的转速传感器可以同时输出指示相位的参考脉冲信号和转角脉冲信号，ECU根据这两个信号和发动机上的其他传感器来确定喷油脉宽和定时，发出控制脉冲信号A和B。图3.2.6给出了PPVI系统喷射控制和发动机整机管理在单片机任务方面的设置。
图3.2.4 电磁阀线圈驱动电路示意图
图3.2.5 PPVI系统电磁阀的驱动时序
图3.2.6 发动机整机管理和喷射控制的对应关系
图3.2.7 电控泵喷嘴燃油喷射系统的组成3.2.2 电控单体泵和电控泵喷嘴系统
图3.2.7和图3.2.8分别为泵喷嘴系统（unit injector system, UIS）和单体泵系统（unit pump system, UPS）时间控制式电控燃油喷射系统。\可见，二者的区别仅仅在于电磁阀与喷油器之间的连接方式上有差别。电控泵喷嘴系统将产生高压的柱塞泵与喷油器直接连成一个整体，没有高压油管；而电控单体泵系统在泵体和喷油器之间还有一段高压油管。图3.2.9和图3.2.10分别给出了电控泵喷嘴系统和电控单体泵系统在发动机上的安装和布置形式。可以看出，电控泵喷嘴系统直接采用顶置凸轮轴的方式驱动，优点是发动机结构紧凑，液力系统响应快，能够实现快速高压喷射；缺点是发动机缸盖上往往还有配气系统的凸轮轴和摇臂，结构复杂。电控泵喷嘴由于液力响应快，在轿车用的小型高速柴油机和车用中重型柴油机中都有应用。电控单体泵则采用凸轮轴中置的方式驱动。凸轮轴直接安装在发动机缸体中，支撑刚度好；高压泵和喷油器之间由高压油管连接，位置相互独立，便于布置；电控单体泵本身结构强度好，适于高压喷射。电控单体泵系统特别适合用于缸心矩较大的大型和重型柴油机，除了在车用柴油机上得到应用以外，还在坦克、装甲车辆、机车和船用柴油机上得到了广泛应用。
图3.2.8 电控单体泵燃油喷射系统的组成
图3.2.9 电控泵喷嘴控制系统结构简图
图3.2.10 电控单体泵系统结构简图
3.2.3 第二代时间控制式的特点
① 产生高压的装置与机械式喷油系统、第一代位置控制式系统相同。例如，机械直列泵、位置控制式直列泵以及时间控制式的直列泵，都是柱塞和柱塞套配合产生高压，都需要用凸轮轴来驱动柱塞，用压缩燃油来产生喷射需要的压力。依据产生高压装置的不同，时间控制有多种类型，包括在分配泵、直列泵、泵喷嘴和单体泵上实施的时间控制式系统。
② 油量控制和调节装置与机械式喷油系统、第一代位置控制式系统已经完全不同。例如直列泵上，对于机械式和第一代位置控制式系统，都依赖柱塞上的斜槽与柱塞套上的回油孔之间的相对配合来完成喷油量的调节；而第二代时间控制式则完全取消了斜槽，直接由电磁阀的动作完成每个喷射过程。
③ 时间控制式对于喷射过程更加直接和精确。每次喷射过程中，电磁阀关闭的时间决定喷油定时，电磁阀关闭的持续时间决定喷油量和喷射压力，电磁阀直接调整发动机的工况。位置控制式系统则只是通过控制齿条或者滑套的位置来间接调整发动机的工况。也是因为第二代电控系统要直接参与喷射过程的控制，给ECU的软硬件设计带来了新的挑战，实时性要求更加严格，控制的精度和灵活性也要求更高，使发动机性能的改善幅度也很大。
④ 在时间控制式系统中，电磁阀是整个系统的核心与关键，这是因为： 
   密封压力高。喷射压力大于100MPa; 
   时间响应快。关闭和打开速度小于1ms; 
   控制实时性要求高。缸内直喷，喷射定时和脉宽要求严； 
  寿命和可靠性要求高。保证发动机几十万km的性能不下降；
   设计和制造要求高。电磁阀本身综合了机械、液力、电磁、电子等多个环节,只有合理设计才能够进行大批量生产并有可接受的制造成本，高速强力电磁阀的制造和加工是第二代时间控制系统产业化的基础，也是第三代共轨系统实现的前提。
⑤ 第二代时间控制式存在的不足是，仍然需要凸轮型线的驱动来产生喷射所需的高压，其喷射压力严重依赖于凸轮型线的设计，不仅喷射区间受到限制，而且也是脉动的，使得喷油压力控制、喷油速率控制和喷油定时控制都没有得到充分发挥，从而也限制了发动机性能的进一步改善。
3.3 第三代电控燃油喷射系统（高压共轨系统）
针对第二代时间控制系统存在的不足，人们进一步推出了第三代共轨式电控燃油喷射系统。在这个系统中，柱塞产生的脉动高压被输送到一个高压腔中，使高压能够长时间维持，即在任意时刻电磁阀开始喷射都能够得到满足。共轨系统在发展过程中出现了不同类型，这里主要介绍高压共轨系统。
3.3.1 高压共轨系统
如图3.3.1所示为第三代高压共轨式电控燃油喷射系统结构图\，共轨式电控发动机系统的组成可以划分为下述4个部分： 
图3.3.1 第三代高压共轨系统组成结构图
① 燃油低压子系统，包括油箱、输油泵、滤清器和低压回油管；
② 共轨压力控制子系统，包括高压泵、高压油管、共轨压力控制阀(pressure control valve, PCV)、共轨、共轨压力传感器，以及提供安全保障的安全泄压阀和流量限制阀；
③ 燃油喷射控制子系统，包括带有电磁阀的喷油器、凸轮轴和曲轴传感器等；
④ 电控发动机管理系统，包括电子控制单元和发动机的各种传感器。
从上述可以看出，与第二代时间控制式系统相比，第三代高压共轨系统在结构上增加了共轨压力控制子系统。
世界上提供共轨系统的公司主要有德国的BOSCH公司\和Continental(原西门子VDO部门)公司，美国的Delphi公司\以及日本的Denso公司\等。它们各自的结构稍有差别，但是整个系统的框架基本相同。和电控单体泵相比，共轨系统的重量轻，适合整机布置。下面以BOSCH公司的共轨系统为例，介绍共轨系统的主要技术特点。
1. 高压泵
图3.3.2与图3.3.3分别为高压泵的纵向和横向结构图。一个高压泵上有3套柱塞组件，由偏心轮驱动，在相位上相差120. 。从图上可以看出，这种偏心轮驱动平面和柱塞垫块之间为面接触，比传统的凸轮-滚轮之间的线接触的接触应力要小得多，更有利于高压喷射。高压泵的基本工作原理如下： 当柱塞下行时，来自输出泵压力为50～150kPa的燃油经过低压油路到达各柱塞组件的进油阀，并由进油阀进入柱塞腔，实现充油过程；当柱塞上行时，进油阀关闭，燃油建立起高压，当柱塞腔压力高于共轨中的压力时，出油阀被打开，柱塞腔的燃油在PCV的控制下进入共轨。
图3.3.2 高压泵的纵向结构图
图3.3.3 高压泵的横向结构图