柴油機高壓共軌燃油噴射系統研究進展

郝勝強，上官林宏，王永利，劉永躍，韓楊，胡吉平

(1.濟南軍區71573部隊，山東 萊陽265205；2.濟南軍區工程科研設計所，山東 濟南250002；3.濟南軍區司令部，山東濟南250002)

0 引言

面對世界各國日益嚴格的排放法規和環保節能要求，柴油機除了應降低機油消耗、優化渦輪增壓系統和發展先進的廢氣后處理系統外，更重要的是需要進一步改善其燃燒過程［1-3］。柴油機燃燒過程中效率的高低取決于燃油噴射系統性能的優劣，為了顯著地提升柴油機燃油經濟性，改善柴油機的動力性能，燃油噴射系統必須具備較高的噴油壓力和燃油噴射控制［4，5］。高壓共軌燃油噴射技術應運而生，高壓共軌燃油噴射柴油機憑借其低油耗、低噪聲和較低的NOx、PM顆粒排放等特點得到了國際普遍認可，實現了柴油機發展史上的一大飛躍［1］。本文闡述了高壓共軌燃油噴射系統的工作原理，并綜述了相應領域的研究現狀，以期為進一步改善高壓共軌燃油噴射系統的性能提供參考。

1 高壓共軌燃油噴射系統的組成

高壓共軌燃油噴射系統的結構如圖1所示。它是一種全新概念的燃油噴射系統，以直噴技術、預噴射技術和電控技術為建立基礎。該系統主要由ECU、高壓油泵、電控噴油器、噴油管、公共蓄壓油管 (共軌)、傳感器、電控單元及執行器等部分組成［6］。

2 高壓共軌燃油噴射系統的工作原理和特點

2.1 高壓共軌燃油噴射系統的工作原理

高壓共軌燃油噴射系統不再采用傳統的柱塞泵脈動供油原理，而是采用公共控制油道-共軌管。高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環系統對共軌管的油壓進行調控。高壓共軌噴射系統通過設置在噴油泵和噴油器之間的一個具有較大容積的公共供油管把高壓油泵輸出的燃油蓄積起來并有效的平抑壓力波動，而后通過對公共供油管內的油壓實現精確控制，把燃油輸送到每一個噴油器上。在整個過程中，高壓油泵只是向公共控制油道供油以保持燃油噴射所需的共軌壓力，通過調壓閥連續調節共軌壓力來控制噴射壓力［7，8］。

2.2 高壓共軌燃油噴射系統的特點

與傳統燃油噴射系統相比，高壓共軌燃油噴射系統具有以下特點:

圖1 高壓共軌系統組成示意圖

1)高壓共軌燃油噴射系統中共軌腔內的持續高壓直接用于噴射，省去了傳統噴油器內的增壓機構，高壓油泵所需的驅動力矩比傳統油泵小得多。同時，高壓共軌燃油噴射系統中噴油壓力的建立與噴油過程無關，可以利用共軌壓力傳感器和壓力調節器，根據不同工況確定所需要的最佳噴射壓力，調整供油泵的供油量和共軌壓力，實現對噴油壓力的精確控制，大大優化了柴油機的綜合性能［9］。

2)高壓共軌燃油噴射系統可獨立地柔性控制噴油定時，具有良好的噴油特性，ECU根據接受的發動機轉速、進氣壓力等參數，計算并確定最佳噴油時間，然后控制電控噴油器適時開啟和關閉，從而精確控制噴油時間，將共軌管內的高壓燃油以最佳的噴油定時、噴油量、噴油速率和噴霧狀態噴入發動機燃燒室，配合高的噴射壓力(120～200MPa)，優化燃燒過程，使發動機燃油耗、噪聲和NOx、PM顆粒的排放等綜合性能指標得到明顯改善［10，11］。

3)高壓共軌燃油噴射系統噴油定時與燃油計量完全分開，精確計量的噴油量可以提高發動機的功率密度和燃油經濟性，系統以發動機的轉速和油門開度信號為基礎，通過ECU計算出最佳噴油量，并控制噴油器電磁閥的通、斷電時間，從而精確控制預噴射、主噴射和后噴射的噴油量與時間間隔，容易實現預噴射、靴型噴射、快速停噴、后噴射、多段噴射和多次噴射，即可降低柴油機NOx，又能保證優良的動力性和經濟性［1，4，9］。

4)高壓共軌燃油噴射系統由電磁閥控制噴油，通過油泵上的壓力調節電磁閥，可以根據發動機負荷狀況、經濟性和排放性的要求對共軌油腔內的油壓進行靈活地調節，控制精度較高，調節過程中在高壓油路中不會出現氣泡和殘壓為零的現象，使得柴油機在運轉范圍內，循環噴油量變動較小，改善各缸供油不均勻的現象，從而減輕柴油機的振動、優化發動機的低速性能［10，12］。

5)高壓共軌燃油噴射系統結構簡單、可靠性好、實用性強。

3 高壓共軌燃油噴射系統的國內外研究現狀

高壓共軌燃油噴射技術一經問世，就備受世界各國柴油機生產廠家的青睞。目前，國外在柴油機高壓共軌燃油噴射系統方面的研究進展很快，國際上有多種高壓共軌燃油噴射系統設計并投產，并已經形成了很多技術成熟的產品［4，10］。比如意大利菲亞特(Fiat)集團的Unijet系統、美國德爾福公司的Multec DCR系統和德國博世(Bosch)公司的CR系統、日本電裝(Nippondenso)公司開發的ECDUZ系統、英國LueasVarity公司的LDCR系統等。其中，Bosch公司以壓電石英作為執行器代替高速電磁閥，并采用最新研制的同軸可變噴嘴及壓力擴大器技術，噴射壓力高達200MPa，針閥運動速度達到1.3m/s，預噴射油量可控制在1mm3之內。在控制策略上，以經典控制理論和現代控制理論為基礎的開環控制和閉環控制在電控高壓共軌系統中得到了廣泛應用［13］。日本電裝公司的ECDUZ系統噴油泵采用三“桃尖”凸輪，起動時，共軌管中油壓迅速上升。按油泵啟動供油量600mm3/s(3倍于標定油)，油泵工作3個行程(啟動時間為0.55s)后，共軌壓力就超過噴嘴開啟壓力(20MPa)了，發動機在0.6s內達到怠速。當發動機轉速降至500r/min時，共軌管內壓力仍可達100MPa，即ECD-UZ在任何轉速和任何工況下均可實現高壓噴射［1，14，15］。

國內在柴油機高壓共軌燃油噴射技術方面的研究起步較晚，自21世紀90年代初期開始進行有關柴油機電控技術的初步研究，經過20多年的發展，在相關控制理論、系統、關鍵零部件等方面取得了進展，并著手進行自主研發。其中，清華大學歐陽明高等研制出了適合我國直列泵應用廣泛的國情，并且具有結構兼容性好、硬件簡單等特點的PPVI系統(泵-管-閥-嘴系統)。天津大學與山東龍口油泵油嘴股份有限公司合作開發出高壓共軌燃油噴射系統，該系統能實現預噴射功能，并且噴射壓力可高達110Mpa；但是，系統噴油量不是采用改變電磁閥的通電時間來調節，而是通過改變公共蓄壓管的壓力來調節的，因此難于實現噴油量的精確調節。北京理工大學發動機實驗室研制成功的柴油機電控蓄壓共軌噴油系統，最高噴射壓力可達129MPa。無錫威孚集團與博世公司已經聯合組建了無錫博世汽車柴油機系統股份有限公司，開始了高壓共軌系統的生產。在控制策略上，目前國內主要采用經典PID控制方法，這種方法原理簡單，易于實現，穩定性好，但存在需要在不同工況下反復調節和不能在線調節等缺點［5，16］。

4 高壓共軌燃油噴射系統的研究目標

隨著電控技術、材料技術、加工制造技術以及控制理論等的不斷發展，高壓共軌燃油噴射技術必將呈現出更好的發展前景。綜合分析國內外對柴油機高壓共軌燃油噴射系統的研究歷史和現狀，柴油機噴射系統應將以下幾點作為后續的重點研究目標:

1)進一步提升共軌燃油噴射系統內的噴油壓力。為達到未來更加苛刻的環保排放標準，最根本還是要提高共軌壓力。高壓共軌燃油噴射系統的發展趨勢是噴射壓力達180～200MPa，甚至出現了“超高壓噴射”的概念。當然，在噴射壓力也不是越高越好，業已研究表明:在保證油束噴射距離足夠大以及壓力提高值對燃燒改善效果較明顯的前提下，最高噴射壓力取180～200MPa效果最為理想。

2)更小的噴孔直徑、更短的響應時間和更低的功率消耗，提高關鍵部件的可靠性和壽命。由于噴射壓力的提高，對電磁閥、噴油器適應能力的要求更加苛刻，不僅要求其響應速度高，而且高壓穩定性好，同時要兼具可靠性好，壽命長等優點，這將依賴于零部件制造技術的發展。

3)解決高壓共軌系統的多MAP優化問題。高壓共軌燃油噴射系統中，ECU根據其內部存儲的MAP控制噴射過程。高壓共軌燃油系統中電控泵ECU控制數據較多，如噴油壓力MAP、預噴射MAP、噴油量MAP和噴油定時MAP等。系統內的電控泵ECU要根據排放和燃油耗進行優化，工作量很大。因此需要研究統計學方法、神經網絡模型映射MAP數據、自學習優化方法等很多關鍵技術，以解決多MAP優化問題。

5 結語

高壓共軌燃油噴射技術作為內燃機行業中一門綜合性的新興技術，是未來柴油機燃油噴射系統的主要發展方向。隨著電控技術、現代制造業和控制理論的發展，未來柴油機的經濟性、動力性及排放性能將會隨之而改善，柴油機高壓共軌噴射系統必將會有更大的發展空間和美好的未來。

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