柴油機電控燃油噴射系統的分析與優化*

□張應和 □王蘇婭

西安鐵路職業技術學院機電工程學院 西安 710026

1 研究背景

目前，國內外柴油機都已經普遍采用了電控燃油噴射系統，主要有3種類型，即電控泵噴嘴系統、電控單體泵系統和電控高壓共軌燃油噴射系統，其中電控高壓共軌燃油噴射系統應用最為廣泛[1-2]。現階段對電控高壓共軌燃油噴射系統的基本要求如下：

（1）在各種工況下能夠對循環供油量進行精確控制，并保證工作時各個氣缸循環噴油量的均勻性；

（2）在各種工況下能夠對噴油正時、噴油速率和噴油規律進行精確控制，以便在燃燒過程中產生理想的熱量；

（3）在各種工況下能夠對噴油壓力的穩定性進行精確控制，提高燃油霧化質量，加快燃燒速度。

筆者以柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統為研究對象，對電控高壓共軌燃油噴射系統工作時的噴油量、油軌壓力及噴油正時等參數進行控制分析，使柴油機達到理想的燃燒條件——高熱效率、低排放量。

2 高壓共軌燃油噴射系統概述

柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統主要由高壓油泵、高壓油軌、噴油器、電子控制單元、壓力傳感器等組成，如圖1所示。工作時，低壓輸油泵將燃油從油箱輸送至高壓油泵，高壓油泵對燃油加壓至約160 MPa，然后送入高壓油軌，高壓油軌中的油壓由電子控制單元根據油軌壓力傳感器進行閉環控制。電子控制單元根據柴油機的運行狀態，從預設值中確定合適的噴油正時、噴油量，控制噴油器將高壓燃油噴入氣缸[3]。

高壓油泵的出口端裝有一個用于調節油壓的調壓閥，電子控制單元根據柴油機的轉速、負荷等來控制調壓閥的開度，從而增加或減少高壓油泵輸送至高壓油軌的油量，以保證供油壓力穩定在目標值，使噴油壓差保持不變[4]。

▲圖1 高壓共軌燃油噴射系統

3 系統優化

對柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統進行優化，主要采用CP3.3型高壓油泵來連接高壓油軌，如圖2所示。高壓共軌燃油噴射系統主要由5路供油油路和1路潤滑油路組成，油管A路為來自燃油濾清器的燃油，油管B路為經過齒輪泵加壓的低壓燃油，油管C路為潤滑油路，油管D路為高壓油泵內部燃油回油，油管E路為經過高壓油泵中柱塞泵加壓之后的高壓燃油，油管F路為噴油器和高壓油泵的燃油回路。

▲圖2 高壓共軌燃油噴射系統優化示意圖

柴油機工作時，高壓油泵的凸輪軸帶動相互錯開120°的3個凸輪開始工作。凸輪軸每轉一圈，3個柱塞分泵各完成3次泵油過程，即高壓油泵完成3次供油。每個柱塞分泵的進油口處都安裝了一個進油控制電磁閥，用于控制分泵供油正時和供油量。柱塞工作時的凸輪行程和電磁閥控制的開關信號如圖3所示。圖3中h為凸輪有效行程；a為凸輪驅動柱塞下行，控制閥開啟，低壓燃油經控制閥流入柱塞腔；b為凸輪驅動柱塞上行，但控制閥尚未通電，仍處于開啟狀態，吸進的燃油并未升壓，經控制閥油流回低壓腔；c為電子控制單元計算出滿足必要供油量的定時，適時向控制閥供電，并使之開始關閉，切斷回油流路，柱塞腔內燃油增壓，高壓燃油經出油單向閥壓入高壓油軌，控制閥開啟后的柱塞行程與供油量對應，如果使控制閥的開啟時間，即柱塞的預行程改變，則供油量隨之改變，從而可以控制高壓油軌中的燃油壓力[5]；d為凸輪越過最大行程H后，柱塞進入下降行程，柱塞腔內的壓力降低，此時出油閥關閉，壓油停止，控制閥處于停止通電狀態，控制閥開啟，低壓燃油被吸入柱塞腔內，恢復到a狀態，一個工作循環結束，進入下一個工作循環。

4 燃油噴射參數控制

▲圖3 柱塞工作原理

對柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統優化的目的是通過電子控制單元對系統的燃油噴油量、噴油正時及噴油壓力等參數進行靈活控制，同時對柴油機實際的工作狀態參數進行監控。

4.1 噴油量

控制噴油量指在柴油機工作時，根據不同工況和不同操作要求，控制噴入每一個氣缸的油量，保證各缸循環噴油量的均勻性。從理論上來說，如果油軌壓力穩定，則每一次噴油量和噴油脈沖時間基本上成正比，但實際情況有一定偏差[6]。噴油量控制原理如圖4所示，電子控制單元根據油門開度傳感器信號AC和發動機轉速ne來確定理論噴油量Qt，然后進行壓油時間計算，通過壓油時間確定控制量，通過驅動回路來控制噴油器電磁閥的啟閉，從而完成對噴油量的控制。

4.2 噴油正時

柴油機在工作時的燃燒狀態、排放性能及運行工況都由噴油正時來控制，柴油機噴油的提前角既不能太大，也不能太小[7]，因此，要保證電子控制單元依據柴油機的運行工況來對噴油正時進行精確控制。噴油正時控制原理如圖5所示，電子控制單元根據發動機轉速ne和負荷Le來計算噴油時間T1、T2，電子控制單元中的驅動模型計算電路根據T1、T2和ne來確定噴油時間的脈沖信號，通過驅動回路將信號傳輸至噴油器的電磁控制閥，從而控制柴油機工作時的噴油正時。

4.3 油軌壓力

油軌壓力是系統中的一個重要參數，柴油機在很多時候都處于瞬時工況，如加速、減速及負載變化等，油軌壓力也希望在瞬時能保持恒定[8]。油軌壓力控制原理如圖6所示，電子控制單元根據發動機轉速ne和負荷Le來確定理論噴油壓力Pf，同時油軌壓力傳感器將實際噴油壓力Ps傳至電子控制單元，實際噴油壓力和理論噴油壓力進行比較之后計算噴油量，通過驅動回路驅動高壓油泵來保持油軌壓力穩定，這樣噴油器輸送至發動機的噴油壓力就能保持穩定。

5 燃油噴射仿真

對優化后的柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統進行仿真，應用MATLAB軟件建立燃油噴射系統仿真模型，通過仿真結果驗證燃油噴射系統優化后的合理性。

5.1 噴油量分析

噴油量通過曲軸轉角時間曲線來表征，如圖7所示。柴油機起動時的當前轉速為800 r/min，柴油機調節后的目標轉速為1 600 r/min，柴油機工作正常后按目標轉速進行噴油。由于燃油噴射系統會進行二次噴射，因此從目標轉速曲線可以看出，在曲軸轉角為0°，即發動機處于停機狀態時，在90 s左右之后出現了噴射余量。從整體仿真結果看，目標轉速下的噴油量基本處于穩定狀態[9]。

▲圖4 噴油量控制原理

▲圖5 噴油正時控制原理

▲圖6 油軌壓力控制原理

▲圖7 曲軸轉角時間曲線

▲圖8 噴油正時脈沖信號

5.2 噴油正時分析

噴油正時脈沖信號如圖8所示，脈沖信號以噴油器電磁閥的電壓和時間來確定，電磁閥的工作電壓范圍一般為15～-15 V。由于采用6缸柴油機電控高壓共軌噴射系統，柴油機一個工作循環剛好噴射6次，噴油正時從第9 s開始進入下一個工作循環。通過噴油時間的脈沖信號波動變化可以驗證，每次噴油正時的脈沖信號變化是均勻的，噴油正時在理想的控制范圍內。

5.3 油軌壓力分析

高壓油軌的壓力主要由油軌壓力傳感器來檢測，圖9為油軌壓力仿真曲線。通過曲線可以看出，在每次噴油時，高壓油軌的瞬時壓力下降，噴油結束之后則上升，直到下一次噴油，仿真結果顯示油軌壓力基本在理想范圍內。

5.4 燃燒狀態分析

柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統的燃燒狀態仿真曲線如圖10所示，溫度越高，說明柴油燃燒越充分，狀態越理想。燃油理想的噴油過程分為預噴期、主噴期和后噴期，隨著噴油時間的延長，噴油進入主噴期時燃燒最充分[10]。仿真結果基本與柴油機的理想燃燒狀態相符合。

▲圖9 油軌壓力仿真曲線

▲圖10 燃燒狀態仿真曲線

6 結論

柴油機電控高壓共軌燃油噴油系統是一個復雜的系統，筆者僅圍繞燃油輸送方式和噴射參數做了一些基礎性優化，對噴油量、噴油正時和油軌壓力的控制方式進行設計，通過MATLAB仿真軟件對結果進行分析，確認結果基本符合柴油機的理想工況，但還存在不足，需要進一步研究與改進：①用MATLAB進行仿真，但沒有進一步在柴油機試驗臺上進行測試試驗；②沒有對噴油器的具體結構進行優化和改進。

隨著現代工業制造技術和電子技術的發展，未來人們對柴油機經濟性、動力性及排放性能等方面的要求將越來越高，因此后期還需要在這些方面進行改善和提高。