柴油机高压共轨电控燃油喷射技术介绍

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柴油机高压共轨电控燃油喷射技术介绍摘要：传统机械发动机的喷油系统凭借其可靠性、易维护性一直在不断地发展和使用。进入21世纪以来，随着人们对能源、环保的意识和要求日益提高，传统发动机的脉动喷油系统已经不能够满足现代发动机的要求。因此，现代发动机的共轨燃油喷射技术在避免了传统发动机缺点的基础上，得到了快速的发展，已经成为燃油喷射的主要发展趋势。为了更好的对高压共轨电控发动机燃油喷射系统的理解，现对高压共轨电控燃油喷射系统进行系统的介绍。1引言随着世界各国工程机械、运输车辆等数量增加，柴油机排放的尾气已经成为对地球环境的主要污染原因之一，如何采取措施保护人类赖以生存的地球环境已是当务之急。我国从八十年代起相应制订了有关的标准，将环境保护作为大事来抓。与此同时，世界各国也已开始寻找和探究其他方法和采取其他有效的技术措施主动地减少和控制污染物的排放。共轨式电控燃油喷射技术正是从众多方法和措施中脱颖而出的一项较为成功的控制柴油机污染排放的新技术。2高压共轨电控燃油喷射技术发展过程20世纪40年代电控共轨燃油喷射技术首先在航空发动机上应用，20世纪50年代在赛车发动机上广泛应用。20世纪90年代，柴油机的电控供油系统开始在实际应用中大量使用。主要有日本电装公司和丰田汽车公司ECD-U2系统、博世公司和D-C公司电控共轨式燃油喷射系统。国外在柴油机电控高压共轨燃油喷射系统方面的研究开展得较早而且比较深入，有多种共轨系统已经投产，并与整车进行了匹配应用。日本电装公司的ECD-U2系统是电控高压共轨燃油喷射系统的典型代表，该系统还能实现预喷射和靴型喷射。共轨喷射的发展大体经历了3个阶段，如表1所示。从表1中可以看出：共轨喷射的最高喷射压力在不断提高，这样对于喷射品质的提高有着重要的意义。压力越高，燃料雾化越好，颗粒越小越均匀，燃烧越充分，经济性、动力性和排放性均好，但这对喷射系统的要求也越高；喷射的次数不断增加，可以实现满足发动机燃烧和排放的多次喷射，可以控制燃烧的不同阶段喷油量和喷油速率，使燃烧更充分，热效率提高；在最小稳定喷射量上，3个阶段的每次的喷射量在下降，这说明每次喷射时候可以使喷射更均匀、更细密，喷油和断油更干脆，反应灵敏，响应特性好，这样有利于燃烧，减少积炭的产生。-12- 3高压共轨电控燃油喷射系统的组成及主要零部件介绍　　　图1为高压共轨电控燃油喷射系统的基本组成图。它主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的map图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。3、1高压油泵　　高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生与燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。　　bosch公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达135Mpa的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的1/9，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。　　日电装公司采用了一个三作用凸轮的直列泵来产生高压，如图2所示。该高压油泵对油量的控制采用了控制低压燃油有效进油量的方法，其基本原理如图3所示。-12- 　　a柱塞下行，控制阀开启，低压燃油经控制阀流入柱塞腔；　　b柱塞上行，但控制阀中尚未通电，处于开启状态，低压燃油经控制阀流回低压腔；-12- 　　c在达到供油量定时时，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的燃油被压缩，燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制进入高压油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的；　　d凸轮经过最大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭，停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态，低压燃油进入柱塞腔进入下一个循环。　　该方法使高压油泵不产生额外的功率消耗，但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与高压油泵凸轮的相位关系，控制系统比较复杂。3、2共轨管　　共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用，ECD-U2系统的供轨管如图4所示。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在5Mpa之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。ECD-U2系统的高压泵的最大循环供油量为600mm3，共轨管容积为94000mm3。　　高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向ECU提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。　　从上述分析可见，精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油机是并不容易的。3、3电控喷油器　　电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据ECU-12- 发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。　　BOSCH和ECD-U2的电控喷油器的结构基本相似，都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成，图5为BOSCH的电控喷油器结构图。在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔A，高压油轨的燃油压力通过量孔Z作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔A被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。-12- 　　控制了喷油率的形状，需对其进行合理的优化设计，实现预定的喷油形状。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。　　控制量孔A、Z的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。　　此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷油嘴喷油量的影响更小。　　但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。　　由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如BOSCH公司的喷油嘴的喷孔直径为0.169mm×6，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。　　对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。关于电磁阀的研究已由较多的文献报道，本文不再对此进行分析。3、4高压油管　　高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。BOSCH公司的高压油管的外经为6mm，内径为2.4mm，日本电装公司的高压油管的外经为8mm，内径为3mm。4高压共轨电控燃油喷射系统的工作原理、分类及特点-12- 柴油机高速运转时，柴油喷射过程的时间只有千分之几秒。实验证明，喷射过程中，高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。柴油的可压缩性质和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象。由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物（ＨＣ）的排放量，并使油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化，随之引起不稳定喷射，尤其在低速区域容易产生上述现象。严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机燃油压力变化所造成的缺陷，柴油机采用了“共轨”的电喷技术。4、1原理　　一般认为，柴油机喷油技术经历了传统的纯机械操纵式喷油和现代的电控操纵式喷油两个发展阶段。现代电控燃油喷油技术的崛起，则是计算机技术和传感检测技术迅猛发展的结果。目前，电控喷油技术已从初期的位置控制型发展到时间控制型。共轨式电控燃油喷射技术正是属于后者。　　共轨电喷技术是指在由高压油泵、压力传感器和电子控制装置（ＥＣＵ）组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度，因此，也就减少了传统柴油机的缺陷。ＥＣＵ控制喷油器的喷油量，其大小取决于燃油轨道（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。该技术不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理，而是通过供轨直接或间接的形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的启闭，定时定量的控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的发火时间、足够的能量和最少的污染排放。柴油机供轨式电控燃油系统的原理如图6所示。图64、2分类　　按照喷油高压形成的不同，共轨式电控燃油喷射系统有两种基本型式，即高压共轨式和中压共轨式。　　（１）高压共轨系统。高压输油泵将压力输送至共轨中消除压力的脉动，再分送到各喷油器；当电子控制装置按需要发出指令信号后，高速电磁阀（响应在２００ｓ左右）迅速打开或关闭，进而控制喷油器工作，即按设定的要求喷出或停喷高压燃油。-12- （２）中压共轨系统。中压输油泵（压力为１０～１３ＭＰａ）将中压燃油输送到共轨中消除压力的脉动，再分送至带有增压柱塞的喷油器中；当高速电磁阀开关阀接收到电子控制装置发送的指令信号后，迅速开启或关闭，从而控制燃油器的工作，迅即通过高压柱塞的增压作用，将从共轨中来的中压燃油加压至高压（１２０～１５０ＭＰａ）后喷出或停喷。高压共轨系统与中压共轨系统的主要判别是，高压燃油的获得方式不同；前者由高压燃油泵直接提供，而后者则借助于增压柱塞增压后获得。4、3特点　　柴油机共轨式电控燃油喷射技术集计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油器结构于一身。它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制，而且还能实现预燃油喷射和后喷，从而优化喷油特性、减低柴油机噪声和大大减少废气的排放量，其特点为：　　（１）采用了先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，使得对喷油过程的控制十分方便，并且可控参数多，利于柴油机燃烧过程的全程优化。　　（２）采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油器间相互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。　　（３）高速电测开关阀频率高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，并且能方便的实现预喷射、后喷等功能，为优化柴油机喷油规律、改善其性能和降低废气排放提供了有效手段。　　（４）系结构移植方便，适应范围广，不像其他的击中电喷油系统，对柴油机的结构形式有专门要求；尤其是高压共轨系统，与目前的小、中型及重性柴油机均能很好匹配，因而市场前景看好。5高压共轨电控燃油喷射系统与机械柴油喷射系统的差异传统机械式燃油喷射系统如图7所示。主要包括：油箱、低压输油泵、燃油滤清器、高压燃油泵、喷油器以及油管等。工作过程是：发动机曲轴通过齿轮带动喷油泵的凸轮轴转动，把燃油从油箱送到输油泵，形成低压，再经过燃油滤清器，一部分供给高压的喷油泵，另一部分回到油箱。进入喷油泵的燃油，通过高压油管输送到喷油器，当压力超过喷油器的开启压力时，喷油器开启，进行喷油。图7-12- 柴油喷油泵的控制依赖于发动机。主要体现在：发动机给喷油泵提供动力，发动机每旋转2圈各缸做功1次，喷油泵旋转1圈，对各缸进行1次燃油喷射。这样来看，喷油泵喷油的大体时刻就由发动机间接控制，并且柴油机供油压力随发动机转速的变化较大。喷油提前器是在发动机转数较高的时候使喷油泵的凸轮轴相应地提前一个角度，满足发动机高速时的要求。调速器是通过感应元件感知发动机的各种工况，对柴油发动机进行控制，主要是满足怠速时的稳定性和超过标定转速时的断油，其余工况依靠感应元件和调速器内的弹簧的平衡来稳定发动机的转速。机械柴油喷射与电控共轨柴油喷射的差异主要表现在燃油的供给方式和对喷油时刻的选择上。传统机械式喷油系统高压油管内的油压是瞬间脉动高压，主要是由柱塞连续供油形成的。这种脉动对于喷油器喷油的稳定性有很大的影响，使得喷油器容易产生喷油波动，在高压油管中使燃油产生压力波，压力波在高压油管中来回振荡，在下一循环中会产生波动的叠加或减弱效应。由此，喷出的油雾颗粒不均匀，易出现二次喷射或多次喷射，从而燃烧不充分，经济性变差，动力性下降，热效率降低，排放物增加。传统机械式喷油系统的喷油量主要是受负荷的影响，负荷调整喷油量即通过提前器和调速器对此油量进行修正，但不能实现精确的控制。2种系统的系统示意图比较如图8所示，性能对比与分析如表2所示。图8-12- 电控高压共轨燃油喷射系统高压油管内的压力总是保持在比较恒定的范围内，这是因为供油泵产生的脉动油压在共轨管内的容积增加时，产生谐振效应，使压力的波动减小和削弱，当油压变化时，由压力调节器起作用，将喷油器的燃油压力调节到比较恒定。电控高压共轨燃油喷射系统的喷油量是由多因素控制的，控制喷油量的基本因素有负荷（油门开度表示）、转速、水温、进气温度和油温，以及燃油油压「和尾气中含氧量的多少。确定喷油量的同时，由ECU控制电磁阀开启时间的长短，确定每次喷油量大小。电控高压共轨燃油喷射系统的特点是：喷油定时与喷油量的控制相互独立，喷油压力和喷油持续期不受发动机负荷和转速的影响；各缸的喷油压力、喷油量和喷油始点可自由调整，从而实现对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控制；喷射压力很高且喷射可靠，能实现多种喷油规律等。这些特点对实现柴油机高效、清洁、低噪声的燃烧过程起到了显著的作用。电控高压共轨燃油喷射系统的优点是喷油压力柔性可调，在不同负荷和转速下都可确定所需的最佳喷油压力。同时由于实现了对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控制，因而改善了柴油机的燃烧过程，减少了排气颗粒和NO-X的排放，降低了燃烧噪声。另外它对燃油经济性的改善也是十分明显的。目前电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是更高的喷射压力（200MPa）、更小的喷孔直41（0.11～0.13mm）、更短的响应时间（0.1ms）、更低的功率消耗（采用压电晶体喷油器）和功能更完善的软件。电控高压共轨燃油喷射系统的不足之处在于系统比较复杂；为了实现精确的控制，对传感器的精度要求较高；随着共轨压力的不断提高，对共轨系统各部件的性能要求也越来越苛刻。另外，来用电控共轨燃油喷射系统后，需对发动机结构进行相应的改进，尤其是对缸盖的设计。以上这些决定了电控共轨燃油喷射系统的应用成本相对较高。6高压共轨电控燃油喷射系统的发展电控燃油共轨技术现在已经是柴油和汽油发动机的主要发展趋势，但是在新技术的使用过程中，根据不同发动机的使用特点，使得电控燃油共轨技术在不同的使用条件下，在与发动机系统的匹配上还有很大的发展空间，尤其是在共轨技术的研究与开发方向上。-12- 6、1共轨技术的研究与开发热点如何解决高压共轨系统的恒高压密封问题。如何解决高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题。如何解决高压共轨系统的多MAP（三维控制数据表）优化问题。如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。6、2共轨技术对环境保护的促进作用高压共轨系统是目前最为先进的燃油喷射系统，被世界内燃机行业公认为20世纪三大突破之一，它能够在不同工况下都以120MPa的喷射压力实现稳定可控喷射，使柴油机各工况的燃烧达到最佳状况，性能大大优化，排放中的有害成分进一步减少。高压共轨系统是柴油机满足欧洲Ⅱ号、欧洲Ⅲ号甚至欧洲Ⅳ号排放法规的理想燃油喷射系统。共轨技术有助于减少柴油机的尾气排放量、降低噪声、燃油消耗等。它在有利于地球环境保护的同时，也必将促进柴油机工业、汽车工业及相关工业的发展。7高压共轨电控燃油喷射系统的应用现状及发展前景　　高压共轨系统在国外已得到普遍应用　　柴油燃油喷射系统从机械控制式发展到电子控制式系统后，电子喷射系统又经历了三次变革，即位置式燃油喷射系统、时间式燃油喷射系统和时间压力式燃油喷射系统（共轨系统）。高压共轨系统实现了压力建立和喷射过程的分离，从而使控制过程更具有柔性，能更准确地实现小油量的精确控制，更好地实现多次喷射。　　自从1991年日本电装公司发表ECD-U2高压共轨系统论文以来，国外燃油系统制造商纷纷投入巨额资金和人力开发共轨系统。博世公司于1995年发表了用于轿车的高压共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵，喷油器电磁阀采用球阀结构。目前博世公司共轨系统在欧洲乘用车和轻型车柴油机上已得到普通应用，如德国戴姆勒-奔驰公司C系列轿车、意大利AlfaRemeo156轿车、德国大众的奥迪3.3L型V8涡轮增压柴油机、美国通用公司与日本五十铃公司合资生产的Duramax6600柴油机及美国康明斯公司的ISBe3.9L和5.9L全电控柴油机等。德尔福与西门子分别在1998年和2000年推出轿车MultecDCR1400共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵，德尔福公司的喷油器电磁阀设计在喷油器内，使得喷油器体积更小巧；西门子喷油器采用压电执行器，响应时间更短；而日本电装公司在1991年研究开发出的ECD-U2第一代产品，并于1995年匹配Hino的J08C柴油机、五十铃的6HK1柴油机，经过多年的改进与完善，最新产品已用于轿车的ECD-U2P系统。-12- 　　目前，共轨燃油喷射系统应用十分普遍，博世公司已生产出2500万套共轨系统，并在江苏无锡投资建设了技术中心和工厂，实现了本地化生产。长城汽车与博世公司开发出了高压共轨柴油发动机，此外奥迪、奔驰、华泰等品牌也推出了采用共轨系统的汽车。我国部分大学、研究所和企业也通过合作或独立自主研发，取得了各具特色的研究成果，并有数十项专利公布。因此，我国在电控直喷式柴油机方面已积累了一定的经验，但总体来说与国外还存在差距，主要体现在制造工艺和批量生产的质量控制。此外，国内共轨系统相关配套体系不健全，部分零部件还依靠进口，如单片机芯片、共轨压力传感器等。　　国外公司与中国企业竞争已不占绝对优势　　相对于汽油机而言，国内在电控柴油机方面与国外差距。　　随着排放标准的提高，柴油机必须采用电控喷射系统。目前国内柴油电控系统主要有共轨、单体泵等，和国外先进技术比，虽然还不具备对等的实力，但发展势头良好。如无锡油泵油嘴研究所研发的共轨系统已在无锡公交使用，同时国内从事电控柴油机研发的企业数量较多，因而国内在电控柴油机市场今后一定会有所作为。而国外公司提供的产品价格相对较高，供货价格取决于批量，在目前我国电控柴油机批量还不大的前提下，他们很难拿到比较满意的价位。　　同时，在售后服务及配件供应方面，国内自主品牌系统也存在明显的优势，国内自主研发的电控燃油系统竞争力主要体现在价格便宜，还有，对于中重型车辆，在国Ⅲ阶段已开始实施共轨、单体泵等技术路线。当然，国内在电控柴油机系统方面还面临很多挑战，如制造工艺不成熟，批量规模较小；燃油品质难以保证；柴油机后处理技术水平不高等。但这些会随时间推移，不久将逐步得到解决。-12-