柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)研究進(jìn)展

郝勝強(qiáng)，上官林宏，王永利，劉永躍，韓楊，胡吉平

(1.濟(jì)南軍區(qū)71573部隊，山東 萊陽265205；2.濟(jì)南軍區(qū)工程科研設(shè)計所，山東 濟(jì)南250002；3.濟(jì)南軍區(qū)司令部，山東濟(jì)南250002)

0 引言

面對世界各國日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和環(huán)保節(jié)能要求，柴油機(jī)除了應(yīng)降低機(jī)油消耗、優(yōu)化渦輪增壓系統(tǒng)和發(fā)展先進(jìn)的廢氣后處理系統(tǒng)外，更重要的是需要進(jìn)一步改善其燃燒過程［1-3］。柴油機(jī)燃燒過程中效率的高低取決于燃油噴射系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，為了顯著地提升柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，改善柴油機(jī)的動力性能，燃油噴射系統(tǒng)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(shù)應(yīng)運(yùn)而生，高壓共軌燃油噴射柴油機(jī)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(rèn)可，實現(xiàn)了柴油機(jī)發(fā)展史上的一大飛躍［1］。本文闡述了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的工作原理，并綜述了相應(yīng)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，以期為進(jìn)一步改善高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的性能提供參考。

1 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的組成

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是一種全新概念的燃油噴射系統(tǒng)，以直噴技術(shù)、預(yù)噴射技術(shù)和電控技術(shù)為建立基礎(chǔ)。該系統(tǒng)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(zhí)行器等部分組成［6］。

2 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的工作原理和特點

2.1 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的工作原理

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)不再采用傳統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)對共軌管的油壓進(jìn)行調(diào)控。高壓共軌噴射系統(tǒng)通過設(shè)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(nèi)的油壓實現(xiàn)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(diào)壓閥連續(xù)調(diào)節(jié)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(tǒng)的特點

與傳統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)相比，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)具有以下特點:

圖1 高壓共軌系統(tǒng)組成示意圖

1)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中共軌腔內(nèi)的持續(xù)高壓直接用于噴射，省去了傳統(tǒng)噴油器內(nèi)的增壓機(jī)構(gòu)，高壓油泵所需的驅(qū)動力矩比傳統(tǒng)油泵小得多。同時，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中噴油壓力的建立與噴油過程無關(guān)，可以利用共軌壓力傳感器和壓力調(diào)節(jié)器，根據(jù)不同工況確定所需要的最佳噴射壓力，調(diào)整供油泵的供油量和共軌壓力，實現(xiàn)對噴油壓力的精確控制，大大優(yōu)化了柴油機(jī)的綜合性能［9］。

2)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)可獨立地柔性控制噴油定時，具有良好的噴油特性，ECU根據(jù)接受的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力等參數(shù)，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(guān)閉，從而精確控制噴油時間，將共軌管內(nèi)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(tài)噴入發(fā)動機(jī)燃燒室，配合高的噴射壓力(120～200MPa)，優(yōu)化燃燒過程，使發(fā)動機(jī)燃油耗、噪聲和NOx、PM顆粒的排放等綜合性能指標(biāo)得到明顯改善［10，11］。

3)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)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(fā)動機(jī)的功率密度和燃油經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)以發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和油門開度信號為基礎(chǔ)，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(yù)噴射、主噴射和后噴射的噴油量與時間間隔，容易實現(xiàn)預(yù)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(jī)NOx，又能保證優(yōu)良的動力性和經(jīng)濟(jì)性［1，4，9］。

4)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)由電磁閥控制噴油，通過油泵上的壓力調(diào)節(jié)電磁閥，可以根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷狀況、經(jīng)濟(jì)性和排放性的要求對共軌油腔內(nèi)的油壓進(jìn)行靈活地調(diào)節(jié)，控制精度較高，調(diào)節(jié)過程中在高壓油路中不會出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象，使得柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，循環(huán)噴油量變動較小，改善各缸供油不均勻的現(xiàn)象，從而減輕柴油機(jī)的振動、優(yōu)化發(fā)動機(jī)的低速性能［10，12］。

5)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、實用性強(qiáng)。

3 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

高壓共軌燃油噴射技術(shù)一經(jīng)問世，就備受世界各國柴油機(jī)生產(chǎn)廠家的青睞。目前，國外在柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)方面的研究進(jìn)展很快，國際上有多種高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)設(shè)計并投產(chǎn)，并已經(jīng)形成了很多技術(shù)成熟的產(chǎn)品［4，10］。比如意大利菲亞特(Fiat)集團(tuán)的Unijet系統(tǒng)、美國德爾福公司的Multec DCR系統(tǒng)和德國博世(Bosch)公司的CR系統(tǒng)、日本電裝(Nippondenso)公司開發(fā)的ECDUZ系統(tǒng)、英國LueasVarity公司的LDCR系統(tǒng)等。其中，Bosch公司以壓電石英作為執(zhí)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(kuò)大器技術(shù)，噴射壓力高達(dá)200MPa，針閥運(yùn)動速度達(dá)到1.3m/s，預(yù)噴射油量可控制在1mm3之內(nèi)。在控制策略上，以經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的開環(huán)控制和閉環(huán)控制在電控高壓共軌系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［13］。日本電裝公司的ECDUZ系統(tǒng)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(biāo)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(fā)動機(jī)在0.6s內(nèi)達(dá)到怠速。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降至500r/min時，共軌管內(nèi)壓力仍可達(dá)100MPa，即ECD-UZ在任何轉(zhuǎn)速和任何工況下均可實現(xiàn)高壓噴射［1，14，15］。

國內(nèi)在柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射技術(shù)方面的研究起步較晚，自21世紀(jì)90年代初期開始進(jìn)行有關(guān)柴油機(jī)電控技術(shù)的初步研究，經(jīng)過20多年的發(fā)展，在相關(guān)控制理論、系統(tǒng)、關(guān)鍵零部件等方面取得了進(jìn)展，并著手進(jìn)行自主研發(fā)。其中，清華大學(xué)歐陽明高等研制出了適合我國直列泵應(yīng)用廣泛的國情，并且具有結(jié)構(gòu)兼容性好、硬件簡單等特點的PPVI系統(tǒng)(泵-管-閥-嘴系統(tǒng))。天津大學(xué)與山東龍口油泵油嘴股份有限公司合作開發(fā)出高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)預(yù)噴射功能，并且噴射壓力可高達(dá)110Mpa；但是，系統(tǒng)噴油量不是采用改變電磁閥的通電時間來調(diào)節(jié)，而是通過改變公共蓄壓管的壓力來調(diào)節(jié)的，因此難于實現(xiàn)噴油量的精確調(diào)節(jié)。北京理工大學(xué)發(fā)動機(jī)實驗室研制成功的柴油機(jī)電控蓄壓共軌噴油系統(tǒng)，最高噴射壓力可達(dá)129MPa。無錫威孚集團(tuán)與博世公司已經(jīng)聯(lián)合組建了無錫博世汽車柴油機(jī)系統(tǒng)股份有限公司，開始了高壓共軌系統(tǒng)的生產(chǎn)。在控制策略上，目前國內(nèi)主要采用經(jīng)典PID控制方法，這種方法原理簡單，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好，但存在需要在不同工況下反復(fù)調(diào)節(jié)和不能在線調(diào)節(jié)等缺點［5，16］。

4 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的研究目標(biāo)

隨著電控技術(shù)、材料技術(shù)、加工制造技術(shù)以及控制理論等的不斷發(fā)展，高壓共軌燃油噴射技術(shù)必將呈現(xiàn)出更好的發(fā)展前景。綜合分析國內(nèi)外對柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的研究歷史和現(xiàn)狀，柴油機(jī)噴射系統(tǒng)應(yīng)將以下幾點作為后續(xù)的重點研究目標(biāo):

1)進(jìn)一步提升共軌燃油噴射系統(tǒng)內(nèi)的噴油壓力。為達(dá)到未來更加苛刻的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，最根本還是要提高共軌壓力。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是噴射壓力達(dá)180～200MPa，甚至出現(xiàn)了“超高壓噴射”的概念。當(dāng)然，在噴射壓力也不是越高越好，業(yè)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(yīng)時間和更低的功率消耗，提高關(guān)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(yīng)能力的要求更加苛刻，不僅要求其響應(yīng)速度高，而且高壓穩(wěn)定性好，同時要兼具可靠性好，壽命長等優(yōu)點，這將依賴于零部件制造技術(shù)的發(fā)展。

3)解決高壓共軌系統(tǒng)的多MAP優(yōu)化問題。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中，ECU根據(jù)其內(nèi)部存儲的MAP控制噴射過程。高壓共軌燃油系統(tǒng)中電控泵ECU控制數(shù)據(jù)較多，如噴油壓力MAP、預(yù)噴射MAP、噴油量MAP和噴油定時MAP等。系統(tǒng)內(nèi)的電控泵ECU要根據(jù)排放和燃油耗進(jìn)行優(yōu)化，工作量很大。因此需要研究統(tǒng)計學(xué)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型映射MAP數(shù)據(jù)、自學(xué)習(xí)優(yōu)化方法等很多關(guān)鍵技術(shù)，以解決多MAP優(yōu)化問題。

5 結(jié)語

高壓共軌燃油噴射技術(shù)作為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)中一門綜合性的新興技術(shù)，是未來柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。隨著電控技術(shù)、現(xiàn)代制造業(yè)和控制理論的發(fā)展，未來柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動力性及排放性能將會隨之而改善，柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)必將會有更大的發(fā)展空間和美好的未來。

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