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电控高压共轨柴油发动机燃油喷射理论实训教学
发布于2020-09-19 09:20:04 文章来源：本站
随着排放法规的日益严格，传统的柴油机供油方式已无法满足社会对于环境保护的需求，高压共轨燃油喷射技术作为柴油机发展过程中的第3次飞跃，是柴油机满足欧洲Ⅲ、欧洲Ⅳ甚至欧洲V排放法规的理想燃油喷射系统。对此，国内外柴油机研究机构均投入了大量的人力、物力进行研究。
世界上主要有四大公司在研发和生产柴油机高压共轨燃油系统：博世公司的CR系统，德尔福公司的LDCR系统，日本电装公司的ECD-U2系统以及西门子威迪欧。其中德国博世公司研究的高压共轨燃油喷射系统的新一代产品（第3代），代表目前最高的技术水平，在能够实现柴油机最低的排放和最低的噪音的同时，具有非常好的燃油经济性，在国内已经得到很多专家的一致好评。最新动态显示博世已研发出第四代共轨系统：两级增压，超高压共轨系统，高达200Mpa的喷射压力，采用直接喷油器针阀控制技术的新压电喷油器，给发动机带来的好处是极为理想的指标，可以实现更为灵活的柔性控制。国外最新开发的共轨燃油系统的最高喷射压力已达250MPa，由于喷射压力非常高，能使很细的喷射油束与空气更好的混合，从而使燃烧更加清洁，效率更高。
我国对柴油机高压共轨燃油系统的研究起步落后于国外，目前主要研究院校和科研单位有: 天津大学内燃机研究所、上海交通大学、北京理工大学和无锡油泵油嘴研究所等。天津大学内燃机燃烧学国家重点试验室开发的新型共轨蓄压式电控燃油系统PAIRCUI正处于硬件在环仿真和实机测试阶段。浙江大学在锡柴CA6110发动机上进行了高压共轨系统匹配试验。上海交通大学基于自主开发GD-1型高压共轨系统处于匹配玉柴YC6110柴油机的准备阶段。广西玉林柴油机厂与清华大学合作开发了GDI型柴油机高压共轨喷射系统。无锡油泵油嘴研究所与无锡柴油机厂合作，已成功的在CA6110增压中冷柴油机进行了共轨式喷射系统的试验。无锡威孚集团与博世公司已经联合组建了无锡博世汽车柴油机系统股份有限公司，开始了高压共轨系统的生产。
1 共轨柴油喷射系统组成与工作原理
高压共轨燃油喷射系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种全新概念的燃油喷射系统。其主要由低压供油系统、高压供油系统、燃油喷射系统和电控管理系统等组成，如图1所示。关键部件是由高速电磁阀控制喷射的喷油器和所有喷油器公用的公共蓄压油管(共轨)。
1.1 电控单元(ECU)及传感器
电控单元是系统的核心部分, 它一般有输入、输出、控制、通信4模块组成, ECU根据传感器信号获得油门踏板位置和发动机状态信息, 如: 油门踏板位置、曲轴转速和转角、共轨油压、增压压力、进气温度、冷却液温度、燃油温度、进气量等信息, 通过计算和处理发出控制信号, 对压力调节阀(PCV)、喷油器和其它执行器如: 排气再循环阀、涡轮增压调节器等进行控制。基本的控制功能是把一定量的柴油在适当的时刻以设定的压力喷入燃烧室, 以保证柴油机动力大、油耗低、排放少及噪声小。
1.2 共轨管
共轨管起着将高压油泵提供的高压燃油分配到各喷油器的作用。共轨管内柴油压力可维持在130～160 MPa范围内。共轨管上设有压力传感器，将共轨油压信号输送到电控单元(ECU)，由电控单元对PCV阀实施反馈控制，使共轨油压稳定于目标值。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。
1.3 高压油泵
高压油泵将高压燃油(120MPa以上)输入共轨。供油量必须满足柴油机在任何工况下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。供油泵上有供油压力调节阀(PCV阀)。通过供油量增减调节共轨油压。
1.4 喷油器
喷油正时、喷油量、预喷射和多次喷射由发动机ECU控制喷油器完成。目前使用的喷油器有电磁式喷油器和压电晶体式喷油器( piezo inline injectors)。如图2所示, 电磁式喷油器由孔式喷嘴、液压伺服系统和电磁阀3部分组成。来自共轨的高压燃油通过接口直接进入喷嘴油腔, 并通过进油节流阀进入控制腔。控制腔通过溢流节流阀与泄油接口相通, 流出节流阀的开闭由电磁阀控制。喷油器有3种状态, 即静止状态、开启状态和关闭状态。
①喷油器静止状态
当没有控制信号时，电磁阀弹簧把球阀压紧在流出节流阀的阀座上, 控制腔中油压与共轨中油压相同。
油腔中也是共轨油压。此时，作用在控制活塞上端平面上的油压力和喷嘴弹簧的弹力之和大于作用在针阀轴肩上向上的推力，喷嘴处于关闭状态。
②喷油器开启状态
当电磁阀受到开启电流的作用，电磁阀线圈产生的吸力大于电磁阀弹簧的弹力时，衔铁带着球阀离开阀座, 打开流出节流阀，控制腔中的高压燃油从流出节流阀经回油口流回燃油箱。由于流入节流阀的节流作用, 控制腔中油压低于共轨油压, 而针阀油腔中仍然是共轨油压。这时作用在控制活塞上端平面上的油压力减小, 作用在针阀轴肩向上推力大于控制活塞上端面上的油压力和喷嘴弹簧的弹力之和, 针阀向上移动, 喷嘴打开, 喷油开始。在一定的喷油压力作用下, 喷油量与电磁阀通电时间成正比, 而与发动机转速和喷油泵转速无关。
③喷油器关闭状态
当控制电磁阀的信号消失, 电磁阀弹簧把衔铁向下推, 球阀又使流出节流阀关闭。压力油经流入节流阀流进控制腔, 控制腔油压又回升到共轨压油, 作用在控制活塞上端平面上的油压力增大, 使针阀落入阀座,喷嘴关闭, 喷油过程结束。针阀的开启和关闭速度与流出节流阀、流入节流阀节流口大小有关。采用液压增力系统间接控制针阀的开闭, 是因为快速开启针阀所需的力较大, 电磁力直接驱动作用力不够。
1.5 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, 从而减小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。
1.6 高压共轨燃油喷射系统的原理
高压共轨燃油喷射技术通过共轨直接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开启与闭合, 定时、定量地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, 以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。
2 高压共轨燃油喷射系统的特点与开发热点
2.1 高压共轨燃油喷射系统的特点
柴油机高压共轨式电控燃油喷射技术集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。其主要特点是:
①油压建立和油量计量及喷油时刻控制等功能相互独立。共轨系统中的喷油压力灵活可调, 对不同负荷和转速可确定所需的最佳喷射压力。
② 可独立灵活地控制喷油正时, 配合高的喷射压力, 从而将NOX和微粒同时控制在较小的范围内, 以满足排放的要求。
③ 可灵活控制喷油速率变化, 实现理想喷油规律,即可降低氮氧化物和压力升高率, 又能保证优良的动力性与燃油经济性。
④ 喷油实现电控, 其控制精度较高, 在柴油机运转范围内, 喷油量循环变动小, 各缸供油不均匀得到改善,从而减轻柴油机的振动和降低排放。
⑤ 应用灵活方便。共轨系统的应用不需要对发动机的结构作大的改动, 高压泵在曲轴箱上的布置没有特殊的要求。在现有的柴油机上容易布置。
2.2 高压共轨技术的研究方向和待解决的问题
① 燃油喷射系统的数值模拟技术。通过仿真软件建立电控高压共轨燃油系统的数值模型，分析燃油的喷射过程及系统参数对燃油喷射特性的影响，为燃油系统的优化设计、故障分析提供理论依据。降低产品开发成本，缩短开发周期。
② 解决共轨压力的微小波动造成的喷油量不均匀问题。高压共轨系统的动态压力稳定性直接影响系统理想喷油规律的实现。
③ 新型电磁阀的研究。未来的电磁阀要求有更快的响应能力、工作精确性、重复、可靠性以及良好的流通能力。如采用压电陶瓷驱动器研制高响应电磁阀。
④ 传感器技术。随着喷射压力的不断提高，要求有更高精度和响应速度的新型智能传感器。
⑤最佳控制策略的研究。多次喷射的控制技术以及通过控制压力调节喷油规律。
世界上主要有四大公司在研发和生产柴油机高压共轨燃油系统：博世公司的CR系统，德尔福公司的LDCR系统，日本电装公司的ECD-U2系统以及西门子威迪欧。其中德国博世公司研究的高压共轨燃油喷射系统的新一代产品（第3代），代表目前最高的技术水平，在能够实现柴油机最低的排放和最低的噪音的同时，具有非常好的燃油经济性，在国内已经得到很多专家的一致好评。最新动态显示博世已研发出第四代共轨系统：两级增压，超高压共轨系统，高达200Mpa的喷射压力，采用直接喷油器针阀控制技术的新压电喷油器，给发动机带来的好处是极为理想的指标，可以实现更为灵活的柔性控制。国外最新开发的共轨燃油系统的最高喷射压力已达250MPa，由于喷射压力非常高，能使很细的喷射油束与空气更好的混合，从而使燃烧更加清洁，效率更高。
我国对柴油机高压共轨燃油系统的研究起步落后于国外，目前主要研究院校和科研单位有: 天津大学内燃机研究所、上海交通大学、北京理工大学和无锡油泵油嘴研究所等。天津大学内燃机燃烧学国家重点试验室开发的新型共轨蓄压式电控燃油系统PAIRCUI正处于硬件在环仿真和实机测试阶段。浙江大学在锡柴CA6110发动机上进行了高压共轨系统匹配试验。上海交通大学基于自主开发GD-1型高压共轨系统处于匹配玉柴YC6110柴油机的准备阶段。广西玉林柴油机厂与清华大学合作开发了GDI型柴油机高压共轨喷射系统。无锡油泵油嘴研究所与无锡柴油机厂合作，已成功的在CA6110增压中冷柴油机进行了共轨式喷射系统的试验。无锡威孚集团与博世公司已经联合组建了无锡博世汽车柴油机系统股份有限公司，开始了高压共轨系统的生产。
1 共轨柴油喷射系统组成与工作原理
高压共轨燃油喷射系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种全新概念的燃油喷射系统。其主要由低压供油系统、高压供油系统、燃油喷射系统和电控管理系统等组成，如图1所示。关键部件是由高速电磁阀控制喷射的喷油器和所有喷油器公用的公共蓄压油管(共轨)。
1.1 电控单元(ECU)及传感器
电控单元是系统的核心部分, 它一般有输入、输出、控制、通信4模块组成, ECU根据传感器信号获得油门踏板位置和发动机状态信息, 如: 油门踏板位置、曲轴转速和转角、共轨油压、增压压力、进气温度、冷却液温度、燃油温度、进气量等信息, 通过计算和处理发出控制信号, 对压力调节阀(PCV)、喷油器和其它执行器如: 排气再循环阀、涡轮增压调节器等进行控制。基本的控制功能是把一定量的柴油在适当的时刻以设定的压力喷入燃烧室, 以保证柴油机动力大、油耗低、排放少及噪声小。
1.2 共轨管
共轨管起着将高压油泵提供的高压燃油分配到各喷油器的作用。共轨管内柴油压力可维持在130～160 MPa范围内。共轨管上设有压力传感器，将共轨油压信号输送到电控单元(ECU)，由电控单元对PCV阀实施反馈控制，使共轨油压稳定于目标值。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。
1.3 高压油泵
高压油泵将高压燃油(120MPa以上)输入共轨。供油量必须满足柴油机在任何工况下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。供油泵上有供油压力调节阀(PCV阀)。通过供油量增减调节共轨油压。
1.4 喷油器
喷油正时、喷油量、预喷射和多次喷射由发动机ECU控制喷油器完成。目前使用的喷油器有电磁式喷油器和压电晶体式喷油器( piezo inline injectors)。如图2所示, 电磁式喷油器由孔式喷嘴、液压伺服系统和电磁阀3部分组成。来自共轨的高压燃油通过接口直接进入喷嘴油腔, 并通过进油节流阀进入控制腔。控制腔通过溢流节流阀与泄油接口相通, 流出节流阀的开闭由电磁阀控制。喷油器有3种状态, 即静止状态、开启状态和关闭状态。
①喷油器静止状态
当没有控制信号时，电磁阀弹簧把球阀压紧在流出节流阀的阀座上, 控制腔中油压与共轨中油压相同。
油腔中也是共轨油压。此时，作用在控制活塞上端平面上的油压力和喷嘴弹簧的弹力之和大于作用在针阀轴肩上向上的推力，喷嘴处于关闭状态。
②喷油器开启状态
当电磁阀受到开启电流的作用，电磁阀线圈产生的吸力大于电磁阀弹簧的弹力时，衔铁带着球阀离开阀座, 打开流出节流阀，控制腔中的高压燃油从流出节流阀经回油口流回燃油箱。由于流入节流阀的节流作用, 控制腔中油压低于共轨油压, 而针阀油腔中仍然是共轨油压。这时作用在控制活塞上端平面上的油压力减小, 作用在针阀轴肩向上推力大于控制活塞上端面上的油压力和喷嘴弹簧的弹力之和, 针阀向上移动, 喷嘴打开, 喷油开始。在一定的喷油压力作用下, 喷油量与电磁阀通电时间成正比, 而与发动机转速和喷油泵转速无关。
③喷油器关闭状态
当控制电磁阀的信号消失, 电磁阀弹簧把衔铁向下推, 球阀又使流出节流阀关闭。压力油经流入节流阀流进控制腔, 控制腔油压又回升到共轨压油, 作用在控制活塞上端平面上的油压力增大, 使针阀落入阀座,喷嘴关闭, 喷油过程结束。针阀的开启和关闭速度与流出节流阀、流入节流阀节流口大小有关。采用液压增力系统间接控制针阀的开闭, 是因为快速开启针阀所需的力较大, 电磁力直接驱动作用力不够。
1.5 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, 从而减小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。
1.6 高压共轨燃油喷射系统的原理
高压共轨燃油喷射技术通过共轨直接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开启与闭合, 定时、定量地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, 以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。
2 高压共轨燃油喷射系统的特点与开发热点
2.1 高压共轨燃油喷射系统的特点
柴油机高压共轨式电控燃油喷射技术集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。其主要特点是:
①油压建立和油量计量及喷油时刻控制等功能相互独立。共轨系统中的喷油压力灵活可调, 对不同负荷和转速可确定所需的最佳喷射压力。
② 可独立灵活地控制喷油正时, 配合高的喷射压力, 从而将NOX和微粒同时控制在较小的范围内, 以满足排放的要求。
③ 可灵活控制喷油速率变化, 实现理想喷油规律,即可降低氮氧化物和压力升高率, 又能保证优良的动力性与燃油经济性。
④ 喷油实现电控, 其控制精度较高, 在柴油机运转范围内, 喷油量循环变动小, 各缸供油不均匀得到改善,从而减轻柴油机的振动和降低排放。
⑤ 应用灵活方便。共轨系统的应用不需要对发动机的结构作大的改动, 高压泵在曲轴箱上的布置没有特殊的要求。在现有的柴油机上容易布置。
2.2 高压共轨技术的研究方向和待解决的问题
① 燃油喷射系统的数值模拟技术。通过仿真软件建立电控高压共轨燃油系统的数值模型，分析燃油的喷射过程及系统参数对燃油喷射特性的影响，为燃油系统的优化设计、故障分析提供理论依据。降低产品开发成本，缩短开发周期。
② 解决共轨压力的微小波动造成的喷油量不均匀问题。高压共轨系统的动态压力稳定性直接影响系统理想喷油规律的实现。
③ 新型电磁阀的研究。未来的电磁阀要求有更快的响应能力、工作精确性、重复、可靠性以及良好的流通能力。如采用压电陶瓷驱动器研制高响应电磁阀。
④ 传感器技术。随着喷射压力的不断提高，要求有更高精度和响应速度的新型智能传感器。
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