淺論柴油機(jī)共軌技術(shù)研究及發(fā)展前景

1、淺論柴油機(jī)共軌技術(shù)研究及發(fā)展前景摘要：目前,資源匱乏油價居高不下的嚴(yán)峻狀況。本人以資源的稀缺性為依托，對柴油機(jī)的發(fā)展，結(jié)合柴油機(jī)的優(yōu)良特性，通過闡述當(dāng)前先進(jìn)的電控柴油機(jī)共軌技術(shù)與之傳統(tǒng)柴油機(jī)做了鮮明的描述.對比與結(jié)論,和對柴油機(jī)共軌技術(shù)的未來發(fā)展前景,做了具體的淺析和深入的探索.關(guān)鍵詞:柴油機(jī)、共軌技術(shù)、優(yōu)點(diǎn)、生力軍一.問題背景能源短缺尤其是石油短缺是全球性的問題，而作為經(jīng)濟(jì)增長的中國在能源方面保持著強(qiáng)勁的需求。當(dāng)前，中國資源的“紅燈”已經(jīng)舡亮起，其中石油資源的短缺十分突出，據(jù)笠專家估計，中國已探明的石油可采儲量約捉我23億t，2017年中國累計進(jìn)口原繞油億t,石油對我依存度已達(dá)到40%。櫓目

2、前我國汽車消耗燃油約占全國總石油消乖費(fèi)的三分之一。預(yù)計2017年，汽車燃油需求我億t，占總消費(fèi)43%;202囪0年燃油需求我億t，比例將達(dá)到75%菪;而到了2030年，這一比例將有可能達(dá)到77%。笨重、噪聲大、噴黑煙，令許多人對柴油機(jī)的直觀印象不佳，加櫪之柴油機(jī)的構(gòu)造比較復(fù)雜，不少人對柴油疆機(jī)缺乏了解，尤其對現(xiàn)代先進(jìn)的柴油機(jī)缺某乏了解，因此柴油機(jī)汽車在一些城市成了“被限制的對象”、受到種種歧視。其實(shí)螺，經(jīng)過多年的研究和新技術(shù)應(yīng)用，現(xiàn)代柴蒿油機(jī)已與傳統(tǒng)柴油機(jī)有了很大差別，在減堤少質(zhì)量、噪聲、廢氣煙度等方面取得了重詠大突破。其中，共軌技術(shù)就是現(xiàn)代柴油機(jī)欒采用的新技術(shù)之一。二.柴油機(jī)的發(fā)漓展淺析自1

3、897年柴油機(jī)問世至今，在一百多年的發(fā)展過程中，自20世紀(jì)20年代中期以德國BOSCH公司我代瓏表推出的機(jī)械式噴油系統(tǒng)取代蓄壓式供油罱系統(tǒng)，是柴油機(jī)在汽車上的應(yīng)用成為可能盾，從而在許多地方取代了汽油機(jī)，并發(fā)展鞣壯大。柴油機(jī)發(fā)展經(jīng)歷了五個階段：1.電控直列式噴右泵電控直列式畝噴右泵在直列泵基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電子控妲制燃油噴射裝置，他具有噴油量與噴油定的時控制功能或只具備其中一種功能，有些噴油壓力和噴油速率等控制功能。(如日本DKK公司的RED-型電子調(diào)速器。氫德國Heinzmann公司的E型電子腧調(diào)速器及美國BarberColman鯔n公司的電子調(diào)速器等)2.電逾控單體泵系統(tǒng)德國Bosch公司的齔

4、電控單體泵(EUP)系統(tǒng)，采用較短的丿高壓油管，可實(shí)現(xiàn)較高的噴油壓力，最高噴油壓力可達(dá)160MPa,該系統(tǒng)采用琪高速電磁閥控制噴油定時及噴油量。儔3.電控分配泵柴油機(jī)電控分配泵的噴油量及噴油定時的控制一般采用高速電鯔磁閥，電磁閥的閉合時刻對應(yīng)著噴油定時，電磁閥從閉合到開啟的時間確定了噴油鰱量，如日本豐田公司的ECD-2型電控VE泵。4.電控泵噴嘴系統(tǒng)電子控制泵噴嘴系統(tǒng)可分為機(jī)械驅(qū)動式和蓄繃壓式兩種，如美國底特律柴油機(jī)的DDEC型電控泵噴嘴，英國LucasCAV公司的EUI型電控泵噴嘴。電控蓄隆壓十系統(tǒng)的特點(diǎn)是：將電控和液壓技術(shù)相結(jié)合，按時控制噴射過程和噴射壓力。如議日本小松公司的KOMPICS

5、電子液壓冽泵噴嘴系統(tǒng)。5.電控共軌燃油系統(tǒng)遷20世紀(jì)90年代研制出了一種全新榿的燃油噴射系統(tǒng)-電控共軌燃油系捎統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然正式問世不久，但已顯示奠出它的巨大的優(yōu)越性。如日本的電裝公司饋的共軌系統(tǒng)ECD-2及德國Bosch殖公司的柴油機(jī)共軌電控蓄壓式噴射系統(tǒng)。三、現(xiàn)代共軌柴油噴射系統(tǒng)淺析現(xiàn)縐代先進(jìn)的汽車柴油機(jī)一般采用電控噴射、掉共軌、渦輪增壓中冷等技術(shù)，在重量、噪疣音、煙度等方面已取得重大突破，達(dá)到了廝汽油機(jī)的水平，而且相比汽油機(jī)更環(huán)保。鋼目前國外輕型汽車用柴油機(jī)日益普遍，奔使馳、大眾、寶馬、雷諾、沃爾沃等歐洲名楠牌車都有采用柴油發(fā)動機(jī)的車型。在契電控噴射方面柴油機(jī)與汽油機(jī)的主要差別沫是，汽油

6、機(jī)的電控噴射系統(tǒng)只是控制空燃喈比，柴油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)則是通過控制畏噴油時間來調(diào)節(jié)輸出的大小，而柴油機(jī)噴奢油控制是由發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速踏板位置脅(油門拉桿位置)來決定的。因此，基本賤工作原理是計算機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器和油門釕位置傳感器的輸入信號，首先計算出基本蘼噴油量，然后根據(jù)水溫、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣鰓壓力等傳感器的信號進(jìn)行修正，再與來自控制套位置傳感器的信號進(jìn)行反饋修正，姚確定最佳噴油量的。電控柴油噴射系豳統(tǒng)由傳感器、ECU(計算機(jī))和執(zhí)行機(jī)紈構(gòu)三部分組成。其任務(wù)是對噴油系統(tǒng)進(jìn)行電子控制，實(shí)現(xiàn)對噴油量以及噴油定時隨菟運(yùn)行工況的實(shí)時控制。采用轉(zhuǎn)速、溫度、顯壓力等傳感器，將實(shí)時檢測的參數(shù)同步輸葭入計算機(jī)

7、，與巳儲存的參數(shù)值進(jìn)行比較，經(jīng)過處理計算按照最佳值對噴油泵、廢氣再循環(huán)閥、預(yù)熱塞等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，驅(qū)動噴油系統(tǒng)，使柴油機(jī)運(yùn)作狀態(tài)達(dá)到最冷佳。這類電控系統(tǒng)可分為：蓄壓式電控燃貍油噴射系統(tǒng)、液力增壓式電控燃油噴射系煩統(tǒng)和高壓共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)。以下箏就介紹一下高壓共軌電控柴油噴射系統(tǒng)：(一)共軌技術(shù)在汽車柴油機(jī)中，咔高速運(yùn)轉(zhuǎn)使柴油噴射過程的時間只有千分之幾秒，實(shí)驗證明，在噴射過程中高壓油標(biāo)管各處的壓力是隨時間和位置的不同而變化的。由于柴油的可壓縮性和高壓油管中扒柴油的壓力波動，使實(shí)際的噴油狀態(tài)與噴油泵所規(guī)定的柱塞供油規(guī)律有較大的差異桂。油管內(nèi)的壓力波動有時還會在主噴射之計后，使高壓油管內(nèi)的壓

8、力再次上升，達(dá)到雙令噴油器的針閥開啟的壓力，將已經(jīng)關(guān)閉宇的針閥又重新打開產(chǎn)生二次噴油現(xiàn)象，由娌于二次噴油不可能完全燃燒，于是增加了煙度和碳?xì)浠衔?HC)的排放量，油麥耗增加。此外，每次噴射循環(huán)后高壓油管怎內(nèi)的殘壓都會發(fā)生變化，隨之引起不穩(wěn)定司的噴射，尤其在低轉(zhuǎn)速區(qū)域容易產(chǎn)生上述嶁現(xiàn)象，嚴(yán)重時不僅噴油不均勻，而且會發(fā)汝生間歇性不噴射現(xiàn)象。為了解決柴油機(jī)這瀣個燃油壓力變化的缺陷，現(xiàn)代柴油機(jī)采用屨了一種稱為共軌的技術(shù)。1、原哇理。共軌電噴技術(shù)是指在高壓油泵、俱壓力傳感器和電子控制裝置(ECU)組唯成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴噩射過程彼此完全分開的一種供油方式。它是由高壓油泵將高壓燃油輸送到

9、公共供油管，通過公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速襁無關(guān)，可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨殘發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的程度，因此，也就減少櫟了傳統(tǒng)柴油機(jī)的缺陷。ECU控制噴油器增的噴油量，其大小取決于燃油軌道(公共兌供油管)壓力和電磁閥開啟時間的長短。笸該技術(shù)不再采用傳統(tǒng)的柱塞泵脈動供油的阽原理，而是通過供軌直接或間接的形成恒津定的高壓燃油，分送到每個噴油器，并借險助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關(guān)諍閥的啟閉，定時定量的控制噴油器噴射至瘳柴油機(jī)燃燒室的油量，從而保證柴油機(jī)達(dá)鴿到最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的發(fā)火時間、足夠的能量和最少的污染排放。柴油機(jī)供軌式電控燃油系統(tǒng)

10、的原理如夜附圖所示。2、分類按照噴油高創(chuàng)壓形成的不同，共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)戎有兩種基本型式，即高壓共軌式和中壓共媲軌式。(1)高壓共軌系統(tǒng)。高壓輸貺油泵(壓力在120MPa以上)直接產(chǎn)納生高壓燃油后，輸送至共軌中消除壓力的添脈動，再分送到各噴油器;當(dāng)電子控制裝未置按需要發(fā)出指令信號后，高速電磁閥(疙響應(yīng)在200s左右)迅速打開或關(guān)閉，鰻進(jìn)而控制噴油器工作，即按設(shè)定的要求噴咯出或停噴高壓燃油。(2)中壓共軌瘭系統(tǒng)。中壓輸油泵(壓力為10-13M姝Pa)將中壓燃油輸送到共軌中消除壓力魴的脈動，再分送至帶有增壓柱塞的噴油器諢中;當(dāng)高速電磁閥開關(guān)閥接收到電子控制捎裝置發(fā)送的指令信號后，就迅速開啟或關(guān)

11、殤閉，從而控制燃油器工作，迅即通過高壓苘柱塞的增壓作用，將從共軌中來的中壓燃瘙油加壓至高壓(120-150MPa)襖后噴出或停噴。高壓共軌系統(tǒng)與中壓鄲共軌系統(tǒng)的主要判別在于，高壓燃油的獲得方式不同;前者由高壓燃油泵直接提供蛙，而后者則借助于增壓柱塞增壓后獲得。3、特點(diǎn)柴油機(jī)共軌式電控燃油噴射技術(shù)集計算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感檢測氪技術(shù)以及先進(jìn)的噴油器結(jié)構(gòu)于一身。它不僅能達(dá)到較高的噴射壓力、實(shí)現(xiàn)噴射壓力葩和噴油量的控制，而且還能實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和杵后噴，從而優(yōu)化噴油特性、減低柴油機(jī)噪鼎聲和大大減少廢氣的排放量，其特點(diǎn)為：觳(1)采用先進(jìn)的電子控制裝置及配饃有高速電磁開關(guān)閥，使得噴油過程的控制十分方便，并且

12、可控參數(shù)多，利于柴油機(jī)燃燒過程的全程優(yōu)化。(2)采用共盈軌方式供油，噴油系統(tǒng)壓力波動小，各噴憶油器間相互影響小，噴射壓力控制精度較高，噴油量控制較準(zhǔn)確。(3)高速電測開關(guān)閥頻率高，控制靈活，使得噴油將系統(tǒng)的噴射壓力可調(diào)范圍大，并且能方便畔的實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射、后噴等功能，為優(yōu)化柴油坂機(jī)噴油規(guī)律、改善其性能和降低廢氣排放櫚提供了有效手段。(4)系結(jié)構(gòu)移植痖方便，適應(yīng)范圍廣，不像其他的擊中電噴擼油系統(tǒng)，對柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有專門要求猛;尤其是高壓共軌系統(tǒng)，與目前的小、中鏗型及重性柴油機(jī)均能很好匹配，因而市場前景看好。(二)高壓共軌電控燃油蛹噴射系統(tǒng)及基本單元高壓共軌電控燃力油噴射系統(tǒng)主要由電控單元、高壓油泵

13、、忮蓄壓器(共軌管)、電控噴油器以及各種泊傳感器等組成。低壓燃油泵將燃油輸入高遍壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓油羨軌(蓄壓器)，高壓油軌中的壓力由電控語單元根據(jù)油軌壓力傳感器測量的油軌壓力以及需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，高壓油軌內(nèi)的燃油經(jīng)薯過高壓油管，根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，由電檀控單元從預(yù)設(shè)的map圖中確定合適的噴鈑油定時、噴油持續(xù)期由電液控制的電子噴鯀油器將燃油噴入氣缸。1、高壓油泵高壓油泵的供油量的設(shè)計準(zhǔn)則是必須保忄證在任何情況下的柴油機(jī)的噴油量與控制油量之和的需求以及起動和加速時的油量尥變化的需求。由于共軌系統(tǒng)中噴油壓力的囤產(chǎn)生于燃油噴射過程無關(guān)，且噴油正時也不由高壓油泵的凸輪來保證，因此高壓油吏泵

14、的壓油凸輪可以按照峰值扭矩最低、接患觸應(yīng)力最小和最耐磨的設(shè)計原則來設(shè)計凸辣輪。2、高壓油軌(共軌管)共嫘軌管將供油泵提供的高壓燃油分配到各噴拮油器中，起蓄壓器的作用，ECD-U2幬系統(tǒng)的共軌管如圖4所示。它的容積應(yīng)削朔減高壓油泵的供油壓力波動和每個噴油器濠由噴油過程引起的壓力震蕩，使高壓油軌中的壓力波動控制在5Mpa之下。但其猊容積又不能太大，以保證共軌有足夠的壓泵力響應(yīng)速度以快速跟蹤柴油機(jī)工況的變化彌。ECD-U2系統(tǒng)的高壓泵的最大循環(huán)剃供油量為600毫升，共軌管容積為94000毫升。高壓共軌管上還安裝了緩壓力傳感器、液流緩沖器(限流器)和壓鼗力限制器。壓力傳感器向ECU提供高壓煬油軌的壓力

15、信號;液流緩沖器(限流器)保證在噴油器出現(xiàn)燃油漏泄故障時切斷向冗噴油器的供油，并可減小共軌和高壓油管硐中的壓力波動;壓力限制器保證高壓油軌在出現(xiàn)壓力異常時，迅速將高壓油軌中的仡壓力進(jìn)行放泄。3、電控噴油器涼電控噴油器是共軌式燃油系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件，它的作用根據(jù)ECU發(fā)出的控制信號，通過控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定瘵時、噴油量和噴油率噴入柴油機(jī)的燃燒室。BOSCH和ECD-U2的電控跋噴油器的結(jié)構(gòu)基本相似，都是由于傳統(tǒng)噴銳油器相似的噴油嘴、控制活塞、控制量孔氐、控制電磁閥組成，圖5為BOSCH的電控噴油器結(jié)構(gòu)圖。在電磁閥不通電時，電磁閥關(guān)閉控制活塞頂部的量孔A

16、，高壓益油軌的燃油壓力通過量孔Z作用在控制活焐塞上，將噴嘴關(guān)閉;當(dāng)電磁閥通電時，量胂孔A被打開，控制室的壓力迅速降低，控制活塞升起，噴油器開始噴油;當(dāng)電磁閥戡關(guān)閉時，控制室的壓力上升，控制活塞下媛行關(guān)閉噴油器完成噴油過程。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的噴油形狀，需對噴油器進(jìn)行合理劊的優(yōu)化設(shè)計。控制室的容積的大小決定了沓針閥開啟時的靈敏度，控制室的容積太大蟾，針閥在噴油結(jié)束時不能實(shí)現(xiàn)快速的斷油，使后期的燃油霧化不良;控制室容積太仁小，不能給針閥提供足夠的有效行程，使物噴射過程的流動阻力加大，因此對控制室體的容積也應(yīng)根據(jù)機(jī)型的最大噴油量合理選擇。控制量孔A、Z的大小對噴油嘴粗的開啟和關(guān)閉速度及噴油過程起著決定性煤

17、的影響。雙量孔閥體的三個關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)是飾進(jìn)油量孔、回油量孔和控制室，它們的結(jié)稍構(gòu)尺寸對噴油器的噴油性能影響巨大?；刂扔土靠着c進(jìn)油量孔的流量率之差及控制室釷的容積決定了噴油嘴針閥的開啟速度，而噴油嘴針閥的關(guān)閉速度由進(jìn)油量孔的流量黥率和控制室的容積決定。進(jìn)油量孔的設(shè)計至應(yīng)使噴油嘴針閥有足夠的關(guān)閉速度，以減亞少噴油嘴噴射后期霧化不良的部分。貯此外噴油嘴的最小噴油壓力取決于回油量孔和進(jìn)油量孔的流量率及控制活塞的端面面積。這樣在確定了進(jìn)油量孔、回油量孔和控制室的結(jié)構(gòu)尺寸后，就確定了噴油嘴針閥完全開啟的穩(wěn)定、最短噴油過程，同揲時就確定了噴油嘴的穩(wěn)定最小噴油量?？刂剖胰莘e的減少可以使針閥的響應(yīng)速度更坼快，使燃

18、油溫度對噴嘴噴油量的影響更小。但控制室的容積不可能無限制減少鶻，它應(yīng)能保證噴油嘴針閥的升程以使針閥淌完全開啟。兩個控制量孔決定了控制室中鏨的動態(tài)壓力，從而決定了針閥的運(yùn)動規(guī)律，通過仔細(xì)調(diào)節(jié)這兩個量孔的流量系數(shù)，曜可以產(chǎn)生理想的噴油規(guī)律。由于高壓室共軌噴射系統(tǒng)的噴射壓力非常高，因此其拽噴油嘴的噴孔截面積很小，如BOSCH莠公司的噴油嘴的噴孔直徑為6，在如此痦小的噴孔直徑和如此高的噴射壓力下，燃棣油流動處于極端不穩(wěn)定狀態(tài)，油束的噴霧讞錐角變大，燃油霧化更好，但貫穿距離變暄小，因此應(yīng)改變原柴油機(jī)進(jìn)氣的渦流強(qiáng)度堿、燃燒室結(jié)構(gòu)形狀以確保最佳的燃燒過程瘍。對于噴油器電磁閥，由于共軌系統(tǒng)要求它有足夠的開啟速度，考慮到預(yù)噴射是改善柴油機(jī)性能的重要噴射方式，控制電磁閥的響應(yīng)時間更應(yīng)縮短。4、高吟壓油管高壓油管是連接共軌管和電控柃噴油器的通道，它應(yīng)有足夠的燃油流量減孔小燃油流動時的壓降，并使高壓管路系統(tǒng)鑠中的壓力波動較小，能承受高壓燃油的沖鏗擊作用，且起動時共軌中的壓力能很快建俁立。各缸高壓油管的長度應(yīng)盡量相等，使耿柴油機(jī)每一個噴油器有相同的噴油壓力，從而減少發(fā)動機(jī)各缸之間噴油量的偏差。氳各高壓油管應(yīng)盡