柴油機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展

1、柴油機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展陳 然摘要：隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格和柴油機(jī)電控技術(shù)的不斷進(jìn)步，高壓共軌噴油系統(tǒng)作為一種高度柔性控制的燃油噴射系統(tǒng)，以其顯著的優(yōu)越性，已經(jīng)成為現(xiàn)代柴油機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。 本文介紹了電控高壓共軌噴油系統(tǒng)的組成、工作原理和特點(diǎn)，概括了國內(nèi)外的研究狀況，最后提出了未來的研究目標(biāo)和發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；噴射系統(tǒng)；高壓共軌；發(fā)展趨勢能源危機(jī)和環(huán)境污染問題以及世界各國日益嚴(yán)格的排放法規(guī)促使人們進(jìn)一步改善柴油機(jī)的燃燒過程，而影響燃燒過程的關(guān)鍵是燃油噴射系統(tǒng)的性能。電控高壓共軌噴油系統(tǒng)通過各種傳感器檢測出發(fā)動機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況，由計(jì)算機(jī)計(jì)算和處理，可以精確、柔性地控制

2、柴油機(jī)噴油量、噴油定時和噴射壓力，與傳統(tǒng)的噴射技術(shù)相比，進(jìn)一步降低了燃油消耗和排放，增強(qiáng)了動力性能，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)綜合性能的又一次飛躍。柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)在整個內(nèi)燃機(jī)行業(yè)被公認(rèn)為20世紀(jì)三大突破之一1，是21世紀(jì)柴油噴射系統(tǒng)的主流。1 電控高壓噴油系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)與前兩代噴油系統(tǒng)相比,電控共軌燃油噴射系統(tǒng)克服了燃油壓力受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的影響,不再采用傳統(tǒng)的柱塞泵脈動供油原理,而采用了公共控制油道共軌管,高壓油泵只是向公共油道供油以保持所需的共軌壓力,通過連續(xù)調(diào)節(jié)共軌壓力來控制噴射壓力,使其達(dá)到與工況相適應(yīng)的最優(yōu)數(shù)值,而且還使得噴油壓力和噴油速率的控制成為可能,且系統(tǒng)的控制自由度及精度得到了大幅度提高

3、。高壓共軌噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1,為典型的電控高壓共軌噴射系統(tǒng),主要由高壓泵、帶調(diào)壓閥的共軌管、帶電磁閥的噴油器、各種傳感器和電控單元(ECU)組成。圖1 高壓共軌噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2 國外主要的高壓共軌噴射系統(tǒng)目前,國外在柴油機(jī)電控共軌噴射系統(tǒng)方面的研究進(jìn)展很快,并有多種共軌噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)并投產(chǎn)。德國Bosch公司、意大利菲亞特集團(tuán)、英國LUCAS、日本電裝公司、美國德爾福公司等世界著名油泵油嘴制造商相繼開發(fā)了高壓共軌系統(tǒng)。2.1 德國Bosch公司的高壓共軌系統(tǒng)目前為止,Bosch公司總共規(guī)劃和設(shè)計(jì)了3代高壓共軌系統(tǒng)。如圖2所示為Bosch公司的高壓共軌噴射系統(tǒng)。第一代已經(jīng)上世紀(jì)批量投放市場,主要應(yīng)

4、用于轎車,噴射壓力達(dá)135MPa。第二代于2000年開始批量生產(chǎn),開始使用具有油量調(diào)節(jié)功能的高壓泵和經(jīng)改進(jìn)的電磁閥噴油器,噴射循環(huán)由預(yù)噴射、主噴射和多級噴射等多次噴射組成,最大系統(tǒng)壓力提高至160MPa,采用降噪新技術(shù),主要適用于功率在55 kW/L以下的發(fā)動機(jī)2。圖2 Bosch公司的高壓共軌噴射系統(tǒng)Bosch公司第三代高壓共軌噴射系統(tǒng)的開發(fā)重心轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜度和精密度上。高壓油泵前端的齒輪泵將燃油從油箱抽出,通過濾清器送入具有泵油量調(diào)節(jié)功能的高壓油泵升壓,分配單元將進(jìn)入的燃油分成兩路:一路供給泵油元件,另一路用以冷卻。高壓油泵將燃油壓縮至最高壓力160MPa,并將其輸入共軌。共軌上安

5、裝的壓力傳感器、壓力調(diào)節(jié)器和電控裝置形成閉環(huán)的壓力控制回路。高壓燃油經(jīng)油軌到噴油器。第三代高壓共軌噴射系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于采用了一個快速開關(guān)的壓電直列噴油器,壓電執(zhí)行器內(nèi)置于噴油器軸體上,相比于傳統(tǒng)噴油器減少了約75%的運(yùn)動件及75%的質(zhì)量,開關(guān)速度也得到很大提高。圖3為壓電式噴油器。圖3 壓電式噴油器高強(qiáng)度模塊式激光焊接油軌為一鑄造管,是連接高壓油泵和噴油器的橋梁,也是一個蓄壓器,見圖4。圖4 激光焊接油軌共軌中壓力波動是設(shè)計(jì)所要考慮的重要參數(shù),為使共軌壓力波動和啟動油壓的建立幾乎不受噴油器、高壓油泵和調(diào)節(jié)閥工作的影響,共軌的長度、內(nèi)徑和容積應(yīng)有一合理的數(shù)值。為使其最佳化,Bosch在設(shè)計(jì)階段

6、運(yùn)用AMESIM程序進(jìn)行了模擬計(jì)算。與迄今最好的電磁或壓電控制的噴油系統(tǒng)相比,Bosch第三代高壓共軌噴射系統(tǒng)排放物控制效果和燃油的計(jì)量精度有明顯的提高3。Bosch公司第四代高壓共軌噴射系統(tǒng)將會采用最新研制的同軸可變噴嘴及壓力擴(kuò)大器技術(shù),最高噴射壓力將會超過200MPa。2.3 美國德爾福公司的Multec DCR系統(tǒng)德爾福最具代表性的就是先進(jìn)的Multec DCR柴油共軌噴射系統(tǒng)。Multec DCR柴油共軌噴射系統(tǒng)的主要部件有共用高壓油軌、高壓燃油調(diào)壓器、高壓燃油泵、燃油噴油器、電控單元、燃油濾清器和傳感器等,如圖5所示。圖5 德爾福公司的Multec DCR-1400跟其他的尖端高壓噴

7、射系統(tǒng)一樣,Multec DCR柴油共軌噴射系統(tǒng)的噴射壓力與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷無關(guān),即使在低速運(yùn)行時,系統(tǒng)仍可保持足夠壓力的高壓燃油噴射?？蓪?shí)現(xiàn)多次噴射,相比之下,其噴油器的設(shè)計(jì)更加獨(dú)特。Multec DCR主要采用了帶有平衡控制和反饋控制策略的電控電磁閥結(jié)構(gòu)的電液式噴油器4,它能提供極快的動作響應(yīng)并精確地進(jìn)行燃油流量的計(jì)量。這種響應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)緊湊、小巧玲瓏的電磁閥控制的噴油器只需常規(guī)12V汽車蓄電池驅(qū)動就能正常工作,比世界上現(xiàn)有的任何一種柴油機(jī)共軌噴射系統(tǒng)都節(jié)能,這大大降低了汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)生產(chǎn)成本和復(fù)雜程度。整個系統(tǒng)采用積木式設(shè)計(jì),便于應(yīng)用于不同形式和不同種類的發(fā)動機(jī)。德爾福公司專門為

8、共軌噴射系統(tǒng)開發(fā)了一套以加速度信號處理為基礎(chǔ)的噴油控制策略,使Multec DCR高壓共軌系統(tǒng)具有較低的燃燒噪聲和排放。近年來德爾福公司確定了三個研發(fā)領(lǐng)域:噴油器和噴油嘴設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳化,系統(tǒng)液力穩(wěn)定性和多次噴射控制策略的最佳化,改善發(fā)動機(jī)參數(shù)的協(xié)調(diào)性,以滿足未來排放法規(guī)的要求和降低噪聲5。德爾福將進(jìn)一步改進(jìn)其柴油噴射系統(tǒng),以滿足下一輪全球排放法規(guī)。3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了比較成熟的產(chǎn)品，如Fiat 集團(tuán)的Unijet系統(tǒng)、電裝公司的ECD-U2系統(tǒng)和博世公司的CR系統(tǒng)等。其中,博世公司用壓電石英作為執(zhí)行器代替高速電磁閥,噴射壓力已經(jīng)高達(dá)180MPa，針閥運(yùn)動速度達(dá)到1

9、.3 m/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6。國內(nèi)對電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的研究起步較晚,目前正處于研制階段。其中天津大學(xué)研制的FIRCRI高壓共軌系統(tǒng)正處于硬件在環(huán)仿真和實(shí)機(jī)測試階段，上海交通大學(xué)開發(fā)的GD-1型高壓共軌工大學(xué)、 華中理工大學(xué)等也正在開發(fā)自己的高壓共軌系統(tǒng)，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(shí)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)

10、和不能在線調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)。4 國內(nèi)外發(fā)展趨勢電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的應(yīng)用使柴油機(jī)的排放、噪聲及燃燒性能都得到了很大改善，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，大大增強(qiáng)了柴油機(jī)的競爭力。隨著電子技術(shù)、材料技術(shù)以及控制理論等的不斷發(fā)展，該技術(shù)還具有很大的發(fā)展?jié)摿?進(jìn)一步的研究主要體現(xiàn)以下趨勢：a.設(shè)計(jì)開發(fā)新的執(zhí)行器，以及通過對高壓油泵、噴嘴材料和加工過程的改進(jìn)進(jìn)一步提高燃油噴射壓力及其精確性，使燃燒更為充分7。b.通過最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測控制等控制理論的研究，將模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于非線性的滑?？刂?、基于辨識模型的自適應(yīng)控制等運(yùn)用到電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中，改進(jìn)其控制策略8。c.研究新的噴油規(guī)律9。隨

11、著柴油車數(shù)量增加，柴油機(jī)尾氣已經(jīng)成為大氣的主要污染源之一。因此，世界各國都在積極探索新方法和采取有效的技術(shù)措施主動減少和控制污染物的排放，歐洲已經(jīng)制訂出嚴(yán)格的歐V、歐VI排放法規(guī)，2013年開始實(shí)施了歐VI排放法規(guī)。 因此，必須不斷研究滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)的噴油規(guī)律，進(jìn)一步降低柴油機(jī)的排放。d.燃油噴射系統(tǒng)的數(shù)值模擬技術(shù)。通過仿真軟件建立電控高壓共軌燃油系統(tǒng)的數(shù)值模型，分析燃油的噴射過程及系統(tǒng)參數(shù)對燃油噴射特性的影響，為燃油系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、故障分析提供理論依據(jù)，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。e.解決共軌壓力的微小波動造成的噴油量不均勻問題10。高壓共軌系統(tǒng)的動態(tài)壓力穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)理想噴油規(guī)律

12、的實(shí)現(xiàn)，因此，對高壓共軌系統(tǒng)壓力波動性的研究已經(jīng)成為當(dāng)前的熱點(diǎn)之一。5 總結(jié)目前我國對高壓共軌噴油系統(tǒng)的研究與開發(fā)尚處于起步階段，發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)由機(jī)械式噴射系統(tǒng)向電控式噴射系統(tǒng)過渡還主要依靠國外技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)將會有更大的發(fā)展空間11。為盡快提高我國的自主開發(fā)和核心競爭力，應(yīng)不遺余力地在電控噴油器、液力控制閥、噴油嘴偶件和高速執(zhí)行器、ECU軟硬件等關(guān)鍵零部件的制造以及控制策略和功能、匹配標(biāo)定技術(shù)、提高產(chǎn)品可靠性和安全、降低制造成本等方面開展研究。參考文獻(xiàn)1 王均效,陸家祥,譚丕強(qiáng),等.柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)J.內(nèi)燃機(jī),2001, (5):39-40.2 董堯

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