（轮机工程专业论文）柴油机中压共轨液力增压式电控燃油喷射系统的研究.pdf

武汉理1 ：大学硕士学位论文 摘要 共轨式电控燃油喷射系统是提高发动机性能、减少其有害排放物最有效 的技术之一。本文通过对国内、外各种共轨式电控燃油喷射系统进行系统的 分析和比较，研制开发了一种新型的柴油机中压共轨液力增压式电控燃油喷 射系统。该系统以润滑油作为工作介质对燃油进行增压和喷射，不需要增加 其它增压机构和更换喷油器，结构简单可行。成功地利用自主开发的电磁阀， 实现了对燃油喷射过程的精确控制，从而实现了喷射压力的独立控制。可以 通过对共轨压力和电磁阀通电时间的控制调节来实现对喷油量的调节，以适 应柴油机不同工况的需求。 论文首先以研制电控液力增压泵、中压共轨驱动油源、电子测控单元为 基础，试制了一套完整的中压共轨液力增压式电控燃油喷射系统，并建立了 该系统的试验台架。 对试制的中压共轨液力增压式电控燃油喷射系统的喷射性能进行了测 试，结构表明：该系统具有对喷射压力、喷油量和喷油正时灵活调节的特点。 采用模块化计算分析技术，建立了中压共轨液力增压式电控燃油喷射系 统的计算模型；对该系统喷射过程进行了模拟计算，分析了系统的一些重要 结构参数如电磁阀流通面积、增压面积比、喷孔匾积等对系统性能的影响程 度和规律，获得了一些新的认识和结果，为进步完善和改进系统性能提供 有价值的理论依据。 最后，论文对研制开发中压共轨液力增压式电控燃油喷射系统进行了总 结，并提出了继续完善和改进系统的想法。 关键词：柴油机，电控燃油喷射，模拟计算 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o m m o n r a i l ( c r ) e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e df u e li n j e c t i o ns y s t e mi s o n eo ft h em o s te f f e c t i v et e c h n o l o g i e st oe n h a n c et h ee n g i n ep e r f o r m a n c ea n d r e d u c eh a r m f u lm m t e r ，b ya n a l y z i n gs e v e r a lk i n d so fa d v a n c e de l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e df u e l i n j e c t i o ns y s t e m ，an e wk i n d o fm e d i u mp r e s s u r e a n d c o m m o n r a i lh y d r a u l i c a l l yi n t e n s i f i e de l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e df u e l i n j e c t i o n s y s t e mo fd i e s e lw a sd e v d o p e di nt h i sp a p e r i nt h en e ws y s t e m ，l u b r i c a t i n go i l a sw o r k i n gm e d i u mw a su s e df o rf u e li n t e n s i f i c a t i o na n di n j e c t i o n t h e a d d i t i o n a lm e c h a n i s mi s n tn e e d e da n di n j e c t o ri s n tc h a n g e d t h r o u g ht h e u s a g eo ft h ei n d e p e n d e n td e v e l o p m e n ts o l e n o i d st h ep r e c i s ec o n t r o lo fi n j e c t i o n p r o c e s sw e r er e a l i z e ds u c c e s s f u l l y t h ei n d e p e n d e n tc o n t r o l l i n go ft h ei n j e c t i o n p r e s s u r ec o u l db er e a l i z e d i nt h i ss y s t e m ，t h ea d j u s t m e n to ft h ei n j e c t i o n q u a n t i t yc o u l db er e a l i z e dt h r o u g ht h ec o n t r o l l i n go ft h ep r e s s u r ei n t h e c o m m o n r a i ls y s t e ma n dt h ed w e l lt i m eo fs o l e n o i d ，t om e e tt h en e e do ft h e d i e s e l a tf i r s t ，a ne l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e d h y d r a u l i c a l l yi n t e n s i f i e dp u m p ，a c o m m o n r a i lh y d r a u l i c a l l ya c t u a t e dd e v i c ea n da l le c uw e r ed e v e l o p e d ，t h e n ， t h ew h o l es y s t e ma n di t st e s tb e dw e r ed e v e l o p e d t h et e s t i n gr e s u l t so ft h en e ws y s t e m si n j e c t i o np e r f o r m a n c es h o wt h e f e a t u r e so fa d j u s t a b l ei n j e c t i o np r e s s u r e ，i n j e c t i o nq u a n t i t ya n di n j e e t i o nt i m e u s i n gt h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fm o d e lu n i t s ，t h es i m u l a t i n gm o d e lo f m e d i u mp r e s s u r ea n dc o m m o n - r a i lh y d r a u l i c a l l yi n t e n s i f i e de l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e df u e li a j e c t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e d u s i n gt h i sm o d e l ，t h ei n j e c f i n g p r o c e s so ft h i ss y s t e mw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e d t h e e f f e c t so fs o m e i m p o r t a n tc o n s t r u c t i v ep a r a m e t e r s ，f o re x a m p l e ，t h ef l o wa r e ao ft h es o l e n o i d v a l v e ，t h er a t i oo ft h ei n t e n s i f i e r sa r e a ，t h ef l o wa r e ao ft h en o z z l ee r e ，w e r e a n a l y z e d t h ed e g r e ea n dt h el a wo ft h e i re f f e c to nt h es y s t e m sp e r f o r m a n c e w e r er e s e a r c h e d b yu s i n gt h e s em o d e l st oc a l c u l a t ea n da n a l y z et h ei n j e c t i n g i i 武汉理工大学硕士学位论文 p r o c e s sw i t h d i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，i tw i l l p r o v i d et h ev a l u a b l eb a s i sf o r i m p r o v i n ga n dp e r f e c t i n gt h em e d i u mp r e s s u r ea n dc o m m o nr a i lh y d r a u l i c a l l y i n t e n s i f i e de l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e df u e li n j e c t i o ns y s t e m f i n a l l y ，s o m ec o n c l u s i o n sa b o u tt h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e df u e li n j e c t i o ns y s t e mw e r es u m m a r i z e da n ds o m ei d e a sa b o u th o wt o r e f o r mt h es y s t e mw e r ep r o v i d e d k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ，e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e df u e li n j e c t i o n ，s i m u l a t i n g c a l c u l a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 作为主要动力源的内燃机是目前热效率最高的热力发动机，广泛地应用 于国民经济的各个领域，它所发出的功率占全世界所有动力装置总功率的 9 0 。我国内燃机厂近3 0 0 家，2 0 0 3 年内燃机产量2 2 0 0 万台左右，其中 柴油机年产8 2 0 万台左右( 单缸柴油机约6 7 0 万台，多缸柴油机约1 5 0 万台) “1 。可以预测，在今后相当长的时间内，内燃机因其特有的优点，仍将处于 不可替代的地位n ，。 同汽油机相比，柴油机具有经济性好、扭矩大、出现最大扭矩时的转速 低、c 0 2 、h c 和c o 有害排放物少等优点。自上世纪7 0 年代石油危机以来， 柴油机的应用更加广泛。近年来，柴油机除了在大中功率的船舶、电站、工 程机械、铁路交通和农业机械等领域继续占统治地位外，中重型载重车辆几 乎全部采用柴油机为动力。同时还进一步向中小功率高速车用领域发展，在 欧洲和同本柴油机轿车的市场占有率已达2 5 ，在法国高达5 0 “1 。在全 球范围内，柴油机的产量出现连续增长的趋势。 同时内燃机也是石油资源的主要消耗者和最大的空气污染源。它所消耗 的燃油占石油燃料的6 0 以上，1 9 9 3 年我国开始成为石油净进口国，2 0 0 3 年石油净进口超过5 0 0 0 万吨，预计2 0 0 5 年石油将短缺3 2 ，2 0 1 5 年石油 短缺则可能超过4 0 ，从而危及到国家的能源安全。1 ；尾气排放污染基本上 是来自内燃机排放的废气，占工业总有害废气的一半左右“1 。2 0 0 3 年3 2 2 个城市的环境监测表明，7 2 以上的城市空气质量处于3 类和超3 类标准状 态，8 0 的城市居民生活在大气质量较差的环境中。全世界空气污染严重的 5 0 个城市中，我国占3 1 个，其中大气污染最严重的1 0 个城市，我国就占 了7 个“1 。故柴油机的发展受到了n o ；和颗粒排放高、噪声大等因素的挑战。 为适应未来能源与排放法规的要求，“提高燃油经济性，减少有害排放 物”已成为柴油机技术发展中所面临的最迫切需要解决的问题，随着电子技 术和计算机技术的迅速发展，在汽油机成功实现了成熟的电控技术的基础 武汉理工大学硕士学位论文 上，电控技术在柴油机上的应用也正方兴未艾。 柴油机电控技术在世界发达国家，如美国、德国、日本、英国等国家发 展十分迅速。以往由于供油、配气和调速等受到机械系统结构的限制，不能 实现喷油与配气正时、喷油压力、喷油量等与发动机转速、负荷完全独立的 调节，使燃油喷射、配气过程全面优化。而近几年开发的共轨式系统解决了 这一难题，被国内外学者认为是继机械喷射和增压技术之后柴油机发展的第 三个里程碑“1 。现在，几大柴油机制造厂商相继推出了共轨式电控柴油机产 品，如m a n b w 公司用一套电控液压系统替代了凸轮系统，首台二冲程无凸 轮轴低速柴油机已于2 0 0 1 年装船进行实船运行”1 ；w a r t s i l as u l z e r 公司在 大型低速柴油机上开发了驱动燃油喷射和排气门的共轨系统，以替代凸轮 轴，实现了燃油喷射和排气的综合电子控制，下一步准备集成扩展成“智 能型”柴油机”。这些产品在控制排放、降低噪声、改善性能等方面取得了 很大的成效。相比之下，我国对柴油机电控技术的研究与开发工作起步较晚， 技术水平相对还比较落后，大多还停留在理论研究和实验分析阶段，且仅限 于燃油喷射的电子控制方面。有关电子控制可变气门系统的研究在国内尚不 多见论文公开发表。清华大学、北京理工大学等高校均已展开了单一控制喷 油的柴油机电控技术研究，如电控泵一管一嘴系统、蓄压式共用连管电控泵 一喷嘴系统；武汉理工大学研制了喷油、配气中压双共轨电控系统，在多变 量控制方面进行了研究。 我国作为一个柴油机生产量和使用量都名列世界前茅的国家，更应该及 时投入必要的人力和物力进行电控柴油机技术的研究，掌握电控柴油机理论 及关键技术，开发具有自主知识产权的电控柴油机，必将对我国柴油机技术 的发展产生深远的影响。 1 2 研究的目的、意义 在以往的由凸轮( 轴) 驱动的柴油机中，由于燃油喷射泵或进排气门是 通过机械刚性连接而与曲轴保持同步，因而一旦设定，燃油喷射正时和进排 气门正时就不能变更，无法在发动机运行过程中进行调节，即只能保证在标 定工况下优化发动机的性能，而不能在各种工况下都达到优化。在共轨式系 统中是采用油压驱动方式，它们的每个动作都是根据控制单元发出的电子信 2 武汉理工人学硕士学位论文 号，开启或关闭电磁阀而使油压单元动作。其信号是随柴油机的转速、负荷 和工作油的压力及温度的不同而发生变化。从而实现了发动机性能在全工况 范围内的优化。 共轨系统在国外已经进行过大量的研究，伴随着微电脑技术的飞速发展 及其在内燃机行业内的应用，以及由于一直以来对低燃油消耗率的追求和日 益严格的排放法规的要求，共轨系统也开始由结构简单的、调节范围有限的 共轨系统，向精确的、多自由度的、全柔性控制的、智能型共轨系统发展。 目前，国外柴油机的共轨燃油喷射技术已经较为成熟，而且已经在一些 产品上应用，但是由于对我国进行技术封锁，我国无法单独购买到电控柴油 机燃油喷射系统相关配件，也很难得到有关技术参数。柴油机共轨可变气门 技术也即将遇到同样的问题。国外已经有产品上市，而国内相关技术的研究 工作尚未起步。这势必造成柴油机行业的长期落后，失去竞争力。因此，我 们迫切需要掌握有关柴油机共轨喷油、配气综合系统的技术及其工作机理。 1 3 现代化柴油机对燃油喷射系统的要求 为满足对柴油机经济性、可靠性和日趋严格的排放法规要求。未来的柴 油机燃油喷射系统将具备如下特征”1 ： 1 ) 较高的、灵活可调的平均有效喷射压力p 。； 2 ) 低的初期喷油速率或预喷射功能； 3 ) 快速停油功能； 4 ) 灵活的喷油定时控制； 5 ) 完善的柴油机电控功能。 灵活可调的p 。喷油规律可控及喷油定时的灵活控制能使燃油喷射过 程在所有工况范围内满足燃烧的需求。 1 3 1 高压喷射 从碳烟和n o x 生成机理来看，碳烟排放和n o x 排放存在着相互制约的 关系，要实现两者同时降低是有困难的。而采用高压喷射，可以促使喷雾液 滴更加细化，提高燃油与空气的混合质量，使燃料得以充分燃烧，从而提高 武汉理工大学硕士学位论文 燃油经济性，抑制了碳烟的形成。同时，喷射压力的提高，可大大缩短喷油 时间和着火延迟期，如果采用减少先期着火时喷入的燃油量，再与推迟喷油 正时相结合，就能缩短滞燃期和燃烧时间，从而抑制n o x 的生成。因此， 提高喷油压力是同时降低碳烟和n 0 。排放的行之有效的技术之一。 研究得知：喷射压力在1 0 0 1 5 叫铲。时，柴油机可达热效率的最高值 ( 约4 8 ) ，喷雾粒径达到最小，此时的碳烟排放也最小“”1 ；喷射压力 超过15 0 m p 。时，单位油滴表面积的增加较为缓慢，再通过提高喷油压力来 改善混合气形成的质量很困难”“。但是，最前采用的直列泵一喷嘴系统或一 体式泵一喷嘴系统是随着发动机凸轮轴的旋转而对燃油进行瞬时压缩、喷射 的所谓冲击式喷油系统，其产生的最高喷射压力必然与发动机的转速相对 应，即喷射压力对转速有依存性。其缺点是，在发动机低速区难以获得足够 的喷射压力。另外，对柴油机而言，也并不是只要求进行高压喷射，在极低 负荷时( 如空转时) ，为了达到降低噪音等目的，要求进行低压喷射。也就 是说，对喷射压力 的要求是，能达到 1 0 0 1 5 0 脚。的最 高压力喷射，同时 还具有能随发动 机负荷和转速的 改变而进行最佳 喷射压力控制的 自由度。这样的功 能只有采用电控 喷油才能达到。 柱 斌 嚣 需 越 发动机转速 图1 1 各运行条件最佳喷油率波形 1 3 2 喷油速率的柔性控制 化 所谓喷油速率，就是随时间而变化的喷油量，即单位时间的喷油量。实 现喷油速率最佳化对降低n o x 排放和噪声有重要作用。就喷油率模式而言， 在从开始喷射到着火这一段时间内所喷射的燃油量即初始燃油喷射率就得 控制得很小，这样才能缓和初期燃烧，达到减少n o x 生成、降低噪声的目 4 武汉理工大学硕士学位论文 的。即要求能实现三角形喷射及预喷射，为了避免预喷射对碳烟排放的不利 影响，采用小喷孔、精确控制预喷射量及预喷射相位是十分关键的：在喷油 中期采用较高的喷油速率以控制微粒的排放；在喷油结束期，要做到在高压 下一下子喷出必要的燃油量并快速中止喷射，即快速断油，这对于改善烟度 和减少h c 的排放，降低油耗都是重要的。图1 1 为各运行工况下最佳喷油 率波形的一个实例“。 1 3 3 独立的喷油正时控制 众所周知，喷射正时直接影响到在柴油机上止点前喷入气缸的油量，因 而就决定了气缸的最高爆发压力和最高燃烧温度。通常，喷油提前，燃油在 较低的温度和压力下喷入气缸，着火延迟期延长，预混合燃烧的比例增加， 导致燃烧温度升高和n o x 的增加；但燃烧过程提前结束，有利于提高燃油 经济性和降低碳烟颗粒排放。喷油推迟，一方面会降低初始放热率和最高燃 烧温度，从而降低n o x 的排放。另一方面，喷油推迟会导致燃烧过程的推 迟，降低了最高爆发压力，使经济性变坏，并产生后燃，使排温升高，功率 下降。对于每一组负荷和转速，都存在着一个使柴油机某些性能指标( 燃油 经济性、n o x 和碳烟排放等) 最佳的喷油提前角( 喷油正时) 。因此，具有 不依赖与转速和负荷的喷油正时控制能力，是在燃油经济性和排放之间实现 最佳组合的关键措施。 1 4 柴油机电控燃油喷射系统的发展 柴油机电控燃油喷射系统从发明到如今近3 0 年的发展历程中，世界上 有许多研究机构和公司的研究部门都在致力于该系统的研制，所以现在的燃 油喷射系统是结构上五花八门，功能上是各有千秋。但总体上我们还是按燃 油喷射系统的工作原理和控制方法将它划分为以下三代。 1 4 1 第一代电控燃油喷射系统 第一代电控燃油喷射系统基本上不改变传统的机械式供油和喷射系统 5 武汉理工大学硕士学位论文 它保留了传统的泵一管一嘴系统及喷油泵的齿条、滑套、柱塞上的控制斜槽等 控制油量的机械传动机构，只是对齿条和滑套的运动位置给予电子控制，所 以也称之为“位置控制式”电控燃油喷射系统。 目前该类系统的成熟产品主要有在直列喷油泵上实施位置控制的美国 c a t e r p i l l a r 的p e e c 系统、德国b o s c h 公司的e d r 系统、日本z e x e l 公司的 c o p p e c 系统和可变预行程t i c s 系统、日本电装( n i p p i n d e n s o ) 公司的 e c d p 2 系统等：以及在分配泵上实施位置控制的日本电装公司的e c d v 1 系统、同本z e x e l 公司的c o v e c 系统，德国b o s c h 公司的e d c 系统、英国 l u c a s 公司的e p i c 系统、美国s t a n a d y n e 公司的p c f 系统和美国a m b a c 公司的电控1 0 0 型分配泵系统等等。 这些系统因为在现有柴油机上改动较少，继承性好，而且作为执行器的 电磁阀和旋转电磁铁等技术容易过关，所以为柴油机生产企业和用户接受， 是目前国外商品化程度最高的产品。但是由于燃油泵输送和计量机构基本不 变，喷油系统参数受柴油机转速影响大，很难实现喷油规律控制，凸轮机构、 柱塞套的应力和变形限制了喷油压力的提高。 1 4 2 第二代电控燃油喷射系统 第二电控燃油喷射系统改变了第一代电控燃油喷射系统的工作原理和 结构，通过高速电磁阀在电子控制单元驱动下对喷油量、喷油正时、喷油速 率进行控制。其泵油机构和控制机构是完全分开的，而且燃油的计量是由喷 油器的开启时问长短和喷油压力的大小决定的。由于高速电磁阀是以时间为 基础工作的，所以称之为“时间控制式”电控燃油喷射系统。 目前应用比较广泛的时间控制式系统主要有在单体泵上实施时间控制 的德国b o s c h 公司的e u p l 3 型，以及在分配泵上实旌时间控制的日本z e x e l 公司的m o d e l 1 型系统、日本电装公司的e c o v 3 系统、德国b o s c h 公司的 v p 4 4 系统和美国s t a n a d y n e 公司的d s 系统等等。 第二代电控燃油喷射系统有许多比纯机械式或第一代电控燃油喷射系 统优越的地方，但它们的燃油喷射压力仍然与发动机的转速有关，喷射后残 余压力不恒定。另外电磁阀的响应直接影响喷射特性，特别是在转速较高或 瞬态转速变化很大的情况下尤为严重，而且电磁阀必须承受高压，因此对电 6 武汉理工大学硕士学位论文 磁阀提出了很高的要求。 1 4 3 第三代电控燃油喷射系统 第三代电控燃油喷射系统完全摆脱了传统的柱塞泵分缸脉动供油原理， 并通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止，电磁阀起作用的时刻 决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量，即采用的是 压力时间式燃油计量原理，所以也称之为“压力时间控制式”或“共轨式” 电控燃油喷射系统。与传统喷射系统相比，共轨式电控燃油喷射系统具有以 下优点： 1 ) 可以实现高压喷射，喷油压力比一般直列泵系统高出一倍，最高已 达2 0 0 m p 。； 2 ) 喷油压力独立于发动机转速，可以改善发动机低速、低负荷的性能； 3 ) 可以实现预喷射和后喷射，自由调节喷油率形状，实现理想喷油规 律： 4 ) 喷油正时和喷油量可以自由选定； 5 ) 消除了压力波动引起的异常喷射和高速大油量时过高的喷射压力引 起的泵油机构损坏，具有良好的喷油特性，优化了燃烧过程，使发动机燃油 耗、烟度、噪声和排放等综合指标得到明显改善，并有利于改进发动机扭矩 特性； 6 ) 结构简单，适用性强，可以在新老发动机上应用。 1 5 国外共轨式电控燃油喷射系统的发展及动向 现在世界上共轨式电控燃油喷射系统种类繁多，但基本可分为两大类： 中压共轨系统( 即增压式共轨系统) 和高压共轨系统。其中中压共轨系统又 分为共轨蓄压式系统和共轨液压式系统，这两种系统喷油压力的形成原理是 相同的( 均为帕斯卡增压原理) ，只是所用的控制油和待喷燃油的压力源不 同( 共轨蓄压式系统的控制油和燃油均来自共轨管；共轨液压式系统的控制 油来自共轨管，待喷燃油来自燃油输油泵) 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 1 中压共轨式电控燃油喷射系统 1 5 1 1 中压共轨蓄压式电控燃油喷射系统 共轨蓄压式系统采用增 压活塞来提高喷射压力，共 轨管内中等压力的燃油用来 推动增压活塞和向喷油器提 供喷射用燃油。 美国b k m 公司的s e r v o j e t 系统3 是最典型的中压共轨 蓄压式电控喷油系统如图1 2 所示。系统主要由蓄压式 喷油嘴、轴向柱塞燃油泵、 数字式电磁阀、电子压力调 节器( e p r ) 、共轨式供油程 图1 - - 3 s e r v o j i t 系统的共轨 蓄压式喷油器 燃油供油轨 圳熬7 送向喷油矗 第一： 序块和电控程序块组成。燃油泵为具有 “ 7 个柱塞的固定斜盘式转子型轴向柱塞 输油泵，能提供2 m p a i o m p 。的中压 共轨燃油。 电磁阀控制的蓄压式喷油器 ( 图1 - 3 ) 是系统中最重要的部件。当电 磁阀关闭时，共轨内的燃油进入增压活 塞上方，活塞下行。由于增压活塞直径 与柱塞直径之比为1 ：1 5 ，因此活塞下行 时，使蓄压室、喷油嘴针阀腔和针阀顶 部的油压达1 0 0 m p 。1 5 0 m p 。当电 磁阀打开时，增压活塞上方卸压，活塞 8 武汉理工大学硕士学位论文 上行，则针阀顶部的油压也降下来，而蓄压室中的高压油使针阀抬起，实现 高压喷射。喷油正时取决于电磁阀打开的时刻，喷油量取决于共轨中的油压。 共轨管上设有电磁调压阀，根据工况要求在2 m p 。1 0 m p a 内调节共轨压力。 该系统主要特点是： 1 ) 系统的喷射压力和各缸油量分配与发动机转速无关。系统的燃油计 量方式为压力计量，而且燃油计量过程与喷射过程分离。 2 ) 喷油始点由电磁阀控制，而喷油终点、最高喷射压力、喷油量和喷 油速率均受共轨压力控制。 3 ) 低压共轨，高压喷射，只需一套油路，控制机构一电磁阀制造简单， 电磁阀直接控制的共轨压力为i o m p 。2 0 m p 。，仅在喷油器内增压，因此避 免了恒高压泄漏，对电磁阀的要求也很低。 该系统的缺点是：系统每次喷射的只是喷油器蓄压室中蓄积的高压油， 随着喷射压力逐步降低，喷射速率越来越小，喷油规律先急后缓，直到弹簧 关闭针阀，停油不干脆。而在高压喷射时，过高的初始喷射速率会使滞燃期 内气缸中混合好的燃油量大大增加，预混合燃烧比例增大，柴油机工作粗暴， n o x 排放增加。而该系统的结构决定了它难以实现预喷射。 15 1 2 中压共轨液压式电控燃油喷射系统 共轨液压式 系统也采用增压 活塞来提高喷射 压力。它有两条公 共油道，一条是提 供中等压力的控 制油路( 共轨管) ， 用来推动增压活 塞：另一条是低压 燃油供油道，用来 向喷油器提供喷 射用燃油。 图1 - - 4h e u i 系统示意图 9 武汉理工大学硕士学位论文 美国c a t e r p i l l a r 公司的h e u i 系统“”“”( 图l 一4 ) 是最典型的共轨液 压式喷油系统。系统的共轨控制油采用发动机机油，用斜盘式柱塞泵作为机 油的高压泵，共轨压力由电磁阀控制在4 m p a 2 3 m p 。，具体值按发动机工 况调节。喷油器结构示于图1 5 ，控制阀的作用是开始及结束喷油过程， 它由提升阀、电枢及电磁线圈组成。工作过程如下：电磁线圈通电后，提升 阀上升，下座打开，同时关闭上座，回油孔被切断，共轨内机油进入增压活 塞上方，使其下行，推动柱塞压缩燃油，此时燃油迸、回油通道由单向阀封 闭，于是柴油油压迅速升高，推开针阀，开始喷射；电磁线圈断电后，提升 阀下行，下座关闭，同时上座打开，机油回油道接通，迅速卸压，增压活塞 在弹簧作用下迅速上行，使压缩腔压力下 降，针阀在喷油嘴弹簧作用下立即关闭， 喷油停止，同时燃油在燃油输油泵压力作 用下通过单向球阀进入柱塞下方。电磁阀 接通的时刻即为喷射始点，电磁阀通电持 续时间决定了喷油量。共轨压力经增压 ( 增压活塞与柱塞的面积比为7 ：1 ) 后 喷油压力可达1 5 0 脚。电磁线圈的动作 由电控组件e c m 控制。油道压力控制阀 r p c v 用来调节高压机油泵的输出压力。 使用机油作为共轨工作油主要是为了解 决燃油在热工况下粘度降低、热起动困难 的问题。采用机油存在的冷起动困难的问 题已解决，能保证在一4 0 起动。共轨中 的机油压力在3 0 m s 内可达到要求值。 h e u i 系统的特点是： 图1 - - 5h e u i 系统的喷油器 1 ) 燃油计量以时间为基础，喷射压力不受转速和负荷的影响，喷油定 时也不受限制； 2 ) 通过改变增压活塞与柱塞横截面积之比，有可能获得非常高的喷射 压力： 3 ) 仅在必要增压放大器中存在高压； 4 ) 通过喷油器中的柱塞和柱塞套上的精密孔道的回油控制来实现喷油 l o 武汉理工大学硕十学位论文 率形状控制的，可以实现预喷射，通过改变计量孔和回油孔的孔径可以得到 不同的喷油速率波形； 5 ) 高压控制油路不仅可作控制燃油喷射，还可以作为电控柴油机其它 控制动力源，如电控进、排气门开启压力源。 该系统的缺点是： 1 ) 喷油形状受影响。必须采用较大流量的电磁阀( 如增压比为7 ：1 ， 则每循环机油量为喷油量的7 倍以上) 。而大流量的电磁阀的响应速度较慢， 当喷油时间很短时，就不易实现预喷射； 2 ) 需要两套油路，同时机油总管的尺寸较大，故安装尺寸大； 3 ) 为保证高压控制机油与喷射燃油的分开，喷射器柱塞部件的配合精 度要求很高。 h e u i 系统目前已应用于n a v i s t a r 公司的7 3 l 直喷增压v 8 t 4 4 4 f 型柴 油机、福特公司的轻型货车及卡特公司3 1 2 6 车用柴油机等，都取得了良好 的经济性和排放指标。另外，日本小松公司的k o m p i c s 系统和美国 c u m m i n s 公司的h p i 系统也属于共轨液压式喷射系统。 1 5 2 高压共轨式电控燃油喷射系统 高压共轨喷油系统主要由高压泵、带调压阀的共轨管、带电磁阀的喷油 器和e c u ( 电控单元) 和各种传感器组成。共轨管油压由高压油泵、压力传 感器和e c u 组成的闭环来调控。它是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具 有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并平抑压力波动，再通 过各高压油管输送到每个喷油器上，由喷油器上的电磁阀的动作控制喷射的 开始和中止。 日本电装公司的e c i ) 一u 2 系统“”时最早开发成功的高压共轨系统之一， 图卜6 为系统构成示意图。该系统由高压油泵、共轨管、喷油器、e c u 和传 感器群所组成。 系统的高压喷油泵( 图1 - 7 ) 为p c y ( 油泵控制阀) + 控制的2 缸直列泵， 凸轮为近似三角形。它用来形成共轨压力和进行供油量控制。通过压力传感 器、e c u 和p c v 组成的闭环形式来计量柱塞室的低压燃油量。高压油泵的供 油定时与燃油喷射同步，保证了共轨压力稳定。这些特点使本系统消除了在 武汉理工大学硕士学位论文 常规直列泵上由于溢流而造成的高压燃油的浪费，减小了驱动功率的消耗。 图1 - - 6e c d u 2 高压共轨系统示意图 图i 一8 三通阀结构 图1 - - 7e c d u 2 系统的高压油泵 三通阀t w v ( 图1 - - 8 ) 是系统的关键部件，起喷油器执行器的作用，也 是共轨管压力、大气压力及喷油器控制腔燃油压力的选择开关。它主要由内 阀、外阀和阀体组成。阀的开启和关闭响应很快( 0 4 m s 以下) 。三个部件 相互间配合度很高，同时分别形成座面a 、b 。外阀是一个电磁阀，作垂直 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 运动。随着外阀运动，座面a 、b 交替关闭，三个油孔l ，2 ，3 双双交替接 通。喷油定时由t w v 的通电时刻决定，喷油量由喷油压力和t w v 的通电持续 时间共同确定。 系统的喷油过程控制是通过三通阀对喷油器控制腔中油压的控制来实 现的，能够实现预喷射、靴型喷射和型喷射。早期的e c d u 2 系统共轨压 力达到1 2 0 m p 。，经过改进后的第二代，其共轨压力可达1 4 5 护。，在下一代 共轨系统中实现1 6 0 m p , ，的喷射压力。e c d u 2 系统已成功安装在日野汽车 有限公司的新型j o s c ( j i a ) d 0 型卡车用6 缸柴油机等机型上。此外，国外其 它较成功的柴油机电控高压共轨喷油系统有：德国b o s c h 公司的轿车用柴 油机高压共轨系统、意大利f i a t 集团的u n i j e t 系统、英国l u e a sv a r i t y 公司 的l d c r 型系统、德国m t u l 公司与l o r a n g e 公司为4 0 0 0 系列柴油机开 发的高压共轨喷油系统等。 1 6 我国电控燃油喷射系统的研究状况 2 0 多年来，国外已先后推出了3 代电控柴油机燃油喷射系统( 即位置控 制、时间控制、共轨+ 时间控制) ，控制自由度、控制精度、系统性能等都已 达到相当完善的程度。我国对柴油机电喷技术的研究起步较晚，与国外先进 水平相比还有相当大的差距。 在位置控制方面( 例如电控可变预行程直列泵系统) 我国已取得了一些 研究成果：但对时间控制式燃油喷射系统，特别是对共轨式燃油喷射系统的 研究还很少。在我国，第2 代电喷系统的研究始于8 0 年代后期，由黄家裕等人 开发出了节流式电控喷油器并在柴油机上进行了实机试验。近几年来，欧阳 明高等人基于自主开发的高速开关电磁阀，提出了另一种形式的时间控制式 电喷系统一一电控直列泵管阀嘴( p p v i ) 系统。该系统由油泵产生高压燃油， 系统的最高喷射压力受限于油泵的供油压力，电磁控制的高速强力旁通溢流 阀安装在高压油管中间，喷油泵供油加压时，通过电磁阀的关闭与开启控制高 压油路的加压与卸压，从而控制喷油器的开启与关闭。喷油器仍然采用机械 式喷油器，旁通卸流的燃油流入低压油路系统。该系统结构简单，电磁阀的响 应速度较快( 为1 6 5 m s ) ，供油量可通过电磁阀的通电脉宽来精确控制。该系统 在对机械式直列泵一管一阀嘴系统进行电子控制升级时，改动部分较少，工艺继 1 3 武汉理工大学硕= = 学位论文 承性好，是适合于我国直列泵应用广泛这一国情的新型电喷系统。 李绍安、苏万华等人首创了一种共轨式柴油机电控燃油系统( p a i r c u i 系统) ，图1 9 为系统的工作原理示意( 进油状态) 。该系统能实现高压 喷射( 1 1 0 埘匕) 和预喷射，但喷油量的 控制精度较低。 武汉理工大学在电控柴油机中压共 轨液压式喷油、配气综合系统的研究：上 海交通大学借鉴国外技术，对高压共轨电 控喷油系统研究；天津大学、北京理工大 学等在共轨蓄压式电控燃油喷射系统的 研究，都取得了一定的进展，但据发表的 资料来看，基本上处于系统原理性开发系 统或台架试验阶段，且试验结果尚须进一 步完善。 图1 9p a i r c u i 原理示意图 总之，根据目前的国内、外发展状况看，走独立自主与借鉴国外先进技 术相结合的道路，尽快地开发出具有民族特色的高性能的电控燃油喷射系统 是我国柴油机发展研究的一个重要任务。 1 7 本文的主要研究工作 本课题的研究目标为：以2 0 0 型单缸柴油机为试验原型机，研制一套电 控柴油机中压双共轨喷油、配气综合系统，此系统能满足2 0 0 型单缸柴油机 各种工况下性能优化对燃油喷射系统、气门驱动系统的要求。其喷油压力、 喷油正时、喷油规律，气门正时、气门升程、气门开启持续期以及气门开启 速度均可以进行柔性调节。并通过对这套系统进行试验研究和理论分析，掌 握电控柴油机中压共轨喷油、配气综合系统的基础技术及其工作机理。 本文的研究工作是：( 1 ) 独立设计整套电控柴油机中压共轨液压驱动开 发平台。使开发平台结构紧凑，给喷油系统提供压力可电控调节、压力波动 小、安全的液压源，使喷油压力高且在各个工况下能达到最优；( 2 ) 研制中 压共轨液力增压式电控燃油喷射系统，包括电控增压泵的设计以及电控喷油 过程的仿真计算与试验研究。 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 研究内容主要包括以下几方面： 1 ) 系统的选型、设计。本文在综合国内、外电控喷油系统的基础上确 定了系统的方案，然后针对一具体机型进行了整个电控燃油喷射系统的设 计，包括液力驱动源、电控液力增压泵及系统结构尺寸的总体布置； 2 ) 建立了一套完整的电控喷油系统试验开发平台( 包括系统的控制、 测试单元) ，对设计的中压共轨液力增压式电控燃油喷射系统进行性能测试。 研究系统对喷油参数( 喷油压力、喷油量和喷油正时) 的可控性； 3 ) 以理论分析为指导，试验验证为手段，从计算机模拟仿真计算和试 验两方面的对比研究，对中压共轨液力增压式电控燃油喷射系统进行机理性 基础研究： 4 ) 对所开发的中压共轨液力增压式电控燃油喷射系统作了工作总结， 并提出了作者对进一步完善系统的看法。 1 8 本章小结 文章首先分析了现代化柴油机对燃油喷射系统的要求，总结了国内外柴 油机电控燃油喷射技术的发展现状和趋势。然后，结合我国的实际情况，提 出本文的研究任务，即研制开发中压共轨液力增压式电控燃油喷射系统。 1 5 武汉理工火学硕士学位论文 第2 章中压共轨液力增压式电控燃油 喷射系统的设计 前已述及共轨式电控喷油系统容易实现高压喷射及喷油参数的柔性控 制，是未来柴油机电控喷油系统的发展方向。在我国实际研究和制造水平的 限制下，如何做到低成本、短周期开发符合我国实际情况的柴油机共轨式电 控燃油喷射系统是我们所需要解决的问题。本文以提高喷射压力和独立、灵 活地控制喷油压力、喷油量、喷油正时等喷油参数为目标，以对原机的改动 尽量小为前提，以实现燃油喷射与进、排气综合电子控制为出发点，开发了 一套以润滑油为驱动油源地带常规喷油器的中压共轨液力增压式电控燃油 喷射系统。 本章对电控喷油系统进行了初期的设计，工作集中在液力驱动油源和电 控增压泵的设计、制造上，对系统方案选定、参数确定及结构设计进行了研 究。 2 1 总体方案的选定 在众多的电子控制燃油喷射系统中，共轨式电子控制燃油喷射系统是使 柴油机实现低油耗、低排放、高比功率的最佳方式，成为近几年来柴油机电 子控制燃油喷射系统的一个发展方向。这主要是它将电予控制直接施加在喷 射过程中，形成对喷油参数灵活、精确、及时的控制，而且它突破了传统喷 油系统脉动供油的原理，将供油与喷油分离，使得柴油机的综合性能在各种 工况下都能处于优化。 本系统是针对2 0 0 型单缸船用柴油机而进行设计的。船用柴油机与中、 小型车用柴油机相比，具有以下特点，所以对中压共轨电控燃油喷射系统有 着不同的要求“。 ( 1 ) 循环供油量大。在较小的循环喷油量情况下，利用电磁阀即可实 现喷油过程的精确控制。而在循环供油量较大的情况下，如何实现燃油喷射 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 过程的控制以及保证整个系统压力的稳定，需要认真研究： ( 2 ) 船用柴油机功率大，对系统安全性要求高。作为柴油机心脏的燃 油系统一旦发生故障，将产生严重的后果，因此，系统中应有非常有效的安 全保护措施； ( 3 ) 相对陆用柴油机，船用柴油机电控系统所受的电磁干扰要强的多， 因此将对共轨系统信号采集和信号处理系统提出更高的要求： ( 4 ) 船用柴油机工作环境更为恶劣。狭小的空间，潮湿、腐蚀性的气 体对电控系统的绝缘性提出了更高的要求； ( 5 ) 船用柴油机所用燃油的品质要比车用机的差，所以要求保证燃油 系统在高压下能可靠地使用劣质燃油运行； ( 6 ) 船用机通常为中、低速机，其运行工况相对于车用机则较为简单。 现阶段进行电控柴油机共轨式喷油、配气综合系统的研究，电子控制环 节的障碍已经不存在，微型单片机的处理速度以微秒计算，而中速机( 以 2 0 0 型柴油机为例) 配气的电子控制精度达到0 1 m s ( 相当于0 3 6 。c a ) 就 足够了。因此控制器的速度与精度完全能够满足要求，系统的速度与精度关 键在于液压源和液压驱动机构的速度与精度等。 2 1 1 方案选择 现在世界上共轨式电控燃油喷射系统种类繁多，但基本可分为两大类： 中压共轨系统( 即增压式共轨系统) 和高压共轨系统。其中中压共轨系统又 分为共轨蓄压式系统和共轨液压式系统，这两种系统喷油压力的形成原理是 相同的( 均为帕斯卡增压原理) ，只是所用的控制油和待喷燃油的压力源不 同( 共轨蓄压式系统的控制油和燃油均来自共轨管；共轨液压式系统的控制 油来自共轨管，待喷燃油来自燃油输油泵) 。对于设计共轨系统来说，首先需 要决定的是选择具有液压放大机构的中压共轨系统还是无液压放大机构的 高压共轨系统。高压共轨和中压共轨系统的比较见表2 一l “1 。 与欧美及日本等发达国家相比，我国在发动机电控燃油喷射系统方面的 研究刚刚起步，存在着巨大的差距，特别是在高精度喷油泵和喷油器的加工 以及高速响应电磁阀的制造等方面。因此，在设计柴油机电控燃油喷射系统 时，不仅要考虑系统的先进性，还要考虑我国内燃机行业的实际加工制造能 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 力，从某种意义上讲后者比前者更重要。 表2 1高压共轨和中压共轨系统比较 性能 高压共轨系统中压共轨系统 比较 1 喷油器结构相对简单1 有可能达到非常高的喷油压力 2 在电磁阀处仅有小的控制油量2