（载运工具运用工程专业论文）基于simulink的柴油机共轨系统仿真研究.pdf

摘要 随着世界各国排放法规的日益严格和能源的日益短缺，各国都在相继采用有 效的能源利用方式。近年来随着技术的快速发展，柴油机以其卓越的燃油经济性 和动力性，在世界的能源利用方面占据着重要的地位。柴油机正朝着低污染、低 油耗和高比功率的方向发展。降低柴油机排放、提高动力性、燃油经济性的关键 在于改善其燃烧过程，而改善燃烧过程则在于喷油系统、迸气系统和燃烧室结构 三者进行良好的组合和匹配，其中燃油喷射系统起着最为重要的作用。在当前所 有的柴油机燃油喷射系统中，尤其是柴油机高压共轨电控燃油喷射系统在降低排 放、提高汽车发动机性能方面是卓有成效的。高压共轨系统的动态压力稳定性直 接影响到系统理想喷油规律的实现，因此，高压共轨系统的研究与开发是当前的 热点之一。 本文根据高压共轨系统的结构特点和模块化设计方法，将其分成喷油泵子系 统、共轨管子系统、喷油器电磁阀子系统、喷油器液压予系统四部分，其中喷油 泵子系统包括柱塞升程和柱塞腔子系统，电磁阀子系统包括电路、磁路和衔铁运 动子系统，喷油器液压子系统包括液体流动和针阀杆运动子系统。然后对四个子 系统分别建立了基于变声速、变密度和变黏度的集中容积法的数学模型，利用 s i 叫l i i l l 【软件进行仿真。在各子系统数学模型的基础上，将四部分整合为高压共 轨系统s i 叫l i n k 仿真模型。由此得到各部件集中容积内的压力特性、驱动电路的 电流、衔铁升程、针阀升程的变化规律等动态参数，并仿真分析了变结构参数和变 系统工作条件下的结构参数和控制参数对系统特性的影响，为今后高压共轨系统 初步设计、选型、运用等方面打下了一些基础。 关键词：柴油机共轨系统仿真 a b s t r a c t i n c r e a s i n g l yr i g o r o u se i s s i o nl e g i s l a t i o na n ds e v e r ee n e r g ys h o r t a g e f o r c ed i e s e lt ob ed e v e l o p e df o rt h eo b j e c t so f1 0 w e rp 0 1 l u t i o n ，l o 孵rf u e l c o n s u m ea n dh i g hp o w e rp e rw e i g h h d 宵e v e r ， t h ek e yt or e d u c ee m i s s i o n s ， i m p r o v et h ep o 髓ro fd i e s e la n df u e le f f i c i e n c ) rd e p e n d so ni m p r o v i n gt h e c b u s t i o np r o c e s so fd i e s e l ，匍1 i l ei m p r o v i n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s s d e p e n d so nw e l lm a t c h i n ga m o n gt h ef u e li n j e c t i o ns y s t 钮，t h ei n t a k es y s t e m a n ds t r u c t u r eo fc 锄b u s tc h 锄b e r ta m o n gt h e s e 。t h ef u e li n j e c t i o ns y s t 钮 p l a y st h em o s ti m p o r t a i i tr o l e a n dd i e s e le n g i n eh i g h p r e s s u r ec 伽m o nr a i l e l e c t r o n i cc o n t r 0 1i n j e c t i o ns y s t e mi st h em o s te f f e c t i v ei n 锄i s s i o n r e d u c t i o n锄de n g i n ep e r f o m a n c ei m p r o v 锄e n t锄o n ga l lo ft h ef u e l i n j e c t i o ns y s t e mc u r r e n t l y s i n c ed y n a m i cp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c e s p e c i a l l yp r e s s u r ef l u c t u a t i n gi n s i d er a i ld i r e c t l yr e f e rt oa c h i e v e m e n t o fp e r f e c ti n j e c t i o nr u l e ，t h es t u d yo fr a i lp r e s s u r ef l u c t u a t i n gh a v eb e e n o n eo fc u r r e n th o t s p o t si nh i g h _ p r e s s u r ec o 衄d nr a i ls y s t 鲫。 t h i sp a p e rb a s e do ni t ss t r u c t u r a lf e a t u r e s 锄dt h e 皿o d u l a 】? i z i n g s i m u l a t i o n e t h o d ，h ig ：hp r e s s u r ec o 衄o nr a i lf u e ls y s t e mi ss p l i ti n t of o l l r p a r t ：p 衄p ss u b s y s t 印， c o 呲o nr a i lp i p es u b s y s t e m ，i n j e c t o rs o l e n o i dv a l v e s u b s y s t e ma n di n j e c t o rh y d r a u l i cp r e s s u r es u b s y s t e m t h eh i g hp 岫p s s u b s y s t e mi n c l u d i n gt h ep l u n g e r1 i f ta n dc u r r e n ts u b s y s t e m ，t h eh i g h s p e e d s 0 1 e n o i dv a l v es d b s y s t e mi n c l u d i n gt h e a g n e t i s m 。 c u r r e n ta n dm e c h 锄i c s s u b s y s t 锄，t h ei 珏j e c t o rh y d r a u i i cp r e s s u r es u b s y s t e 越i n c l u d i n gc u r r e n ta n d n e e d l e1 i f ts u b s y s t e m t h e s ef o u rs u b s y s t e ms i m u l a t i o nm o d e la r ef o u n d e d o nt h ec o r r e s p o n d i n gm o d e le q u a t i o n s 冒h i c hd e t e r m i n e db yt h ef i n i t ev o l 岫e m e t h o da n dt h ep r o c e s s i n gm e t h o do fo n ed i m e n s i o i l a l ，v a r i a b l es o u n d v e l o c i t y ，v a r i a b l ed e n s i t ya n dv a r i a b l ev i s c o s i t y a f t e rt h ev a l i d i t yo f e v e r ys u b s y s “珊s i 哪l a t i o nm o d e li sp l e n a 】_ yc o n f i 加e d ，t h e s ef o u rs u b s y s t 伽 s i m u l a t i o nm o d e la r ec 鲫b i n e dt ot h es i m u l a t i o no fh i g hp r e s s u r ec 咖o n r a i lf u e ls y s t e m t h e r e o u t ，t h ep r e s s u r ec h l “圮t e r i s t i c so fe v e r ) rs d b s y s t 印 t h ec u r r e n to fs o l e n o i dv a l v e ，t h eg a gb i t1 i f t ，n e e d l el i f ta n dc o n t r o l p a r a m e t e r sa n dc o n t r 0 1p a r a 皿e t e r sh a v eb e e no b t a i n e d w h e r ea f t e rt h i sp a p e r s i m u l a t e da i l da n a l y z e dt h ee f f e c t so fs t r u c t u r ep a r a 血e t e r s0 nh i g hp r e s s u r e c o 衄r a i lf u e ls y s t 衄p e r f o n n 锄c e ，t h e r ea1 0 to fc o n c l u s i o na r ef o u n d a v a i lt om a t c h i n ga n de s t a b l i s | l m e n to fc o n t r o ls t r a t e g yf o rh i g hp r e s s u r e c o 衄o nr a i lf u e ls y s t e m a l lt h i sc a ng i v es 伽es u p p o r tf o rt h ed e s i g na n d 1 e c t o t y p eo fh i g h p r e s s u r ec o 咖o nr a i l f u e ls y s t e 札 ”帕r d s：d i e s e le n g i n ec 锄o nr a i ls y s t e m s i m u l a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：) 勾多勿 日期：2 0 0 r 7 年弓月衫日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：l 勾纱 ， 日期：2 0 0 7 年3 月西日 指导教师签名 日期：2 0 0 7 年3 月对日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 共轨喷射系统是降低柴油机排放的有效途径 柴油机以其热效率高、扭矩特性优良、c d ：排放量低及可靠性好等优点而得到 了广泛的应用，但是也有不少缺点，如n o x 和p m ( 颗粒) 排放高，噪音大。目前， 对于柴油机的研究主要集中在降低n 0 x 和p m 排放以及提高燃油经济性方面。柴油 机的排放己经对环境构成了较大的威胁。排放的尾气中含有c 巩、c o ，h c 、n 0 x 、 p m 等，其中n o x 是酸雨形成的源头，n 0 x ，h c 和0 3 会产生光化学烟雾；蹦和h c 会致癌；n o x 和c o 会导致人呼吸障碍。在柴油机中，最成问题的是烈和n o x 的排 放。起初人们并没有重视蹦的排放，随着医学的发展，发现蹦也是人类主要致 癌物质之一，从此对p m 排放研究也提上了日程。n o x 的生成取决于燃烧温度、燃 烧持续时间和燃烧的富氧状况，而蹦排放主要与预混合状态有关。降低刚一般 是通过改善预混燃烧，对于燃油系统而言，很多情况下都是采用提高喷射压力的 方法，然而n 0 x 排放和p m 的排放是一对矛盾，采用提高喷射压力的方法，能有效 地降低颗粒的排放，但n o x 的排放却会增高，究其原因，主要是因为随着喷射压 力的增高，空气燃油预混改善，油滴直径减小，因此炭烟随之减少，如图1 1 ，燃 烧室此时星高温富氧状态，n 0 x 排放就会随之增加。目前，除了共轨喷射外，能使 柴油机瑚和n o 】【排放同时降低到满意程度的其他技术措施还很少。图1 2 说明了 p m 和n o x 排放之间呈现双曲线的关系： 辱 斗 蜒 爱 喷油压力p 肿b 圈1 1 油滴的平均直径和烟度与喷油压力的关系 f i g 1 1 t h er e l a t i 伽s h i pb e t - e e na v e r a g ed i a - e t e r o fo i ld r o pa n ds o o t - i t hi n j e c t i o np r e s s u r e 期t 围1 2 雕和啪x 排放之间的关系 f i g 1 2t h er e l a t i o n s h i p b e t - e e n阳_ n dn 0 x 明i s s i 一个增加，另一个则减少“1 。从理论上说，要同时降低n 0 x 和p m 排放，可以在预 混良好的情况下分多段小油量进行喷射，预混良好会降低跗排放，每段的喷射量 小会使燃烧室温度较低，降低n o x 排放。但实际上由于客观条件限制( 如电磁阀频 率) 无法实现这样的分段喷射( 且前最多是7 段喷射) ，因此只能采取折衷的办法。 从图1 3 虚线可以看出，由于柴油机的压缩比大，预混合燃烧阶段的放热率大， 口 o 2 口 2 l !i，搿删昂裔寰 第一章绪论 2 燃烧温度较高，加之燃烧开始阶段的氧气供应充分，正好满足n o x 的生成条件， 即n 0 x 的生成主要在预混合阶段，此时微粒( p m ) 是由碳粒和可溶性有机物组成， 主要是由烃类燃料在高温缺氧条件下裂解而成。 由于n o x 排放和蹦排放主要与柴油机燃烧室中燃气燃烧过程有关，因此降低 柴油机排放都是围绕改善燃烧过程而进行的。为了实现图1 3 粗线所表示的放热 形状，达到预期的降低排放的目的，即需要在预混合燃烧期抑制预混合燃烧量降 低初始燃烧温度以降低n 0 x 的排放；在扩散燃烧期保持混合良好和较高的燃烧温 度促进扩散燃烧以及降低蹦的排放。这需要燃油系统、燃烧室形状、气流运动等 进行良好的组合和匹配。其中，燃油系统最为重要。 上面所说的是理想情况，从喷油规律来考虑，主要是合理分配各段喷油量， 具体就是减少预喷油量( 降低n 0 】【排放) 和加强主喷射时的混合( 降低p m 排放) ，这 些都对燃油系统提出了较高的要求。 图1 3 降低排放的方法 f i g t h e - e t h o do fd e c r e 8 8e - i s 8 i o n 表1 1 改善燃烧的技术措施 t a b t h et e c h n 0 1 0 9 y - e t h o do fi - p r o v ec o m b u s t i o n 致瞢燃烧的措麓 技术措麓控捌捧敏对纛 囔油定时优化：赢腰确射( 电 燃袖系统 空商噩油袋冀辘装喷囊) ； 帕l 氍媸 暖替喷油耀律 燃烧毫彤献放f各种燃烧蜜设计参数优亿h 和甑 可变透气祸瘴多气rj ；增监 避捧气系缆 硝 巾冷可变几何参数埠压 废气- 再循坪中冲嘲融 理想的燃油喷射系统需要具备以下特点“。： 最佳的喷油定时。 减少预喷射油量。 高喷射，良好雾化。 喷油结束干脆。 第一章绪论 3 然而，如前所述，同时降低雕和n o x 排放，需要燃油系统、燃烧室形状、气 流运动等进行良好的组合和匹配，因此其他的技术措施也是比较重要的，具体如 表1 1 所示。 图1 4 则表明了分别采用不同的技术成功地实现了4 次飞跃，从欧i 以前的 排放水平达到欧和欧v 水平。新型燃烧室和增压中冷技术，主要是通过改变燃 烧室的形状、增压( 达到欧i 排放标准，喷射压力小于1 0 0 聍a ) 使燃料空气预混改 善从而达到减少雕排放的目的，而中冷则是为了适当降低燃烧温度从而降低n 0 x 排放。但是，n o x 排放和蹦排放矛盾问题依然没有能很好的解决，在低转速高负 荷情况下两者矛盾尤其突出，影响了柴油机的排放达标“1 。 废气再循环( e g r ) ，e g r 是指将柴油机排出的废气通过一定的手段重新引回到 气缸内参与燃烧，从而达到降低燃烧温度以减少n o x 生成的目的。排气系统中含 有大量的惰性气体，其一方面由于具有较高的热容量，在燃烧过程中吸收较多 热量，降低了最高燃烧温度，降低了预 混合时期的燃烧放热速率；另一方面起 到了稀释新鲜空气的作用，使得氧气浓 度下降，进而抑制了n o x 生成。但此时 对p m 的形成却起到了促进作用，因而 采用了进气增压中冷措施( 喷油压力提 高到5 0 m p a 以上) 作为补充，在降低n 0 x 的同时不会对删排放造成过大的影响。 但是废气再循环低负载时影响发动机 的工作稳定性，高负载时影响发动机的 动力性，而且磨损严重，影响发动机的 寿命和可靠性。总体来说，e g r + 高压喷 射侧重于n o x 排放，是以牺牲发动机的 综合性能为代价的，实质上仍然没能完 全解决n o x 和p m 排放的矛盾。因此最 多只能达到欧i i 标准。 o2 飓k 佣吣】 图1 4 同时降低帅x 和阳的方法 f i g 1 4t h e - e t h o do fd e c r e s s 一0 xa n d 雕 能够使排放满足欧i i i 以上标准的是新型的电控燃油喷射系统。新型燃油喷射 系统包括：电控泵喷嘴系统、电控分配泵系统和电控共轨系统等。 电控泵喷嘴系统基本保持了以往机械泵喷嘴系统的结构，因为没有高压油管， 所以高压系统的死容积可以最大限度地减小，对于高压化非常有利，喷油量的控 制则是由电磁阀控制开始和结束，电磁阀的通断就决定了喷油泵和低压系统的通 断。电控泵喷嘴系统最高喷油压力可达1 5 0 m p a 1 8 0 咿a ，和机械泵喷嘴系统相比， 第一章绪论 4 主要在喷油量和喷油定时控制方面较精确，在沃尔沃、卡特匹勒等大型卡车柴油 机中广泛采用。 电控分配泵系统主要是b o s c h 、日本电装、日本杰克塞尔，英国l u c a s 、美国 s t a | l a d y n e 等公司在开发“州”，常见的分配泵是用两对以上的柱塞将燃油加压， 并将加压了的高压燃油按照喷油次序压送到各个相应的气缸。与以往机械分配泵 相比，电控分配泵主要在油量调整和喷油正时控制方面较精确，文献采用、e 电 控分配泵使得n o x 排放和p m 排放都相对较小。 电控分配泵通过产品功能再配置实现完全电控化就出现了第三代产品，即电 控共轨系统。1 9 9 3 年，戴姆勒奔驰公司对各种不同的柴油机燃油喷射系统进行 了对比，目的是为新一代轿车柴油机选择发展潜力较大的燃油系统，期间的研究 表明，只要采用预喷射就可改善噪声特性，并可达到将来的废气排放限值。但是 发现电磁阀控制的泵喷嘴系统对于喷射油量的稳定控制有很大的局限性，而且任 何情况下都不可能超过3 0 0 0 r m i n 。供油凸轮不但限制了喷油始点的提前，也限制 了最小喷射的预喷射油量。对于小的预喷油量难以满足供油时的驱动转矩，使凸 轮轴上形成转角波动，影响供油速度；而采用电磁阀控制的分配泵，只能在有限 的转速范围内实现预喷射。而且这两种系统在喷油压力和喷油率方面不可控，所 以由此带来的一系列问题就不可避免。和这些系统相比较，电控共轨系统能在整 个负荷和转速范围内都能灵活实现预喷射“1 ；可以独立控制喷油压力和喷油率。 后处理装置，主要有颗粒滤清器、n o x 催化剂等，过滤或吸收排放废气中的污 染物质，从而达到排放标准。但是颗粒滤清器有其局限性，如果燃烧过程不良， 颗粒排放物多，就容易造成滤清器堵塞，使得颗粒滤清器的寿命大大缩短；n 0 x 催 化剂，用在柴油机上的技术还不够成熟，它比汽油机要复杂得多，而且费用高， 当发动机转速和负荷发生变化时很难控制。后处理装置的使用需以新型燃油喷射 系统为前提，两者的结合可以使排放提高到一个新的水平，结合了共轨技术的系统 可以使排放达到欧v 标准。表1 2 为我国柴油机汽车排放标准。我国于1 9 9 3 年到 2 0 0 0 年间出台了相当于欧i 排放标准的g b l 8 3 5 2 卜2 0 0 0 排放法规，相当于欧i i 标准的g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 0 也已于2 0 0 4 年1 月1 日开始实施，计划2 0 0 8 年将实施欧 i i i 标准。为迎接2 0 0 8 年奥运会，北京于2 0 0 5 年实施欧i i i 标准，计划2 0 1 0 年与 国际接轨。但是从国外的经验来看，从欧i i 到欧i i i 的过渡过程较为缓慢，因此， 我国可能会出现欧i 、欧i i 和欧i i i 并存的局面。要缩短这个过渡期，需要采用 新型燃油喷射装置，比如高压共轨燃油喷射系统。 第一章绪论 表1 2 我国柴油汽车排放标准( 单位g k m ) t a b 1 2e m i s s i o nl i - i tv a l u eo fc h i n af o rd i e s e la u t d - o b i l e p m 标准实麓时阊n o xc oh c 8 5 k w8 5 k w l ( 取承d1 ) 2 0 0 0 9 13 o0 3 60 6 l4 5l l 2 ( e u r o i i )2 0 ( 1 4 i 17 ，oo 1 5o 1 54 o1 1 3 ( e u r 0 珏i )2 8 ( 预计) 5 o o 1 0 o 。1 32 1 o 6 6 4 ( e u r o )2 0 1 0f 预计)3 5o 0 21 so 4 6 5 电控共轨系统是在电控分配泵系统基础上发展起来的，完全满足降低排放对 燃油系统的要求，在可预见的将来，这是一种满足排放法规不可或缺的一种措施， 其主要特点为啪：可以独立控制喷射压力、喷油量、喷油时间和喷油率，因而 更容易控制喷油规律形状，可以灵活精确地选择喷油始点、终点和喷油量，并且 可独立调节，而且调节范围没有理论上的限制。可实现多段喷射、靴型喷射、 喷射等多种模式，调节喷油率形状，实现理想喷油规律，降低柴油机的噪声和n 0 x 排放。理想喷油规律如图1 5 为五段喷射，现在已经达到七段喷射和靴型喷射( 图 1 6 所示) 或任意多段喷射。以5 段喷射为例，引导喷射通过预混合燃烧，降低蹦 排放；预喷射缩短主喷射的着火延迟，降低n 0 x 和燃烧噪声；后喷射促进扩散燃 烧，降低蹦排放；后期喷射( 补喷) 使得排温升高，便于后处理。图1 6 靴型喷射， 和预喷射不同之处在于，喷油是连续不间断的，并且可获得先缓后急的喷油规律， 对降低n o x 较有利；高压喷射，使得液滴直径减小，面容比增大，从而改善混 和；压力的建立和转速、喷油量无关。低转速、高负载情况下一样可以保持很 高的喷射压力；共轨式喷油系统喷射压力的控制和喷油过程的控制互不关联， 喷油定时和喷油量完全分开，可自由选定；结构简单，适用性强，无需对柴油机 进行大的改动便可用共轨式喷射系统代替原喷射系统。 韧蟾嘴潍量口瞪 强 图1 5 五段喷射 f i 1 5t h ef i v es t i o nj n j t i o n 鼍爨謦 第一章绪论 静 麓 誓 。c 图1 6 靴型喷射 图1 6t h eb o o ts h a p ei n j e c t i o n 6 但是共轨式喷射系统也有待改进之处： 如果分段喷射量选择不合理，高喷射压力会使得柴油机的噪声、n o x 、和眦 排放增加； 喷嘴针阀的头部、密封面一直处于高压作用之下，为防止泄漏，对喷嘴加 工工艺的要求就会很高； 由于共轨式喷射系统在小负荷、小喷油量的工况下，对电磁阀的响应速度 要求非常高，微小变化就会使误差很大，而且磨损也较大，增加了电磁阀的设计 难度。现在用压电陶瓷代替电磁阀作为执行器，和电磁阀相比，压电陶瓷执行器 没有由于电涡流和磁滞效应造成的滞后，因此阀的响应速度高达o 1 m s ，可以实现 更高的喷射油量及定时的控制精度。 1 2 柴油机电控共轨燃油喷射系统发展概况 1 2 1 电控共轨喷射系统的发展过程 2 0 世纪9 0 年代研制出了一种全新的燃油喷射系统，即电控共轨燃油系统，虽 然该系统正式面市时间还不长，但已经显示出了它的巨大优越性和发展潜力。 2 0 世纪6 0 年代后半期，瑞士的h i b e r 教授开发成功柴油机电控共轨系统自铲原 型”。其后，瑞士工业大学以g a n s e r 教授为中心对电控共轨系统进行了一系列研 究。 2 0 世纪8 0 年代，日本电装开始将精力转向柴油机燃油系统方面，开始考虑将 汽油机的电控喷油技术应用到柴油机上来，于是构思了e c 肛u 2 系统。 1 9 9 4 年，由戴姆勒一奔驰、菲亚特、e l a s i s 公司和博世四家公司成立了联合 开发组，共同开发了电控共轨式燃油系统。 同年，b o s c i l 将当时较陌生的共轨式燃油喷射系统开发成为批量产品，并作 了2 0 0 万公里室外道路试验验证，证实了电控共轨系统在噪声特性、排放及发动 第一章绪论 7 机结构设计方面的优越性。 日本电装公司于1 9 9 5 年年末，将e c d _ 1 1 2 型电控高压共轨系统成功地应用于 卡车柴油机而开始批量生产，从此开创了柴油机电控共轨燃油系统的新时代。 e c d _ u 2 型电控共轨系统是电装公司和丰田汽车公司共同研制开发的。 博世公司于1 9 9 7 年年末，开始批量生产轿车柴油机用电控高压共轨系统。 1 9 9 9 年，电控共轨系统己经和小型柴油机、中型柴油机以及重型柴油机匹配 成功。 随着共轨系统显示出的威力，越来越多的公司开发类似产品，国内也出现了 相关产品，目前，大多公司都在大力开发第三代电控共轨系统。博世公司已经开 发出第三代和第四代压电晶体式电控共轨燃油系统。 1 2 2 国外电控共轨燃油喷射系统发展概况 国外共轨喷油系统发展较早，已经处于应用阶段，按照其共轨压力的高低主 要可分为两大类”1 ，高压共轨系统和中压共轨系统。高压共轨系统共轨内的压力等 于喷油器喷油压力，共轨压力通常较高，一般在1 2 0 m p a 2 2 a 之间，最典型的 就是下面所述的日本电装e c d - u 2 系统和b 0 c s h 的共轨系统等；而中压共轨系统共 轨中的压力通常较低，一般在4 肝a 到2 5 好a 之间，但是在喷油器中有增压装置， 以便能够实现高压喷射，通过增压可以使喷射压力达到1 5 0 盱a 以上，典型的如美 国c a t e r p i l l a r 公司的聊i 共轨系统；中压共轨系统中还有一种蓄压式共轨系统， 通过喷油器增压，但是高压油储存在蓄压室中，典型的如美国b p m 公司s e r v o j e t 中压共轨喷油系统。目前较为典型的共轨电控喷油系统产品主要有以下几种： 典型高压共轨系列 日本电装e c 胪u 2 高压共轨系统； 德国b ( ) s c i i 公司共轨系统和原意大利f i a t 公司u n i j e t 共轨系统； 德国砌m 4 0 0 0 高压共轨系统； 英国l u c a s 公司的l d c r 高压共轨燃油系统。 典型中压共轨系列 美国b p m 公司s e r v o j e t 中压共轨喷油系统； 美国c a t e r p i l l a r 公司的删i 中压共轨燃油系统； 其他公司的共轨燃油系统。 1 2 2 1 不同共轨系统特点比较 以e c d _ u 2 、b o s c h c rp a i r c 【i i 和删i b 为例( 前两种是高压共轨系统中的 代表性产品，后两种是中压共轨系统中的代表性产品，其中p a i r c u i 为蓄压式中 压共轨系统，为天津大学研制，放在这里比较主要是因为它是继承了s e r v o j e t 的 系统特点，克服了其缺点，能够代表蓄压室中压共轨系统的发展状况，聊i 为液 第一章绪论 8 压式电控中压共轨系统) ，对不同产品作了个比较，如表1 3 “”所示。从技术层面 来看，b 0 s c f 卜c r 和e c d _ u 2 是比较先进的，但是其他层面比如开发难度、开发周期 等来看，其他两个系统也要占一定优势。 表1 3e c d - u 2 、s c h r 、p a l r c u i 和h e u 卜b 系统对比 t a b t h ec p a r i s o no f8 y s t e - o fe c d - u 2 ，b o s c h c r ，p a i r c u i ，蛐d 胍u i b 共孰系统 p a 珏t c u l珏e i ，i - be c d j u 2b o s c h 积 平均喷珏 力赢饭高斑礴 投 磅j 出孝豹可挣制性 研挖可控 可挖 可控 詹 i i i 毫蓣碗控制豹蔑活性可宜现可宣现可贫现可蜜现 层 喷油定时的可控觎嚣 计 空自，拄 吁挣 日i 挖 喷油器纳拘的台理性较台理较台理台理合理 盘 喷衲系统缆掏的台珲性较台理较台理台理仓理 降低撵放的教柬 效柒对以 教聚以效果扰i ；l效袋优庭 系统开发难度鞍，舂甥客羼较难赡 系统扦艇周期 搬短较短报长饺长 对柴油机的改动改动较大改动较大报少教动缀少改动 从喷油角度来看，高压共轨系统可快速启动，可实现任何转速、任何工况下 的高压喷射，对低负荷低转速工况稳定运行有利，但是有电磁阀响应时间和密封 等方面的问题。博世的共轨系统主要用于小排量轿车柴油机，日本电装共轨系统 主要用在大排量卡车柴油机，因此，高压共轨系统适用性比较广，s e r v o j e t 蓄压室 共轨系统密封加工制造容易，电磁阀响应要求较低，降低了对供油压力的要求， 具有进一步提高喷射压力的潜力，但是初始喷油速率很高，随着燃油喷出，蓄压 室中的压力逐渐降低，使喷油速率越来越低，不符合先缓后急的要求，大津大学 在s e r v o j e t 基础上研制出的新型蓄压式喷油器p a i r g u i ，已经解决了预喷射、喷 油率的可控、喷射压力较低等问题“，因此蓄压式共轨系统还是有发展潜力的； 液压式电控中压共轨系统如聊i 采用机油作为控制油，解决了柴油在热工况下粘 度降低、热启动困难的问题，而且密封容易，加工制造方便，但是电磁阀的响应 要求比较高n m ，需采用大流量电磁阀，但大流量电磁阀响应速度较低，喷油时间 很短时，不易实现预喷射，影响喷油规律形状，另外安装尺寸较大。因此其适用 对象一般为单缸排量为1 o 1 5 l 的柴油机。 1 2 2 2 典型共轨系统介绍 ( 1 ) 日本电装e c d - u 2 日本电装公司( n i p p o n d o n s o ) 开发的e c d - u 2 系统，该系统由高压油泵、共轨 管、喷油器、电子控制单元( e c u ) 和各种传感器等，系统原理图如图1 7 所示。e c 胪u 2 系统原理为燃油经高压油泵进入共轨油管，共轨油管装有高压传感器，为e c u 提 供反馈信号，b c 【控制油泵上的控制阀，使共轨压力稳定于所需要的值，共轨压力 第一章绪论 9 可达1 0 0 肝a 以上。喷油器电磁阀断电关闭时，三通阀的进油口打开，泄油口关闭， 共轨中的燃油既进入喷油嘴，又进入液压活塞上方，液压活塞下行，针阀受压， 喷油嘴不喷油。电磁阀通电升启时，三通阀的迸油口关闭，泄油口打开，液压活 塞上方的压力降低，针阀在共轨压力的作用下抬起，开始喷油。为了形成所需要 的喷油率，在液压活塞上方设计了一个单向阀和节流孔，使油压逐步下降，由于 活塞面积比针阀面积大得多，因此能以很大的液压力来关闭针阀，实现快速停油。 喷射定时由三通阀的定时来控制，喷射量由三通阀接通的持续时间来控制。其中 三通阀和喷油器是关键部件。其存在的问题是：要求三通阀的响应时间很短，目前 新产品已经改为二通阀，由于系统内部为高压，因此密封是个问题“”“”。与b o s c h 喷油器主要不同点在于电磁阀的铁芯由硅钢片叠制而成，因此对电涡流有较强的 抑制作用，特别指出的是，由于供油泵和电控喷油器中电磁阀采用了螺旋形磁铁， 两者的性能和结构有了很大的改善，驱动电流也较小( 峰值电流8 1 3 a ) 。其供油 泵有多种系列，主要有h p o 。船3 和肝4 等，其中咿3 和印4 系列采用了标准化设 计，两种供油泵的零部件的通用化率8 0 ，供油部分基本是通用的，且充分考虑 到生产工艺性。h p o 系列的高压油泵主要是柱塞式直列泵，有2 缸，也有3 缸，采 用发动机机油强制润滑。其主要特征可靠性高、效率高、成本低。泵的凸轮有单 作用型、双作用型、三作用型和四作用型等多种类型；采用三作用型凸轮可使柱 塞单元减少到l 3 。共轨压力的控制主要采用闭环控制油泵出油量的方式，没有压 力调节阀，因此喷油系统的能量利用率较高“”“”。 图1 7e c d _ u 2 共轨系统原理围 f i g t h es k e t c ho fe c d u 2c 佣_ o nr a i ls y 8 t 明 ( 2 ) 德国b 0 s c h 公司的高压共轨系统 德国b o s c h 公司也研制了自己的高压共轨电控燃油喷射系统( 见图1 8 ) 。高 第一章绪论 1 0 压供油泵为带有电控压力调节器的径向柱塞泵，其中一个柱塞上装有断油阀，小 负荷下切断该缸供油，达到节能目的，可实现部分停缸控制，这与e c d u 2 不同。 因此低压时的功率消耗可降低，轨内压力可以在1 5 1 4 0 m p a 范围内自由调节，能 成功地实现低喷油率、预喷射和多次喷射。电磁阀的响应时间很短，开启与闭合 时间之和小于o 2 7 m s 。关键技术在于该公司开发的喷油器，喷油器采用了二位二 通球阀，具有较强抗污染能力。电磁阀通过压力柱塞控制针阀的开启与关闭。针 阀表面涂无定型碳，增强了针阀的抗卡死能力。油泵凸轮采用了偏心圆结构“”“”。 主要技术参数如表1 4 “”。 表1 4b o e c | l 公司共轨系统主要技术参数 t 曲1 4t h et e c h n o l o g ys p e c i f i c a t i o n so fc o 叫o nr a “s y s t 明o fb o s c h 供浓泵爽型径向往塞泵 最箍喷射匾力_ p a 1 4 0 最犬供油避衄一棚约3 3 0 供油聚缝高转速晰n j n约4 0 0 0 嚷衲嚣电磁嘲2 2 电磁绷 图1 8 & c h 公司的共轨系统 f i g 1 8t h ec o o nr a “s y s t e - f r o b o s c h u n i j e t 系统是意大利菲亚特集团研制出的共轨式电控燃油喷射系统，后被 b o s c h 公司收购。图1 9 为该系统示意图。适用于转速为1 0 0 0 r m i n 6 0 0 0 r m i n 的发动机，主要技术参数为：最大供油1 0 0 衄。s t ；喷油压力调节为1 5 - 阮1 3 0 m p a ； 各缸喷油量和喷油定时可独立控制；在发动机宽阔的转速范围内可以到达非常小 的预喷油量“”。在阿尔法罗密欧1 5 6 型轿车上采用的f i a t l 9j t d 柴油机是意 大利最先采用共轨式电控燃油喷射系统的轿车动力，采用的就是u n i j e t 系统“” 其带压力调节器的高压供油泵是一个等排量的径向柱塞泵，内有三个泵油柱塞， 第一章绪论 彼此问呈1 2 0 布置，借助于三角形轴瓦，仅用一个偏心轮驱动，这样设计的目的 是使轴负载产生一个几乎不变的扭矩。由于柱塞到上止点时有非常小的有害容积， 所以泵的泵油效率极高( 9 0 ) 。不管高压和高速，起润滑和冷却作用两者不需 要任何发动机润滑油，只利用其本身柴油即可。每个泵油柱塞在进口端装上一个 板阀，在输出端装一个球阀。所有泵油柱塞器供油量都集中在泵内，只用一根油 管把高压油输入共轨中。发动机低转速、低负荷时，开关电磁阀不激励，封闭柱 塞供油端，只用其2 3 的泵油量，这对于减小燃油温度影响和摩擦损失有利。泵 和发动机传动轴间无相位要求。共轨中油压由压力调节阀和固定在高压输出端的 一个比例回油电磁阀来控制。由于泵的排量不变，所以在油道中油压油压力调压 阀和固定在高压输出端的一个比例回油电磁阀来控制。u n i j e t 系列电液喷油器中 用的是无压力式标准型p 系列喷油嘴“”。 圈1 9u n i j “高压共轨系统 f i g 1 9t h eh i g hp r e s s u r ec 伽- o nr 8 i l8 y s t e _ f r 馆u n i j e t ( 3 ) 德国l 盯u 4 0 0 0 高压共轨系统 删和它的l o r g a n g e 子公司从1 9 9 4 年开始一直共同从事共轨式电控喷射系 统的合作开发，在单缸和8 缸样机上作试验。在这些工作成果的基础上，砌m 公司 在1 9 9 6 年投产的删4 0 0 0 系列柴油机上采用了共轨喷油系统。 图1 1 0 为m t u 4 0 0 0 系列柴油机共轨燃油系统示意图，系统主要由高压泵、共 轨管、喷油器和发动机电子控制系统( 肋e c 或叻e c ) 等组成。齿轮驱动的高压油泵 以设定的压力( 约1 2 0 肝a ) 将高压燃油输送到共轨，再由共轨分配到各个喷油器。 喷油量取决于共轨压力和喷油器电磁阀控制电流的持续时间，共轨压力的调整和 电流持续时间的控制均通过电子控制系统来实现。燃油压力由共轨上装设的压力 第一章绪论 传感器来测定，对应于电子控制系统中设定的压力特性曲线。高压油泵的燃油流 量与发动机的每一工况点相匹配。电子控制系统还可准确控制喷射始点。燃油共 轨系统的采用使m t u 4 0 0 0 系列柴油机表现出显著的优点：共轨内稳定的高压与发动 机转速和凸轮轴位置无关，喷油量和喷油时刻由柴油机电子控制系统灵活控制， 可对影响燃烧的所有燃油喷射参数单独进行调控，使之很好地适应各种运行工况。 l o r g a n g e 公司的喷油器制造公差已经达到了o o o l 姗。随着4 0 0 0 系列发动机共 轨燃油喷射系统的引进，l o r g a j l g e 将其应用范围扩大到了缸径更大的高速或中 速柴油机上。目前，公司为缸径范围为1 6 0 5 0 0 咖的1 0 种不同的发动机系列提 供共轨燃油喷射装置。在最近的研制中，l o r g a n g e 在产品型装置上己经使系统 轨压达到了1 8 0 肝a ，该系统用在新的单缸排量为1 7 3 7 l 的册u 8 0 0 0 系列v 型柴油 机上。共轨系统用于4 0 0 0 系列发动机时，其能在发动机运行曲线上的每个点对喷 油定时、喷油量( 体积) 和喷油压力实现无级调节。喷油器的压力油也可通过不同 的方法获得。在4 0 0 0 系列方案上，每一排气缸都共有一个坚固的蓄压器( 麸轨) ； 而在8 0 0 0 系列方案上，则在每个气缸喷油器的附近都安装着各自独立的单体蓄压 器，其容积为o 4 l 。 图1 1 0 _ t u 4 0 0 0 系列高压共轨系统 f i g 1 1 0t h eh i g hp r e s s u r ec 哪o nr 8 i ls y s t 明f r 锄m 州4 0 0 0 ( 4 ) 英国l u c a s 公司的l v 陬高压共轨燃油系统 英国l u c a sd i e s e ls y s t 阻公司研制的柴油机高压共轨式电控喷油系( l v c r ) 。 通过e c u 对输油泵计量和高压调节器泄油进行电子调节。系统的结构较简单，见 图1 1 1 。系统有如下特点位1 3 ： 喷油压力独立于发动机转速和负荷； 结构设计紧凑； 第一章绪论 1 3 组合式系统，各缸均有一个高速电磁阀驱动的喷油器，可适用于3 6 缸柴 油机； 驱动扭矩低； n 0 x 排放量低； 系统中增加了预喷射，噪声低； 汽车全面实现电子控制。 其l d c r 喷油器最高喷射压力可大1 6 0 姗a ，属于液压式喷油器，可精确控制供 油量，能满足高速直喷柴油机的要求，同时也可方便安装在四气门发动机上。该 喷油器中没有液力活塞，结构紧凑，体积小，直径为1 7 衄，在喷油器体内安装了 一只新型的小型压力平衡控制阀，工作时控制电流小。这个控制阀是该喷油器的 技术关键，它与众不同，电磁执行器尺寸非常小，反应极快，同时离针阀很近， 由于它结构小，运动质量低，压力平衡响应快，离针阀很近，控制阀发出的指令 很快就到达针阀，它控制的一个信号到另一个信号之间很接近，这有利于预喷射， 由于预喷射很接近于主喷射，时间延迟短，可以改善预喷射的质量。由于控制阀 质量轻，响应时间短，可以降低噪声和排放，但是阀的抗污染能力差。直径1 7 皿 的喷油器内包含一个新的溢流阀。喷油器小的运动质量使其在每一工作循环内能 够完成多段喷射所需的快速控制针阀的打开和关闭。特别是在小喷射量时各