柴油机高压共轨综述

1、柴油机高压共轨燃油喷射的综述（江苏大学汽车与交通工程学院 镇江 ）摘要：介绍了柴油机电控高压共轨喷射系统组成与工作原理，阐述了高压共轨燃油喷射技术的特点及亟待解决的问题，并对当今国外典型的高压共轨喷射系统进行介绍和分析,总结各种系统的最新进展。关键词：柴油机 高压共轨 喷射系统Overview on High-pressure Common-Rail fuel injection in Diesel Engines (School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang )Abstract： Th

2、e compositions and working principles of electronically controlled high-pressure common-rail injection system have been introduced. The features and problems to be solved of high-pressure common-rail fuel injection system have been described. Besides, foreign typical high-pressure common-rail inject

3、ion systems have been introduced and analyzed. The latest developments in various systems have been summarized.Keywords：Diesel engine High-pressure common-rail system Injection system0 前言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1，是柴油机满足欧洲、欧洲甚至欧洲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

4、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2。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3。国外最新开发的共轨燃油系

5、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4。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

6、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图1 高压共轨系统组成示意图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

7、、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130160 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(E

8、CU)，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( p

9、iezo 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5。 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。 喷油器开启状态当电磁阀受到开启电流的作用，电磁阀线

10、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。图2 电磁式喷油器 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

11、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,

12、 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6。其主要特点是: 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

13、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。 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。 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。 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。 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 燃油喷射系

14、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。 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。 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。 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。 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。3 国外主要的

15、高压共轨喷射系统3.1 德国Bosch公司的高压共轨系统1997年Bosch公司首次推出第一代轿车用共轨喷油系统(首次应用在Alfa Romeo公司和Mercedes-Benz公司的车型上)，并于2000年开始批量生产第二代共轨喷油系统(首次应用在Volvo和BMW公司的车型上)，2003年5月, Bosch公司开始批量生产第三代紧凑型压电直接控制式喷油器(图3)的共轨喷油系统，(首次应用在Audi公司的车型上), 这是柴油共轨喷射技术领域内的一次技术飞跃7。图3 第三代轿车用压电共轨喷油器结构图Bosch公司前两代共轨系统主要是以系统的喷油压力来表征的, 第一代共轨系统的喷油压力为135MP

16、a, 第二代共轨系统的喷油压力为160MPa。而第三代共轨系统是以其高精尖的技术内涵为特征的, 该系统暂时将喷油压力仍保在160MPa。压电式喷油器的高度集成化, 使其压电执行器与喷油器头部喷嘴中的针阀靠得更近, 从而使系统具有优良的“液压响应速度”。喷油器运动件质量减少了75%, 并将喷嘴针阀部件的零件数从4个减少到1个。这样, 这种压电式喷油器的液力响应速度为市场上所提供的所有电磁式喷油器的2倍。传统的共轨技术在分段喷油时最多只能将每次喷油过程分成57段, 然而采用第三代共轨系统后, 可按需要将喷射过程分成任何多的段。尽管部分负荷时设定的喷油量进一步减小了, 但是燃油计量的精度却提高了。据

17、Bosch公司介绍, 这种精确计量分段喷油的结果是, 柴油机废气排放降低15% 20%, 而柴油机功率可提高5%7%, 噪声明显降低了3 dB (A)。Bosch 公司计划于2006年末推出喷油压力为180MPa的第三代共轨系统, 以替代以往喷油压力为160MPa的共轨系统, 从而为设计排放更低、功率更大的柴油机提供更多的选择。图4 Bosch第三代共轨喷油系统布置图图4为用于一种V6柴油机的第三代共轨喷油系统布置图。燃油由低压电动燃油泵输送给具有泵油量调节功能的高压油泵, 分配单元将进入的燃油分为两路: 一路供给泵油元件, 另一路用以冷却传动机构和润滑轴承。高压油泵将燃油压缩至最高压力达16

18、0MPa, 并将其输入油轨。拧紧在油轨上的油轨压力传感器采集实时压力, 并通过集成在高压油泵上的分配单元进行燃油压力调节, 而拧紧在油轨上的压力调节阀则用于在汽车加速行驶时快速卸压。高压燃油经油轨到喷油器, 它由控制单元根据运行工况来控制, 能精确地调节喷油始点和喷油持续期, 并且可柔性塑造喷油曲线(喷油相位、喷油次数和喷油量)形状。共轨管采用高强度模块式激光焊接油轨(LWR)的结构方案, 其表面涂层不含Cr6+ , 为了调节油轨压力, 在油轨两端轴向装有最新一代的压力传感器和调压阀。3. 2 意大利菲亚特集团的高压共轨系统1997年菲亚特集团推出了世界上第一台采用Unijet 高压喷射系统的

19、共轨式柴油发动机, 并将其装配在阿尔法156 汽车上。Unijet 高压共轨系统主要由喷油泵、传感器、电液控制喷油器和ECU 组成, 如图5 所示。与传统凸轮驱动的喷油系统相比, Unijet 系统对于降低NOX和碳黑排放量具有最佳的喷油压力匹配能力, 并且能提高最大扭矩。Unijet系统在预喷射定时和预喷油量方面具有灵活性,有效地利用这种灵活性能恰当地协调燃烧噪声和烟雾控制之间的关系。2003 年, 菲亚特研制成功第二代JTD 16气门多重喷射柴油发动机8。第二代共轨式发动机的特点在于: 多次喷射系统在发动机的每一个循环中能够进行更多次数的喷射, 多次喷射系统的奥秘在于控制单元和喷油嘴的设计

20、, 它们可以产生一系列间隔非常小的喷射。菲亚特研究人员开发这一技术的目的是保证更精确地控制燃料室内的压力和温度, 同时更有效地利用进入到气缸内的空气。由于柴油被分配得更细, 从而得到更平顺的燃烧效果。同时, 发动机的主要部件和控制程序都进行了彻底改进。这些技术降低了发动机的运转噪声, 特别是降低了发动机冷态时的噪声, 提高了功率和扭矩, 油耗减少, 降低了尾气排放, 提前满足严格的欧排放法规的要求。图5 菲亚特集团的Unijet 喷射系统3. 3 美国德尔福公司的Multec DCR系统德尔福最具代表性的就是先进的Multec DCR柴油共轨喷射系统。Multec DCR柴油共轨喷射系统的主要

21、部件有共用高压油轨、高压燃油调压器、高压燃油泵、燃油喷油器、电控单元、燃油滤清器和传感器等, 如图6 所示。跟其他的尖端高压喷射系统一样, Multec DCR柴油共轨喷射系统的喷射压力与发动机转速和负荷无关, 即使在低速运行时, 系统仍可保持足够压力的高压燃油喷射。可实现多次喷射, 能满足欧排放法规要求。相比之下, 其喷油器的设计更加独特。Multec DCR 主要采用了带有平衡控制和反馈控制策略的电控电磁阀结构的燃油喷油器, 它能提供极快地动作响应并精确地进行燃油流量的计量。这种响应迅速、结构紧凑、小巧玲珑的电磁阀控制的喷油器只需常规12V 汽车蓄电池驱动就能正常工作, 比世界上现生产的任何一种柴油机共轨喷射系统都节能, 这大大降低汽车电子系统设计的系统生产成本和复杂程度。整个系统采用积木式设计, 便于应用于不同形式和不同种类的发动机。图6 德尔福公司的Multec DCR- 1400近年来德尔福公司确定了三个研发领域: 1、喷油器和喷油嘴设计参数的最佳化; 2、系统液力稳定性和多次喷射控制策略的最佳化; 3、改善发动机参数的协调性, 以满足未来排放