柴油機(jī)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)及其利用現(xiàn)狀與趨勢(shì)摘要：當(dāng)今社會(huì)，能源危機(jī)日益嚴(yán)重，排放法規(guī)也越見(jiàn)嚴(yán)格。而隨著電控技術(shù)的不斷進(jìn)步，電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能，已成為柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的主流技術(shù)。本文介紹了電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，組成，工作原理，現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；燃油噴射系統(tǒng)；電控；高壓共軌；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)TheTrendsandApplicationStatusofElectronicallyControlledHighPressureCommonRailFuelInjectionSystemforDieselEngineAbstract:Theenergycrisisisincreasinglyseriousandemissionregulationsaremoreandmorestrictintoday'ssociety.Withthedevelopmentofelectroniccontroltechnology,theelectronicallycontrolledhighpressurecommonrailfuelinjectionsystemhasbeenmainstreamtechnologyoffuelsystemindieselenginewithitssuperiorperformance.Theadvantage,form,workingprinciple,applicationstatusandtrendsoftheelectronicallycontrolledhighpressurecommonrailfuelinjectionsystemareintroducedinthispaper.Keywords:dieselengine;fuelinjectionsystem;electriccontrol;high-pressurecommonrail;trend進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題日益受到全球各國(guó)的重視，節(jié)能減排已然成為社會(huì)進(jìn)步的主旋律和可持續(xù)發(fā)展的必然要求，為此，世界各國(guó)幾乎都制定了日益嚴(yán)格的排放法規(guī)。因此提高經(jīng)濟(jì)性，降低排放，已成為柴油機(jī)一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。而既要想保住直噴柴油機(jī)卓越的燃油經(jīng)濟(jì)性能，又要滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，改善燃燒過(guò)程至關(guān)重要，而燃油噴射系統(tǒng)的性能又是影響柴油機(jī)燃燒過(guò)程重要的環(huán)節(jié)之一。那些機(jī)械調(diào)節(jié)式噴油系統(tǒng)或噴油壓力較低而控制功能有限的電子控制式分配泵已無(wú)法滿足這些要求。在這樣的情況下，柴油機(jī)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。一、對(duì)柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的要求柴油機(jī)噴油系統(tǒng)是柴油機(jī)中最重要也是制造與調(diào)節(jié)精度最高的系統(tǒng)之一，其主要功能是及時(shí)、優(yōu)質(zhì)地為內(nèi)燃機(jī)氣缸提供適量的燃料，以保證缸內(nèi)混合氣形成與燃燒的有效進(jìn)行。它對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放等方面都有著重要的影響。對(duì)柴油機(jī)噴油系統(tǒng)有一下基本要求：1.能產(chǎn)生足夠高的噴射壓力，以保證燃料霧化良好、混合氣形成與燃燒順利。噴射出的燃料油束應(yīng)與燃燒室形狀及氣缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)相匹配，以保證混合氣盡可能均勻。2.對(duì)應(yīng)于柴油機(jī)的各種工況條件下都能精確、及時(shí)地控制每循環(huán)的噴油量，各氣缸的噴油量應(yīng)該均勻。3.在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的整個(gè)工作范圍內(nèi)，盡可能保持最佳的噴油時(shí)刻、噴油持續(xù)期與理想的噴油規(guī)律。4.能保證柴油機(jī)安全、可靠地工作?？傊?，要求柴油機(jī)噴油系統(tǒng)在品質(zhì)（定質(zhì)）、數(shù)量（定量）、時(shí)間（定時(shí)）和可靠性方面均能滿足與整機(jī)匹配的要求，以保證柴油機(jī)在達(dá)到良好的動(dòng)力性的前提下，滿足對(duì)其在節(jié)能與排放控制方面的嚴(yán)格要求[1]。二、電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的特點(diǎn)柴油機(jī)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)行業(yè)20世紀(jì)的一大突破，并已經(jīng)成為柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)的主流，新一代綠色柴油機(jī)的標(biāo)志。柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了第一代電控噴油系統(tǒng)（位置控制式）、第二代電控噴油系統(tǒng)（時(shí)間控制式）和第三代電控噴油系統(tǒng)（時(shí)間-壓力控制式）3個(gè)階段[2]。作為柴油機(jī)發(fā)展過(guò)程中第3次飛躍的柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射技術(shù)，已經(jīng)使現(xiàn)代柴油機(jī)進(jìn)入高新技術(shù)產(chǎn)品領(lǐng)域。電控高壓共軌電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是建立在直噴技術(shù)、預(yù)噴技術(shù)和電子控制技術(shù)基礎(chǔ)上的燃油噴射系統(tǒng)。其通過(guò)對(duì)噴油系統(tǒng)進(jìn)行電子閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量、噴油正時(shí)和噴油速率及形狀隨柴油機(jī)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)改變，優(yōu)化噴油規(guī)律，使柴油機(jī)在正確的時(shí)刻、以適當(dāng)?shù)膲毫姵龊线m的油量，以提高柴油機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，并降低排放與噪聲[3]。傳統(tǒng)的柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)，是由調(diào)速器控制噴油量，凸輪控制噴油定時(shí)、進(jìn)排氣定時(shí)和噴油及進(jìn)、排氣規(guī)律。在額定工況下，能實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化。但是當(dāng)柴油機(jī)的工況、海況、外界環(huán)境、燃油品質(zhì)發(fā)生變化、凸輪軸磨損等因素，造成柴油機(jī)工作偏離其設(shè)計(jì)工況最佳值時(shí)，則會(huì)影響柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性能[8]。對(duì)比于傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)節(jié)式噴油系統(tǒng)和電子控制式分配泵，電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)：1.可實(shí)現(xiàn)高壓噴射，噴油壓力可達(dá)135MPa，甚至更高。并且由電控單元進(jìn)行控制，用高速電磁閥或壓電噴油器取代傳統(tǒng)的機(jī)械噴閥，對(duì)高壓燃油實(shí)現(xiàn)數(shù)字精確調(diào)節(jié)，能自由調(diào)節(jié)噴油壓力。2.能對(duì)噴油規(guī)律實(shí)現(xiàn)精確的控制。電控高壓共軌系統(tǒng)具有高精度控制預(yù)噴射的能力，可控制噴油速率變化，并根據(jù)運(yùn)行工況的變化，精確地調(diào)整噴油量和噴油時(shí)間，且可實(shí)現(xiàn)多次噴射，精確地控制噴油規(guī)律。3.電控高壓共軌系統(tǒng)中噴油定時(shí)與噴油壓力都可以獨(dú)立控制，噴油壓力不像機(jī)械式噴油系統(tǒng)那樣依賴(lài)于轉(zhuǎn)速，因而在寬廣的運(yùn)行區(qū)域內(nèi)都可以進(jìn)行高壓噴射[2]。4.在電子控制下，噴油壓力波動(dòng)小，各噴嘴之間的相互影響小，可減輕柴油機(jī)振動(dòng)，降低噪聲[3]。5.高壓噴射可使柴油霧化得非常細(xì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程進(jìn)行得相當(dāng)完善且速度快，同時(shí)又不明顯提高燃燒溫度，全面降低了HC、CO、NOx、顆粒物（PM）和碳煙的排放，還進(jìn)一步降低油耗[4]。三、電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的組成及其控制原理如圖所示，電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)主要由高壓油泵、共軌管、噴油器、各種傳感器和電子控制單元（ECU）以及高壓油管等主要部件組成。其工作原理大致為：發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),高壓油泵輸送的高壓燃料,，不斷地儲(chǔ)存在共軌（蓄壓室）中。共軌上安裝的壓力傳感器檢測(cè)共軌中的燃油壓力，并將壓力信號(hào)送至ECU。，根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，ECU從預(yù)設(shè)的MAP圖中找到合適的噴油定時(shí)和噴油持續(xù)期，控制噴油器電磁閥的開(kāi)閉，從而控制噴油定時(shí)和噴油量[2]。ECU通過(guò)壓力傳感器的反饋信號(hào)對(duì)共軌壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，以保證共軌中的壓力穩(wěn)定。1.高壓油泵。高壓油泵的主要作用將高壓柴油(120MPa以上)輸入共軌,供油量必須滿足柴油機(jī)在任何工況下的噴油量與控制油量之和的需求以及起動(dòng)和加速時(shí)的油量變化的需求。高壓油泵的凸輪為多山凸輪，即在一個(gè)凸輪平面上設(shè)有三個(gè)凸起，凸輪軸每轉(zhuǎn)一圈，凸輪工作三次，由此提高每缸油泵的供油頻率，對(duì)一定的泵油量可減少油泵的工作缸數(shù)。為了獲得平緩而穩(wěn)定的共軌壓力，需要高壓油泵的供油頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)噴射頻率相同。油泵的供油量主要取決于PCV電磁閥關(guān)閉以后的柱塞升程（供油有效行程），通過(guò)改變PCV電磁閥的關(guān)閉時(shí)刻，即通過(guò)改變油泵柱塞的有效行程可改變輸油泵的供油量，由此控制共軌壓力[7]。2.共軌管。共軌管起著蓄存高壓油泵提供的高壓燃油并將其分配到各噴油器的作用。共軌管內(nèi)柴油壓力可維持在130~160MPa范圍內(nèi)。共軌管上設(shè)有壓力傳感器，將共軌管內(nèi)的油壓信號(hào)輸送到電控單元，由電控單元對(duì)PCV閥實(shí)施反饋控制，使共軌油壓穩(wěn)定于目標(biāo)值；液流緩沖器(限流器)保證在噴油器出現(xiàn)燃油漏泄故障時(shí)切斷向噴油器的供油，并可減小共軌管和高壓油管中的壓力波動(dòng)；壓力限制器則是保證工桂冠在出現(xiàn)壓力異常時(shí),迅速將其中的壓力進(jìn)行放泄[6]。3.噴油器。噴油器是電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的主要零部件，直接影響到燃油霧化質(zhì)量的好壞，并且噴油正時(shí)、噴油量、預(yù)噴射和多次噴射等都是由發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元控制下的噴油器完成。噴油器主要由針閥偶件、液壓活塞、節(jié)流閥和電磁閥等組成。噴油器的噴油量和噴油時(shí)間通過(guò)ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況控制電磁閥,從而調(diào)節(jié)液壓活塞頂部控制室內(nèi)的油壓進(jìn)行控制。電磁閥的通電時(shí)刻決定噴油時(shí)刻,而通電持續(xù)時(shí)間決定噴油量的大小[7]。4.電子控制單元（ECU）及各種傳感器。電控單元及各種傳感器和執(zhí)行器組成了電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)，其基本功能是是把一定量的柴油在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻以設(shè)定的壓力噴入燃燒室,以保證柴油機(jī)動(dòng)力大、油耗低、排放少及噪聲小。ECU是電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的核心，實(shí)際上就是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，一般由輸入模塊、輸出模塊、微機(jī)控制模塊和通信模塊四部分組成。ECU接收各傳感器輸入的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，如油門(mén)踏板位置、曲軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角、共軌油壓、增壓壓力、進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、燃油溫度、進(jìn)氣量等信息，并進(jìn)行處理，與預(yù)存在其內(nèi)部的MAP圖比較，計(jì)算出最佳噴油定時(shí)和噴油脈寬，然后輸出到執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)噴油器電磁閥，完成噴油壓力和噴油量的控制。此外，電控單元還能完成在線故障診斷和應(yīng)急處理、與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，記錄并存儲(chǔ)重要的狀態(tài)參數(shù)[5][6]。5.高壓油管。高壓油管是連接共軌管和電控噴油器的通道。它的主要作用是為柴油提供流動(dòng)通道，并承受高壓燃油的沖擊作用，使起動(dòng)時(shí)共軌中的壓力能很快建立。各缸高壓油管的長(zhǎng)度應(yīng)盡量相等,使柴油機(jī)每一個(gè)噴油器有相同的噴油壓力,從而減小發(fā)動(dòng)機(jī)各缸之間噴油量的偏差。各高壓油管應(yīng)盡可能短,使從共軌管到噴油嘴的壓力損失最小[6]。四、電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的利用現(xiàn)狀柴油機(jī)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，代表未來(lái)柴油機(jī)噴射技術(shù)的主流，其技術(shù)現(xiàn)被國(guó)外少數(shù)幾家跨國(guó)企業(yè)所壟斷，并已得到大批量應(yīng)用?，F(xiàn)階段國(guó)外高壓共軌系統(tǒng)的發(fā)展重點(diǎn)是高壓油泵、噴油器部件結(jié)構(gòu)及性能的改進(jìn)1.德國(guó)Bosch公司于2003年推出了第三代使用壓電噴油器的高壓共軌電控噴射系統(tǒng)。與前兩代以噴油壓力表征的共軌系統(tǒng)相比，第三代共軌系統(tǒng)以其高精尖的技術(shù)內(nèi)涵為特征，噴油壓力為160~180MPa。壓電式噴油器的高度集成化，使其壓電元件與噴嘴中的針閥靠得更近，從而使系統(tǒng)具有優(yōu)良的“液壓響應(yīng)速度”。噴油器運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量減少了75%，針閥部件數(shù)從4個(gè)減少到了1個(gè)，響應(yīng)速度為所有電磁式噴油器的2倍[4]。Bosch正在研究帶壓力擴(kuò)大器的共軌燃油概念系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，高壓油泵先在共軌管中產(chǎn)生135MPa的壓力，然后通過(guò)一個(gè)特殊的轉(zhuǎn)換活塞使噴油壓力達(dá)到250MPa以上。由于壓力如此之高，因而霧化更加良好，更容易與空氣混合，從而燃燒得更徹底[4]。2.日本電裝的ECD-U2共軌系統(tǒng)由高壓供油泵、共軌管、噴油器、各種傳感器和電控制單元組成。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的不同，泵控制閥與油壓傳感器聯(lián)合對(duì)共軌壓力實(shí)行閉環(huán)控制，由于單向孔板節(jié)流作用，可形成德?tīng)査停ㄈ切停﹪娪鸵?guī)律，對(duì)燃燒十分有利。噴嘴的開(kāi)啟和關(guān)閉完全由噴油器控制腔中的壓力和共軌壓力的差值決定，改變施加在三通閥上的電脈沖寬度，可以控制噴油量；改變?nèi)ㄩy上的電脈沖發(fā)生時(shí)刻，可控制噴油定時(shí)[4]。3.美國(guó)德?tīng)柛９咀罹叽硇缘氖窍冗M(jìn)的MultecDCR柴油共軌噴射系統(tǒng)。MultecDCR設(shè)計(jì)獨(dú)特的噴油器是帶有平衡控制和反饋控制的電磁閥噴油器!其響應(yīng)迅速并能精確計(jì)量燃油。這種噴油器只需12V工作電壓，大大降低了生產(chǎn)成本和復(fù)雜程度，并且非常節(jié)能，整個(gè)系統(tǒng)采用積木式設(shè)計(jì)，移植性好，可用于不同形式和不同種類(lèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。國(guó)內(nèi)對(duì)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(cè)試階段，上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的GD-1型高壓共軌系統(tǒng)處于匹配玉柴6110柴油機(jī)的準(zhǔn)備階段，北京理工大學(xué)、華中理工大學(xué)等也正在開(kāi)發(fā)自己的高壓共軌系統(tǒng)，開(kāi)始了高壓共軌系統(tǒng)的生產(chǎn)。在控制策略上，目前國(guó)內(nèi)主要采用經(jīng)典PID控制方法。這種方法原理簡(jiǎn)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)和不能在線調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)[5]。五、電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的應(yīng)用，有效地提高了柴油機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性，并降低了有害物質(zhì)的排放以及噪聲。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)主要呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)：1.進(jìn)一步提高噴油壓力。一般而言，柴油機(jī)的噴油壓力越高，其燃油經(jīng)濟(jì)性就越高，有害物質(zhì)排放也越低。Bosch公司第三代共軌壓力已達(dá)180MPa，第四代將增大到220MPa[4]。2.設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新的執(zhí)行器，以及通過(guò)對(duì)高壓油泵、噴嘴材料和加工過(guò)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[5]。3.解決共軌壓力的微小波動(dòng)造成的噴油量不均勻問(wèn)題。電控高壓共軌系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)壓力穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)理想噴油規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，因此，對(duì)高壓共軌系統(tǒng)壓力波動(dòng)性的研究已經(jīng)成為當(dāng)前的熱點(diǎn)之一[5]。4.采用新型壓電式共軌噴油器。壓電執(zhí)行器沒(méi)有滯后時(shí)間；切換十分迅速而且精確，噴油嘴針閥的升程和速度可以自由地選擇；可實(shí)現(xiàn)多重噴射，為噴油規(guī)律曲線形狀的優(yōu)化提供了更大的自由度；沒(méi)有因設(shè)計(jì)造成的、以氣隙之類(lèi)的形式出現(xiàn)的偏差；壽命長(zhǎng)，工作非常穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[4]。5.研究新的噴油規(guī)律。隨著柴油車(chē)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(guó)都在積極探索新方法和采取有效的技術(shù)措施主動(dòng)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)，預(yù)計(jì)2014年開(kāi)始實(shí)施歐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[5]。6.采用多孔式噴油器，進(jìn)一步提高燃油霧化質(zhì)量。7.研制高精度快響應(yīng)高智能的傳感器。六、結(jié)束語(yǔ)由于能源危機(jī)和環(huán)境的日益惡化，節(jié)能減排已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展的必然要求，而柴油機(jī)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)正是很好的滿足了這個(gè)要求。電控噴射技術(shù)在柴油機(jī)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，而共軌噴射技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)發(fā)展史上的一大飛躍。