柴油机高压共轨燃油喷射系统研究进展

郝胜强，上官林宏，王永利，刘永跃，韩杨，胡吉平

(1.济南军区71573部队，山东 莱阳265205；2.济南军区工程科研设计所，山东 济南250002；3.济南军区司令部，山东济南250002)

0 引言

面对世界各国日益严格的排放法规和环保节能要求，柴油机除了应降低机油消耗、优化涡轮增压系统和发展先进的废气后处理系统外，更重要的是需要进一步改善其燃烧过程［1-3］。柴油机燃烧过程中效率的高低取决于燃油喷射系统性能的优劣，为了显著地提升柴油机燃油经济性，改善柴油机的动力性能，燃油喷射系统必须具备较高的喷油压力和燃油喷射控制［4，5］。高压共轨燃油喷射技术应运而生，高压共轨燃油喷射柴油机凭借其低油耗、低噪声和较低的NOx、PM颗粒排放等特点得到了国际普遍认可，实现了柴油机发展史上的一大飞跃［1］。本文阐述了高压共轨燃油喷射系统的工作原理，并综述了相应领域的研究现状，以期为进一步改善高压共轨燃油喷射系统的性能提供参考。

1 高压共轨燃油喷射系统的组成

高压共轨燃油喷射系统的结构如图1所示。它是一种全新概念的燃油喷射系统，以直喷技术、预喷射技术和电控技术为建立基础。该系统主要由ECU、高压油泵、电控喷油器、喷油管、公共蓄压油管 (共轨)、传感器、电控单元及执行器等部分组成［6］。

2 高压共轨燃油喷射系统的工作原理和特点

2.1 高压共轨燃油喷射系统的工作原理

高压共轨燃油喷射系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理，而是采用公共控制油道-共轨管。高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统对共轨管的油压进行调控。高压共轨喷射系统通过设置在喷油泵和喷油器之间的一个具有较大容积的公共供油管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并有效的平抑压力波动，而后通过对公共供油管内的油压实现精确控制，把燃油输送到每一个喷油器上。在整个过程中，高压油泵只是向公共控制油道供油以保持燃油喷射所需的共轨压力，通过调压阀连续调节共轨压力来控制喷射压力［7，8］。

2.2 高压共轨燃油喷射系统的特点

与传统燃油喷射系统相比，高压共轨燃油喷射系统具有以下特点:

图1 高压共轨系统组成示意图

1)高压共轨燃油喷射系统中共轨腔内的持续高压直接用于喷射，省去了传统喷油器内的增压机构，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。同时，高压共轨燃油喷射系统中喷油压力的建立与喷油过程无关，可以利用共轨压力传感器和压力调节器，根据不同工况确定所需要的最佳喷射压力，调整供油泵的供油量和共轨压力，实现对喷油压力的精确控制，大大优化了柴油机的综合性能［9］。

2)高压共轨燃油喷射系统可独立地柔性控制喷油定时，具有良好的喷油特性，ECU根据接受的发动机转速、进气压力等参数，计算并确定最佳喷油时间，然后控制电控喷油器适时开启和关闭，从而精确控制喷油时间，将共轨管内的高压燃油以最佳的喷油定时、喷油量、喷油速率和喷雾状态喷入发动机燃烧室，配合高的喷射压力(120～200MPa)，优化燃烧过程，使发动机燃油耗、噪声和NOx、PM颗粒的排放等综合性能指标得到明显改善［10，11］。

3)高压共轨燃油喷射系统喷油定时与燃油计量完全分开，精确计量的喷油量可以提高发动机的功率密度和燃油经济性，系统以发动机的转速和油门开度信号为基础，通过ECU计算出最佳喷油量，并控制喷油器电磁阀的通、断电时间，从而精确控制预喷射、主喷射和后喷射的喷油量与时间间隔，容易实现预喷射、靴型喷射、快速停喷、后喷射、多段喷射和多次喷射，即可降低柴油机NOx，又能保证优良的动力性和经济性［1，4，9］。

4)高压共轨燃油喷射系统由电磁阀控制喷油，通过油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况、经济性和排放性的要求对共轨油腔内的油压进行灵活地调节，控制精度较高，调节过程中在高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，使得柴油机在运转范围内，循环喷油量变动较小，改善各缸供油不均匀的现象，从而减轻柴油机的振动、优化发动机的低速性能［10，12］。

5)高压共轨燃油喷射系统结构简单、可靠性好、实用性强。

3 高压共轨燃油喷射系统的国内外研究现状

高压共轨燃油喷射技术一经问世，就备受世界各国柴油机生产厂家的青睐。目前，国外在柴油机高压共轨燃油喷射系统方面的研究进展很快，国际上有多种高压共轨燃油喷射系统设计并投产，并已经形成了很多技术成熟的产品［4，10］。比如意大利菲亚特(Fiat)集团的Unijet系统、美国德尔福公司的Multec DCR系统和德国博世(Bosch)公司的CR系统、日本电装(Nippondenso)公司开发的ECDUZ系统、英国LueasVarity公司的LDCR系统等。其中，Bosch公司以压电石英作为执行器代替高速电磁阀，并采用最新研制的同轴可变喷嘴及压力扩大器技术，喷射压力高达200MPa，针阀运动速度达到1.3m/s，预喷射油量可控制在1mm3之内。在控制策略上，以经典控制理论和现代控制理论为基础的开环控制和闭环控制在电控高压共轨系统中得到了广泛应用［13］。日本电装公司的ECDUZ系统喷油泵采用三“桃尖”凸轮，起动时，共轨管中油压迅速上升。按油泵启动供油量600mm3/s(3倍于标定油)，油泵工作3个行程(启动时间为0.55s)后，共轨压力就超过喷嘴开启压力(20MPa)了，发动机在0.6s内达到怠速。当发动机转速降至500r/min时，共轨管内压力仍可达100MPa，即ECD-UZ在任何转速和任何工况下均可实现高压喷射［1，14，15］。

国内在柴油机高压共轨燃油喷射技术方面的研究起步较晚，自21世纪90年代初期开始进行有关柴油机电控技术的初步研究，经过20多年的发展，在相关控制理论、系统、关键零部件等方面取得了进展，并着手进行自主研发。其中，清华大学欧阳明高等研制出了适合我国直列泵应用广泛的国情，并且具有结构兼容性好、硬件简单等特点的PPVI系统(泵-管-阀-嘴系统)。天津大学与山东龙口油泵油嘴股份有限公司合作开发出高压共轨燃油喷射系统，该系统能实现预喷射功能，并且喷射压力可高达110Mpa；但是，系统喷油量不是采用改变电磁阀的通电时间来调节，而是通过改变公共蓄压管的压力来调节的，因此难于实现喷油量的精确调节。北京理工大学发动机实验室研制成功的柴油机电控蓄压共轨喷油系统，最高喷射压力可达129MPa。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。在控制策略上，目前国内主要采用经典PID控制方法，这种方法原理简单，易于实现，稳定性好，但存在需要在不同工况下反复调节和不能在线调节等缺点［5，16］。

4 高压共轨燃油喷射系统的研究目标

随着电控技术、材料技术、加工制造技术以及控制理论等的不断发展，高压共轨燃油喷射技术必将呈现出更好的发展前景。综合分析国内外对柴油机高压共轨燃油喷射系统的研究历史和现状，柴油机喷射系统应将以下几点作为后续的重点研究目标:

1)进一步提升共轨燃油喷射系统内的喷油压力。为达到未来更加苛刻的环保排放标准，最根本还是要提高共轨压力。高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是喷射压力达180～200MPa，甚至出现了“超高压喷射”的概念。当然，在喷射压力也不是越高越好，业已研究表明:在保证油束喷射距离足够大以及压力提高值对燃烧改善效果较明显的前提下，最高喷射压力取180～200MPa效果最为理想。

2)更小的喷孔直径、更短的响应时间和更低的功率消耗，提高关键部件的可靠性和寿命。由于喷射压力的提高，对电磁阀、喷油器适应能力的要求更加苛刻，不仅要求其响应速度高，而且高压稳定性好，同时要兼具可靠性好，寿命长等优点，这将依赖于零部件制造技术的发展。

3)解决高压共轨系统的多MAP优化问题。高压共轨燃油喷射系统中，ECU根据其内部存储的MAP控制喷射过程。高压共轨燃油系统中电控泵ECU控制数据较多，如喷油压力MAP、预喷射MAP、喷油量MAP和喷油定时MAP等。系统内的电控泵ECU要根据排放和燃油耗进行优化，工作量很大。因此需要研究统计学方法、神经网络模型映射MAP数据、自学习优化方法等很多关键技术，以解决多MAP优化问题。

5 结语

高压共轨燃油喷射技术作为内燃机行业中一门综合性的新兴技术，是未来柴油机燃油喷射系统的主要发展方向。随着电控技术、现代制造业和控制理论的发展，未来柴油机的经济性、动力性及排放性能将会随之而改善，柴油机高压共轨喷射系统必将会有更大的发展空间和美好的未来。

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