柴油机高压共轨电控燃油喷射技术

胡斌

【摘要】简要介绍柴油机电控高压共轨喷射系统的发展现状，主要分析柴油机电控高压共軌喷射系统的结构和原理，分析柴油机电控高压共轨喷射系统的关键技术。

【关键词】柴油机；高压共轨；关键技术

随着世界能源危机和环境污染的加重，为了节约能源、降低排放，使得柴油机电控喷射技术得到了飞速的发展。既要保住直喷柴油机卓越的燃油经济性能，又要满足日益严格的排放法规，最重要的一步还是改善燃烧过程，而燃油喷射系统的性能又是影响柴油机燃烧过程至关重要的环节。高压共轨电控燃油喷射技术的应用则发挥了巨大的威力，进一步降低燃油消耗、增强了动力性能和满足了更加严格的排放法规，并使系统具有更高的喷射压力和更加灵活的喷油方式。目前，国外的柴油机电控共轨喷射系统方面的研究与发展正进行得如火如荼，并有多种高压共轨系统投入使用。

一、高压共轨电喷柴油机基本原理

1、电控喷射技术

该种柴油机的电控喷射系统是通过控制喷油时间来调节出油量的大小，而柴油机喷油控制则是由发动机的转速和加速踏板位置来决定的。因此，其基本原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号来控制，首先计算出基本喷油量，燃油根据水温、进气温度、进气压力等传感器的信号进行修正，再与来自控制位置传感器的信号进行反馈修正，从而确定最佳喷油量。

电控柴油喷射系统由传感器、ECU和执行机构三部分组成，其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与已储存的参数值进行比较，经过处理计算，按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统使柴油机运作状态达到最佳。

2、共轨技术

共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。由高压油泵把高压燃油输送到公共油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此，也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于油轨压力和电磁阀开启时间的长短。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有以下几点。

（1）共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。

（2）可独立的柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120—200Mpa），可同时控制NOX和微粒在较小的数值内，以满足排放要求。

（3）柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，即可降低柴油机NOX，又能保证优良的动力性和经济性。

（4）由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压力为零的现象。因此，在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。

二、系统组成及基本单元

1、电控单元和传感器

ECU是电控高压共轨喷射系统的核心机构，它一般由输入模块、微控模块、输出模块和通信模块4个部分组成。ECU通过各个传感器实时采集柴油机运行过程的数据并对数据进行处理，将实时运行参数与预存在ECU内的MAP图相比较、计算确定喷油定时、喷油脉宽，驱动喷油器电磁阁，完成喷油压力和规律的控制、此外电控单元还能完成在线故障诊断和应急处理，与监控系统实时通信，记录并存储重要的状态参数。

2、高压油泵

高压油泵供油量的设计准则是：在任何情况下必须保证柴油机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。由于共轨系统中喷油压力的产生与燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证。因此，高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。高压油泵对油量的控制采用控制低压燃油有效进油量的方法，该方法能使高压油泵不产生额外的功率消耗，但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与高压油泵凸轮的相位关系，控制系统比较复杂。

3、共轨管

共轨管是电控高压共轨喷射所特有的零部件，主要包括油轨、轨压传感器和压力限制阀。共轨管的主要作用是储存燃油并建立油压，消除燃油压力波动同时限制燃油压力，使之不超过安全限值。压力传感器向ECU提供高压油轨的压力信号，同时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。

4、电控喷油器

电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用是根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。电控喷油器的结构基本相似，都是由与传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成。

在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔，高压油轨的燃油压力通过量孔作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。

控制喷油的形状，需对其进行合理的优化设计实现预定的喷油形状。控制室容积的大小决定针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大。因此，对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。

控制量孔的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油的过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，他们的机构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定喷油嘴针阀的开启速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。此外，喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷油嘴喷油量的影响更小。但控制室的容积不可能无限制的减小，它应能保证喷油嘴针阀的升程，以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律。通过仔细调节两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到与喷射是改善柴油机性能的。

三、关键技术

1、软件技术

ECU软件的实质是企业在技术开发过程中，企业通过对各种发动机在各种工作状态下进行试验而获得的知识和经验积累，是一个不断完善和细化的过程。ECU软件先检测出发动机的转速和油门开度等参数，然后输入到计算机内，形成MAP。在工作的时候，将发动机实时参数与MAP进行分析处理，向伺服回路发出指令进行控制。

2、传感器技术

随着喷射压力的不断提高和其他相关技术的发展，要求有更高精度和响应速度的新型智能型传感器来满足技术进步的要求。

四、总结

高压共轨电控燃油喷射技术的出现使得车用柴油机的发展获得了新生，它不仅保留了传统柴油机卓越的燃油经济性能，还进一步降低了NOX和微粒物和碳烟的排放，使其更节能，排放更环保，在性能上已远远超过了传统汽油机。共轨电控燃油喷射系统的进一步发展与优化涉及到执行器、传感器、计算机和控制技术，是一门综合性的新兴技术，只有在发展中不断完善。

【参考文献】

[1] 张 怡. 柴油机电控共轨喷油控制技术[J]. 农机使用与维修， 2006（1）.

[2] 蒋耕农. 魏建秋新型柴油机汽车维修800问[J]. 北京： 金盾出版社， 2004.