高压共轨燃油喷射系统综合实验教学平台建设

吴学舜 韩志强 田维

摘要：为了满足教学实验的需求，让学生紧跟现代柴油机燃油供给系统技术发展，设计搭建了高压共轨燃油喷射系统综合实验教学平台。基于该实验平台可以完成五类基本教学实验，使学生从对先进燃油系统的基本认知到基于实验平台的实践动手能力都得到提高，能够满足发动机构造和发动机原理的相关能力培养要求。该平台也可以用于本科毕业设计等创新实践活动，学生根据需要自主设计实验方案完成相关创新性实验项目，培养学生的实践创新能力和创新意识。该平台还可以用于科学研究，实现教学与科研资源共享，使高校有限资源的作用最大化。

关键词：高压共轨;教学实验;综合实验平台;资源共享;实践创新

中图分类号：U464.136                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）10-0233-03

0  引言

柴油機的电控技术从20世纪80年代开始开发研究，经过30余年的发展从位置式控制系统发展到时间式控制的电控高压共轨系统和电控泵喷嘴系统，使柴油机的喷射系统满足理想喷射系统的要求，实现对柴油机放热规律的柔性化控制，达到节能又控制排放的目的[1，2]。高压共轨燃油喷射系统作为目前柴油机最佳燃油系统，其普及率在欧洲已经达90%以上，在中国市场上国IV及以上排放水平的柴油机几乎全部配备了高压共轨燃油喷射系统。因此，高压共轨燃油喷射系统对于柴油机来讲是至关重要的。

我校能源与动力工程汽车发动机专业主要培养从事内燃机技术开发、设计制造本科学生。“汽车发动机构造”与“汽车发动机原理”是两门必须学习的专业核心课程，其中“汽车发动机构造”课程主要讲授发动机的结构和原理，燃油供给系统作为柴油机四大系统之一是学习的重点和难点之一，此前主要以位置式机械燃油供给系统为基础进行讲授，学生所学知识在现在的发动机上已经不再使用，造成学生所学知识学完即过时的现状，因此必须将目前普遍使用的最先进燃油供给系统加入到教学过程当中来，满足学生未来的工作需要。另一方面，目前的“汽车发动机原理”课程都是基于主流发动机技术为基础，如果“汽车发动机构造”所讲述知识与“汽车发动机原理”脱节，那么必须不利于学生对知识的掌握;此外，在原理讲述的过程当中也需要利用实验过程让学生对所学知识有一个具体的认识，帮助学生更好地掌握课程知识[3-5]，加强实践教学也有助于培养具有较强综合素质的创新型人才[6-7]。

综上所述，亟需构建高压共轨燃油喷射系统综合实验教学平台，帮助学生更好地掌握高压共轨燃油喷射系统的结构、工作原理、性能参数及对发动机性能的影响关键参数。同时，也为学生进一步探索高压共轨柴油机喷射系统在发动机上的应用研究提供一个基础平台。

1  高压共轨燃油喷射系统综合实验教学平台建设方案

1.1 高压共轨燃油喷射系统综合实验教学平台构成

高压共轨燃油喷射系统综合实验教学平台主要包括高压共轨燃油喷射系统和测量与采集系统两个部分。高压共轨燃油喷射系统是整个实验平台的核心部件，是教学实验的主体。虽然目前市场上的高压共轨燃油喷射系统的各类较多，但是其基本原理都比较类似，本实验平台以市场占有率最高的BOSCH（博世）高压共轨燃油喷射系统为对象进行设计。让学生理解高压共轨的基本原理和基本组成，为学生掌握其他的高压共轨燃油喷射系统奠定基础。

测量与采集系统是本实验平台的另一个重要环节，它通过将实验平台上的各个传感器信号采集并以直观的压力、温度、质量和体积等学生常见的物理量呈现出来，让学生更直观的认识和理解实验过程和实验结果。借助数据采集系统，可以设置测试条件、采集和存储实验结果数据，方便实验的操作对结果的处理。

1.2 高压共轨燃油喷射系统的基本组成

如图1所示为高压共轨燃油喷射系统的组成示意图，主要由带粗滤的燃油箱、带油水分离器的过滤器、低压输油泵、高压油泵、油泵低压回油管、高压输油管、燃油共轨管、喷油器、喷油器回油管、油泵电磁阀、轨压传感器和电子控制单元等组成。

高压共轨燃油喷射系统的燃油走向为：燃油箱内柴油在低压输油泵的作用下，柴油从燃油箱中经低压油管被吸出，经油水分离器分离过滤和燃油滤清器再次滤清后送往高压油泵，高压油泵使低压柴油变为高压柴油，并将高压油经高压油管送至燃油共轨管，燃油共轨管经高压油管连接电控喷油器供油接头。在这个过程当中，高压油泵上有一回油管，将低压输油泵输送的多余燃油流回油箱;如果油轨的油压超过最大限定值后，高压燃油经燃油共轨上的回油管回到油箱;喷油器上的回油经回油管送回油箱。

高压共轨燃油喷射系统的控制过程为：电控单元ECU根据转速传感器、高压油泵上压力传感器和轨压传感器检测电控喷油器的供油压力，通过控制高压油泵上的回油阀和共轨管上限压阀使喷油器供油压力稳定在设定值附近。同时电控单元根据设定的脉宽和频率，定时打开、关闭电控喷油器实现喷油过程。但是，用于教学平台的高压共轨燃油喷射系统其功能需求不一样，因此需要在控制系统上进行改进。实验平台用控制系统主要功能包括：轨压的控制、喷射频率控制、喷射脉宽控制和喷油次数计量与控制。

1.3 高压共轨柴油喷油器的基本工作原理

高压共轨喷油器的工作原理与传统机械式喷油器的工作原理相差较大，如图2所示为高压共轨电控喷油器的结构示意和工作原理图。

1.3.1 喷油器关闭状态

当没有控制信号输入时，回油球阀在电磁阀回位弹簧的作用理下压紧在回油节流阀的阀座上，回油节流孔关闭，高压燃油充满整个控制腔，控制腔中的油压、针阀压力室中的油压与共轨管中的油压保持平衡。此时，控制腔中的油压作用在控制活塞上端面上所产生的力与针阀回位弹簧所产生的压力之和大于针阀压力室中的油壓作用在针阀压力环向上的推力，因此喷针阀处于向下压紧的状态，喷油器关闭。

1.3.2 喷油器开启过程

当有控制电压输入时，电磁阀线圈内产生电流，电磁阀线圈产生的电磁力克服电磁阀回位弹簧的弹力使电磁阀向上运动，球阀离开阀座打开回油节流孔，控制腔中的高压燃油从回油节流孔经喷油器的回油管流回燃油箱。由于进油节流孔的直径小于回油节流孔的直径，在进油节流孔的节流作用下控制腔内的燃油压力与回油管内的压力保持平衡，而针阀压力室内的压力与燃油共轨管内的油压保持平衡。这时作用在控制活塞上端平面上的油压产生的作用力减小，控制活塞上端面上的油压作用力和喷油器针阀弹簧的弹力之和小于针阀压力室内的油压作用在针阀压力环向上推力，针阀向上移动而打开喷油器，喷油开始。喷油器的最低打开喷油压力取决于针阀回位弹簧的预紧力，当共轨管中的压力高于这个值时喷油器才可以开启。当喷油压力一定时，喷油量与控制电磁阀的通电时间成正比，与喷油泵转速及发动机转速无关，这就是时间压力（P-T）燃油喷射系统的优点。

1.3.3 喷油器回位过程

当控制信号作用消失时，电磁阀回位弹簧把衔铁向下推，球阀关闭回油节孔。高压燃油经进油节流孔流入控制腔，控制腔油压逐渐回升，直到与共轨压油平衡。作用在控制活塞上端平面的油压作用逐渐增大，当油压在控制活塞上端面上所产生的力与针阀回位弹簧所产生的压力之和大于针阀压力室中的油压作用在针阀压力环向上的推力时针阀向下运动而落入阀座，喷嘴关闭，喷油过程结束。

1.4 高压共轨燃油喷射系统主要测量装置

喷油器电流装置：喷油器的开启过程是完全依赖于电磁阀的控制，因此电磁阀的电流信号是喷油器的关键控制参数之一，即时间压力控制当中的时间。喷油器电流测量主要采用磁感应式电流探头，并借助于示波器或者是实验平台的采集系统进行显示，让学生可以直观地了解控制电流的变化情况。

轨压测量装置：轨压作为控制喷油量的另一关键参数其重要性是不言而喻的，轨压的测量一般采用压阻式压力传感器，传感器信号借助实验平台的采集系统进行采集和显示。

油量计量装置：喷油量的测量分为两部分，其中一部分是测量喷射量，主要计量的是从喷油器喷孔喷射出来的油量;另一部分是测量喷油器的回油量，主要是计量从喷油器回油道流回燃油箱的回油量。

2  教学实验项目设计

针对能源与动力工程汽车发动机专业学生的培养需求，从演示性实验、验证性实验和创新性实验三个方面搭建的高压共轨燃油喷射系统综合实验教学平台，可以开展以下主要实验项目（见图3）：

2.1 高压共轨柴油机喷射系统结构及原理实验

高压共轨燃油喷射系统的结构及原理与传统机械式喷射系统有很大的区别，通过实验平台可以直观地认识系统的组成，各部分之间的位置装配关系及工作原理，燃油的流程，控制信号流程图等等。详细拆解高压油泵，了解其结构原理，弄清与传统高压油泵的区别，充分认识油压的建立与转速无关的本质。详细拆解电控喷油器，了解其工作原理，充分认识其电子-液力-机械力三者的协同工作关系，理解时间-压力控制的本质。通过整体认识和对关键部件的详细拆解，让学生对整个高压共轨燃油喷射系统有更直观的认识，为理论课程的学习和今后的工作打下基础。

2.2 喷油量及回油量测量实验

喷油量是喷油器的关键参数[8]，每一支喷油器都有其自身的流量特性;高压共轨喷油器的回油取决于进回油孔的直径，而进回油孔的直径是影响喷油器流量特性的关键结构参数之一，因此高压共轨喷油器的回油量是测量关键参数。高压共轨喷油器的喷油量与回油量的测量需要同步进行，测量时固定轨压和控制脉宽，在喷射固定次数后测量其总的喷油量和总的回油量并除以喷射次数即可获得喷油器相应的喷油量和回油量。

2.3 喷油器控制参数调整实验

影响喷油器流量特性的主要控制参数有轨压、控制脉宽和驱动电压，通过调整上述三个参数当中的某一个参数，然后按2.2所述的方法测量其喷油量和回油量，即可获得不同控制参数下喷油器的流量特性。通过调整控制脉宽，即喷射时间，和调整喷油压力来测量喷油量的流量特性，可以进一步帮助学生认识到高压共轨喷射系统的时间压力控制概念。

2.4 喷油器标定及一致性测试实验

喷油器由于制造误差等原因会导致每一支喷油器的流量特性不完全一致，因此喷油器在使用之前都需要进行一个标定测试来确认其流量特性。该实验可以让学生了解喷油器的标定流程，掌握喷油器的标定方法，为将来工作打下基础。在实验的时候，可以随机给学生多支喷油器让学生完成喷油器的标定，并分析多支喷油器流量特性的一致性。

2.5 喷雾质量演示实验

喷雾质量是影响柴油机燃烧的关键因素，因此喷雾质量是汽车发动机原理课程的学习重点之一。借助实验平台，再配合纹影等摄像系统即可获得在一定压力和控制信号下的燃油喷雾质量，让学生可以直观地观察燃油喷雾形状和理解控制参数对喷雾质量的影响，帮助学生加深对理论课程的理解。

3  高压共轨燃油喷射系统综合实验平台多元化

学生在高压共轨结构及原理认识实验、喷油量及回油量测量实验、喷油器控制参数调整实验、喷油器标定实验和喷雾质量演示实验等多层次的综合实验训练中，完成了高压共轨从认识、了解到应用强化的训练。学生还可以根据自己选择的实验对象、内容和设备进行实验方案设计并进行实验，发现和探索高压共轨的相关规律和原理。这样既满足了理论教学的演示性和验证性实验需求，又满足了学生对创新性、探究性和综合性实验的需求。让学生全面掌握基本的知识和技能，同时也培养了学生的工程实践能力、创新思维和运用知识解决问题的能力。

高压共轨燃油喷射系统综合实验平台可满足本科毕业设计和创新实践训练的需要。结合目前高压共轨燃油喷射系统在各类柴油机上的应用情况，学生完成相關课题时可利用现在实验平台，自主查阅相关文献资料等，完成研究、设计和实验。这不仅可以培养学生理论联系实际的能力，同时也可提高学生的创新实践能力。

高压共轨燃油喷射系统实验平台还可以用于科学研究，实现教学与科研的紧密结合。该实验平台可用于电子控制系统的开发与标定工作的喷油器控制调试，也可用于高压共轨喷射系统与发动机的匹配测试，还可用于喷油器关键参数的设计等等。将教学设备与科研设备紧密结合使用可以提高设备的利用率，也可让本科生参与到自己所熟悉设备的研究领域，激发学生的科研兴趣。

4  结语

高压共轨燃油喷射系统实验平台的建设是基于“汽车发动机构造”与“汽车发动机原理”两门主要核心课程展开的，该平台可以完成从认识实验、验证实验和学生版主创新实验，满足了对学生的日常教学要求和对学生的创造力的培养。与此同时，该平台还可用于科学研究和毕业设计等创新训练的培养，这种实验室资源整合与科研教学相整合的方式有利于实验室资源的共享，实现资源的节约，充分发挥现有资源的作用。

参考文献：

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