柴油机共轨系统

柴油机电控共轨系统s09040671.高压共轨技术简介柴油机在机械喷射、增压喷射和普通电喷后,近几年来出现了共轨高压喷射。

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(图1) 。

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) 。

高压共轨(Common Rail) 电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元( 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。

它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管(Rail) ,通过公共供油管内的油压实现精确控制,使高压油管压力(Pressure) 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变化的程度。

它通过共轨直接或间接地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到燃烧室的油量,从而保证柴油机达到最佳的雾化、燃烧和最少的污染排放。

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: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. 可独立地柔性控制喷油正时,配合高的喷射压力(120～200MPa) ,可同时控制NOx 和微粒( PM)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,既可降低柴油机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此外，共轨技术对促进环境的保护也具有不可忽视的作用：高压共轨系统是世界最为先进的燃油喷射系统,被世界内燃机行业公认为20 世纪三大突破之一,它能够在不同工况下都以120 MPa 的喷射压力实现稳定可控喷射,使柴油机各工况的燃烧达到最佳状况,性能大大优化,排放中的有害成分进一步减少。

高压共轨系统是柴油机满足欧洲2 号、欧洲3 号甚至欧洲4 号排放法规的理想燃油喷射系统。

共轨技术有助于减少柴油机的尾气排放量,以及改善噪声、燃油消耗等方面的综合性能;它在促进柴油机工业、汽车工业及相关工业的发展的同时，它还有利于地球环境得保护。

2.柴油机电控共轨喷油系统类型和优缺点共轨式喷油系统又可称为压力时间控制系统或第三代电控喷油系统，分为中压共轨系统和高压共轨系统。

中压共轨系统（即增压式共轨系统) 又分为共轨蓄压式系统和共轨液压式系统。

这两种系统喷油压力的形成原理是相同的(均为帕斯卡增压原理) ，只是所用的控制油和待喷燃油的压力源不同(共轨蓄压式系统的控制油和燃油均来自共轨管；共轨液压式系统的控制油来自共轨管，待喷燃油来自燃油输油泵)。

A.中压共轨式电控燃油喷射系统（1）共轨蓄压式电控燃油喷射系统共轨蓄压式系统采用增压活塞来提高喷射压力，共轨管内中等压力的燃油用来推动增压活塞和向喷油器提供喷射用燃油。

a、美国BKM公司的Servo-jet系统该系统是最典型的中压共轨蓄压式电控喷油系统，如图1 所示。

系统主要由蓄压式喷油嘴、轴向柱塞燃油泵、数字式电磁阀、电子压力调节器、共轨式供油程序块和电控程序块组成。

燃油泵为具有7 个柱塞的固定斜盘式转子型轴向柱塞输油泵，能提供2--10MPa的中压共轨燃油。

本系统的喷射压力和各缸油量分配与发动机转速无关。

系统的燃油计量方式为压力计量，而且燃油计量过程与喷射过程分离。

喷油始点由电磁阀控制，而喷油终点、最高喷射压力、喷油量和喷油速率均受共轨压力控制。

由于电磁阀直接控制的共轨压力为10--20MPa，仅在喷油器内增压，因此避免了恒高压泄漏，对电磁阀的要求也很低。

该系统的缺点是：系统每次喷射的只是喷油器蓄压室中蓄积的高压油，随着喷射压力逐步降低，喷射速率越来越小，喷油规律先急后缓，直到弹簧关闭针阀。

而在高压喷射时，过高的初始喷射速率会使滞燃期内气缸中混合好的燃油量大大增加，预混合燃烧比例增大，柴油机工作粗暴，NOx排放增加。

而该系统的结构决定了它难以实现预喷射。

b、天津大学的PAIRCUI型中压共轨式喷射系统该系统提出了具有双蓄压室和喷油规律控制阀的电液控制共轨式单体喷油器和一种大流量快速响应螺管式电磁阀。

实现了预喷射和喷射末期的快速停喷，能够降低燃烧初期的压力升高率，改善柴油机运转平稳性和减少噪声污染。

图5 为由PAIRCUI构成的电控燃油系统框图，系统主要由轴向柱塞油泵、滤清器、电子调压器、电液控制单体喷油器、快速电磁阀、电磁阀驱动电路和电控单元,以及相应传感器等部件构成。

ECU通过对喷油器电磁阀的控制，实现喷油定时的灵活调节。

通过控制电子调压器，可灵活调节共轨油压，进而实现对喷油量的控制。

（2）液压式电控燃油喷射系统共轨液压式系统也采用增压活塞来提高喷射压力。

它有两条公共油道，一条是提供中等压力的控制油路（共轨管），用来推动增压活塞；另一条是低压燃油供油道，用来向喷油器提供喷射用燃油。

a、美国Catepillar公司的HEUI系统HEUI系统(如图6)是最典型的共轨液压式喷油系统。

系统的共轨控制油采用发动机机油，用斜盘式柱塞泵作为机油的高压泵，共轨压力由电磁阀控制在4--23MPa，具体值按发动机工况调节。

HEUI系统的特点是燃油计量以时间为基础，喷射压力不受转速和负荷的影响，喷油定时也不受限制。

使用机油作为共轨工作油主要是为了解决燃油在热工况下粘度降低、热起动困难的问题。

采用机油存在的冷起动困难的问题已解决，能保证在-40℃起动。

共轨中的机油压力在30ms内可达到要求值。

B.高压共轨式电控燃油喷射系统该类型中的典型代表是日本电装公司的ECD -U2 高压共轨喷油系统,如图1所示,该系统主要由高压输油泵、共轨油道、喷油器、电控单元( ECU) 、传感器等组成。

该系统的工作原理是:通过油泵控制阀( PCV)调节高压供油泵的泄油量来控制共轨油道中的燃油压力。

燃油压力由装于共轨油道上的传感器检测,通过燃油压力反馈控制来控制共轨油压,使实际燃油压力按发动机转速和负荷要求的压力值得到控制,来自共轨油道的燃油送到喷嘴和液压活塞上油腔两处。

喷油量、喷油正时、喷油率的控制由二位三通高速开关电磁阀(TWV) 的开关对液压腔活塞上油腔压力的控制来实现。

TWV 开启时,上油腔中的高压油泄出,此时由于喷嘴侧高压油的作用,开启喷嘴针阀,开始喷油。

TWV 关闭时,高压油再次作用在液压活塞上方, 关闭喷嘴针阀。

这样, 通过控制TWV 的开关定时,就可控制喷油量和喷油定时。

在TWV 和液压活塞腔之间装有单向阀和节流阀,用于限制活塞腔油压释放时的燃油流动,抑制针阀的抬起速率,从而形成合理的喷油速率。

另外,在一个工作循环内,可多次控制TWV 的开关,从而可实现预喷射和分段喷射。

1995 年,日野公司在其中型卡车用J08C 型柴油机上采用了本系统,目前ECD - U2高压共轨喷油系统的月产量达5 000 套左右。

国外其他较成功的柴油机电控高压共轨喷油系统有:德国BOSCH 公司的高压共轨喷油系统、意大利Fiat 集团的Unijet 系统等。

据最新资料:德国三家著名汽车公司Benz ,BMW,Audi 几乎同时开发的大型V8 柴油机,均采用BOSCH 的高压共轨喷油系统。

其中BMW的Alpina D10 柴油机的喷射压力高达160MPa ,该型号柴油机为BMW 5 系列提供动力,之后还将配备BMW 3 系列,它在动力性和排放方面都达到了前所未有的高水准。

3. 共轨技术国内外研究现状共轨技术一经问世，就得到了世界上大多数柴油机生产厂商的青睐，被认为是20 世纪内燃机技术的三大突破之一。

国外经过多年的发展，已经形成了比较成熟的产品，如Fiat 集团的Unijet 系统、电装公司的ECD-U2系统和博世公司的CR系统等。

其中，博世公司用压电石英作为执行器代替高速电磁阀，喷射压力已经高达180 MPa，针阀运动速度达到1.3 m/s，预喷射油量可控制在1 mm3 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。

国内对电控高压共轨燃油喷射系统的研究起步较晚，目前正处于研制阶段。

其中天津大学研制的FIRCRI 高压共轨系统正处于硬件在环仿真和实机测试阶段，上海交通大学开发的GD-1 型高压共轨系统处于匹配玉柴6110 柴油机的准备阶段，北京理工大学、华中理工大学等也正在开发自己的高压共轨系统，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。

4. 今后共轨系统的主要研究与发展方向电控高压共轨燃油喷射系统的应用使柴油机的排放、噪声及燃烧性能都得到了很大改善，远远超过了传统内燃机，大大增强了柴油机的竞争力。

随着电子技术、材料技术以及控制理论等的不断发展，该技术还具有很大的发展潜力，进一步的研究主要体现以下趋势：a. 设计开发新的执行器，以及通过对高压油泵、喷嘴材料和加工过程的改进进一步提高燃油喷射压力及其精确性，使燃烧更为充分。

b. 通过最优控制、自适应控制、预测控制等控制理论的研究，将模糊控制、人工神经网络、基于非线性的滑模控制、基于辨识模型的自适应控制等运用到电控高压共轨燃油喷射系统中，改进其控制策略。

c. 研究新的喷油规律。

随着柴油车数量增加，柴油机尾气已经成为大气的主要污染源之一。

因此，世界各国都在积极探索新方法和采取有效的技术措施主动减少和控制污染物的排放，欧洲已经制订出严格的欧V、欧VI 排放法规，预计2014 年开始实施欧VI 排放法规。

因此，必须不断研究满足新的排放标准的喷油规律，进一步降低柴油机的排放。

d. 燃油喷射系统的数值模拟技术。

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。

e. 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。

f. 解决高压共轨系统的恒高压密封问题。

高压共轨系统的密封性能影响燃油喷射压力的提高和柴油机性能。

传统燃油系统和电控泵只在20~30℃A内高压供油，油泵驱动扭矩的峰值很高，但泄漏时间很短，而高压共轨燃油系统在一个循环内都高压供油，喷油器中的针阀偶件和控制活塞偶件长期处于恒定高压中，泄漏量大幅增加，因此，必须进一步解决零部件的恒高压密封问题。