柴油机高压共轨电控燃油喷射系统现状和发展

为了节省能源、 降低排放， 柴油 机 电 子 控 制 燃 油 喷 射 技 术 已 经 取 得 了 巨 大 的 进 步， 而共轨喷射技术 的应用， 实 现 了 柴 油 机 发 展 史 上 的 一 大 飞 跃。 柴 油 机高压共轨 系 统 在 整 个 内 燃 机 行 业 被 公 认 为 M" 世 〔!〕 纪三大 突 破 之 一 ， 是 M! 世 纪 柴 油 喷 射 系 统 的 主 流。若想在保持直喷柴油机 卓越的 燃 油 经 济 性 的 同 时， 又能满足越来越严格的排 放法 规， 除了降低润滑 油消耗、 优化增压系统和发展 废气 后 处 理 系 统 外， 最 重要的还是进一步改善燃烧过程。而 燃 油 喷 射 系 统 的性能是影响柴油机燃烧过程的 关 键 环 节。 为 了 有 效 地 减 小 燃 油 消 耗 率， 改善动力性能和满足更严格 的 排 放 标 准， 要求喷射系统具有高的喷油压力和更 灵活的燃油喷射控制。高压共轨喷 射 系 统 正 是 顺 应 以上需求而出现的， 并得到了很大的发展。
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统的控制自由度及精度得到了大幅度提高。 为典型的电控 高压共轨喷油系统的结构见图 ! ， 高压共轨喷射系统， 主要由高 压泵、 带调压阀的共轨 管、 带 电 磁 阀 的 喷 油 器、 各种传感器和电控单元 （ 1=&） 组成。 国内外很多内燃机方面的 专 家 学 者 都 在 研 究 开 发电控高压共轨喷射系统。德国 ’-<B> 公司、 意大利 菲亚特集团、 英 国 $&=OP、 日 本 电 装 公 司、 美国德尔 福公司等世界著名油泵油嘴制 造商相 继 开 发 了 高 压 共轨 系 统， 下面就部分公司的电控高压共轨喷射系 统进行介绍和分析。
图(
"#$%& 公司的高压共轨喷射系统
图’
压电共轨喷油器
图7
激光焊接油轨
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第/期
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刘斌彬等： 柴油机高压共轨燃油喷射系统现状与发展趋势 ・ ? ・
图!
德尔福公司的 "#$%&’ ()* + ,-..
油共轨喷射系统。 "#$%&’ ()* 柴 油 共 轨 喷 射 系 统 的 主要部件有共用高压油轨、 高 压 燃 油 调 压 器、 高压燃 油泵、 燃油喷 油 器、 电 控 单 元、 燃油滤清器和传感器 等， 如图 ! 所示。 跟其他 的 尖 端 高 压 喷 射 系 统 一 样， "#$%&’ ()* 柴油共轨喷射系统的喷射压 力 与 发 动 机 转 速 和 负 荷 无关， 即使在低速运行时， 系统仍可保持足够压力的 高压燃油喷 射。 可 实 现 多 次 喷 射， 能满足欧!排放 法规要求。相比之下， 其喷油器的设计更加独特。 "#$%&’ ()* 主要采用了 带 有 平 衡 控 制 和 反 馈 控 〔-〕 制策略的电 控 电 磁 阀 结 构 的 电 液 式 喷 油 器 ， 它能 提供极 快 的 动 作 响 应 并 精 确 地 进 行 燃 油 流 量 的 计 量。这种响应迅速、 结构紧 凑、 小巧玲珑的电磁阀控 制的喷油器只需常规 ,/ 0 汽车蓄电池驱动就能正常 工 作， 比世界上现有的任何一种柴油机共轨喷射系 统 都 节 能， 这大大降低了汽车电子系统设计的系统 生产成本 和 复 杂 程 度。 整 个 系 统 采 用 积 木 式 设 计， 便于应用于不同形式和不同 种 类 的 发 动 机。 德 尔 福 公司专门为共轨喷射系统开 发 了 一 套 以 加 速 度 信 号 处理为基础的 喷 油 控 制 策 略， 使 "#$%&’ ()* 高 压 共 轨系统具有较低的燃烧噪声和排放。 近年来德 尔 福 公 司 确 定 了 三 个 研 发 领 域： 喷油 器 和 喷 油 嘴 设 计 参 数 的 最 佳 化， 系统液力稳定性和 多 次 喷 射 控 制 策 略 的 最 佳 化， 改善发动机参数的协 〔1〕 。 调性， 以满足未来排放法规的要求和降低噪声 德 尔 福 将 进 一 步 改 进 其 柴 油 喷 射 系 统， 以满足下一 轮全球排放法规。
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国外主要的高压共轨喷射系统
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柴油机高压共轨喷射系统原理和结构
与前两代喷油系 统 相 比，电 控 共 轨 燃 油 喷 射 系 统 克 服 了 燃 油 压 力 受 柴 油 机 转 速 的 影 响， 不再采用 传 统 的 柱 塞 泵 脉 动 供 油 原 理， 而采用了公共控制油 道— — —共轨管， 高压油泵只是向公共油道供油以保 持所 需 的 共 轨 压 力， 通过连续调节共轨压力来控制 喷射压力， 使其达到与工况 相适应 的 最 优 数 值， 而且 还 使 得 喷 油 压 力 和 喷 油 速 率 的 控 制 成 为 可 能， 且系
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目前， 国外 在 柴 油 机 电 控 共 轨 喷 射 系 统 方 面 的 研究进展很快， 并有多种共轨喷 射 系 统 设 计 并 投 产。 笔者主要介绍德国 ’-<B> 、 意大利菲亚特和美国的德 尔福公司的高压共轨系统。
作者简介： 刘斌彬 （ !KLM F ） ， 男， 汉， 研 究 生， 主要研究 方向为柴油机电控系统的研究与开发。
柴油机高压共轨燃油喷射系统现状与发展趋势
刘斌彬， 李国岫， 郑亚银 （北京交通大学， 北京 !"""##）
摘要： 介绍柴油机电控高压共轨喷射系统的原理和结构， 对当今国外典型的高压共轨喷射系 统 进 行 介 绍 和 分 析， 总 结各种系统的最新进展， 最后提出未来的研究目标和发展趋势。 关键词： 柴油机； 高压共轨； 喷射系统 中图分类号： !"#$% & % 文献标识码： ’ 文章编号： （$))+） ())) * +#,# )$ * )))( * )-
M""N F "K F ML 收稿日期：
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高压共轨喷射系统结构
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(001 年 7 月
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德国 "#$%& 公司的高压共轨系统
目前为止， "#$%& 公司总 共 规 划 和 设 计 了 ’ 代 高 压共轨系统。如 图 ( 所 示 为 "#$%& 公 司 的 高 压 共 轨 喷射系统。 第 一 代 已 经 于 )**+ 年 + 月 批 量 投 放 市 场， 主要应用 于 轿 车， 喷 射 压 力 达 )’, -./。 第 二 代 于 (000 年开始批量 生 产， 开始使用具有油量调节功 能 的 高 压 泵 和 经 改 进 的 电 磁 阀 喷 油 器， 喷射循环由 预喷射、 主喷射和多级喷射 等 多 次 喷 射 组 成， 最大系 统压力 提 高 至 )10 -./， 采 用 降 噪 新 技 术， 主要适用 〔(〕 。 于功率在 ,, 23 4 5 以下的发动机 "#$%& 公司第 三 代 高 压 共 轨 喷 射 系 统 的 开 发 重 心转移到系统的技术复杂度 和 精 密 度 上。 高 压 油 泵 前 端 的 齿 轮 泵 将 燃 油 从 油 箱 抽 出， 通过滤清器送入 具 有 泵 油 量 调 节 功 能 的 高 压 油 泵 升 压， 分配单元将 进入的燃油分成两路： 一路 供 给 泵 油 元 件， 另一路用 以冷却。高压油泵将燃油压 缩 至 最 高 压 力 )10 -./， 并将其输 入 共 轨。 共 轨 上 安 装 的 压 力 传 感 器、 压力 调节器和电控装置形成闭环 的 压 力 控 制 回 路。 高 压 燃油经油轨到喷油器。第三 代 高 压 共 轨 喷 射 系 统 最 大的特点在于采用了一个快 速 开 关 的 压 电 直 列 喷 油 器， 压电执行器内置于喷油 器 轴 体 上， 相比于传统喷 油器减少了约 +, 6 的 运 动 件 及 +, 6 的 质 量， 开关速 度也得到很大提高。第三代 高 压 共 轨 燃 油 喷 射 系 统 能满足严格的欧 ! 标准。图 ’ 为压电式喷油器。 高强度模块式激光焊接油轨为一铸造管， 是连接高 压油泵和喷油器的桥梁， 也是一个蓄压器， 见图 7。
图,
菲亚特集团的 89:;<= 喷射系统
共轨中压 力 波 动 是 设 计 所 要 考 虑 的 重 要 参 数， 为使共轨压力波动和启动油压的建立 几 乎 不 受 喷 油 器、 高压油泵 和 调 节 阀 工 作 的 影 响， 共 轨 的 长 度、 内 径和容积应 有 一 合 理 的 数 值。为 使 其 最 佳 化， "#$%& 在设计阶段运 用 >-?@A- 程 序 进 行 了 模 拟 计 算。 与 迄今 最 好 的 电 磁 或 压 电 控 制 的 喷 油 系 统 相 比， "#$%& 第三代高压共轨喷射系统排放物控制 效 果 和 燃 油 的 计量精度有明显的提高。 "#$%& 公司第 四 代 高 压 共 轨 喷 射 系 统 将 会 采 用 最新 研 制 的 同 轴 可 变 喷 嘴 及 压 力 扩 大 器 技 术， 最高 喷射压力将会超过 (00 -./。 ! ! ! 意大利菲亚特集团的高压共轨系统 )**+ 年菲 亚 特 集 团 推 出 了 世 界 上 第 一 台 采 用 并将其装 89:;<= 高压喷射系统的共轨式柴油发动机， 配在阿尔 法 ),1 汽 车 上。 89:;<= 高 压 共 轨 系 统 主 要 由喷油泵、 传感器、 电 液 控 制 喷 油 器 和 ?B8 组 成， 如 图 , 所示。 与传统凸轮 驱 动 的 喷 油 系 统 相 比， 89:;<= 系 统 对 于降低 CDE 和碳烟排放量具有最佳的喷油压力匹配 〔’〕 。 89:;<= 系 统 在 预 喷 射 能力， 并且能提高最大扭矩 定时和预喷油量方面具有灵活性， 有效地利用这种灵 活性能恰当地协调燃烧噪声和烟雾控制之间的关系。 菲亚特研制成功第二代 FGH )1 气门多重 (00’ 年， 喷射柴油发动机。第二代共轨式发动机的特点在于： 多次喷射系统在发动机的每一 个 循 环 中 能 够 进 行 更 多次数的喷射， 多次喷射系统的奥秘在于控制单元和 喷油嘴的设计， 它们可以产生一系列间隔非常小的喷 射。菲亚特研究人员 开 发 这 一 技 术 的 目 的 是 保 证 更 精确地控制燃料室内的压力和温度， 同时更有效地利 用进入到气缸内的空气。由于柴油被分配得更细， 从 而得到更平顺的燃烧效果。同时， 发动机的主要部件 和控制程序都进行 了 彻 底 改 进。这 些 技 术 降 低 了 发 动机的 运 转 噪 声， 特别是降低了发动机冷态时的噪 声， 提高了 功 率 和 扭 矩， 油 耗 减 少， 降 低 了 尾 气 排 放， 提前满足了严格的欧!排放法规的要求。 ! ! # 美国德尔福公司的 -IJ=<% HBK 系统 德尔福最具代表性的就是先进的 -IJ=<% HBK 柴