柴油发动机高压共轨燃油喷射技术研究_刘军萍

柴油发动机高压共轨燃油喷射技术研究The Research of Diesel Engine Electronic Control Fuel Injection Technology

刘军萍续彦芳杨帆高舒芳

（中北大学）

〔摘要〕本本文介绍了柴油机电控燃油喷射技术的发展历程。阐述柴油机高压共轨电控燃油喷射系统的基本组成、工作原理、特点及未来研究方向。

〔关键词〕柴油机电控燃油喷射高压共轨研究目标

Key words:Diesel engine Electronic control fuel injection Common rail under high pressure Research objectives

0引言

柴油机共轨燃油喷射系统是目前柴油机实现国III及国IV排放标准的最主要技术手段之一[1]。高压共轨燃油喷射技术，不仅可提升直喷柴油机的动力性能和燃油经济性，还可改善柴油机的排放性能。高压共轨燃油喷射技术与其他电控喷油系统相比，具有明显的优越性，已成为柴油机电控技术日后发展的重要方向。随着电子技术和计算机技术的飞速发展,特别是以微电子技术为核心的计算机控制技术和现代传感器技术的迅速发展，为进一步提高柴油机性能和改善排放性能奠定了基础，进而满足日益严格的排放法规。

1概述

电控高压共轨技术（Electric control of the high pressure common rail technology），涵盖了“高压”、“共轨”和“电控”三个方面。“高压”是指在由高压油泵、共轨管和喷油器等部件组成的封闭系统里，喷射压力的产生以及燃油喷射过程是完全分开的，发动机在任何工况下均可获得较高的燃油喷射压力，一般此压力可达1600bar以上；“共轨”则是指发动机的各喷油器燃油统一由共轨管提供，确保了各个喷油器燃油压力的一致性，减弱了喷油器各自供油产生的振动，喷油量更加均匀，使发动机运转更为平顺；“电控”是指通过ECU精确控制喷油器电磁阀的开启时刻、持续时间，从而控制喷射提前角和燃油喷射量，确保了以最小的燃油消耗获得最理想的动力输出[2]。2高压共轨燃油喷射系统组成与工作原理

2.1系统组成

高压共轨喷射系统主要由高压油泵、共轨管、电控喷油器、各种传感器和电控单元ECU等组成，如图1所示。

图1高压共轨系统组成示意图

2.2工作原理

通过较大容积的共轨管腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，以消除燃油中的压力波动，形成恒定的高压燃油，然后分送至每个喷油器，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至柴油机燃烧室的油量。从而保证柴油机达到良好的燃油雾化、最佳的燃烧比，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放[3]。

电控单元（ECU）控制喷油器的喷油量，喷油量大小则取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀

凸轮轴位置传感器

油门位置传感器

进气压力传感器

机油压力传感器

机油温度传感器

冷却液温度传感器

大气压力传感器

进气温度传感器

排气背压传感器等

喷

油

器

燃油箱

高压燃

油泵

输油泵

燃油滤

清器

高压共轨压力传感器

溢流阀

共轨

PVC

ECU

开启时间的长短。ECU的基本控制功能是将一定量的柴油在适当的时刻以设定的压力喷入燃烧室，以保证柴油机高动力、低油耗、低排放及低噪声[4]。

3柴油机电控燃油喷射技术的发展历程

柴油发动机的电子化燃油喷射管理，起始于20世纪70年代，柴油机电控燃油喷射技术的发展历程大致经历了以下三代：

第一代：位置式电控系统。采用电子伺服机构(如线性螺线管、线性直流电机)代替机械调速器控制供油齿杆位置(直列泵)或控制溢油环的位置(分配泵)实现喷油量的控制，由ECU(电子控制单元)控制的电液执行机构改变发动机驱动轴与喷油泵凸轮轴之间的相位或控制提前器活塞的移动，实施喷油时间的控制。

第二代：时间式电控系统。其结构特点是供油仍维持传统的脉冲式柱塞泵供油方式，即燃油升压是通过喷油泵或发动机的凸轮来实现的，但喷油定时(升压开始的时间)和喷油量(从升压开始到升压终了的时间段的喷油量)，由ECU调节高速电磁阀开闭时刻决定。由于采用了高速电磁阀,其控制精度较第一代有了较大提高。

第三代：时间—压力控制系统，也称为高压共轨电控燃油喷射系统。它是20世纪90年代中期研制出的全新电控燃油喷射系统，其完全摆脱了传统喷油泵、分缸燃油供油方式，通过共轨蓄压和高速电磁阀执行机构的电控喷油器，实现喷油压力、时间、喷油量和各种复杂喷油特性的综合控制，与第一、二代电控燃油喷射系统比较，更具有其明显的优越性。

现已逐渐产生第四代柴油机共轨电控系统。柴油机第四代共轨电控系统是在第三代共轨系统技术基础上，实现对喷油压力、喷油量、喷油时间及喷油率等喷油参数进行自由地控制，使燃油系的工作与发动机整机运转状况达到最佳匹配，具备废气再循环(EGR)、增压控制、怠速控制、巡航控制等各种附加功能的综合控制，拓展了还未被别人在柴油机电控系统中采用的“改变排量”节能技术，和“急刹车误踩油门安全防范”的尖端技术，并集成了“改变排量”、“HCCI”、“低温等离子尾气净化”三大节能减排高端技术。从理论上估算，其节油率可再提高近30％，尾气污染物排放可达到或超过欧IV标准。

4高压共轨燃油喷射技术的特点高压共轨燃油喷射技术集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身，具有以下特点：

(1)将燃油高压建立过程和燃油喷射过程在时序上完全分开。

(2)采用先进的电子控制装置，并配有高速电磁开关阀；

(3)采用共轨方式供油。共轨腔里的高压燃油直接喷射，可省去喷油器内的增压机构，且共轨腔内持续高压，大幅度降低高压油泵的扭转力矩；

(4)高速电磁开关阀频响高，控制灵活，喷油压力可调范围大；

(5)系统结构移植方便，适应范围宽。

5高压共轨燃油喷射系统的优点与不足

5.1优点

（1）燃油喷射压力独立于发动机的转速，压力相对恒定，可以显著改善发动机在低速和大负荷工况下的工作性能；

（2）喷油压力较高且稳定（最高可至180MPa），可以实现多次喷射，大大改善了发动机低速、大负荷时的工作性能；在有效降低发动机排放水平的同时，对振动和燃烧噪声的抑制也有较为明显；

（3）喷油压力柔性可调，利用共轨压力传感器，测量共轨内的实际燃油压力。根据转速和负荷等运行状况，确定目标喷油压力,ECU控制供油泵电磁阀开启与关闭，从而调整供油泵的供油量,控制共轨压力,即在不同负荷和转速下均可确定所需的最佳喷油压力；

（4）通过控制电磁阀的通、断电时刻来直接控制实际喷油量。实现了对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控制，因而改善了柴油机的燃烧过程，提高了燃油经济性，减少了污染物的排放，降低了燃烧噪声；

（5）根据发动机转速和负荷等参数,计算出最佳喷油时间,并控制电磁喷油器在适当时刻开启和关闭,从而精确控制喷油时间；

（6）根据发动机用途的需要及实际运转状况,设置并控制喷油率形状,如预喷射、后喷射、多段喷射等,这是机械式燃油系无法实现的；

（7）结构简单、系统组成零件少、对发动机原结构的改变较小，所以其实用性强，应用范围广，目前已广泛应用于各种型号、各种排量的柴油机；

（8）自由调节喷油参数，能实现与发动机运行