郝勝?gòu)?qiáng)，上官林宏，王永利，劉永躍，韓楊，胡吉平

(1.濟(jì)南軍區(qū)71573部隊(duì)，山東 萊陽(yáng)265205；2.濟(jì)南軍區(qū)工程科研設(shè)計(jì)所，山東 濟(jì)南250002；3.濟(jì)南軍區(qū)司令部，山東濟(jì)南250002)

0 引言

面對(duì)世界各國(guó)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和環(huán)保節(jié)能要求，柴油機(jī)除了應(yīng)降低機(jī)油消耗、優(yōu)化渦輪增壓系統(tǒng)和發(fā)展先進(jìn)的廢氣后處理系統(tǒng)外，更重要的是需要進(jìn)一步改善其燃燒過(guò)程［1-3］。柴油機(jī)燃燒過(guò)程中效率的高低取決于燃油噴射系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，為了顯著地提升柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，改善柴油機(jī)的動(dòng)力性能，燃油噴射系統(tǒng)必須具備較高的噴油壓力和燃油噴射控制［4，5］。高壓共軌燃油噴射技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，高壓共軌燃油噴射柴油機(jī)憑借其低油耗、低噪聲和較低的NOx、PM顆粒排放等特點(diǎn)得到了國(guó)際普遍認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)發(fā)展史上的一大飛躍［1］。本文闡述了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的工作原理，并綜述了相應(yīng)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，以期為進(jìn)一步改善高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的性能提供參考。

1 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的組成

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是一種全新概念的燃油噴射系統(tǒng)，以直噴技術(shù)、預(yù)噴射技術(shù)和電控技術(shù)為建立基礎(chǔ)。該系統(tǒng)主要由ECU、高壓油泵、電控噴油器、噴油管、公共蓄壓油管 (共軌)、傳感器、電控單元及執(zhí)行器等部分組成［6］。

2 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)

2.1 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的工作原理

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)不再采用傳統(tǒng)的柱塞泵脈動(dòng)供油原理，而是采用公共控制油道-共軌管。高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)共軌管的油壓進(jìn)行調(diào)控。高壓共軌噴射系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置在噴油泵和噴油器之間的一個(gè)具有較大容積的公共供油管把高壓油泵輸出的燃油蓄積起來(lái)并有效的平抑壓力波動(dòng)，而后通過(guò)對(duì)公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，把燃油輸送到每一個(gè)噴油器上。在整個(gè)過(guò)程中，高壓油泵只是向公共控制油道供油以保持燃油噴射所需的共軌壓力，通過(guò)調(diào)壓閥連續(xù)調(diào)節(jié)共軌壓力來(lái)控制噴射壓力［7，8］。

2.2 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)相比，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

圖1 高壓共軌系統(tǒng)組成示意圖

1)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中共軌腔內(nèi)的持續(xù)高壓直接用于噴射，省去了傳統(tǒng)噴油器內(nèi)的增壓機(jī)構(gòu)，高壓油泵所需的驅(qū)動(dòng)力矩比傳統(tǒng)油泵小得多。同時(shí)，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中噴油壓力的建立與噴油過(guò)程無(wú)關(guān)，可以利用共軌壓力傳感器和壓力調(diào)節(jié)器，根據(jù)不同工況確定所需要的最佳噴射壓力，調(diào)整供油泵的供油量和共軌壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油壓力的精確控制，大大優(yōu)化了柴油機(jī)的綜合性能［9］。

2)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)可獨(dú)立地柔性控制噴油定時(shí)，具有良好的噴油特性，ECU根據(jù)接受的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力等參數(shù)，計(jì)算并確定最佳噴油時(shí)間，然后控制電控噴油器適時(shí)開啟和關(guān)閉，從而精確控制噴油時(shí)間，將共軌管內(nèi)的高壓燃油以最佳的噴油定時(shí)、噴油量、噴油速率和噴霧狀態(tài)噴入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，配合高的噴射壓力(120～200MPa)，優(yōu)化燃燒過(guò)程，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗、噪聲和NOx、PM顆粒的排放等綜合性能指標(biāo)得到明顯改善［10，11］。

3)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)噴油定時(shí)與燃油計(jì)量完全分開，精確計(jì)量的噴油量可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度和燃油經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)以發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和油門開度信號(hào)為基礎(chǔ)，通過(guò)ECU計(jì)算出最佳噴油量，并控制噴油器電磁閥的通、斷電時(shí)間，從而精確控制預(yù)噴射、主噴射和后噴射的噴油量與時(shí)間間隔，容易實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射、靴型噴射、快速停噴、后噴射、多段噴射和多次噴射，即可降低柴油機(jī)NOx，又能保證優(yōu)良的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性［1，4，9］。

4)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)由電磁閥控制噴油，通過(guò)油泵上的壓力調(diào)節(jié)電磁閥，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷狀況、經(jīng)濟(jì)性和排放性的要求對(duì)共軌油腔內(nèi)的油壓進(jìn)行靈活地調(diào)節(jié)，控制精度較高，調(diào)節(jié)過(guò)程中在高壓油路中不會(huì)出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象，使得柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，循環(huán)噴油量變動(dòng)較小，改善各缸供油不均勻的現(xiàn)象，從而減輕柴油機(jī)的振動(dòng)、優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能［10，12］。

5)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、實(shí)用性強(qiáng)。

3 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

高壓共軌燃油噴射技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世，就備受世界各國(guó)柴油機(jī)生產(chǎn)廠家的青睞。目前，國(guó)外在柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)方面的研究進(jìn)展很快，國(guó)際上有多種高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)并投產(chǎn)，并已經(jīng)形成了很多技術(shù)成熟的產(chǎn)品［4，10］。比如意大利菲亞特(Fiat)集團(tuán)的Unijet系統(tǒng)、美國(guó)德?tīng)柛９镜腗ultec DCR系統(tǒng)和德國(guó)博世(Bosch)公司的CR系統(tǒng)、日本電裝(Nippondenso)公司開發(fā)的ECDUZ系統(tǒng)、英國(guó)LueasVarity公司的LDCR系統(tǒng)等。其中，Bosch公司以壓電石英作為執(zhí)行器代替高速電磁閥，并采用最新研制的同軸可變噴嘴及壓力擴(kuò)大器技術(shù)，噴射壓力高達(dá)200MPa，針閥運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到1.3m/s，預(yù)噴射油量可控制在1mm3之內(nèi)。在控制策略上，以經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的開環(huán)控制和閉環(huán)控制在電控高壓共軌系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［13］。日本電裝公司的ECDUZ系統(tǒng)噴油泵采用三“桃尖”凸輪，起動(dòng)時(shí)，共軌管中油壓迅速上升。按油泵啟動(dòng)供油量600mm3/s(3倍于標(biāo)定油)，油泵工作3個(gè)行程(啟動(dòng)時(shí)間為0.55s)后，共軌壓力就超過(guò)噴嘴開啟壓力(20MPa)了，發(fā)動(dòng)機(jī)在0.6s內(nèi)達(dá)到怠速。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至500r/min時(shí)，共軌管內(nèi)壓力仍可達(dá)100MPa，即ECD-UZ在任何轉(zhuǎn)速和任何工況下均可實(shí)現(xiàn)高壓噴射［1，14，15］。

國(guó)內(nèi)在柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射技術(shù)方面的研究起步較晚，自21世紀(jì)90年代初期開始進(jìn)行有關(guān)柴油機(jī)電控技術(shù)的初步研究，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，在相關(guān)控制理論、系統(tǒng)、關(guān)鍵零部件等方面取得了進(jìn)展，并著手進(jìn)行自主研發(fā)。其中，清華大學(xué)歐陽(yáng)明高等研制出了適合我國(guó)直列泵應(yīng)用廣泛的國(guó)情，并且具有結(jié)構(gòu)兼容性好、硬件簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的PPVI系統(tǒng)(泵-管-閥-嘴系統(tǒng))。天津大學(xué)與山東龍口油泵油嘴股份有限公司合作開發(fā)出高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射功能，并且噴射壓力可高達(dá)110Mpa；但是，系統(tǒng)噴油量不是采用改變電磁閥的通電時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)，而是通過(guò)改變公共蓄壓管的壓力來(lái)調(diào)節(jié)的，因此難于實(shí)現(xiàn)噴油量的精確調(diào)節(jié)。北京理工大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室研制成功的柴油機(jī)電控蓄壓共軌噴油系統(tǒng)，最高噴射壓力可達(dá)129MPa。無(wú)錫威孚集團(tuán)與博世公司已經(jīng)聯(lián)合組建了無(wú)錫博世汽車柴油機(jī)系統(tǒng)股份有限公司，開始了高壓共軌系統(tǒng)的生產(chǎn)。在控制策略上，目前國(guó)內(nèi)主要采用經(jīng)典PID控制方法，這種方法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好，但存在需要在不同工況下反復(fù)調(diào)節(jié)和不能在線調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)［5，16］。

4 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的研究目標(biāo)

隨著電控技術(shù)、材料技術(shù)、加工制造技術(shù)以及控制理論等的不斷發(fā)展，高壓共軌燃油噴射技術(shù)必將呈現(xiàn)出更好的發(fā)展前景。綜合分析國(guó)內(nèi)外對(duì)柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的研究歷史和現(xiàn)狀，柴油機(jī)噴射系統(tǒng)應(yīng)將以下幾點(diǎn)作為后續(xù)的重點(diǎn)研究目標(biāo):

1)進(jìn)一步提升共軌燃油噴射系統(tǒng)內(nèi)的噴油壓力。為達(dá)到未來(lái)更加苛刻的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，最根本還是要提高共軌壓力。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是噴射壓力達(dá)180～200MPa，甚至出現(xiàn)了“超高壓噴射”的概念。當(dāng)然，在噴射壓力也不是越高越好，業(yè)已研究表明:在保證油束噴射距離足夠大以及壓力提高值對(duì)燃燒改善效果較明顯的前提下，最高噴射壓力取180～200MPa效果最為理想。

2)更小的噴孔直徑、更短的響應(yīng)時(shí)間和更低的功率消耗，提高關(guān)鍵部件的可靠性和壽命。由于噴射壓力的提高，對(duì)電磁閥、噴油器適應(yīng)能力的要求更加苛刻，不僅要求其響應(yīng)速度高，而且高壓穩(wěn)定性好，同時(shí)要兼具可靠性好，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，這將依賴于零部件制造技術(shù)的發(fā)展。

3)解決高壓共軌系統(tǒng)的多MAP優(yōu)化問(wèn)題。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中，ECU根據(jù)其內(nèi)部存儲(chǔ)的MAP控制噴射過(guò)程。高壓共軌燃油系統(tǒng)中電控泵ECU控制數(shù)據(jù)較多，如噴油壓力MAP、預(yù)噴射MAP、噴油量MAP和噴油定時(shí)MAP等。系統(tǒng)內(nèi)的電控泵ECU要根據(jù)排放和燃油耗進(jìn)行優(yōu)化，工作量很大。因此需要研究統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型映射MAP數(shù)據(jù)、自學(xué)習(xí)優(yōu)化方法等很多關(guān)鍵技術(shù)，以解決多MAP優(yōu)化問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

高壓共軌燃油噴射技術(shù)作為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)中一門綜合性的新興技術(shù)，是未來(lái)柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。隨著電控技術(shù)、現(xiàn)代制造業(yè)和控制理論的發(fā)展，未來(lái)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及排放性能將會(huì)隨之而改善，柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)必將會(huì)有更大的發(fā)展空間和美好的未來(lái)。

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