柴油机电控共轨系统

1、 浅谈柴油机电控共轨系统的进展摘要：本文介绍柴油机电控高压共轨喷射系统的原理和结构，对当前典型的高压共轨喷射系统进行了介绍和分析，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发展BrieflyDiscusstheProgressoftheElectronicallyControlledCommonRailSystemoftheDieselEngineAbstract：Thisarticledescribestheprincipleandstructureoftheelectronicallycontrolledhighpressurecommon-r

2、ailinjectionsystemofthedieselEngine.Andtypicalofcurrenthigh-pressurecommon-railinjectionsystemwasintroducedandanalyzed.Summarizethelatestprogressofthevarioussystems.Intheend,thefutureresearchobjectivesandtrendsareraised.Keywords：DieselEngineHighPressureCommon-railInjectionSystemDevelopment目前以柴油机为动力的

3、动力机械以其显著的经济性和动力性广泛应用于各行业,但其缺陷也引起了人们的关注，随着对柴油机低油耗、高功率及降低排放、噪声、排烟等方面日渐强烈的要求，如何解决这些难题已成为制约以柴油机为动力的动力机械发展的主要因素，柴油机高压共轨喷射系统（图1）,正是顺应以上需求而出现的。图1柴油机高压共轨喷射系统柴油机电控共轨喷射系统是由意大利菲亚特公司在20世纪80年代设计的。后来该公司将该技术的生产特许权卖给德国Bosch公司，Bosh公司则又花了三年时间进行生产准备。到20世纪90年代中后期，柴油机电控共轨喷射系统正式进入了实用化阶段，越来越多的汽车生产厂商开始应用共轨喷射系统。实践证明，运用该系统，不

4、仅可以满足日益严格的排放、噪声法规，而且还可以降低燃油消耗。因此，柴油机共轨喷射技术对于缓和世界能源危机,保护生态环境具有重大的战略意义和现实意义。柴油机共轨喷射技术也因此被公认为内燃机行业20世纪三大突破之一1。柴油机高压共轨喷射系统结构和原理如图2所示，高压共轨喷油系统主要由高压油泵，带调压阀的共轨油管，带电磁阀的喷油器、电控单元、ECU和各种传感器组成，共轨油管油压由高压油泵，压力传感器和ECU组成的闭环来调节。It圧障壽耳图2高压共轨喷射系统的结构电控高压共轨燃油喷射系统采用公共控制油道一一共轨油管把高压油泵输出的燃油积蓄起来，通过各高压油管输送到每个喷油器上，喷射过程由电控单元ECU

5、操作执行器完成。由于这种系统采用压力一时间式燃油计量原理，因此又称为压力一时间控制式电控燃油喷射系统。柴油机共轨喷油系统的优点2.1柴油机电控共轨系统的自身优点自由调节喷油压力（共轨压力）。利用压力传感器测量轨内的燃油压力，从而调整供油泵的供油量控制共轨压力；自由调节喷油量。以发动机的转速及油门开度信息等为基础，由计算机计算出最佳喷油量通过控制喷油器电磁阀的通电，断电时刻直接控制喷油参数；自由调节喷油率形状。根据发动机用途的需要，设置并控制喷油率形状：预喷射、后喷射、多段喷射等；自由调节喷油时间。根据发动机的转速和负荷等参数3,计算出最佳喷油时间，并控制以适当的时刻开启和关闭等，从而准确控制喷

6、油时间。在电控共轨系统中，由各种传感器发动机转速传感器、油门开度传感器，温度传感器等一一实时检测出发动机的实际运行状态，由微型计算机根据预先设计的计算程序进行计算后,定出适合于该运行状态的喷油量、喷油时间、喷油率等参数，使发动机始终都能在最佳状态下工作。2.2电控共轨系统与发动机匹配时所显示的优点广阔的应用领域，用于轿车和轻型载货车，每缸功率可达30KW用于重型载货车以及机车和船舶用柴油机，每缸功率约可达200KW左右；更高的喷油压力，目前可达180MPa不久将超过200Mpa；喷油始点、喷油终点可以方便地改变；可以实现预喷射、主喷射和后喷射，可以根据排放等要求实现57次的多段喷射；喷油压力与

7、实际使用工况相适应。喷油压力的建立与燃油喷射之间无相互依存关系,共轨管中，始终充满喷射用的具有一定压力的燃油。喷油量由计算机通过计算决定，受到其他制约条件很少；喷油正时和喷油压力在ECU中由存储的特性曲线谱(MAP)算出，然后，电磁阀控制装在每个发动机气缸上的喷油器(喷油单元)予以实现。当前几种主要的高压共轨喷射系统介绍和分析目前，国内外很多内燃机方面的专家学者都在研究开发柴油机电控高压共轨喷射系统德国Bosch公司、意大利菲亚特公司、英国LUCAS日本电装公司、美国德尔福公司、德国Siemens公司等都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。31德国Bos

8、ch公司的高压共轨系统到目前为止Bosh公司总共规划和设计了4代高压共轨系统。图3为Bosh公司的高压共轨喷射系统。第一代已经于1997年批量投放市场，喷射压力达135MPa主要应用于轿车。第二代2000年开始量产，最大系统压力为160Mpa,并开始使用具有油量调节功能的高压泵，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，主要适用于功率在55KW/L以下的发动机采用降噪新技术。一高压：Wr,2003年5轨系统主I度和精密度上其压力持在1sh公司的高压共轨喷射系统的第压电直列共轨系统。前两代的共pa第三代共轨系统的重心转移到系统的技术复杂三代共轨系统的特殊之处在于它采用

9、了一个快速开关的紧凑的压电直列喷油器。一个压电执行器内置于喷油器轴体上，且非常靠近喷油器喷嘴针阀。新的喷油器减少了约75%的运动件及75%的质量(如图4)。与电磁阀执行器的共轨系统喷油器相比较，其优点在于：更精确供给燃油喷入的燃油在燃烧室内更好的雾化和混合。喷油器更高的开关速度意味着独立的两次喷射之间的时间间隔减小，这样给喷射过程以更灵活的控制。结果是柴油机工作更安静，燃油燃烧更清洁效率更高，发动机功率更大喷油量和定时的低误差意味着喷油器里的燃油配给量非常精确4。因此，第三代共轨系统能够继续降低柴油机的排放，增加功率，提高燃油效率及减小发动机噪声。在法兰克福IAA2003展会上，Audi公司展

10、示的新型AudiA8汽车即采用了该喷油系统。尽管带有1830kg负荷且没有安装排气处理装置，该车仍满足了严格的欧4排放法规。第三代共轨系统对环境和驾驶者的好处有：根据不同的发动机开发情况，能降低柴油发动机排放达到20%，增加发动机功率5%7%,减少燃油消耗3%,并明显降低发动机噪声约3dB(A)。图4Bosh公司第三代共轨系统的压电式喷油器对于升功率较高的车辆，或者更确切地说是质量约1800kg以下的大型轿车，则就要进一步逐级开发系统压力为180Mpa(CRS3.2)或200Mpa(CR3.3)的第三代共轨燃油喷射系统。第四代共轨系统的方案的竞争集中在同轴可变喷嘴(injectorswithv

11、arableinjecttiongeometry)和液力增压喷油器(HADI)上(如图5)。-齡4代哎沽远的需点增压比*z|：2力高逍曲0MPu圧力/升社輕制哙站曽+t阀疏書灶曲空间间器-1Wh*1年年中正式找产图5液力增压喷油器同轴可变喷嘴的一个压电执行器控制两个同轴相互结合的喷嘴针阀和打开单独控制的两行喷射孔。第一行喷孔为低速流动的细喷孔提供在最初的燃烧过程时的小量燃油，这样提供一个低燃烧噪声的柔和的燃烧。另外，它也有利于在部分负荷时混合气更好的形成，显著地减少排放。当处于全负荷时第二行大孔径的喷孔也打开了。从理论上讲，同轴可变喷嘴可以在大部分速度和负荷范围内，不需预喷射，同时这样还能减少

12、颗粒排放，而HADI借助于一个液力转换活塞将135MPa的系统压力增压到250MPa的喷油压力，这种喷油器的喷油规律被设计成先慢后快的形状，使得喷油开始时的喷油速率很小，在喷油期间喷油压力递增。喷油速率达到的最大值与系统压力有关，但喷油终了一侧的压力曲线形状非常陡峭（压力降落极快）避免了喷油终了时因不完全燃烧而引起的炭烟和积炭5】。最终，由于HADI的综合性能最符合轿车柴油机对喷油规律的要求而被选为正式方案6。3.2美国德尔福公司的DCR系统德尔福最具代表性的就是先进的MultecDCR柴油共轨喷射系统。MultecDCR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

13、油喷油器、电控单元、燃油滤清器和传感器等，如图6所示。乐力it巫油胃一惦式惰:由範(ECU)图6德尔福公司的MultecDCR1400MultecDCR柴油共轨喷射系统的喷射压力也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3排放法规要求。但其喷油器的设计较为独特MultecDCR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燃油喷油器，它能提供极快地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12V汽车蓄电池驱动就能正常工作，比世界上现生产的任何一种柴油机共轨喷射系统都节能，

14、这大大降低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。2004年德尔福公司新一代直接驱动式柴油机共轨喷油系统（DirectActingDieselCommonRailSystem）投入市场，其主要部件如图7所示，新一代产品的优点如表1所示。/图7德尔福公司直接驱动式柴油机共轨喷油系统表1德尔福公司DARDCR的优点特性优点压电式喷嘴加强了多次喷油的能力；能够进一步提高经济性和功率;降低排放；全寿命可靠性提高；没有回油冷却器（不需要回油）;操作压力可以达到2000bar；高压泵模块化设计，排量范围从0.61.2cm3/r；共轨道ECU包

15、括集成的入口流量控制阀、限压阀、温度传感器和输油泵；操作压力为2000bar的高压控制阀正在开发中；32位处理器;APC全过程控制,不断调整发动机在全寿命期的最小喷油量，提高车辆可靠性；该系统的喷油器有所进步，采用了DFI3直接驱动式喷油器，与传统压力伺服式喷油器相比，其喷射优点如图8所示。图8DFI3直接驱动喷油器的喷射优点（从左至右Oms,100ms,200ms,300ms时刻喷油规律对比）德尔福公司的DADCR系统，因为新的喷油器的使用，取消了高压回油管路，从而大大节省了因高压回油而造成的能量浪费。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

16、射控制策略的最佳；改善发动机参数的协调性，以满足未来排放法规的要求和降低噪声81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。3.3日本电装公司的高压共轨喷射系统表2表示电装公司共轨系统的开发进展。第一代商用车共轨系统在1995年率先在世界上生产，自1998年进入批量生产，并为日本四大商用车制造公司采用。此后不久，乘用车用共轨系统与丰田汽车公司开始合作开发，并于1999年6月生产，用于出口欧洲市场的轿车上。通过第一代共轨系统的开发与获得的生产经验，进一步开发了第二代共轨系统并于2002年6月开始实用化9。表2前两代共轨系统简介开发代数主要特征量产日期及应用范围最高喷油压力多次喷油

17、1995年12月开始生产，在日本用于大中型货车上；1200bar电磁阀喷油器（预喷1999年6月开始生第一代1450bar和主喷相差0.7ms）产，主要面向欧州乘用车市场；电磁阀喷油器（预喷2000年3月开始生-/、第一代1800bar和主喷相差0.4ms）产，面向乘用车及货车市场；第二代共轨系统在燃油喷射装置中，喷油压力的高压化与一个燃烧周期中多次喷油以及高精度喷油量控制是至关重要的技术，第二代共轨系统（见图9）开发的重点在以下二个方面：最高喷油压力达到1800bar；高精度多次喷油（见图10）。尢I1也旳IfP-Oft+V商用HIM星小临育网车片凸轮呱、f酒卜養休真电鰹#mii為世32僅电

18、杜榻蜒*+ttKl.M片宅工也勺事箱工耳&L电磁呵喈谕Xafft2至嘈图9第二代1800bar共轨系统EU15ft.甜札押fI.IJi)I問広化h別IOhi2；*握哺出讣次）疑髙*乐4土握屮咄曲闻隔T开戏杂曲少的叮I卜捉高喷血髯的响矗牡*4i為嘯油*8題钳也吋用高响.乞呛油耳華二代喰歯E1H1if1fflHit1i-.1JiI:叫11112i_1喃AT企I;1.5HIM!1/2：1.5inin1-Q即wnV1冲時丨:2,5min12r1.5mm1其犹压力：|ROOHBfALt：th（5；fc-fr；ib）的彳丄助WIEA呛琳的少t*t；询朮：!：堆並主噴时的W甲哺油厂泊徉迁更噴瑶的?t-a曲谨

19、功i|un巾农-SUN”尿丄A-4-.1屮卡申J）占和图10第二代喷油的设计重点柴油机高压喷射系统的研究目标和方向就燃油喷射控制原理而言，各种共轨喷射系统近期不会有大的变化。未来的柴油机燃油喷射系统将向着高喷射压力、喷油量及喷油定时可灵活控制、最佳喷油速率控制的方向发展全电子控制的燃油喷射系统是实现燃油喷射过程柔性控制的必然趋势。综合分析国内外对柴油机电控燃油喷射系统的研究历史和现状，柴油机喷射系统应将以下几点作为研究目标：进一步高压化。为解决尾气排放达标问题，最根本还是提高共轨压力。电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是喷射压力达180200MPa甚至出现了超高压喷射的概念。但相关研究也指出，

20、在保证油束贯穿距离足够大、压力提高值对燃烧改善效果较明显的前提下最高喷射压力取180MPa为宜；更小的喷孔直径。更短的响应时间和更低的功率消耗，提高关键部件的可靠性和寿命随着喷射压力的提高，对电磁阀、喷油器的要求相应提高，要求其响应速度高，高压稳定性好，同时可靠性好，寿命长，这将依赖于零部件制造技术的发展。关键技术如采用压电晶体喷油器代替原有的电磁阀进行控制；共轨系统本身更节约成本。例如为了更节约能量，更改系统设计，将现有的高压回油管路取消为了实现这一设计10就需要改进现有的高压供油泵使得供油量能够充分适应柴油机不同工况对喷油量大小的不同要求。如为了节约共轨系统的生产成本寻找更便宜的更耐用的新型材料并尽量降低共轨系统的加工难度；柴油机高压共轨喷射系统的研究方向为新型智能型传感器的研制，更高精度和响应速度的传感器的生产和应用；新型喷油器的研究，提高控制精度和速度，降低喷油器的加工难度，延长喷油器寿命；如HADI的开发共轨燃油压力波动的控制和计算的研究，持续恒压反馈控制的进一步深入研究和完善见图11；