船舶高压共轨电控技术的研究

柴油机在动力机械中是热效率最高的机械，具有良好的动力性、经济型和耐久性。相比于汽油机而言，单位功率的重量低，采用废气涡轮增压提高增压度，并且没有点火系统，所以具有故障率低，保养容易，可靠性高，温室气体CO₂的排放要比同样的汽油机低30%以上等优点,因此被广泛应用到各种动力装置中。但是柴油机在燃烧过程中，排放的气体中含有有害排放物NOx，微粒和较大的噪声及振动，又从而限制了柴油机的推广。因此，对柴油机工作性能的追求促使了柴油机高压共轨电控技术的出现，电控技术能够精准控制影响燃烧过程的诸多因素，并以其控制精度高、响应时间短、抗干扰能力强等优点，实现了人们的预定控制意图。该技术的应用，提高了柴油机的性能，满足了人们希望具有方便灵活、可智能化控制设备的需求。我们知道，柴油机在工作过程中，当燃烧温度足够并且燃料和空气充分混合时,才能够完全燃烧，但在其燃烧过程中会有大量的氮氧化物排放到空气中。换句话说，燃料燃烧越充分，输出功率越大，则排放到空气中的氮氧化物也会更多。相反，如果降低燃烧温度,那么输出功率与燃烧效率都会相应地减少。因此,为了减少氮氧化物的排放，通过使用高压共轨电控技术控制喷油量和喷油时间，让柴油机实现均衡燃烧，从而在保持性能的同时降低氮氧化物的排放。一、高压共轨电控系统的组成及原理柴油机高压共轨喷油系统主要由低压模块、高压模块、和电控模块三大部分组成。低压模块为供油系统，高压模块由高压油泵、油轨（高压蓄能器）、喷油器和油管组成，电子控制系统由传感器，电子控制单元和执行器组成。高压共轨电控系统是一个闭环系统，该方法将注入压力和注入过程完全分离，通过低压油泵将燃油泵出，然后在低压油泵内电磁阀的控制下，过滤并泵入高压油泵。之后装配在共轨轨道上的压力传感器将实时监测到的燃油压力反馈到ECU(电子控制单元)，根据所反馈的压力值，ECU(电子控制单元）将计算最佳的喷油量，并将信号发送给油泵来控制出油量。为了满足工作条件的需求，通过不断调节共轨轨道内压力来控制喷油压力，注油压力从200bar~1800bar不等，在这个过程中，共轨系统不仅保持了燃油压力，而且消除了压力波动，并始终保持最佳燃油喷射。在常规喷油泵的作用下，喷油压力会随着发动机转速和喷油量的变化而进行变化。在传统的喷油泵中，由于喷射压力与发动机的转速成正比，所以在低转速范围内很难提高喷射压力。由于这个原因，传统的喷油泵是用直径较小的喷油嘴来进行喷油。更重要的是，在高压油管中的压力波动也可能引起高压油管中压力升高而再次进行喷射，这就是所谓的二次喷射。由于二次喷射的燃油不能燃烧完全，炭黑和油气的排放将大幅增加，这将使碳颗粒更容易沉积在筒壁，增加燃油的成本，如果二次喷油异常严重，不仅会造成喷油不均匀，还会引起间歇喷射故障的现象。而共轨技术的出现则完美的解决了该问题，高压共轨系统可灵活控制喷射压力,不受发动机转速的影响,无论运行情况如何，均可以实现高效燃烧，清洁排气。二、国内高压共轨系统的发展高压共轨燃油喷射系统在柴油机电子控制系统下提高了喷射压力，其压力可达到180MPa，针型阀达到1.3m/s的速度，并使它控制的精度达到1mm，开环控制系统的控制策略是基于经典控制理论和现代控制理论中而产生的，该策略在闭环控制系统中得到了广泛的应用。目前由天津大学开发的FRICRI高压共轨系统，正在仿真和实际测试的阶段，上海交通大学研制的GD-1高压共轨系统也在准备阶段，还有其他大学也在开发自己的高压共轨系统。在控制策略中，经典的PID控制是目前在中国最常用的控制手段，这种策略简单、易于实现、稳定，但是还存在着不同的工作条件下需重新进行调节、不能在线调节等问题。目前，国内高压共轨喷射系统的研究还处于初始起步阶段，为了提高我国企业的自主研发能力以及核心竞争力，我们应该重视如何制造电子喷油器、液压控制阀、喷油嘴、高速执行器等零配件并且还应重视ECU(电子控制单元)控制算法的研究，以及具有相应功能硬件、软件和指定技术，在制造和研发过程中必须重视装备的稳定性、安全性，还应尽可能地降低成本。三、展望发动机是船舶的心脏,提高发动机的性能是提高船舶性能最重要的途径，如何使发动机更加稳定、高效、灵活的运行是我们要解决的首要问题。柴油机的高压共轨系统是改善燃烧和排放性能的最佳方式，在一定速度的条件下，最佳的注射压力将建立在ECU计算精确的油量上，同时更有效率的发