柴油機(jī)電控高壓共軌噴射系統(tǒng)研究進(jìn)展_圖文

1、綜合評(píng)述柴油機(jī)電控高壓共軌噴射系統(tǒng)研究進(jìn)展劉斌彬 , 李國(guó)岫(北京交通大學(xué) , 北京 100044摘要 :本文介紹了柴油機(jī)電控高壓共軌噴射系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu) 。 對(duì)當(dāng)今國(guó)外典型的高壓 共軌噴射系統(tǒng)進(jìn)行了介紹和分析 , 總結(jié)了各種系統(tǒng)的最新進(jìn)展 , 最后提出了未來(lái)的研究目標(biāo)和 發(fā)展方向 。關(guān)鍵詞 :柴油機(jī) ; 高壓共軌 ; 噴射系統(tǒng)中圖分類(lèi)號(hào) :TK423. 8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1671-2471(2005 06-0001-04作者簡(jiǎn)介 :劉斌彬 , 男 , 漢 , 在讀研究生 , 主要研究方向?yàn)椴裼?機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 收稿日期 :2005-11-11The Research Pro

2、gress of HighPressure Common Rail Fuel Injection SystemLiu Binbin, Li Guoxiu(Beijing jiao tong university, Beijing 100044, ChinaAbstract:The principle and struc ture of the high pressure common rail fuel injection syste m are giv en in this paper. The typical high pressure common rail fuel injection

3、 systems are introduced and ana lyzed. The ne w progress of each system is summarized. Finally, the future development and trends are presented.Key Words:Diesel Engine; High Pressure Common Rail; Fuel Injection System1 綜述為了節(jié)省能源、 降低排放 , 電控噴射技術(shù)在柴 油機(jī)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用 , 而共軌噴射技術(shù) 的應(yīng)用 , 實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)發(fā)展史上的一大飛躍。柴 油機(jī)高壓共軌系

4、 統(tǒng)被整個(gè)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)公認(rèn)為 20世紀(jì)三大突破之一 1, 是 21世紀(jì)柴油噴射系統(tǒng)的 主流。若想在保持直噴柴油機(jī)卓越的燃油經(jīng)濟(jì)性 的同時(shí) , 又能滿(mǎn)足越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī) , 除了降 低潤(rùn)滑油消耗、 優(yōu)化增壓系統(tǒng)和發(fā)展廢氣后處理 系統(tǒng)外 , 最重要的還是進(jìn)一步改善燃燒過(guò)程。而 燃油噴射系統(tǒng)的性能是影響柴油機(jī)燃燒過(guò)程的關(guān) 鍵環(huán)節(jié)。為了有效地減小燃油消耗率 , 改善動(dòng)力 性能和滿(mǎn)足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn) , 要求噴射系統(tǒng)具有高的噴油壓力和更靈活的燃油噴射控制。高壓 共軌噴射系統(tǒng)正是順應(yīng)以上需求而出現(xiàn) , 并得到 了很大的發(fā)展。2 柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)不再采用傳統(tǒng)的 柱塞

5、泵脈動(dòng)供油原理 , 采用了公共控制油道 -共 軌管 , 高壓油泵只是向公共油道供油以保持所需 的共軌壓力 , 通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)共軌壓力來(lái)控制噴射 壓力 , 使其達(dá)到與工況相適應(yīng)的最優(yōu)數(shù)值 , 而且還 使得噴油壓力和噴油速率的控制成為可能 , 且系 統(tǒng)的控制自由度及精度得到了大幅度提高。高壓共軌噴油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 1所示 , 為典 型的電控高壓共軌噴射系統(tǒng) , 主要由高壓泵、 帶調(diào) 壓閥的共軌管、 帶電磁閥的噴油器、 各種傳感器和2005年第 6期 (總第 90期 山東內(nèi)燃機(jī) S HANDONG I. C. E. 2005年 12月電控單元 (ECU 組成。圖 1 高壓共軌噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)外很多內(nèi)燃

6、機(jī)方面的專(zhuān)家學(xué)者都在研究 開(kāi)發(fā)電控高壓共軌 噴射系統(tǒng)。德國(guó) Bosch 公司、 意大利菲亞特集團(tuán)、 英國(guó) LUC AS 、 日本電裝公司、 美國(guó)德?tīng)柛９镜仁澜缰捅糜妥熘圃焐滔嗬^ 開(kāi)發(fā)了高壓共軌系統(tǒng) , 下面就部分公司的電控高 壓共軌噴射系統(tǒng)進(jìn)行介紹和分析。3 國(guó)外主要的高壓共軌噴射系統(tǒng)目前 , 國(guó)外在柴油機(jī)電控共軌噴射系統(tǒng)方面 的研究進(jìn)展很快 , 并有多種共軌噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)并 投產(chǎn)。主要代表有德國(guó) Bosch 、 意大利菲亞特和美 國(guó)的德?tīng)柛９尽?. 1 德國(guó) Bosch 公司的高壓共軌系統(tǒng)到目前為止 , Bosch 公司總共規(guī)劃和設(shè)計(jì)了 3代高壓共軌系統(tǒng)。如圖 2所示為 Bosch 公

7、司的高 壓共軌噴射系統(tǒng)。第一代已經(jīng)于 1997年 7月批 量投放市場(chǎng) , 噴射壓力達(dá) 135MPa, 主要應(yīng)用于轎 車(chē)。第二代 2000年開(kāi)始批量生產(chǎn) , 最大系統(tǒng)壓力 提高 160MPa, 并開(kāi)始使用具有油量調(diào)節(jié)功能的高 壓泵、 經(jīng)改進(jìn)的電磁閥噴油器 , 噴射循環(huán)由預(yù)噴 射、 主噴射和多級(jí)噴射等多次噴射組成 , 主要適用 于功率在 55kW/L 以下的發(fā)動(dòng)機(jī) , 采用降噪新技 術(shù)2。Bosch 公司于 2003年 5月推出第三代高壓共軌噴射系統(tǒng)。高壓油泵前端的齒輪泵將燃油從油箱抽出 , 通過(guò)濾清器送入具有泵油量調(diào)節(jié)功能的 圖 2 Bosch 公司的高壓共軌噴射系統(tǒng)圖 3 壓電共軌噴油器一路供

8、給泵油元件 , 另一路用以冷卻。高壓油泵 將燃油壓縮至最高壓力可達(dá) 160MPa, 并將其輸入 共軌。共軌上安裝的壓力傳感器、 壓力調(diào)節(jié)器和 電控裝置形成閉環(huán)的壓力控制回路。高壓燃油經(jīng) 油軌到噴油器 , 壓電控制式噴油器由電控單元根 據(jù)運(yùn)行工況和共軌壓力來(lái)控制 , 能精確地調(diào)節(jié)噴 油始點(diǎn)和噴油持續(xù)期。圖 3為壓電式噴油器。高強(qiáng)度模塊式激光焊接油軌為一鑄造管 , 如 圖 4所示 , 是連接高壓油泵和噴油器的橋梁 , 也是 一個(gè)蓄壓器。圖 4激光焊接油軌共軌中壓 力波動(dòng)是設(shè)計(jì) 所要考慮的 重要參 數(shù) , 為使共軌壓力波動(dòng)和起動(dòng)油壓的建立幾乎不 受?chē)娪推鳌?高壓油泵和調(diào)節(jié)閥工作的影響 , 共軌的 長(zhǎng)

9、度、 內(nèi)徑和容積應(yīng)有一合理的數(shù)值。為使其最2 山東內(nèi)燃機(jī) 2005年 12月佳化 , B osch 在設(shè)計(jì)階段運(yùn)用 AME SI M 程序進(jìn)行了 模擬計(jì)算 3。與迄今最好的電磁或壓電控制的噴 油系統(tǒng)相比 , Bosch 第三代高壓共軌噴射系統(tǒng)排放 物控制效果和燃油的計(jì)量精度有明顯的提高。 3. 2 意大利菲亞特集團(tuán)的高壓共軌系統(tǒng)1997年菲亞特集團(tuán) 推出了世界上第一臺(tái)采 用 Unijet 高壓噴射系統(tǒng)的共軌式 柴油發(fā)動(dòng)機(jī) , 并 將其裝配在阿爾法 156汽車(chē)上。 Unijet 高壓共軌 系統(tǒng)主要由 噴油泵、 傳感器、 電液控制噴油器和 ECU 組成 , 如圖 5 所示。圖 5 菲亞特集 團(tuán)的

10、Unijet 噴射系統(tǒng)與傳統(tǒng)凸 輪驅(qū)動(dòng)的 噴油系統(tǒng) 相比 , Unijet 系 統(tǒng)對(duì)于降低 NOx 和碳黑排放量具有最佳的噴油 壓 力 匹配 能力 , 并且 能提 高最 大扭 矩 4。 Unijet 系統(tǒng)在預(yù)噴射定時(shí)和預(yù)噴油量方面具有靈活性 , 有效地利用這種靈活性能恰當(dāng)?shù)貐f(xié)調(diào)燃燒噪聲和 煙霧控制之間的關(guān)系。2003年 , 菲亞特研制成功第二代 JTD 16氣門(mén) 多重噴射柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。第二代共軌式發(fā)動(dòng)機(jī)的特 點(diǎn)在于 :多次噴射系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)的每一個(gè)循環(huán)中 能夠進(jìn)行更多次數(shù)的噴射 , 多次噴射系統(tǒng)的奧秘 在于控制單元和噴油嘴的設(shè)計(jì) , 它們可以產(chǎn)生一 系列間隔非常小的噴射。菲亞特研究人員開(kāi)發(fā)這 一技

11、術(shù)的目的是保證更精確地控制燃料室內(nèi)的壓 力和溫度 , 同時(shí)更有效地利用進(jìn)入到氣缸內(nèi)的空 氣。由于柴油被分配得更細(xì) , 從而得到更平順的 燃燒效果。同時(shí) , 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件和控制程序 都進(jìn)行了徹底改進(jìn)。這些技術(shù)降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn) 轉(zhuǎn)噪聲 , 特別是降低了發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)時(shí)的噪聲 , 提高 了功率和扭矩 , 油耗減少 , 降低了尾氣排放 , 提前 滿(mǎn)足嚴(yán)格的歐 排放法規(guī)的要求。3. 3 美國(guó)德?tīng)柛９镜?Multec DCR 系統(tǒng) 柴油共軌噴射系統(tǒng)。 Multec DCR 柴油共軌噴射系 統(tǒng)的主要部件有共用高壓油軌、 高壓燃油調(diào)壓器、 高壓燃油泵、 燃油噴油器、 電控單元、 燃油濾清器 和傳感器等 ,

12、如圖 6所示。圖 6 德?tīng)柛９镜?Multec DCR-1400跟 其 他 的 尖 端 高 壓 噴 射系 統(tǒng) 一 樣 , Multec DCR 柴油共軌噴射系 統(tǒng)的噴射壓力 與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷無(wú)關(guān) , 即使在低速運(yùn)行時(shí) , 系統(tǒng)仍可保持足夠壓力的高壓燃油噴射?？蓪?shí)現(xiàn)多次噴射 , 能 滿(mǎn)足歐 3排放法規(guī)要求。相比之下 , 其噴油器的 設(shè)計(jì)更加獨(dú)特。Multec DCR 主要采用了帶有平衡控制和反饋 控制策略的電控電磁閥結(jié)構(gòu)的燃油噴油器 5, 它 能提供極快地動(dòng)作響應(yīng)并精確地進(jìn)行燃油流量的 計(jì)量。這種響應(yīng)迅速、 結(jié)構(gòu)緊湊、 小巧玲瓏的電磁 閥控制的噴油器只需常規(guī) 12V 汽車(chē) 蓄電池驅(qū)動(dòng) 就能正

13、常工作 , 比世界上現(xiàn)生產(chǎn)的任何一種柴油 機(jī)共軌噴射系統(tǒng)都節(jié)能 , 這大大降低汽車(chē)電子系 統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)生產(chǎn)成本和復(fù)雜程度。整個(gè)系統(tǒng)采 用積木式設(shè)計(jì) , 便于應(yīng)用于不同形式和不同種類(lèi) 的發(fā)動(dòng)機(jī)。近年來(lái)德?tīng)?福公司確定 了三個(gè)研 發(fā)領(lǐng)域 :1噴油器和噴油嘴設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳化 ; 2系統(tǒng)液力 穩(wěn)定性和多次噴射控制策略的最佳 化 ; 3改善發(fā) 動(dòng)機(jī)參數(shù)的協(xié)調(diào)性 , 以滿(mǎn)足未來(lái)排放法規(guī)的要求 和降低噪聲 6。德?tīng)柛⑦M(jìn)一步改進(jìn)其柴油噴射 系統(tǒng) , 以滿(mǎn)足下一輪全球排放法規(guī)。4 高壓噴射系統(tǒng)的研究目標(biāo)和方向未來(lái)的柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)將向著高噴射壓 力、 噴油量及噴油定時(shí)可靈活控制、 最佳噴油速率3 2005年

14、第 6期 劉斌彬 , 等 :柴油機(jī)電控高壓共軌噴射系統(tǒng)研究 進(jìn)展控制的方向發(fā)展 , 全電子控制的燃油噴射系統(tǒng)是 實(shí)現(xiàn)燃油噴射過(guò)程柔性控制的必然趨勢(shì)。綜合分 析國(guó)內(nèi)外對(duì)柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的研究歷史 和現(xiàn)狀 , 柴油機(jī)噴射系統(tǒng)將以下幾點(diǎn)為研究目標(biāo) :(1 進(jìn)一步高壓化。就解決尾氣排放達(dá)標(biāo)問(wèn) 題 , 最根本還是提高共軌壓力。電控高壓共軌燃 油 噴射系 統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 是噴射壓力達(dá) 180200MPa, 甚至出現(xiàn)了 超高壓噴射 的概念。當(dāng)然 , 噴 射壓力也不是越高越好 , 相關(guān)研究指出 , 在保證油 束貫穿距離足夠大、 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 180MPa 為

15、宜。(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。隨 著噴射壓力的提高 , 對(duì)電磁閥、 噴油器的要求相應(yīng) 提高 , 要求其響應(yīng)速度高、 高壓穩(wěn)定性好 , 同時(shí)可 靠性好、 壽命長(zhǎng) , 這將依賴(lài)于零部件制造技術(shù)的發(fā) 展。關(guān)鍵技術(shù)如采用壓電晶體噴油器代替原有的 電磁閥控制。綜上所述 , 柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)將有以 下的研究方向 :(1 新型智能型傳感器的研制。更高精度和 響應(yīng)速度的傳感器的生產(chǎn)和應(yīng)用 ;(2 新型電磁閥的研究。如采用壓電晶體式 噴油器 ;(3 共軌燃油壓力波動(dòng)的控制和計(jì)算的研究。持續(xù)恒壓反饋控制的進(jìn)一步深入和完善 ;(4 最佳控制策略的

16、研究。多次噴射的控制 技術(shù) ;(5安全保護(hù)與提高故障診斷及緊急運(yùn)行能 力的研究 ;(6 整個(gè)噴射系統(tǒng)優(yōu)化匹配的研究。5 總結(jié)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)對(duì)燃油噴射的控 制具有更大的精確性和靈活性。隨著現(xiàn)代制造業(yè) 和電子工業(yè)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。因此 , 柴油機(jī)共軌 噴射系統(tǒng)將會(huì)有更大的發(fā)展空間和美好的未來(lái)。 參考文獻(xiàn) :1王均效 , 陸 家祥 等 . 柴 油機(jī) 高壓 共軌 噴油 系統(tǒng) 的發(fā) 展 動(dòng)態(tài) . 柴油機(jī) 2001年 第 5期 2董堯清2董堯清 . 德 國(guó) Bosch 最新 動(dòng) 態(tài) . 內(nèi) 燃機(jī) 燃 油 噴射 和 控 制 . 2001年第 3期3油泵油嘴咨詢(xún)網(wǎng) , Bosch 第三代共軌噴射系 統(tǒng) 4Cichocki R 等 . Technologies for future HSDI passenger car diesel engine. International symposium powertrain technolo gies for a 3liter car.5范明強(qiáng) . 新穎的德?tīng)?福共軌 噴射系統(tǒng) 及其低 排放控 制 策略 . 現(xiàn)在車(chē)用動(dòng)力 . 2003年6豪彥 . 德?tīng)柛＜瘓F(tuán) 公司燃 油共軌 噴射技術(shù) 。