柴油機電控高壓共軌噴射系統(tǒng)研究進展_圖文

1、綜合評述柴油機電控高壓共軌噴射系統(tǒng)研究進展劉斌彬 , 李國岫(北京交通大學 , 北京 100044摘要 :本文介紹了柴油機電控高壓共軌噴射系統(tǒng)的原理和結構 。 對當今國外典型的高壓 共軌噴射系統(tǒng)進行了介紹和分析 , 總結了各種系統(tǒng)的最新進展 , 最后提出了未來的研究目標和 發(fā)展方向 。關鍵詞 :柴油機 ; 高壓共軌 ; 噴射系統(tǒng)中圖分類號 :TK423. 8 文獻標識碼 :A 文章編號 :1671-2471(2005 06-0001-04作者簡介 :劉斌彬 , 男 , 漢 , 在讀研究生 , 主要研究方向為柴油 機電控系統(tǒng)設計。 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 , 電控噴射技術在柴 油機中已經得到了廣泛的應用 , 而共軌噴射技術 的應用 , 實現(xiàn)了柴油機發(fā)展史上的一大飛躍。柴 油機高壓共軌系

4、 統(tǒng)被整個內燃機行業(yè)公認為 20世紀三大突破之一 1, 是 21世紀柴油噴射系統(tǒng)的 主流。若想在保持直噴柴油機卓越的燃油經濟性 的同時 , 又能滿足越來越嚴格的排放法規(guī) , 除了降 低潤滑油消耗、 優(yōu)化增壓系統(tǒng)和發(fā)展廢氣后處理 系統(tǒng)外 , 最重要的還是進一步改善燃燒過程。而 燃油噴射系統(tǒng)的性能是影響柴油機燃燒過程的關 鍵環(huán)節(jié)。為了有效地減小燃油消耗率 , 改善動力 性能和滿足更嚴格的排放標準 , 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)正是順應以上需求而出現(xiàn) , 并得到 了很大的發(fā)展。2 柴油機高壓共軌噴射系統(tǒng)原理和結構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 , 通過連續(xù)調節(jié)共軌壓力來控制噴射 壓力 , 使其達到與工況相適應的最優(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)的結構如圖 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 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 山東內燃機 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)結構國內外很多內燃

6、機方面的專家學者都在研究 開發(fā)電控高壓共軌 噴射系統(tǒng)。德國 Bosch 公司、 意大利菲亞特集團、 英國 LUC AS 、 日本電裝公司、 美國德爾福公司等世界著名油泵油嘴制造商相繼 開發(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)進行介紹和分析。3 國外主要的高壓共軌噴射系統(tǒng)目前 , 國外在柴油機電控共軌噴射系統(tǒng)方面 的研究進展很快 , 并有多種共軌噴射系統(tǒng)設計并 投產。主要代表有德國 Bosch 、 意大利菲亞特和美 國的德爾福公司。3. 1 德國 Bosch 公司的高壓共軌系統(tǒng)到目前為止 , Bosch 公司總共規(guī)劃和設計了 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)。第一代已經于 1997年 7月批 量投放市場 , 噴射壓力達 135MPa, 主要應用于轎 車。第二代 2000年開始批量生產 , 最大系統(tǒng)壓力 提高 160MPa, 并開始使用具有油量調節(jié)功能的高 壓泵、 經改進的電磁閥噴油器 , 噴射循環(huán)由預噴 射、 主噴射和多級噴射等多次噴射組成 , 主要適用 于功率在 55kW/L 以下的發(fā)動機 , 采用降噪新技 術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 , 通過濾清器送入具有泵油量調節(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 160MPa, 并將其輸入 共軌。共軌上安裝的壓力傳感器、 壓力調節(jié)器和 電控裝置形成閉環(huán)的壓力控制回路。高壓燃油經 油軌到噴油器 , 壓電控制式噴油器由電控單元根 據(jù)運行工況和共軌壓力來控制 , 能精確地調節(jié)噴 油始點和噴油持續(xù)期。圖 3為壓電式噴油器。高強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 一個蓄壓器。圖 4激光焊接油軌共軌中壓 力波動是設計 所要考慮的 重要參 數(shù) , 為使共軌壓力波動和起動油壓的建立幾乎不 受噴油器、 高壓油泵和調節(jié)閥工作的影響 , 共軌的 長

9、度、 內徑和容積應有一合理的數(shù)值。為使其最2 山東內燃機 2005年 12月佳化 , B osch 在設計階段運用 AME SI M 程序進行了 模擬計算 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量精度有明顯的提高。 3. 2 意大利菲亞特集團的高壓共軌系統(tǒng)1997年菲亞特集團 推出了世界上第一臺采 用 Unijet 高壓噴射系統(tǒng)的共軌式 柴油發(fā)動機 , 并 將其裝配在阿爾法 156汽車上。 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 團的

10、Unijet 噴射系統(tǒng)與傳統(tǒng)凸 輪驅動的 噴油系統(tǒng) 相比 , Unijet 系 統(tǒng)對于降低 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)在預噴射定時和預噴油量方面具有靈活性 , 有效地利用這種靈活性能恰當?shù)貐f(xié)調燃燒噪聲和 煙霧控制之間的關系。2003年 , 菲亞特研制成功第二代 JTD 16氣門 多重噴射柴油發(fā)動機。第二代共軌式發(fā)動機的特 點在于 :多次噴射系統(tǒng)在發(fā)動機的每一個循環(huán)中 能夠進行更多次數(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計 , 它們可以產生一 系列間隔非常小的噴射。菲亞特研究人員開發(fā)這 一技

11、術的目的是保證更精確地控制燃料室內的壓 力和溫度 , 同時更有效地利用進入到氣缸內的空 氣。由于柴油被分配得更細 , 從而得到更平順的 燃燒效果。同時 , 發(fā)動機的主要部件和控制程序 都進行了徹底改進。這些技術降低了發(fā)動機的運 轉噪聲 , 特別是降低了發(fā)動機冷態(tài)時的噪聲 , 提高 了功率和扭矩 , 油耗減少 , 降低了尾氣排放 , 提前 滿足嚴格的歐 排放法規(guī)的要求。3. 3 美國德爾福公司的 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 德爾福公司的 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)動機轉速和負荷無關 , 即使在低速運行時 , 系統(tǒng)仍可保持足夠壓力的高壓燃油噴射?？蓪崿F(xiàn)多次噴射 , 能 滿足歐 3排放法規(guī)要求。相比之下 , 其噴油器的 設計更加獨特。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構的燃油噴油器 5, 它 能提供極快地動作響應并精確地進行燃油流量的 計量。這種響應迅速、 結構緊湊、 小巧玲瓏的電磁 閥控制的噴油器只需常規(guī) 12V 汽車 蓄電池驅動 就能正

13、常工作 , 比世界上現(xiàn)生產的任何一種柴油 機共軌噴射系統(tǒng)都節(jié)能 , 這大大降低汽車電子系 統(tǒng)設計的系統(tǒng)生產成本和復雜程度。整個系統(tǒng)采 用積木式設計 , 便于應用于不同形式和不同種類 的發(fā)動機。近年來德爾 福公司確定 了三個研 發(fā)領域 :1噴油器和噴油嘴設計參數(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) 動機參數(shù)的協(xié)調性 , 以滿足未來排放法規(guī)的要求 和降低噪聲 6。德爾福將進一步改進其柴油噴射 系統(tǒng) , 以滿足下一輪全球排放法規(guī)。4 高壓噴射系統(tǒng)的研究目標和方向未來的柴油機燃油噴射系統(tǒng)將向著高噴射壓 力、 噴油量及噴油定時可靈活控制、 最佳噴油速率3 2005年

14、第 6期 劉斌彬 , 等 :柴油機電控高壓共軌噴射系統(tǒng)研究 進展控制的方向發(fā)展 , 全電子控制的燃油噴射系統(tǒng)是 實現(xiàn)燃油噴射過程柔性控制的必然趨勢。綜合分 析國內外對柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)的研究歷史 和現(xiàn)狀 , 柴油機噴射系統(tǒng)將以下幾點為研究目標 :(1 進一步高壓化。就解決尾氣排放達標問 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 是噴射壓力達 180200MPa, 甚至出現(xiàn)了 超高壓噴射 的概念。當然 , 噴 射壓力也不是越高越好 , 相關研究指出 , 在保證油 束貫穿距離足夠大、 壓力提高值對燃燒改善效果 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、 更短的響應時間和更低 的功率消耗 , 提高關鍵部件的可靠性和壽命。隨 著噴射壓力的提高 , 對電磁閥、 噴油器的要求相應 提高 , 要求其響應速度高、 高壓穩(wěn)定性好 , 同時可 靠性好、 壽命長 , 這將依賴于零部件制造技術的發(fā) 展。關鍵技術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 響應速度的傳感器的生產和應用 ;(2 新型電磁閥的研究。如采用壓電晶體式 噴油器 ;(3 共軌燃油壓力波動的控制和計算的研究。持續(xù)恒壓反饋控制的進一步深入和完善 ;(4 最佳控制策略的

16、研究。多次噴射的控制 技術 ;(5安全保護與提高故障診斷及緊急運行能 力的研究 ;(6 整個噴射系統(tǒng)優(yōu)化匹配的研究。5 總結電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)對燃油噴射的控 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 , 未來柴油機的經濟性、 動力性 及排放性能將會隨之而改善。因此 , 柴油機共軌 噴射系統(tǒng)將會有更大的發(fā)展空間和美好的未來。 參考文獻 :1王均效 , 陸 家祥 等 . 柴 油機 高壓 共軌 噴油 系統(tǒng) 的發(fā) 展 動態(tài) . 柴油機 2001年 第 5期 2董堯清2董堯清 . 德 國 Bosch 最新 動 態(tài) . 內 燃機 燃 油 噴射 和 控 制 . 2001年第 3期3油泵油嘴咨詢網(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 . 新穎的德爾 福共軌 噴射系統(tǒng) 及其低 排放控 制 策略 . 現(xiàn)在車用動力 . 2003年6豪彥 . 德爾福集團 公司燃 油共軌 噴射技術 。