柴油机共轨喷油技术的进展

作者：同济大学 钱人一

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 柴油机共轨喷油系统有一个共同的特点，就是有一个共同的高压燃油蓄势器，称为共轨。高压供油泵只负责向这个蓄势器提供高压燃油，不负责控制燃油定量和喷油定时。管理燃油压力和向各个气缸输送燃油的任务通过共轨完成。这样，燃油喷射过程可以不受压力产生和燃油输送过程的牵制；燃油定量控制和喷油定时控制可以更为灵活和自由。 相对于其他燃油喷射系统，共轨燃油喷射系统有如下特点：在燃油定量和喷油定时方面实行全电子的和柔性的控制；喷油规律曲线形状可以比较自由地调整；优化的、已可达到1800bar的喷油压力（仅次于博世公司的泵喷嘴和泵管嘴）控制；能实现每个工作循环多达七次的燃油喷射；高度的紧凑性和较低的高压油泵驱动扭矩。 日本电装公司的ECD-U2共轨喷油系统 日本电装（Denso）公司率先在上世纪九十年代初推出了名为ECD-U2的共轨燃油喷射系统。ECD-U2共轨喷油系统由高压供油泵、共轨、喷油器以及控制这些部件的电子控制单元和各种传感器等组成（如图1）。系统利用泵控制阀改变高压供油泵的燃油出油量来控制共轨压力，共轨压根据发动机负荷和转速确定的数值而调节。泵控制阀与燃油压力传感器相结合进行共轨压力的闭环控制。 喷油器的工作原理 共轨压力长期施加在喷油器针阀的底面上。只有在喷油器不通电时才施加在针阀的背面上。当喷油器不通电的时候，三通阀使单向孔板上面的空腔与共轨连通，高压燃油通过单向孔板流入控制腔（液压柱塞的上方），通过液压柱塞对针阀施加向下的压力，跟回位弹簧的作用力一起克服针阀下方燃油压力，使针阀关闭。在这个过程中，单向孔板没有节流作用。 当ECU发出喷油脉冲时，三通阀使单向孔板上面的空腔与回油管连通，燃油流到回油管去，充满在这个空腔里的高压燃油压力立刻下降到大气压力。由于单向孔板节流，其下面控制腔中的压力只能缓慢地下降，喷油器针阀逐渐地升起，造成所谓的德尔塔型（三角型）喷油规律，这种喷油规律对气缸内的燃烧十分有利。 当由电子控制单元控制的喷油持续时间过去之后，喷油器断电，三通阀恢复到它的初始状态。此时，来自共轨的高压燃油通过三通阀和单向孔板流入控制腔，使控制腔迅速地达到共轨压力,令针阀很快关闭，喷油很快被切断。 由此可见，喷油嘴的开启和关闭完全由喷油器控制腔中的压力和共轨压力的差值决定。改变施加在三通阀上的电脉冲宽度，可以控制喷油量；改变施加在三通阀上的电脉冲发生的时刻，可以控制喷油定时。因为ECD-U2共轨喷射系统是一个全电子控制的、完善的压力-时间燃油定量控制系统，所以没有传统燃油喷射系统固有的问题，如：由于喷油系统内的压力传播而产生难以控制的或者不能控制的工况区域；由于调速器控制能力不足而引起低速下控制效能不良。 三种形状的喷油规律 ECD-U2共轨喷射系统的喷油规律可以控制成三种的形状，即德尔塔型（三角型）、靴型和预喷型： 德尔塔型（三角型）喷油率型式：喷油率逐渐上升并迅速截止的型式 预喷型式：在主喷之前实施一次小油量的预喷的型式 靴型喷油率型式：预喷跟主喷连在一起，形成一种靴子形状的喷油率型式 其中最有意义的是预喷。预喷是通过在主喷脉冲之前提供一个小小的预喷脉冲，因此三通阀在每次喷油中都开启两次。预喷量小到1立方毫米/冲程。预喷和主喷的间隔时间已经可以缩小到0.1毫秒。预喷可以减少在滞燃期内形成的可燃混合气，进而有效地降低柴油机的燃烧噪声。 高压供油泵的控制策略 高压供油泵的功能是控制出油量以产生高压燃油。它采用便于产生高压的凸轮驱动机构（见图1）。泵控制阀关闭后柱塞的升程当量决定了出油量。通过对泵控制阀关闭时刻的控制，或者通过对凸轮预升程的控制来控制出油量，燃油在没有经过压缩的状况下进行回油并定量，从而减少了高压回油。因此，泵驱动扭矩明显地下降了。最大驱动扭矩只有直列泵的三分之一。 博世（BOSCH）公司的共轨喷油系统 世界性大公司研究开发和生产的共轨喷油系统，其基本原理大同小异，但在一些关键零部件的设计上则各有特色。BOSCH公司对共轨喷油技术的研究与开发1997年才起步，但是发展迅速，现在已经发展到了第四代，累计已经生产出了大约1500万套共轨燃油喷射系统。 图2所示为BOSCH公司共轨喷油系统的高压部分。这个系统的特点是，增加了限压阀和限流器。其中：1）压力控制阀使燃油压力保持恒定，压力控制有两条控制环路：一条慢响应的电气控制环路，用于设定共轨中变动着的平均压力；一条快响应的机械控制环路，用于补偿高频压力脉动。2）共轨压力传感器的特点是，产生的信号由安装在传感器内部的运算电路放大后送往ECU。如果共轨压力传感器发生故障，那幺压力控制阀就被触发成“关闭”状态，同时起动紧急（跛行回家）功能，采用固定值。3）限压阀起泄压作用，它将最大共轨压力限制在一个确定的数值，例如1500bar。4）共轨通往每一个喷油器的出口处都装设了一个限流器，限流器的另一头拧入喷油管。在某一个喷油器中发生永久开启的非常不寻常的情况下，限流器可防止连续地喷油。 喷油器与日本电装公司共轨喷油器的设计原理差不多，也是以电控制液，用液控制喷油嘴针阀，但是具体构造有所不同（见图3）。该喷油器可以分成若干个功能模块：孔式喷油嘴；液压伺服系统；电磁阀。 控制腔(8)通过一个由喷油器的电磁阀开启的泄油孔(6)与回油管(1)相连通。当电磁阀不通电，泄油孔封闭，在阀控制柱塞(9)上的液压力超过施加在喷油嘴针阀压力台肩(11)上的液压力，针阀被压到针阀座上，使高压通道保持对燃烧室的密封。当电磁阀被触发时，泄油孔开启，控制腔内的压力降低，柱塞上的液压力也降低。一旦这个液压力降低到低于作用在喷油嘴针阀台肩上的力，喷油嘴针阀就将开启。 共轨喷油技术的发展趋势 随着排放法规和燃油经济性的要求不断提高，对柴油机的要求也越来越高，首当其冲的是柴油喷射技术。首先，为了降低燃烧噪声，要求预喷；为了使燃油燃烧充分、从气缸内降低排放和使微粒物捕集器得到再生，要求在主喷之后进行补喷。为了使燃油雾化得好，就要增加喷油孔的数目，缩小喷油孔的直径，但这会导致喷油速率的下降。如要保证足够的喷油速率，就要提高喷油压力。而为了实现多次喷射，就要改善喷油系统的响应特性。这些要求决定了共轨喷油技术的发展方向。 1)提高喷油压力 早期的共轨喷油压力不超过800至1000bar。BOSCH公司第一代共轨系统的喷油压力只有1350bar，第二代达到1600bar，第三代已经达到1800bar，第四代将增大到2200bar的喷油压力。因为泵喷嘴和泵管嘴系统2050bar的喷油压力收到了良好的效果。一般认为，柴油机喷油压力越高，则燃油经济性和排放越好。 2)压电式喷油器 在中低转速范围内，喷射的机动灵活性特别重要，最理想的情况是，在2500r/min以下的转速范围每个工作循环喷射达5次，在中等转速范围内每个工作循环喷射两次或者三次，在标定转速每个工作循环喷射一次。前面介绍过的电磁阀共轨喷油器无法满足这样的要求。西门子VDO公司开发了能够非常机动灵活地实现多重喷射的、机电一体化的压电式共轨喷油器，并且已经实现了商品化，见图4。 压电式执行元件像一个在电压下立即就能充电的电容器，其关键元件是陶瓷压电薄膜，它在加上电压以后的0.1ms以内就会发生晶体晶格的畸变。为了使执行器达到足够的位移（行程），必须将许多层陶瓷薄膜烧结成一块长方六面体。喷油器内30mm长的执行器由300多层薄膜组成，每层的厚度只有80μm。压电元件加上电压后会膨胀大约40μm，通过杠杆比为1:1.5的杠杆，使得控制腔回油通道中的阀开启。于是，控制腔内的压力下降，喷油嘴针阀开启。 与电磁阀相比，压电执行器具有：没有滞后时间；切换十分迅速而且精确；可重现性非常好；没有因设计造成的、以气隙之类的形式出现的偏差；寿命长，工作非常稳定等优点。压电式共轨喷油器推出之后，立即受到各大公司的推崇。奥迪A8柴油轿车已经采用了这一系统。 德国汉诺威大学的工程燃烧研究所不久前研究开发了采用压电喷油器的柔性喷射系统，见图5。该系统的喷油器通过对针阀实施直接控制而为喷油规律曲线形状的优化提供了更大的自由度。这种喷油器具有决定性意义的优点是，喷油嘴针阀的升程和速度可以自由地选择。 3)多孔式喷油嘴 BOSCH公司第一代共轨喷油嘴的直径为0.2mm，第二代为0.14mm，第三代则为0.11-0.13mm。孔数则相应地分别为第一代4个，第二代以上至少6个。 特别值得一提的是，喷油孔做成内端大、外端小的锥形，可提高出口的喷射速度。而且普遍借助液体磨蚀（HE）工艺将喷油孔的入口边倒圆，其目的是：事先消除燃油中的磨粒对喷油孔棱边进行磨蚀的机会，和/或缩小流量公差。 共轨技术在中国发展的两点建议 泵喷嘴/泵管嘴系统的最大优点在于喷油压力高，对燃油经济性和排放有积极影响，但是价格过高，而且气缸盖的设计改动比较大。中国可以跨过直列泵和分配泵的柴油机电子控制时代，直接进入共轨时代。这样可以避免投资的大量浪费。 在此，就共轨喷射系统在中国的发展提出两点建议。第一，国家必须在制定环保法规的同时，制定针对燃油质量的强制性法规。以目前质量低劣的柴油，根本无法适应电子控制共轨喷射系统的要求。第二，国家应当引导、组织和扶植国内企业对共轨燃油喷射系统的研究和开发。共轨系统所需之关键零部件或许可以进口，但是共轨系统成套供应，特别是研究、开发、生产和销售电子控制单元及一些传感器和执行器的机会千万不要拱手让给外人。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/22/2004)