机械柴油喷射与电控共轨柴油喷射的差异比较

作者：梁超 强添纲 邱继武

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, ... 传统机械发动机的喷油系统凭借其可靠性、易维护性一直在不断地发展和使用。进入21世纪以来，随着人们对能源、环保的意识和要求日益提高，传统发动机的脉动喷油系统已经不能够满足现代发动机的要求。因此，现代发动机的共轨燃油喷射技术在避免了传统发动机缺点的基础上，得到了快速的发展，已经成为燃油喷射的主要发展趋势。 一、传统机械燃油喷射系统 传统机械式燃油喷射系统如图1所示。主要包括：油箱、低压、输油泵、燃油滤清器、高压燃油泵、喷油器以及油管等。工作过程是：发动机曲轴通过齿轮带动喷油泵的凸轮轴转动，把燃油从油箱送到输油泵，形成低压，再经过燃油滤清器，一部分供给高压的喷油泵，另一部分回到油箱。进入喷油泵的燃油，通过高压油管输送到喷油器，当压力超过喷油器的开启压力时，喷油器开启，进行喷油。 柴油喷油泵的控制依赖于发动机。主要体现在：发动机给喷油泵提供动力，发动机每旋转2圈各缸做功1次，喷油泵旋转1圈，对各缸进行1次燃油喷射。这样来看，喷油泵喷油的大体时刻就由发动机间接控制，并且柴油机供油压力随发动机转速的变化较大。喷油提前器是在发动机转数较高的时候使喷油泵的凸轮轴相应地提前一个角度，满足发动机高速时的要求。调速器是通过感应元件感知发动机的各种工况，对柴油发动机进行控制，主要是满足怠速时的稳定性和超过标定转速时的断油，其余工况依靠感应元件和调速器内的弹簧的平衡来稳定发动机的转速。这种机械式喷油泵的形式主要有直列式喷油泵和VE式分配泵。 传统的机械柴油喷射发动机不能更好的对喷油时刻和喷油过程进行控制，已经不能满足节能和环保的要求。在此条件下，电控共轨柴油喷射系统应运而生，并且得到了快速的发展。 二、电控共轨燃油喷射系统 20世纪40年代电控共轨燃油喷射技术首先在航空发动机上应用，20世纪50年代在赛车发动机上广泛应用。20世纪90年代，柴油机的电控供油系统开始在实际应用中大量使用。主要有日本电装公司和丰田汽车公司ECD-U2系统、博世公司和D-C公司电控共轨式燃油喷射系统。 （一）共轨系统的组成 相对于传统机械式喷油系统，电控共轨式喷油系统要复杂得多，从压力的产生机构到喷油量的控制机构都有了很大的改进。电控共轨式喷油系统的结构图和系统图分别如图2和图3所示。主要包括：高压供油泵、燃油滤清器、高压共轨管、电控喷油器、电控单元ECU、各种传感器等。机构的改进决定了电控共轨系统相对于传统机械式喷油系统有了很多的优点。 （二）共轨技术的原理 共轨技术通过共轨直.接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射到燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的雾化、燃烧和最少的污染排放。 共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，而喷油量的大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。 （三）共轨技术的发展阶段 国外在柴油机电控高压共轨燃油喷射系统方面的研究开展得较早而且比较深入，有多种共轨系统已经投产，并与整车进行了匹配应用。日本电装公司的ECD-U2系统是电控高压共轨燃油喷射系统的典型代表，该系统不仅能实现△喷射，还能实现预喷射和靴型喷射。 共轨喷射的发展大体经历了3个阶段，如表1所示。 从表1中可以看出：共轨喷射的最高喷射压力在不断提高，这样对于喷射品质的提高有着重要的意义。压力越高，燃料雾化越好，颗粒越小越均匀，燃烧越充分，经济性、动力性和排放性均好，但这对喷射系统的要求也越高；喷射的次数不断增加，可以实现满足发动机燃烧和排放的多次喷射，可以控制燃烧的不同阶段喷油量和喷油速率，使燃烧更充分，热效率提高；在最小稳定喷射量上，3个阶段的每次的喷射量在下降，这说明每次喷射时候可以使喷射更均匀、更细密，喷油和断油更干脆，反应灵敏，响应特性好，这样有利于燃烧，减少积炭的产生。 （四）共轨技术的特点 柴油机共轨技术是集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身的新技术。该技术的主要特点有：①采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀；②采用共轨方式供油；③高速电磁开关阀频响高，控制灵活；④系统结构移植方便，适应范围广。 该技术在汽车上的使用，是世界汽车工业为满足日益严格的废气排放标准而采取的必然步骤。 三、机械柴油喷射与电控共轨柴油喷射的差异比较 机械柴油喷射与电控共轨柴油喷射的差异主要表现在燃油的供给方式和对喷油时刻的选择上。 传统机械式喷油系统高压油管内的油压是瞬间脉动高压，主要是由柱塞连续供油形成的。这种脉动对于喷油器喷油的稳定性有很大的影响，使得喷油器容易产生喷油波动，在高压油管中使燃油产生压力波，压力波在高压油管中来回振荡，在下一循环中会产生波动的叠加或减弱效应。由此，喷出的油雾颗粒不均匀，易出现二次喷射或多次喷射，从而燃烧不充分，经济性变差，动力性下降，热效率降低，排放物增加。 传统机械式喷油系统的喷油量主要是受负荷的影响，负荷调整喷油量即通过提前器和调速器对此油量进行修正，但不能实现精确的控制。 2种系统的系统示意图比较如图4所示，性能对比与分析如表2所示。 电控高压共轨燃油喷射系统高压油管内的压力总是保持在比较恒定的范围内，这是因为供油泵产生的脉动油压在共轨管内的容积增加时，产生谐振效应，使压力的波动减小和削弱，当油压变化时，由压力调节器起作用，将喷油器的燃油压力调节到比较恒定。 电控高压共轨燃油喷射系统的喷油量是由多因素控制的，控制喷油量的基本因素有负荷（油门开度表示）、转速、水温、进气温度和油温，以及燃油油压「和尾气中含氧量的多少。确定喷油量的同时，由ECU控制电磁阀开启时间的长短，确定每次喷油量大小。 电控高压共轨燃油喷射系统的特点是：喷油定时与喷油量的控制相互独立，喷油压力和喷油持续期不受发动机负荷和转速的影响；各缸的喷油压力、喷油量和喷油始点可自由调整，从而实现对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控制；喷射压力很高且喷射可靠，能实现多种喷油规律等。这些特点对实现柴油机高效、清洁、低噪声的燃烧过程起到了显著的作用。 电控高压共轨燃油喷射系统的优点是喷油压力柔性可调，在不同负荷和转速下都可确定所需的最佳喷油压力。同时由于实现了对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控制，因而改善了柴油机的燃烧过程，减少了排气颗粒和NO-X的排放，降低了燃烧噪声。另外它对燃油经济性的改善也是十分明显的。目前电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是更高的喷射压力（200MPa）、更小的喷孔直41（0.11～0.13mm）、更短的响应时间（0.1ms）、更低的功率消耗（采用压电晶体喷油器）和功能更完善的软件。电控高压共轨燃油喷射系统的不足之处在于系统比较复杂；为了实现精确的控制，对传感器的精度要求较高；随着共轨压力的不断提高，对共轨系统各部件的性能要求也越来越苛刻。另外，来用电控共轨燃油喷射系统后，需对发动机结构进行相应的改进，尤其是对缸盖的设计。以上这些决定了电控共轨燃油喷射系统的应用成本相对较高。 四、电控燃油共轨技术的发展 电控燃油共轨技术现在已经是柴油和汽油发动机的主要发展趋势，但是在新技术的使用过程中，根据不同发动机的使用特点，使得电控燃油共轨技术在不同的使用条件下，在与发动机系统的匹配上还有很大的发展空间，尤其是在共轨技术的研究与开发方向上。 （一）共轨技术的研究与开发热点 如何解决高压共轨系统的恒高压密封问题。 如何解决高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题。 如何解决高压共轨系统的多MAP（三维控制数据表）优化问题。 如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。 （二）共轨技术对环境保护的促进作用 高压共轨系统是目前最为先进的燃油喷射系统，被世界内燃机行业公认为20世纪三大突破之一，它能够在不同工况下都以120MPa的喷射压力实现稳定可控喷射，使柴油机各工况的燃烧达到最佳状况，性能大大优化，排放中的有害成分进一步减少。高压共轨系统是柴油机满足欧洲Ⅱ号、欧洲Ⅲ号甚至欧洲Ⅳ号排放法规的理想燃油喷射系统。共轨技术有助于减少柴油机的尾气排放量、降低噪声、燃油消耗等。它在有利于地球环境保护的同时，也必将促进柴油机工业、汽车工业及相关工业的发展。(end)

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