电控高压共轨燃油喷射技术
电控高压共轨燃油喷射技术
2011级车辆一班---晏峰成一：现状
大多数跨国公司在上世纪90年代初开始投入巨资开发电控共轨系统,90年代后期,电控共轨系统开始在德国、美国、日本等少数发达国家批量投放市场。由于其节能、环保的优点显露出来,发展速度惊人,目前欧洲发达国家柴油轿车的市场占有率已超过50%,与此同时,电控共轨系统也开始逐渐应用于卡车、客车和各种轻型商用车。随着排放法规要求的不断提高,选择电控高压共轨已成为柴油机行业的必然趋势。
电控高压共轨燃油喷射技术（CRDi）可以解读为“高压”、“共轨”和“电控”三个方面，“高压”就是指在由高压油泵、公共供油管道和喷油器等部件组成的封闭系统里，喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，发动机在任何工况下都能获得较高的燃油喷射压力，一般这个压力能达到1600bar以上；“共轨”就是指发动机的各喷油器燃油由公共供油管道提供，确保了各个喷油器燃油压力的一致，避免了喷油器各自供油产生的振动，使发动机运转更为平顺；“电控”就是指通过ECU精确控制喷油器电磁阀开启时刻、持续时间从而控制喷射提前角、燃油喷射量，确保了以最小的燃油消耗获得最理想的动力输出。
二：主要研究
图为某电控高压共轨燃油喷射电控系统硬件组成，开发者采用16位微处理机为核心（16M主频），配置16位外围数字接口芯片(PsD)，该芯片硬件资源丰富，内置4M位闪存，64K位静态RAM，3000门可编程逻辑和可软件配置的多个ⅣO口．极大地缩小了外围数字电路，提高了系统可靠性。通过该片在系统可编程(IsP)接口，实际应用中无须打开硬件就可以使整个系统软件得到维护和升级，极大地提高了开发和维护效率。由于本系统有众多的高速电磁阀和升压电路处于开关状态，电磁辐射严重，奉系统对数字电路、模拟电路和功率电路进行了有效隔离，并对辐射严重器件采取屏蔽措施，较好地解决了系统干扰问题。电控单元的通信接口采用了串行接口和现场总线两种方式。前者用于故障诊断和标定，后者用于集成环境中与其他测其他测控单元或ECU交换数据。
鉴于高压共轨电控燃油喷射系统具有优越的喷射特性，上海交通大学汽车电子技术研究所研制开发了GD-1高压共轨燃油喷射系统，以提高车用废气涡轮增压柴油机的整机性能。在GD-1系统的研究与开发过程中，燃油喷射压力的控制是关键技术之一。作者设计了一套喷射压力的控制策略，可在不考虑喷油量、喷油正时、喷油规律与柴油机转速的条件下精确柔性地控制共轨油压，即喷射压力。
下图所示为高压油泵的控制原理。PCV阀的结构为外开型，提高了控制的安全性。PCV 阀由GD-1系统控制器ECU发出的信号驱动。在油泵柱塞的吸油行程中，低压燃油经过PCV 阀流入压油腔。在柱塞的压油行程中，若PCV阀未被驱动，则未被压缩的低压油重新经过PCV阀流出压油腔；一旦PCV阀被驱动，低压油的回路被封闭，则压油腔内的燃油被压缩而增压，并经过出油阀而被压入共轨管中。因为PCV阀的结构为外开式，在压油行程中PCV 阀在高压燃油的作用下一直保持关闭。PCV阀关闭后的柱塞有效行程决定了供油量，即PCV 阀的供油持续角T on直接控制高压油泵提供给共轨管的供油量。因此，随着供油持续角T on的增大则供油量增大。高压燃油的供给与喷射几乎是同步的，喷油量与供油量被精确地平衡，从而共轨管内的燃油压力可以以很高的精度与较快的响应维持稳定。
高压共轨燃油喷射系统的物理模型如下图所示。
根据高压共轨燃油喷射系统结构组成形式以及图1所示的高压共轨系统物理模型图，利用HYDSIM软件，可以建立整个燃油系统物理仿真模型，．整个模型包括电控直列双柱塞燃油泵、高压共轨管、高压燃油弯管、电控喷油器以及轨压调控模块。柱塞的上下运动导致
柱塞腔压力的不恒定有必要定义柱塞的泄漏单元Annular Gap。需要输入的参数有间隙长度、间隙压力曲线图．电磁阀部分使用Throttle模型集里的TimeControlled(Switch)模块。根据输入参数，此模块可以理解为简单时间一。流量控制阀，需要输入电磁阀开启／关闭时期时间一流通面积关系表格、电磁阀起始状态(常开或常闭)以及电磁阀开启／关闭过程曲轴转角L5|。使用Check Valve(Ball)作为球形出油阀，输人参数有开启压力、球阀质量、直径、最大升程、座面阻尼刚度。虽然凸轮(包括凸轮轴在内)、柱塞以及滚轮等不完全是刚性的，但是由于其刚度都比较大，在供油过程中完全可以将其视做刚性体，因此凸轮与柱塞之间采用Mechanical机械连接方式，并且该机械连接的弹簧刚度选择一个非常大的值。柱塞与泄漏
模块之间采用Special连接，其他模块之间使用Hydraulic液力连接。
以下介绍一种新的燃烧控制手段，作者将其称为多脉冲燃油喷射复合控制技术，实现了氮氧化物和碳烟的超低排放，实现了向平均有效压力达0.79MPa的高负荷工况扩展HCCI 燃烧模式的目标。
对于多脉冲燃油喷射复合控制技术，脉冲喷射燃油的燃烧和主喷射燃油的燃烧存在相互影响的密切关系。后者起到了促进先期反应中未燃烧的预混合气继续氧化的作用，多脉冲喷射所形成的预混合气及其先期反应，则有利于主喷油在上止点后的稳定快速燃烧，保证了随发动机负荷的提高仍能实现碳烟和氮氧化物低排放。研究结果表明，在1400r/min、平均有效压力为0.79Mpa的工况，采用110o脉冲喷射提前角、上止点后10o主喷射，烟度能够控
制在0.5以下，而氮氧化物含量小于240*10-6。实验结果表明，本研究所开发的多脉冲燃油
喷射复合控制燃烧系统具有改善柴油机排放特性的潜力。
在电控高压共轨燃油喷射系统技术的研究中，全气缸取样系统可以获得发动机燃烧过程最本质的信息，是研究燃烧过程及污染物生成历程的重要工具。全气缸取样系统的中心任务是在发动机燃烧过程的任意选定时刻打开燃烧空间，中断燃烧，抽取缸内燃烧产物，对其进行测量分析，从而再现燃烧和排放物生成过程。其中主要包括实验单缸机、进气压力温度控制系统、电控单缸供油系统、取样机构、气门停开机构以及电控系统。取样机构主要由驱动装置、筒刀、膜片压套和取样膜片组成。驱动装置由电磁阀控制的撞击头和撞击块组成。
取样前，撞击头在电磁力作用下被吸合在衔铁上，和撞击头在一起的弹簧被压缩。当控制系统发出取样指令后，电磁铁断电，取样头在弹簧力作用下敲击撞击块，撞击块将力传递到柱塞副和筒刀，筒刀快速向下运动，前部刃口将取样膜片切开。在缸内燃气压力作用下，膜片折成盖状。缸内燃气沿筒刀内孔、侧孑L及膜片压套上的侧孔流出，并与筒刀外围流动的稀释氮气混合，样气迅速降压、降温，从而淬灭化学反应。稀释、降温后的样气沿管路进入取样袋，以待对其进行物理或化学分析测量。氮气来源于高压氮气瓶。为了获得较大的样气流通面积又不使膜片脱落，筒刀刃切割膜片的约3／4圆周。
三:发展趋势
电控高压共轨燃油喷射系统的应用，有效地提高了柴油机的动力性、燃油经济性，并降低了有害物质的排放以及噪声。随着电子技术、材料技术以及控制理论等的不断发展，该技术主要呈现出以下发展趋势：
1.进一步提高喷油压力。一般而言，柴油机的喷油压力越高，其燃油经济性就越高，有害物质排放也越低。Bosch公司第三代共轨压力已达180MPa，第四代将增大到220MPa。
2. 设计开发新的执行器，以及通过对高压油泵、喷嘴材料和加工过程的改进进一步提高燃油喷射压力及其精确性，使燃烧更为充分。
3. 解决共轨压力的微小波动造成的喷油量不均匀问题。电控高压共轨系统的动态压力稳定性直接影响系统理想喷油规律的实现，因此，对高压共轨系统压力波动性的研究已经成为当前的热点之一。
参考文献：
【1】《柴油机电控高压共轨燃油喷射系统原理与发展》---陈建国，陈澄
【2】《基于电控高压共轨燃油系统的多脉冲复合控制燃烧系统》---林铁坚，苏万华，裴毅强
【3】《柴油机高压共轨式燃油喷射系统的仿真研究》---李晓波，史镜海
【4】《基于电控燃油喷射技术的柴油机全气缸取样系统的设计与开发》---裴毅强，董素荣，宋崇林，郭振鹏，魏国东，杨铁皂
【5】《GD-1高压共轨式电控柴油机燃油喷射压力控制策略的研究》---肖文雍，杨林，梁锋【6】《柴油机高压共轨燃油喷射---电控系统开发研究》---周文华