柴油机高压共轨喷油系统的现状与发展
柴油机高压共轨喷油系统的现状及发展
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摘要：随着排放法规的日益严格和柴油机电控技术的不断进步，高压共轨喷油系统作为一种高度柔性控制的燃油喷射系统，以其显著的优越性，已经成为现代柴油机技术的主要发展方向之一。本文介绍了电控高压共轨喷油系统的组成、工作原理和特点，概括了国外的研究状况，最后提出了未来的研究目标和发展趋势。
关键词：柴油机；喷射系统；高压共轨；发展趋势
能源危机和环境污染问题以及世界各国日益严格的排放法规促使人们进一步改善柴油机的燃烧过程，而影响燃烧过程的关键是燃油喷射系统的性能。电控高压共轨喷油系统通过各种传感器检测出发动机的实际运行状况，由计算机计算和处理，可以精确、柔性地控制柴油机喷油量、喷油定时和喷射压力，与传统的喷射技术相比，进一步降低了燃油消耗和排放，增强了动力性能，实现了柴油机综合性能的又一次飞跃。柴油机高压共轨系统在整个燃机行业被公认为20世纪三大突破之一[1]，是21世纪柴油喷射系统的主流。
1电控高压喷油系统的原理和结构
与前两代喷油系统相比,电控共轨燃油喷射系统克服了燃油压力受柴油机转速的影响,不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理,而采用了公共控制油道——共轨管,高压油泵只是向公共油道供油以保持所需的共轨压力,通过连续调节共轨压力来控制喷射压力,使其达到与工况相适应的最优数值,而且还使得喷油压力和喷油速率的控制成为
可能,且系统的控制自由度及精度得到了大幅度提高。
高压共轨喷油系统的结构见图1,为典型的电控高压共轨喷射系统,主要由高压泵、带调压阀的共轨管、带电磁阀的喷油器、各种传感器和电控单元(ECU)组成。
图1 高压共轨喷射系统结构
2 国外主要的高压共轨喷射系统
目前,国外在柴油机电控共轨喷射系统方面的研究进展很快,并有多种共轨喷射系统设计并投产。德国Bosch公司、意大利菲亚特集团、英国LUCAS、日本电装公司、美国德尔福公司等世界著名油泵油嘴制造商相继开发了高压共轨系统。
2.1 德国Bosch公司的高压共轨系统
目前为止,Bosch公司总共规划和设计了3代高压共轨系统。如图2所示为Bosch公司的高压共轨喷射系统。第一代已经上世纪批量投放市场,主要应用于轿车,喷射压力达135MPa。第二代于2000年开始批量生产,开始使用具有油量调节功能的高压泵和经改进的电磁阀喷油器,喷射循环由预喷射、主喷射和多级喷射等多次喷射组成,最大
系统压力提高至160MPa,采用降噪新技术,主要适用于功率在55 kW/L 以下的发动机[2]。
图2 Bosch公司的高压共轨喷射系统
Bosch公司第三代高压共轨喷射系统的开发重心转移到系统的技术复杂度和精密度上。高压油泵前端的齿轮泵将燃油从油箱抽出,通过滤清器送入具有泵油量调节功能的高压油泵升压,分配单元将进入的燃油分成两路:一路供给泵油元件,另一路用以冷却。高压油泵将燃油压缩至最高压力160MPa,并将其输入共轨。共轨上安装的压力传感器、压力调节器和电控装置形成闭环的压力控制回路。高压燃油经油轨到喷油器。第三代高压共轨喷射系统最大的特点在于采用了一个快速开关的压电直列喷油器,压电执行器置于喷油器轴体上,相比于传统喷油器减少了约75%的运动件及75%的质量,开关速度也得到很大提高。图3为压电式喷油器。
图3 压电式喷油器
高强度模块式激光焊接油轨为一铸造管,是连接高压油泵和喷油器的桥梁,也是一个蓄压器,见图4。
图4 激光焊接油轨
共轨中压力波动是设计所要考虑的重要参数,为使共轨压力波动和启动油压的建立几乎不受喷油器、高压油泵和调节阀工作的影响,共轨的长度、径和容积应有一合理的数值。为使其最佳化,Bosch在设计阶段运用AMESIM程序进行了模拟计算。与迄今最好的电磁或压电控制的喷油系统相比,Bosch第三代高压共轨喷射系统排放物控制效果和燃油的计量精度有明显的提高[3]。
Bosch公司第四代高压共轨喷射系统将会采用最新研制的同轴可变喷嘴及压力扩大器技术,最高喷射压力将会超过200MPa。
2.3 美国德尔福公司的Multec DCR系统
德尔福最具代表性的就是先进的Multec DCR柴油共轨喷射系统。Multec DCR柴油共轨喷射系统的主要部件有共用高压油轨、高压燃油调压器、高压燃油泵、燃油喷油器、电控单元、燃油滤清器和传感器等,如图5所示。
图5 德尔福公司的Multec DCR-1400
跟其他的尖端高压喷射系统一样,Multec DCR柴油共轨喷射系统的喷射压力与发动机转速和负荷无关,即使在低速运行时,系统仍可保持足够压力的高压燃油喷射。可实现多次喷射,相比之下,其喷油器的设计更加独特。
Multec DCR主要采用了带有平衡控制和反馈控制策略的电控电磁阀结构的电液式喷油器[4],它能提供极快的动作响应并精确地进行燃油流量的计量。这种响应迅速、结构紧凑、小巧玲珑的电磁阀控制的喷油器只需常规12V汽车蓄电池驱动就能正常工作,比世界上现有的任何一种柴油机共轨喷射系统都节能,这大大降低了汽车电子系统
设计的系统生产成本和复杂程度。整个系统采用积木式设计,便于应用于不同形式和不同种类的发动机。德尔福公司专门为共轨喷射系统开发了一套以加速度信号处理为基础的喷油控制策略,使Multec DCR 高压共轨系统具有较低的燃烧噪声和排放。
近年来德尔福公司确定了三个研发领域:喷油器和喷油嘴设计参数的最佳化,系统液力稳定性和多次喷射控制策略的最佳化,改善发动机参数的协调性,以满足未来排放法规的要求和降低噪声[5]。德尔福将进一步改进其柴油喷射系统,以满足下一轮全球排放法规。
3国外研究现状
国外经过多年的发展，已经形成了比较成熟的产品，如Fiat 集团的Unijet系统、电装公司的ECD-U2系统和博世公司的CR系统等。其中,博世公司用压电石英作为执行器代替高速电磁阀,喷射压力已经高达180MPa，针阀运动速度达到1.3 m/s,预喷射油量可控制在1mm3之。在控制策略上，以经典控制理论和现代控制理论为基础的开环控制和闭环控制在电控高压共轨系统中得到了广泛应用[6]。
国对电控高压共轨燃油喷射系统的研究起步较晚,目前正处于研制阶段。其学研制的FIRCRI高压共轨系统正处于硬件在环仿真和实机测试阶段，交通大学开发的GD-1型高压共轨工大学、华中理工大学等也正在开发自己的高压共轨系统，威孚集团与博世公司已经联合组建了博世汽车柴油机系统股份,开始了高压共轨系统的生产。在控制策略上，目前国主要采用经典PID控制方法,这种方法原理简单，易于实现，稳定性好，但存在需要在不同工况下反复调节和不能在线
调节等缺点。
4 国外发展趋势
电控高压共轨燃油喷射系统的应用使柴油机的排放、噪声及燃烧性能都得到了很大改善，远远超过了传统燃机，大大增强了柴油机的竞争力。随着电子技术、材料技术以及控制理论等的不断发展，该技术还具有很大的发展潜力,进一步的研究主要体现以下趋势：
a.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[7]。
b.通过最优控制、自适应控制、预测控制等控制理论的研究，将模糊控制、人工神经网络、基于非线性的滑模控制、基于辨识模型的自适应控制等运用到电控高压共轨燃油喷射系统中，改进其控制策略
[8]。
c.研究新的喷油规律[9]。随着柴油车数量增加，柴油机尾气已经成为大气的主要污染源之一。因此，世界各国都在积极探索新方法和采取有效的技术措施主动减少和控制污染物的排放，欧洲已经制订出严格的欧V、欧VI排放法规，2013年开始实施了欧VI排放法规。因此，必须不断研究满足新的排放标准的喷油规律，进一步降低柴油机的排放。
d.燃油喷射系统的数值模拟技术。通过仿真软件建立电控高压共轨燃油系统的数值模型，分析燃油的喷射过程及系统参数对燃油喷射特性的影响，为燃油系统的优化设计、故障分析提供理论依据，降低产品开发成本，缩短开发周期。