潍柴柴油机电控燃油喷射技术

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一、 技术概述

排气净化与节能是汽车产品急需解决的两大难题，现代车用柴油机工作压力高，燃烧充分，油耗比汽油机约低两成，排放物中除微粒物外均低于汽油机，因此在世界范围内应用不断扩大，除中重型商用车外，轻型车和轿车也越来越多地应用。传统的柴油机存在着供油不精确的问题，解决的办法是采用电子控制燃油喷射的技术。
与汽油机相比柴油机的电子控制燃油喷射系统有很多相同之处，在整机电脑管理方面两者基本相同，但因柴油机的喷射系统形式多样，电控系统的硬件也呈多样形式，同时柴油机需要对油量、定时、喷油压力、喷油路等多参数进行综合控制，其软件的难度也大于汽油机。
第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统，它用电子伺服机构代替调速器控制供油滑套位置以实现供油量的调整，这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的 TICS 系统。第二代系统也称时间控制系统，其特点是供油仍维持传统的脉动式柱塞泵油方式，但油量和定时的调节则由电脑控制的强力快速响应电磁阀的开闭时刻所决定。第三代也称为直接数控系统，它完全脱开了传统的油泵分缸燃油供应方式，通过共轨压力和喷油压力／时间的综合控制，实现各种复杂的供油规路和特性。强力快速线形响应电磁阀是各种系统共同的技术难点。

二、现状及国内外发展趋势

因柴油机的喷射系统形式多样，国外柴油机的电控系统也形式多样，有直列泵和分配泵的可变预行程 TICS 系统，有基于时间控制泵喷嘴系统，有蓄压共轨系统和高压共轨系统等。各种技术方案都在原有的基础上发展，但高压共轨系统是总的发展方向。
根据国内到 2007 年实行欧洲 III号法规的进度要求，对主要国产喷油泵进行电控系统的开发，包括硬件和软件的开发，并尽快实现产业化，同时要专门组织力量，对主要在中、重型车上使用的高压共轨系统和在轻、轿车上使用的时间控制式 VE 分配泵系统进行联合开发、攻关，到 2008 年前后实现产业化。
三、柴油机基本知识
柴油发动机与汽油发动机具有基本相同的结构，都有气缸体、气缸盖、活塞、气门、曲柄、曲轴、凸轮轴、飞轮等。但前者用压燃柴油作功，后者用点燃汽油作功，一个"压燃"一个"点燃"，就是两者的根本区别点。汽油机的燃料是在进气行程中与空气混合后进入气缸，然后被火花塞点燃作功；柴油机的燃料则是在压缩行程接近终了时直接喷注入气缸，在压缩空气中被压燃作功。这个区别造成了柴油机在燃料供给系统的结构有其自己的特点。
柴油机的燃料喷射系统是由喷油泵、喷油器、高压油管及一些附属辅助件组成。柴油机燃料输送的简单过程是：输油泵将柴油送到滤清器，过滤后进入喷油泵（为了保证充足的燃料并保持一定的压力，要求输油泵的供油量比喷油泵的需要量要大得多，多余的柴油就经低压管回到油箱，其它部分柴油被喷油泵压缩至高压）经过高压油管进入喷油器直接喷入气缸燃烧室中压燃。
四、高压共轨电控柴油喷射系统
现代先进的汽车柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平，而且相比汽油机更环保。目前国外轻型汽车用柴油机日益普遍，奔驰、大众、宝马、雷诺、沃尔沃等欧洲名牌车都有采用柴油发动机的车型。
在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比，柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出的大小，而柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置（油门拉杆位置）来决定的。因此，基本工作原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号，首先计算出基本喷油量，然后根据水温、进气温度、进气压力等传感器的信号进行修正，再与来自控制套位置传感器的信号进行反馈修正，确定最佳喷油量的。
电控柴油喷射系统由传感器、ECU和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与巳储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。这类电控系统可分为：蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。以下就介绍一下高压共轨电控柴油喷射系统：
（一）共轨技术
在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷，现代柴油机采用了一种称为"共轨"的技术。
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，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。
共轨式喷油系统于二十世纪 90 年代中后期才正式进入实用化阶段。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有：
a、共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。
b、可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（ 120Mpa～200MPa ），可同时控制 NOx 和微粒（ PM ）在较小的数值内，以满足排放要求。
c、柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机 NOx ，又能保证优良的动力性和经济性。

d、由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。
（二）高压共轨电控燃油喷射系统及基本单元
图 1 为高压共轨电控燃油喷射系统的基本组成图。它主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨(蓄压器)，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。
1、高压油泵
高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。
BOSCH 公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135Mpa 的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。
2、高压油轨（共轨管）
共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用， ECD-U2 系统的共轨管如图 4 所示。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 ECD-U2 系统的高压泵的最大循环供油量为 600毫升，共轨管容积为 94000毫升。

高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。
从上述分析可见，精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油机是非常关键的。
3、电控喷油器
电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据 ECU 发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。
为了实现预定的喷油形状，需对喷油器进行合理的优化设计。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。
控制量孔的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。
此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。
但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。
由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为 0.169mm × 6 ，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。
对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。
4、高压油管
高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小

三、结束语
由于高压共轨式燃油喷射系统具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节的特点，该系统的采用可以使柴油机的经济性、动力性和排放性能都会有进一步的提高，随着共轨技术的进一步发展和完善，柴油机的应用水平必将跨上一个新的台阶。