淺談柴油機(jī)高壓共軌技術(shù)

1、 淺談柴油機(jī)高壓共軌技術(shù)1、 高壓共軌技術(shù)簡(jiǎn)介 我們先來了解下傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的局限性：傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的工作過程是：柴油通過高壓油泵提高油壓后，再按照一定的供油定時(shí)和供油量通過噴油器， 噴入氣缸燃燒室。在燃油噴射過程中，由于壓力波動(dòng)，存在二次噴油現(xiàn)象。由于二次噴油不可能完全燃燒，于是增加了煙度和碳?xì)浠衔锏呐欧帕浚?油耗也增高。此外，每次噴射循環(huán)后高壓油管內(nèi)的殘壓都會(huì)發(fā)生變化，隨之引起不穩(wěn)定的噴射，尤其在低轉(zhuǎn)速區(qū)域容易產(chǎn)生上述現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)不僅噴油不均勻，而且會(huì)發(fā)生間歇性不噴射現(xiàn)象。 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，為了解決柴油機(jī)燃油壓力變化所造成的燃油噴射燃燒缺陷，現(xiàn)

2、代柴油機(jī)采用了一種高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)，使柴油機(jī)的性能得到了全面提升。柴油機(jī)在機(jī)械噴射、增壓噴射和普通電噴后,近幾年來出現(xiàn)了共軌高壓噴射。高壓共軌（Common Rail)電噴技術(shù)是指在高壓油泵、壓力傳感器和電子控制單元（ECU)組成的閉環(huán)系統(tǒng)中,相比于一般的噴油系統(tǒng),它的壓力建立、噴射壓力控制和噴油過程相互獨(dú)立,并可以靈活地控制。它是由高壓油泵將高壓燃油輸送到公共供油管（Rail),通過公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制,使高壓油管壓力（Pressure)大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān),可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的程度。另外，共軌噴油系統(tǒng)的高精度零部件的表面加工質(zhì)量要求高，幾何精度

3、高，特殊要求多，其加工都是微米、亞納米級(jí)的精度，代表了目前機(jī)械制造行業(yè)的最高加工水平。二、高壓共軌系統(tǒng)的組成和工作原理 2.1、高壓共軌噴射系統(tǒng)組成高壓共軌噴射系統(tǒng)主要由高壓油泵、共軌管、電控噴油器、各種傳感器和電控單元ECU等組成，如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高壓油泵上自帶的齒輪泵通過負(fù)壓從油箱中吸油，并以一定的壓力（約57bar）將過濾后燃油送入高壓油泵。燃油進(jìn)入高壓柱塞腔后被壓縮，通過高壓油管進(jìn)入共軌管形成高壓，每缸噴油器通過高壓油管與共軌管相連，以實(shí)現(xiàn)高壓噴射。 2.1.1 高壓油泵（High pressure pump）高壓油泵是高壓共軌系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，它的主要作用是將低壓燃油加

4、壓成為高壓燃油，儲(chǔ)存在油軌內(nèi)等待ECU的噴射指令。高壓油泵由齒輪泵、油量計(jì)量單元、溢流閥、進(jìn)出油閥和高壓柱塞等部分組成。以Bosch目前廣泛應(yīng)用于中國(guó)商用車市場(chǎng)并已開始本地化生產(chǎn)的CPN2.2BL為例，其結(jié)構(gòu)如圖2所示12。圖2 Bosch高壓油泵CPN2.2BL高壓油泵供油量的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是：在整個(gè)壽命范圍內(nèi)和任何工況下都必須保證高壓油泵的供油量能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在一定軌壓下的噴油量要求，即油量平衡。CPN2.2BL采用2個(gè)直列柱塞設(shè)計(jì)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)比為1:2，與傳統(tǒng)的機(jī)械泵類似，以便于歐II發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)。其潤(rùn)滑方式為機(jī)油潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油路與發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油路直接相連。齒輪泵的任務(wù)是向高壓油泵供給

5、足夠的低壓燃油，安裝在高壓油泵泵體后端，依靠位于高壓油泵凸輪軸末端的齒輪來驅(qū)動(dòng)，它的轉(zhuǎn)速是高壓油泵2.85倍。當(dāng)燃油進(jìn)入高壓部分后，一路經(jīng)過油量計(jì)量單元進(jìn)入高壓柱塞腔，經(jīng)壓縮后進(jìn)入油軌，同時(shí)多余的燃油通過溢油閥回到油箱中。油量計(jì)量單元的主要作用是調(diào)節(jié)進(jìn)入高壓柱塞腔的油量，以控制共軌管內(nèi)的燃油壓力的大小。 2.1.2 高壓共軌管（Common Rail） 共軌管是電控高壓共軌系統(tǒng)中所特有的零部件，主要包括高壓接頭、節(jié)流孔、軌壓傳感器和壓力限制閥，如圖3所示。共軌管的主要作用是蓄壓和分配燃油，阻尼燃油壓力波動(dòng)同時(shí)還限制最高燃油壓力，使之不超過安全限值。軌壓傳感器向ECU提供共軌管內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)，

6、做為軌壓閉環(huán)控制的輸入。油軌進(jìn)出口處的節(jié)流孔設(shè)計(jì)可減小共軌管和高壓油管中的壓力波動(dòng)。壓力限制閥是一個(gè)機(jī)械閥，當(dāng)壓力超過一定限值時(shí)即開啟，以保證共軌管在出現(xiàn)壓力異常時(shí)，將壓力迅速釋放從而確保系統(tǒng)安全。當(dāng)壓力限制閥打開后，它仍能將軌壓維持在一個(gè)正常范圍（如700800Bar），讓車輛在故障情況下仍能繼續(xù)運(yùn)行至維修站點(diǎn)，即跛行回家。圖3 高壓共軌管 2.1.3 噴油器（Injector） 噴油器是電控高壓共軌系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件，它的作用是根據(jù)ECU發(fā)出的電信號(hào)控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油時(shí)刻、噴油量和噴油率噴入柴油機(jī)的燃燒室內(nèi)。噴油器主要由噴油器體、電磁閥、油嘴、針

7、閥組件和彈簧等部分組成，圖4所示為Bosch的第二代商用車噴油器CRIN2。在電磁閥不通電時(shí)，電樞將球閥緊緊壓在閥座上，此時(shí)控制室和壓力室內(nèi)壓力平衡，油嘴針閥被彈簧預(yù)緊力緊緊壓在油嘴座面上不抬起，即噴油器不噴油；當(dāng)電磁閥通電時(shí)，電磁閥通過吸力將電樞抬起，此時(shí)控制室內(nèi)燃油經(jīng)球閥量孔泄漏，控制室壓力迅速下降，而壓力室壓力沒有變化，從而油嘴針閥被抬起，即噴油器開始噴油；當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，控制室的壓力上升，油嘴針閥兩端壓力再次平衡，在彈簧預(yù)緊力的作用下油嘴針閥落座，從而關(guān)閉噴油器完成噴油過程。圖4 Bosch噴油器CRIN22.2 高壓共軌系統(tǒng)的工作原理通過較大容積的共軌管腔將油泵輸出的高壓燃油蓄積起來

8、，以消除燃油中的壓力波動(dòng)，形成恒定的高壓燃油，然后分送至每個(gè)噴油器，借助于集成在每個(gè)噴油器上的高速電磁開關(guān)閥的開啟與閉合，定時(shí)、定量地控制噴油器噴射至柴油機(jī)燃燒室的油量。從而保證柴油機(jī)達(dá)到良好的燃油霧化、最佳的燃燒比，以及最佳的點(diǎn)火時(shí)間、足夠的點(diǎn)火能量和最少的污染排放。電控單元（ECU）控制噴油器的噴油量（噴油量大小則取決于燃油軌、公共供油管）、壓力和電磁閥開啟時(shí)間的長(zhǎng)短。ECU的基本控制功能是將一定量的柴油在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻以設(shè)定的壓力噴入燃燒室，以保證柴油機(jī)高動(dòng)力、低油耗、低排放及低噪聲。三、柴油機(jī)電控燃油噴射的發(fā)展歷程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的電子化燃油噴射管理，起始于20世紀(jì)70年代，柴油機(jī)電控燃油噴射技

9、術(shù)的發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了以下三代：第一代：位置式電控系統(tǒng)。采用電子伺服機(jī)構(gòu)（如線性螺線管、線性直流電機(jī)）代替機(jī)械調(diào)速器控制供油齒桿位置（直列泵）或控制溢油環(huán)的位置（分配泵）實(shí)現(xiàn)噴油量的控制，由ECU（電子控制單元）控制的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸與噴油泵凸輪軸之間的相位或控制提前器活塞的移動(dòng)，實(shí)施噴油時(shí)間的控制。第一代共軌高壓泵總是保持在最高壓力,導(dǎo)致燃油的浪費(fèi)和很高的燃油溫度。第二代：時(shí)間式電控系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是供油仍維持傳統(tǒng)的脈沖式柱塞泵供油方式，即燃油升壓是通過噴油泵或發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪來實(shí)現(xiàn)的，但噴油定時(shí)（升壓開始的時(shí)間）和噴油量（從升壓開始到升壓終了的時(shí)間段的噴油量）， 由ECU調(diào)節(jié)高速電

10、磁閥開閉時(shí)刻決定。 由于采用了高速電磁閥, 其控制精度較第一代有了較大提高。預(yù)噴射降低了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲:在主噴射之前百萬分之一秒內(nèi)少量的燃油被噴進(jìn)了氣缸壓燃,預(yù)熱燃燒室。預(yù)熱后的氣缸使主噴射后的壓燃更加容易,缸內(nèi)的壓力和溫度不再是突然地增加,有利于降低燃燒噪音。第三代：時(shí)間壓力控制系統(tǒng)，也稱為高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)，帶有壓電直列式噴油器。它是20世紀(jì)90年代中期研制出的全新電控燃油噴射系統(tǒng)，其完全擺脫了傳統(tǒng)噴油泵、分缸燃油供油方式，通過共軌蓄壓和高速電磁閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電控噴油器，實(shí)現(xiàn)噴油壓力、時(shí)間、噴油量和各種復(fù)雜噴油特性的綜合控制，與第一、二代電控燃油噴射系統(tǒng)比較，更具有其明顯的優(yōu)越性?，F(xiàn)已逐漸

11、產(chǎn)生第四代柴油機(jī)共軌電控系統(tǒng)。柴油機(jī)第四代共軌電控系統(tǒng)是在第三代共軌系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油壓力、噴油量、噴油時(shí)間及噴油率等噴油參數(shù)進(jìn)行自由地控制，使燃油系的工作與發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況達(dá)到最佳匹配，具備廢氣再循環(huán)（ EGR）、增壓控制、怠速控制、巡航控制等各種附加功能的綜合控制，拓展了還未被別人在柴油機(jī)電控系統(tǒng)中采用的“改變排量”節(jié)能技術(shù)，和“急剎車誤踩油門安全防范”的尖端技術(shù)，并集成了“改變排量”、“HCCI”、“低溫等離子尾氣凈化”三大節(jié)能減排高端技術(shù)。 從理論上估算，其節(jié)油率可再提高近30%，尾氣污染物排放可達(dá)到或超過歐IV標(biāo)準(zhǔn)。四、高壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與不足 4.1 高壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)共

12、軌柴油噴射系統(tǒng)與之前以凸輪驅(qū)動(dòng)的柴油噴射系統(tǒng)不同,它將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開,使高壓共軌系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)的功能,其優(yōu)點(diǎn)大概可概括為以下四點(diǎn): 4.1.1共軌系統(tǒng)中的噴油壓力柔性可調(diào),對(duì)不同工況可確定所需的最佳噴射壓力,從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。4.1.2可獨(dú)立地柔性控制噴油正時(shí),配合高的噴射壓力（120200MPa),可同時(shí)控制NOx和微粒、PM2.5在較小的數(shù)值內(nèi),以滿足排放要求。4.1.3柔性控制噴油速率變化,實(shí)現(xiàn)理想噴油規(guī)律,容易實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和多次噴射,既可降低柴油機(jī)NOx,又能保證優(yōu)良的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。五、國(guó)內(nèi)外高壓共軌技術(shù)的研究 1、國(guó)內(nèi)高壓共軌技術(shù)的研究

13、現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的研究起步較晚，且大都局限在電控單元硬件等方面的研究上，只有部分大學(xué)、企業(yè)以及科研單位參與共軌系統(tǒng)零部件的研制工作。目前尚未開發(fā)出成熟的柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)，距離產(chǎn)品化還有很長(zhǎng)的一段路要走。以下是國(guó)內(nèi)在柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)方面的研究成果：1）清華大學(xué)研究開發(fā)的電控直列泵-管-閥-嘴(PPVI)系統(tǒng)，己研制出相應(yīng)的高性能電磁閥。2）天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室開發(fā)的新型共軌蓄壓式電控燃油系統(tǒng)PAIRCUI正處于硬件在環(huán)仿真和實(shí)機(jī)測(cè)試階段。3）浙江大學(xué)在錫柴CA6110發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了高壓共軌系統(tǒng)匹配試驗(yàn)。4）上海交通大學(xué)基于自主開發(fā)GD-1型高壓共軌系統(tǒng)

14、處于匹配玉柴YC6110柴油機(jī)的準(zhǔn)備階段。5）廣西玉林柴油機(jī)廠與清華大學(xué)合作開發(fā)了GDI型柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)。6）無錫油泵油嘴研究所與無錫柴油機(jī)廠合作，已成功的在CA6110增壓中冷柴油機(jī)進(jìn)行了共軌式噴射系統(tǒng)的試驗(yàn)。7）無錫威孚集團(tuán)與博世公司已經(jīng)聯(lián)合組建了無錫Bosch汽車柴油機(jī)系統(tǒng)股份有限公司，開始了高壓共軌系統(tǒng)的生產(chǎn)。 2、國(guó)外高壓共軌技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀到目前為止,各國(guó)已研制并生產(chǎn)各種柴油機(jī)電子控制系統(tǒng),有力的緩解了當(dāng)前的世界性能源危機(jī)和汽車污染。一些汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的柴油機(jī)電控技術(shù)水平目前已相當(dāng)發(fā)達(dá)。 目前歐美國(guó)家中100重型車、90% 輕型車采用柴油機(jī),歐洲的柴油轎車在轎車保有量中比例

15、超過40%,新車產(chǎn)量比例超過50%。博世公司對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的保守預(yù)測(cè)是,到2015年,柴油車所占比例能達(dá)到 25,而同樣到2015年據(jù)有些文章介紹在美國(guó)輕型車輛和轎車領(lǐng)域,柴油車的市場(chǎng)份額將提高到大約 15%。 3、高壓共軌技術(shù)的研究方向和待解決的問題 共軌技術(shù)的研究與開發(fā)熱點(diǎn)如下：1）燃油噴射系統(tǒng)的數(shù)值模擬技術(shù)。通過仿真軟件建立電控高壓共軌燃油系統(tǒng)的數(shù)值模型，分析燃油的噴射過程及系統(tǒng)參數(shù)對(duì)燃油噴射特性的影響，為燃油系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、故障分析提供理論依據(jù)。降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。2）解決共軌壓力的微小波動(dòng)造成的噴油量不均勻問題。高壓共軌系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)壓力穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)理想噴油規(guī)律的實(shí)現(xiàn)。3）新型電磁閥的研究。未來的電磁閥要求有更快的響應(yīng)能力、工作精確性、重復(fù)、可靠性以及良好的流通能力。如采用壓電