柴油機電控高壓共軌噴射系統(tǒng)

柴油機電控高壓共軌噴射系統(tǒng)

為了節(jié)約能源，降低排放，自動駕駛控制油壓機的性能取得了很大進步，并且在線傳輸技術的應用已經實現(xiàn)了驅動機發(fā)展的巨大變化。柴油機高壓共軌系統(tǒng)在整個內燃機行業(yè)被公認為20世紀三大突破之一,是21世紀柴油噴射系統(tǒng)的主流。若想在保持直噴柴油機卓越的燃油經濟性的同時,又能滿足越來越嚴格的排放法規(guī),除了降低潤滑油消耗、優(yōu)化增壓系統(tǒng)和發(fā)展廢氣后處理系統(tǒng)外,最重要的還是進一步改善燃燒過程。而燃油噴射系統(tǒng)的性能是影響柴油機燃燒過程的關鍵環(huán)節(jié)。為了有效地減小燃油消耗率,改善動力性能和滿足更嚴格的排放標準,要求噴射系統(tǒng)具有高的噴油壓力和更靈活的燃油噴射控制。高壓共軌噴射系統(tǒng)正是順應以上需求而出現(xiàn)的,并得到了很大的發(fā)展。1電控高壓共軌噴射系統(tǒng)與前兩代噴油系統(tǒng)相比,電控共軌燃油噴射系統(tǒng)克服了燃油壓力受柴油機轉速的影響,不再采用傳統(tǒng)的柱塞泵脈動供油原理,而采用了公共控制油道——共軌管,高壓油泵只是向公共油道供油以保持所需的共軌壓力,通過連續(xù)調節(jié)共軌壓力來控制噴射壓力,使其達到與工況相適應的最優(yōu)數值,而且還使得噴油壓力和噴油速率的控制成為可能,且系統(tǒng)的控制自由度及精度得到了大幅度提高。高壓共軌噴油系統(tǒng)的結構見圖1,為典型的電控高壓共軌噴射系統(tǒng),主要由高壓泵、帶調壓閥的共軌管、帶電磁閥的噴油器、各種傳感器和電控單元(ECU)組成。國內外很多內燃機方面的專家學者都在研究開發(fā)電控高壓共軌噴射系統(tǒng)。德國Bosch公司、意大利菲亞特集團、英國LUCAS、日本電裝公司、美國德爾福公司等世界著名油泵油嘴制造商相繼開發(fā)了高壓共軌系統(tǒng),下面就部分公司的電控高壓共軌噴射系統(tǒng)進行介紹和分析。2國內共軌噴射系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀目前,國外在柴油機電控共軌噴射系統(tǒng)方面的研究進展很快,并有多種共軌噴射系統(tǒng)設計并投產。筆者主要介紹德國Bosch、意大利菲亞特和美國的德爾福公司的高壓共軌系統(tǒng)。2.1高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)目前為止,Bosch公司總共規(guī)劃和設計了3代高壓共軌系統(tǒng)。如圖2所示為Bosch公司的高壓共軌噴射系統(tǒng)。第一代已經于1997年7月批量投放市場,主要應用于轎車,噴射壓力達135MPa。第二代于2000年開始批量生產,開始使用具有油量調節(jié)功能的高壓泵和經改進的電磁閥噴油器,噴射循環(huán)由預噴射、主噴射和多級噴射等多次噴射組成,最大系統(tǒng)壓力提高至160MPa,采用降噪新技術,主要適用于功率在55kW/L以下的發(fā)動機。Bosch公司第三代高壓共軌噴射系統(tǒng)的開發(fā)重心轉移到系統(tǒng)的技術復雜度和精密度上。高壓油泵前端的齒輪泵將燃油從油箱抽出,通過濾清器送入具有泵油量調節(jié)功能的高壓油泵升壓,分配單元將進入的燃油分成兩路:一路供給泵油元件,另一路用以冷卻。高壓油泵將燃油壓縮至最高壓力160MPa,并將其輸入共軌。共軌上安裝的壓力傳感器、壓力調節(jié)器和電控裝置形成閉環(huán)的壓力控制回路。高壓燃油經油軌到噴油器。第三代高壓共軌噴射系統(tǒng)最大的特點在于采用了一個快速開關的壓電直列噴油器,壓電執(zhí)行器內置于噴油器軸體上,相比于傳統(tǒng)噴油器減少了約75%的運動件及75%的質量,開關速度也得到很大提高。第三代高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)能滿足嚴格的歐Ⅳ標準。圖3為壓電式噴油器。高強度模塊式激光焊接油軌為一鑄造管,是連接高壓油泵和噴油器的橋梁,也是一個蓄壓器,見圖4。共軌中壓力波動是設計所要考慮的重要參數,為使共軌壓力波動和啟動油壓的建立幾乎不受噴油器、高壓油泵和調節(jié)閥工作的影響,共軌的長度、內徑和容積應有一合理的數值。為使其最佳化,Bosch在設計階段運用AMESIM程序進行了模擬計算。與迄今最好的電磁或壓電控制的噴油系統(tǒng)相比,Bosch第三代高壓共軌噴射系統(tǒng)排放物控制效果和燃油的計量精度有明顯的提高。Bosch公司第四代高壓共軌噴射系統(tǒng)將會采用最新研制的同軸可變噴嘴及壓力擴大器技術,最高噴射壓力將會超過200MPa。2.2低nox-碳煙排放量的噴油技術1997年菲亞特集團推出了世界上第一臺采用Unijet高壓噴射系統(tǒng)的共軌式柴油發(fā)動機,并將其裝配在阿爾法156汽車上。Unijet高壓共軌系統(tǒng)主要由噴油泵、傳感器、電液控制噴油器和ECU組成,如圖5所示。與傳統(tǒng)凸輪驅動的噴油系統(tǒng)相比,Unijet系統(tǒng)對于降低NOx和碳煙排放量具有最佳的噴油壓力匹配能力,并且能提高最大扭矩。Unijet系統(tǒng)在預噴射定時和預噴油量方面具有靈活性,有效地利用這種靈活性能恰當地協(xié)調燃燒噪聲和煙霧控制之間的關系。2003年,菲亞特研制成功第二代JTD16氣門多重噴射柴油發(fā)動機。第二代共軌式發(fā)動機的特點在于:多次噴射系統(tǒng)在發(fā)動機的每一個循環(huán)中能夠進行更多次數的噴射,多次噴射系統(tǒng)的奧秘在于控制單元和噴油嘴的設計,它們可以產生一系列間隔非常小的噴射。菲亞特研究人員開發(fā)這一技術的目的是保證更精確地控制燃料室內的壓力和溫度,同時更有效地利用進入到氣缸內的空氣。由于柴油被分配得更細,從而得到更平順的燃燒效果。同時,發(fā)動機的主要部件和控制程序都進行了徹底改進。這些技術降低了發(fā)動機的運轉噪聲,特別是降低了發(fā)動機冷態(tài)時的噪聲,提高了功率和扭矩,油耗減少,降低了尾氣排放,提前滿足了嚴格的歐Ⅳ排放法規(guī)的要求。2.3噴油器和噴油口德爾福最具代表性的就是先進的MultecDCR柴油共軌噴射系統(tǒng)。MultecDCR柴油共軌噴射系統(tǒng)的主要部件有共用高壓油軌、高壓燃油調壓器、高壓燃油泵、燃油噴油器、電控單元、燃油濾清器和傳感器等,如圖6所示。跟其他的尖端高壓噴射系統(tǒng)一樣,MultecDCR柴油共軌噴射系統(tǒng)的噴射壓力與發(fā)動機轉速和負荷無關,即使在低速運行時,系統(tǒng)仍可保持足夠壓力的高壓燃油噴射?？蓪崿F(xiàn)多次噴射,能滿足歐Ⅲ排放法規(guī)要求。相比之下,其噴油器的設計更加獨特。MultecDCR主要采用了帶有平衡控制和反饋控制策略的電控電磁閥結構的電液式噴油器,它能提供極快的動作響應并精確地進行燃油流量的計量。這種響應迅速、結構緊湊、小巧玲瓏的電磁閥控制的噴油器只需常規(guī)12V汽車蓄電池驅動就能正常工作,比世界上現(xiàn)有的任何一種柴油機共軌噴射系統(tǒng)都節(jié)能,這大大降低了汽車電子系統(tǒng)設計的系統(tǒng)生產成本和復雜程度。整個系統(tǒng)采用積木式設計,便于應用于不同形式和不同種類的發(fā)動機。德爾福公司專門為共軌噴射系統(tǒng)開發(fā)了一套以加速度信號處理為基礎的噴油控制策略,使MultecDCR高壓共軌系統(tǒng)具有較低的燃燒噪聲和排放。近年來德爾福公司確定了三個研發(fā)領域:噴油器和噴油嘴設計參數的最佳化,系統(tǒng)液力穩(wěn)定性和多次噴射控制策略的最佳化,改善發(fā)動機參數的協(xié)調性,以滿足未來排放法規(guī)的要求和降低噪聲。德爾福將進一步改進其柴油噴射系統(tǒng),以滿足下一輪全球排放法規(guī)。3高壓系統(tǒng)的研究目標和方向3.1柴油電控燃油噴射系統(tǒng)發(fā)展趨勢就燃油噴射控制原理而言,各種共軌噴射系統(tǒng)近期不會有大的變化。未來的柴油機燃油噴射系統(tǒng)將向著高噴射壓力、噴油量及噴油定時可靈活控制、最佳噴油速率控制的方向發(fā)展,全電子控制的燃油噴射系統(tǒng)是實現(xiàn)燃油噴射過程柔性控制的必然趨勢。綜合分析國內外對柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)的研究歷史和現(xiàn)狀,柴油機噴射系統(tǒng)應將以下幾點作為研究目標:a.進一步高壓化。為解決尾氣排放達標問題,最根本還是提高共軌壓力。電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是噴射壓力達180～200MPa,甚至出現(xiàn)了“超高壓噴射”的概念。當然,噴射壓力也不是越高越好,相關研究指出,在保證油束貫穿距離足夠大、壓力提高值對燃燒改善效果較明顯的前提下,最高噴射壓力取180MPa為宜。b.更小的噴孔直徑、更短的響應時間和更低的功率消耗,提高關鍵部件的可靠性和壽命。隨著噴射壓力的提高,對電磁閥、噴油器的要求相應提高,要求其響應速度高,高壓穩(wěn)定性好,同時可靠性好,壽命長,這將依賴于零部件制造技術的發(fā)展。關鍵技術如采用壓電晶體噴油器代替原有的電磁閥進行控制。3.2其他控制策略柴油機高壓共軌噴射系統(tǒng)的研究方向為:a.新型智能型傳感器的研制,更高精度和響應速度的傳感器的生產和應用。b.新型電磁閥的研究。未來的電磁閥要求有更快的響應能力、工作精確性、重復、可靠性以及良好的流通能力。如采用壓電陶瓷驅動器研制高響應電磁閥。c.共軌燃油壓力波動的控制和計算的研究,持續(xù)恒壓反饋控制的進一步深入研究和完善。d.最佳控制策略的研究,即多次