船舶高壓共軌電控技術(shù)的研究

柴油機(jī)在動(dòng)力機(jī)械中是熱效率最高的機(jī)械，具有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)型和耐久性。相比于汽油機(jī)而言，單位功率的重量低，采用廢氣渦輪增壓提高增壓度，并且沒(méi)有點(diǎn)火系統(tǒng)，所以具有故障率低，保養(yǎng)容易，可靠性高，溫室氣體CO?的排放要比同樣的汽油機(jī)低30%以上等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用到各種動(dòng)力裝置中。但是柴油機(jī)在燃燒過(guò)程中，排放的氣體中含有有害排放物NOx，微粒和較大的噪聲及振動(dòng)，又從而限制了柴油機(jī)的推廣。因此，對(duì)柴油機(jī)工作性能的追求促使了柴油機(jī)高壓共軌電控技術(shù)的出現(xiàn)，電控技術(shù)能夠精準(zhǔn)控制影響燃燒過(guò)程的諸多因素，并以其控制精度高、響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了人們的預(yù)定控制意圖。該技術(shù)的應(yīng)用，提高了柴油機(jī)的性能，滿足了人們希望具有方便靈活、可智能化控制設(shè)備的需求。我們知道，柴油機(jī)在工作過(guò)程中，當(dāng)燃燒溫度足夠并且燃料和空氣充分混合時(shí),才能夠完全燃燒，但在其燃燒過(guò)程中會(huì)有大量的氮氧化物排放到空氣中。換句話說(shuō)，燃料燃燒越充分，輸出功率越大，則排放到空氣中的氮氧化物也會(huì)更多。相反，如果降低燃燒溫度,那么輸出功率與燃燒效率都會(huì)相應(yīng)地減少。因此,為了減少氮氧化物的排放，通過(guò)使用高壓共軌電控技術(shù)控制噴油量和噴油時(shí)間，讓柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)均衡燃燒，從而在保持性能的同時(shí)降低氮氧化物的排放。一、高壓共軌電控系統(tǒng)的組成及原理柴油機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)主要由低壓模塊、高壓模塊、和電控模塊三大部分組成。低壓模塊為供油系統(tǒng)，高壓模塊由高壓油泵、油軌（高壓蓄能器）、噴油器和油管組成，電子控制系統(tǒng)由傳感器，電子控制單元和執(zhí)行器組成。高壓共軌電控系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，該方法將注入壓力和注入過(guò)程完全分離，通過(guò)低壓油泵將燃油泵出，然后在低壓油泵內(nèi)電磁閥的控制下，過(guò)濾并泵入高壓油泵。之后裝配在共軌軌道上的壓力傳感器將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的燃油壓力反饋到ECU(電子控制單元)，根據(jù)所反饋的壓力值，ECU(電子控制單元）將計(jì)算最佳的噴油量，并將信號(hào)發(fā)送給油泵來(lái)控制出油量。為了滿足工作條件的需求，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)共軌軌道內(nèi)壓力來(lái)控制噴油壓力，注油壓力從200bar~1800bar不等，在這個(gè)過(guò)程中，共軌系統(tǒng)不僅保持了燃油壓力，而且消除了壓力波動(dòng)，并始終保持最佳燃油噴射。在常規(guī)噴油泵的作用下，噴油壓力會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量的變化而進(jìn)行變化。在傳統(tǒng)的噴油泵中，由于噴射壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，所以在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)很難提高噴射壓力。由于這個(gè)原因，傳統(tǒng)的噴油泵是用直徑較小的噴油嘴來(lái)進(jìn)行噴油。更重要的是，在高壓油管中的壓力波動(dòng)也可能引起高壓油管中壓力升高而再次進(jìn)行噴射，這就是所謂的二次噴射。由于二次噴射的燃油不能燃燒完全，炭黑和油氣的排放將大幅增加，這將使碳顆粒更容易沉積在筒壁，增加燃油的成本，如果二次噴油異常嚴(yán)重，不僅會(huì)造成噴油不均勻，還會(huì)引起間歇噴射故障的現(xiàn)象。而共軌技術(shù)的出現(xiàn)則完美的解決了該問(wèn)題，高壓共軌系統(tǒng)可靈活控制噴射壓力,不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響,無(wú)論運(yùn)行情況如何，均可以實(shí)現(xiàn)高效燃燒，清潔排氣。二、國(guó)內(nèi)高壓共軌系統(tǒng)的發(fā)展高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)在柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)下提高了噴射壓力，其壓力可達(dá)到180MPa，針型閥達(dá)到1.3m/s的速度，并使它控制的精度達(dá)到1mm，開環(huán)控制系統(tǒng)的控制策略是基于經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論中而產(chǎn)生的，該策略在閉環(huán)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前由天津大學(xué)開發(fā)的FRICRI高壓共軌系統(tǒng)，正在仿真和實(shí)際測(cè)試的階段，上海交通大學(xué)研制的GD-1高壓共軌系統(tǒng)也在準(zhǔn)備階段，還有其他大學(xué)也在開發(fā)自己的高壓共軌系統(tǒng)。在控制策略中，經(jīng)典的PID控制是目前在中國(guó)最常用的控制手段，這種策略簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定，但是還存在著不同的工作條件下需重新進(jìn)行調(diào)節(jié)、不能在線調(diào)節(jié)等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)高壓共軌噴射系統(tǒng)的研究還處于初始起步階段，為了提高我國(guó)企業(yè)的自主研發(fā)能力以及核心競(jìng)爭(zhēng)力，我們應(yīng)該重視如何制造電子噴油器、液壓控制閥、噴油嘴、高速執(zhí)行器等零配件并且還應(yīng)重視ECU(電子控制單元)控制算法的研究，以及具有相應(yīng)功能硬件、軟件和指定技術(shù)，在制造和研發(fā)過(guò)程中必須重視裝備的穩(wěn)定性、安全性，還應(yīng)盡可能地降低成本。三、展望發(fā)動(dòng)機(jī)是船舶的心臟,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是提高船舶性能最重要的途徑，如何使發(fā)動(dòng)機(jī)更加穩(wěn)定、高效、靈活的運(yùn)行是我們要解決的首要問(wèn)題。柴油機(jī)的高壓共軌系統(tǒng)是改善燃燒和排放性能的最佳方式，在一定速度的條件下，最佳的注射壓力將建立在ECU計(jì)算精確的油量上，同時(shí)更有效率的發(fā)