柴油机中压共轨液力增压式电控燃油喷射系统的研究

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号，开启或关闭电磁阀而使油压单元动作。其信号是随柴油机的转速、负荷和工作油的压力及温度的不同而发生变化。从而实现了发动机性能在全工况范围内的优化。

共轨系统在国外已经进行过大量的研究，伴随着微电脑技术的飞速发展及其在内燃机行业内的应用，以及由于一直以来对低燃油消耗率的追求和日益严格的排放法规的要求，共轨系统也开始由结构简单的、调节范围有限的共轨系统，向精确的、多自由度的、全柔性控制的、智能型共轨系统发展。

目前，国外柴油机的共轨燃油喷射技术已经较为成熟，而且已经在一些产品上应用，但是由于对我国进行技术封锁，我国无法单独购买到电控柴油机燃油喷射系统相关配件，也很难得到有关技术参数。柴油机共轨可变气门技术也即将遇到同样的问题。国外已经有产品上市，而国内相关技术的研究工作尚未起步。这势必造成柴油机行业的长期落后，失去竞争力。因此，我们迫切需要掌握有关柴油机共轨喷油、配气综合系统的技术及其工作机理。１．３现代化柴油机对燃油喷射系统的要求

为满足对柴油机经济性、可靠性和日趋严格的排放法规要求。未来的柴油机燃油喷射系统将具备如下特征”１：

１）较高的、灵活可调的平均有效喷射压力Ｐ。；

２）低的初期喷油速率或预喷射功能；

３）快速停油功能；

４）灵活的喷油定时控制；

５）完善的柴油机电控功能。

灵活可调的Ｐ。喷油规律可控及喷油定时的灵活控制能使燃油喷射过程在所有工况范围内满足燃烧的需求。

１．３．１高压喷射

从碳烟和ＮＯｘ生成机理来看，碳烟排放和ＮＯｘ排放存在着相互制约的关系，要实现两者同时降低是有困难的。而采用高压喷射，可以促使喷雾液滴更加细化，提高燃油与空气的混合质量，使燃料得以充分燃烧，从而提高

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燃油经济性，抑制了碳烟的形成。同时，，喷射压力的提高，可大大缩短喷油时间和着火延迟期，如果采用减少先期着火时喷入的燃油量，再与推迟喷油正时相结合，就能缩短滞燃期和燃烧时间，从而抑制ＮＯｘ的生成。因此，提高喷油压力是同时降低碳烟和Ｎ０。排放的行之有效的技术之一。

研究得知：喷射压力在１００～１５叫铲。时，柴油机可达热效率的最高值（约４８％），喷雾粒径达到最小，此时的碳烟排放也最小“”…１；喷射压力超过１５０ＭＰ。时，单位油滴表面积的增加较为缓慢，再通过提高喷油压力来改善混合气形成的质量很困难”“。但是，最前采用的直列泵一喷嘴系统或一体式泵一喷嘴系统是随着发动机凸轮轴的旋转而对燃油进行瞬时压缩、喷射的所谓冲击式喷油系统，其产生的最高喷射压力必然与发动机的转速相对应，即喷射压力对转速有依存性。其缺点是，在发动机低速区难以获得足够的喷射压力。另外，对柴油机而言，也并不是只要求进行高压喷射，在极低负荷时（如空转时），为了达到降低噪音等目的，要求进行低压喷射。也就是说，对喷射压力

的要求是，能达到柱

斌

嚣

需

越

化１００～１５０脚。的最高压力喷射，同时还具有能随发动

机负荷和转速的

改变而进行最佳

喷射压力控制的

自由度。这样的功

能只有采用电控

喷油才能达到。发动机转速图１—１各运行条件最佳喷油率波形

１．３．２喷油速率的柔性控制

所谓喷油速率，就是随时间而变化的喷油量，即单位时间的喷油量。实现喷油速率最佳化对降低ＮＯｘ排放和噪声有重要作用。就喷油率模式而言，在从开始喷射到着火这一段时间内所喷射的燃油量即初始燃油喷射率就得控制得很小，这样才能缓和初期燃烧，达到减少ＮＯｘ生成、降低噪声的目４

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的。即要求能实现三角形喷射及预喷射，为了避免预喷射对碳烟排放的不利影响，采用小喷孔、精确控制预喷射量及预喷射相位是十分关键的：在喷油中期采用较高的喷油速率以控制微粒的排放；在喷油结束期，要做到在高压下一下子喷出必要的燃油量并快速中止喷射，即快速断油，这对于改善烟度和减少Ｈｃ的排放，降低油耗都是重要的。图１—１为各运行工况下最佳喷油率波形的一个实例““。

１．３．３独立的喷油正时控制

众所周知，喷射正时直接影响到在柴油机上止点前喷入气缸的油量，因而就决定了气缸的最高爆发压力和最高燃烧温度。通常，喷油提前，燃油在较低的温度和压力下喷入气缸，着火延迟期延长，预混合燃烧的比例增加，导致燃烧温度升高和ＮＯｘ的增加；但燃烧过程提前结束，有利于提高燃油经济性和降低碳烟颗粒排放。喷油推迟，一方面会降低初始放热率和最高燃烧温度，从而降低ＮＯｘ的排放。另一方面，喷油推迟会导致燃烧过程的推迟，降低了最高爆发压力，使经济性变坏，并产生后燃，使排温升高，功率下降。对于每一组负荷和转速，都存在着一个使柴油机某些性能指标（燃油经济性、ＮＯｘ和碳烟排放等）最佳的喷油提前角（喷油正时）。因此，具有不依赖与转速和负荷的喷油正时控制能力，是在燃油经济性和排放之间实现最佳组合的关键措施。

１．４柴油机电控燃油喷射系统的发展

柴油机电控燃油喷射系统从发明到如今近３０年的发展历程中，世界上有许多研究机构和公司的研究部门都在致力于该系统的研制，所以现在的燃油喷射系统是结构上五花八门，功能上是各有千秋。但总体上我们还是按燃油喷射系统的工作原理和控制方法将它划分为以下三代。

１．４．１第一代电控燃油喷射系统

第一代电控燃油喷射系统基本上不改变传统的机械式供油和喷射系统５

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它保留了传统的泵一管一嘴系统及喷油泵的齿条、滑套、柱塞上的控制斜槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条和滑套的运动位置给予电子控制，所以也称之为“位置控制式”电控燃油喷射系统。

目前该类系统的成熟产品主要有在直列喷油泵上实施位置控制的美国Ｃａｔｅｒｐｉｌｌａｒ的ＰＥＥＣ系统、德国Ｂｏｓｃｈ公司的ＥＤＲ系统、日本Ｚｅｘｅｌ公司的ＣＯＰＰＥＣ系统和可变预行程ＴＩＣＳ系统、日本电装（Ｎｉｐｐｉｎｄｅｎｓｏ）公司的ＥＣＤ．Ｐ２系统等：以及在分配泵上实施位置控制的日本电装公司的ＥＣＤ—Ｖ１系统、同本Ｚｅｘｅｌ公司的ＣＯＶＥＣ系统，德国Ｂｏｓｃｈ公司的ＥＤＣ系统、英国Ｌｕｃａｓ公司的ＥＰＩＣ系统、美国ＳＴａｎａｄｙｎｅ公司的ＰＣＦ系统和美国ＡＭＢＡＣ公司的电控１００型分配泵系统等等。

这些系统因为在现有柴油机上改动较少，继承性好，而且作为执行器的电磁阀和旋转电磁铁等技术容易过关，所以为柴油机生产企业和用户接受，是目前国外商品化程度最高的产品。但是由于燃油泵输送和计量机构基本不变，喷油系统参数受柴油机转速影响大，很难实现喷油规律控制，凸轮机构、柱塞套的应力和变形限制了喷油压力的提高。

１．４．２第二代电控燃油喷射系统

第二电控燃油喷射系统改变了第一代电控燃油喷射系统的工作原理和结构，通过高速电磁阀在电子控制单元驱动下对喷油量、喷油正时、喷油速率进行控制。其泵油机构和控制机构是完全分开的，而且燃油的计量是由喷油器的开启时问长短和喷油压力的大小决定的。由于高速电磁阀是以时间为基础工作的，所以称之为“时间控制式”电控燃油喷射系统。

目前应用比较广泛的时间控制式系统主要有在单体泵上实施时间控制的德国Ｂｏｓｃｈ公司的ＥＵＰｌ３型，以及在分配泵上实旌时间控制的日本Ｚｅｘｅｌ公司的Ｍｏｄｅｌ．１型系统、日本电装公司的ＥＣＯ．Ｖ３系统、德国Ｂｏｓｃｈ公司的ＶＰ４４系统和美国Ｓｔａｎａｄｙｎｅ公司的ＤＳ系统等等。

第二代电控燃油喷射系统有许多比纯机械式或第一代电控燃油喷射系统优越的地方，但它们的燃油喷射压力仍然与发动机的转速有关，喷射后残余压力不恒定。另外电磁阀的响应直接影响喷射特性，特别是在转速较高或瞬态转速变化很大的情况下尤为严重，而且电磁阀必须承受高压，因此对电６

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磁阀提出了很高的要求。

１．４．３第三代电控燃油喷射系统

第三代电控燃油喷射系统完全摆脱了传统的柱塞泵分缸脉动供油原理，并通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止，电磁阀起作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量，即采用的是压力／时间式燃油计量原理，所以也称之为“压力／时间控制式”或“共轨式”电控燃油喷射系统。与传统喷射系统相比，共轨式电控燃油喷射系统具有以下优点：

１）可以实现高压喷射，喷油压力比一般直列泵系统高出一倍，最高已达２００ＭＰ。；

２）喷油压力独立于发动机转速，可以改善发动机低速、低负荷的性能；３）可以实现预喷射和后喷射，自由调节喷油率形状，实现理想喷油规律：

４）喷油正时和喷油量可以自由选定；

５）消除了压力波动引起的异常喷射和高速大油量时过高的喷射压力引起的泵油机构损坏，具有良好的喷油特性，优化了燃烧过程，使发动机燃油耗、烟度、噪声和排放等综合指标得到明显改善，并有利于改进发动机扭矩特性；

６）结构简单，适用性强，可以在新老发动机上应用。

１．５国外共轨式电控燃油喷射系统的发展及动向

现在世界上共轨式电控燃油喷射系统种类繁多，但基本可分为两大类：中压共轨系统（即增压式共轨系统）和高压共轨系统。其中中压共轨系统又分为共轨蓄压式系统和共轨液压式系统，这两种系统喷油压力的形成原理是相同的（均为帕斯卡增压原理），只是所用的控制油和待喷燃油的压力源不同（共轨蓄压式系统的控制油和燃油均来自共轨管；共轨液压式系统的控制油来自共轨管，待喷燃油来自燃油输油泵）。７

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