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现代柴油机喷射系统

现代柴油机喷射系统 2011年12月03日 来源： 传统柴油机内可燃混合气形成时间很短，而且可燃混合气七形成与燃烧过程交错在一起。通过分析柴油机喷油规律得到：喷入燃料的雾化质量、汽缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程的进展以及有害排放物的生成。依靠传统的机械控制喷油系统难以实现喷油量、喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转的要求，也不可能满足国际上日益严格的排放控制标准。1 柴油机电子控制技术使命电控技术的高速发展为柴油发动机获得更好的动力性能、排放指标与燃油经济性提供了可能，电喷柴油机和电喷汽油机一样有着相同的使命，那就是要满足日趋严格的排放要求，更加节能、高效、实用。电子控制技术的汽油机尽量实现最佳空燃比、最佳点火提前角；同样，柴油机也需要最佳喷油量、最佳喷射正时以及最佳喷射压力控制。1.1 最佳喷油量的控制在柴油机中，喷油量是通过控制喷油时间来调节输出油量的大小，ECU根据发动机的转速和加速踏板位置传感器信息来计算出基本喷油量，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。而柴油机冷启动性能和减少颗粒排放是通过预喷射控制来提高，但不同工况预喷射量、预喷射与主喷射之间的时间间隔也不一样，所以需要可变的预喷射能力。另外，怠速工况的小油量在高的喷射压力下需要有快速断油能力，否则就会使油量增加或油压降低。1.2 最佳喷射正时的控制最佳喷油提前角受发动机转速、负荷、冷却液温度、燃油温度、进气温度及压力等多种因素的影响。喷射正时与否将影响活塞到达汽缸上止点前喷入的油量，从而影响汽缸内压力峰值时刻，不在最佳时刻做功本质就是伤害柴油的效能。高的汽缸压力和温度改善了燃油使用经济性，但也会导致NOx形成机理复杂，普遍认为，燃烧气体的温度和氧的体积数，以及其停留在高温高压下的时间是影响增加NOx生成的原因）。柴油机电控系统应能在不同的工况及工作条件下精确地控制喷油提前角，并始终保持在最佳值，以降低燃油消耗和减少排放污染，即在达到排放标准同时选择最具有经济的燃油消耗率的喷射正时是最佳的喷射正时。1.3 最佳喷射压力的控制传统柴油机的供油系统的喷射压力与柴油机的转速负荷有关，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。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，尤其在低转速或部分负荷条件下容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。这种特性对燃油经济性和排放极为不利。若供油系统具有不依赖转速和负荷的喷射压力控制能力，就可选择最合适的喷射压力使喷射持续期、着火延迟期最佳，使柴油机在各种工况下的废气排放最低而经济性最优，这种最佳的喷射压力控方式就是独立的喷射压力控制。2 现代柴油机喷射技术2.1 现代柴油机技术发展状况柴油轿车已有了近70年的历史，现代柴油机技术却只有十几年的历史。受世界范围内对内燃机动力性能、燃油经济性能、排放要求的提高，以及电控燃油系统的发展，20世纪80年代以来，德国博世公司、奔驰汽车公司、英国卢卡斯公司、美国康明斯公司等都竞相开发新产品并投放市场，以满足需求。先后出现电控喷油泵技术、电控泵喷嘴技术和共轨喷射电控燃油系统，共轨系统相对于其它燃油喷射系统具有极大的优越性。这类电控系统又可分为：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，其中高压共轨式电控燃油喷射系统又最具有优越性。虽然如此该型燃油系统也有不足之处，如整个系统始终处于高压燃油作用之下；各系统易产生变形和漏泄；共轨压力的微小波动仍能造成喷油量欠佳问题；由于油轨压力固定难以实现最佳的喷油规律，较困难、复杂的喷射系统软件优化问题等。但瑕不掩瑜，高压共轨系统以优越的综合性能被认为是20世纪内燃机技术的3大突破之一。2.2 高压共轨系统的优点高压共轨式电控柴油机是集成先进的机械与电控技术为一体的内燃机，其显著优点如下。a.采用先进的电子控制装置，使得喷油过程的控制十分方便，并且可控参数多，利于柴油机燃烧过程的全程优化；电子控制的压电式执行器开关阀频率高，实现了快速断油能力，其控制精度非常高；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。b.采用高压共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油器间相互影响小，压力大小与发动机的转速无关，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确，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。c.电控高压共轨结合优化了柴油机喷油规律（接近理想喷油规律），可柔性控制喷油速率变化，容易实现预喷射和多次喷射，并可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力，可同时控制氮氧化物和微粒在较小的数值内，以满足排放要求，又能保证优良的动力性和经济性。d.高压共轨电控燃油喷射技术的应用有利于地球环境保护，它与目前的小型、中型及重型柴油机均能很好匹配，提高了柴油机相关的所有工业的发展速度，因而市场前景广阔，利于推广。2.3 高压共轨原理在汽车柴油机喷射过程中，高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。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。有时残余压力还会产生二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧，使得油耗增加同时还增加了烟度和碳氢化合物的排放量。残压的不同不仅会使得喷油不均匀，还会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机燃油压力变化原理的缺陷，现代柴油机广泛采用高压共轨（Common Rail）技术，即在高压油泵、压力传感器和电子控制单元（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。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管（Rail），直接形成恒定的高压燃油，借助于高速电磁开关阀或压电式执行器的启闭，定时定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，使高压油管压力（Pressure）大小与发动机的转速无关，大大减小柴油机供油压力随发动机转速变化波动的程度。2.3.1 第3代高压共轨电控燃油系统柴油共轨系统已开发了3代，它有着强大的技术潜力，第1代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致能量的浪费和很高的燃油温度。第2代可根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能。今天各制造商已经把目光定在了共轨系统第3代—压电式（piezo-electric）共轨系统。图1所示为Bosch公司第3代压电直接控制式喷油器。

压电式执行元件像一个在电压下立即就能充电的电容器，其关键元件是陶瓷压电薄膜，它在加上电压以后的0.lms以内就会发生晶体晶格的畸变。为了使执行器达到足够的位移（行程），必须将许多层陶瓷薄膜烧结成一块长方六面体。喷油器内30mm长的执行器由300多层薄膜组成，每层的厚度只有80μm。压电元件加上电压后会膨胀大约40μm，通过杠杆比为1：1.5的杠杆，使得控制腔回油通道中的阀开启。于是，控制腔内的压力下降，喷油嘴针阀开启。Bosch公司最新的共轨系统采用了电子控制的压电式执行器的开关频率，是电磁阀在比较精确的放电曲线设计下的5倍。因而压电执行器代替了电磁阀，喷射控制变得更加精准方便，喷油压力从20～200MPa，最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOx的排放。图2为V6柴油机采用Bosch公司的第3代共轨喷油系统布置图。

它主要由电控单元（ECU）、高压油泵、高压油轨1和2、电控喷油器以及各种传感器等组成。电动燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵中分配单元将进入的燃油分成两路：一路用以冷却传动机构和润滑轴承。一路供给泵油元件，高压油泵将燃油加压送入高压油轨（也称蓄压器），装在油轨上的油轨压力传感器采集实时压力，电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力信号以及需要进行调节高压油轨中的压力（控制集成在高压油泵上的分配单元进行燃油压力调节），而装在油轨上的压力调节阀则用于在汽车加速行驶时快速泄压，电控单元ECUIR据转速传感器和油门位置传感器的输人信号，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，作用于喷油器压电开关上的脉冲信号控制燃油的喷射过程，喷油量大小取决于共轨管（公共供油管）压力和压电式执行器的开关频率（脉冲信号决定这些频率）。注：Bosch公司第3代共轨喷油系统在160MPa系统压力和无排气后处理的情况下用于重型汽车时，排放值可达到欧4排放标准。Bosch公司第3代共轨喷油系统可降低柴油机废气排放高达20%，此外还能提高功率5%，或降低燃油耗3%，或降低噪声3dB（A）。第3代高压共轨喷射系统最大的特点在于采用了一个快速开关的压电直列喷油器，在取得巨大成功后，博世公司将第3代高压共轨喷射系统的开发重心转移到系统的技术复杂度和精密度上。2.3.2 第4代高压共轨系统展望若以喷油压力来给共轨技术分类，BOSCH公司第1代共轨系统的喷油1.3.5MPa，第2代达到160MPa，第3代已经达到180MPa，第4代将增大到220MPa的喷油压力。因为泵喷嘴和泵管嘴系统205MPa的喷油压力收到了良好的效果。2003年底，博世最新的柴油喷射系统装在了大众途锐V1OTDI型车上。两个电子控制装置把燃油喷射压力调整到205MPa，在燃烧室内燃油产生极好的分散性，使燃烧效率非常高。2006年底，博世公司对第3代喷射压力达180MPa的共轨系统进行改进，并继续开发第4代共轨系统。开发第4代共轨系统的关键技术是开发同轴可变喷嘴和增压技术。同轴可变喷嘴在喷口的尺寸、位置、直径和形状上不同于普通的喷射器，在大部分速度和负荷的工作范围内，采用同轴可变喷嘴可以省去预喷射过程，使微粒排放明显降低。2007年开始已将应用该技术并投入批量生产，博世公司第4代燃油共轨系统中采用的增压技术将在2008年开始使用，采用这种技术后，油泵在导轨内产生的压力比较低，一旦进人到喷射器内，喷射压力经过液压增压，提高到220MPa以上。喷射压力高表明采用小孔喷嘴可获得良好的燃油喷雾特性，使空气混合得更充分，燃烧效率更高。目前Bosch公司共轨系统已达到第4代，而其竞争对手才达到第3代，而且在世界柴油喷射系统市场占据了绝对领先的地位。(end)

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