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柴油机高压共轨喷油系统的现状及发展陈 然摘要：随着排放法规的日益严格和柴油机电控技术的不断进步，高压共轨喷油系统作为一种高度柔性控制的燃油喷射系统，以其显著的优越性，已经成为现代柴油机技术的主要发展方向之一。 本文介绍了电控高压共轨喷油系统的组成、工作原理和特点，概括了国内外的研究状况，最后提出了未来的研究目标和发展趋势。关键词：柴油机；喷射系统；高压共轨；发展趋势能源危机和环境污染问题以及世界各国日益严格的排放法规促使人们进一步改善柴油机的燃烧过程，而影响燃烧过程的关键是燃油喷射系统的性能。电控高压共轨喷油系统通过各种传感器检测出发动机的实际运行状况，由计算机计算和处理，可以精确、柔性地控制柴油机喷油量、喷油定时和喷射压力，与传统的喷射技术相比，进一步降低了燃油消耗和排放，增强了动力性能，实现了柴油机综合性能的又一次飞跃。柴油机高压共轨系统在整个内燃机行业被公认为20世纪三大突破之一[1]，是21世纪柴油喷射系统的主流。电控高压喷油系统的原理和结构与前两代喷油系统相比,电控共轨燃油喷射系统克服了燃油压力受柴油机转速的影响,不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理,而采用了公共控制油道——共轨管,高压油泵只是向公共油道供油以保持所需的共轨压力,通过连续调节共轨压力来控制喷射压力,使其达到与工况相适应的最优数值,而且还使得喷油压力和喷油速率的控制成为可能,且系统的控制自由度及精度得到了大幅度提高。高压共轨喷油系统的结构见图1,为典型的电控高压共轨喷射系统,主要由高压泵、带调压阀的共轨管、带电磁阀的喷油器、各种传感器和电控单元(ECU)组成。图1 高压共轨喷射系统结构2 国外主要的高压共轨喷射系统目前,国外在柴油机电控共轨喷射系统方面的研究进展很快,并有多种共轨喷射系统设计并投产。德国Bosch公司、意大利菲亚特集团、英国LUCAS、日本电装公司、美国德尔福公司等世界著名油泵油嘴制造商相继开发了高压共轨系统。2.1 德国Bosch公司的高压共轨系统目前为止,Bosch公司总共规划和设计了3代高压共轨系统。如图2所示为Bosch公司的高压共轨喷射系统。第一代已经上世纪批量投放市场,主要应用于轿车,喷射压力达135MPa。第二代于2000年开始批量生产,开始使用具有油量调节功能的高压泵和经改进的电磁阀喷油器,喷射循环由预喷射、主喷射和多级喷射等多次喷射组成,最大系统压力提高至160MPa,采用降噪新技术,主要适用于功率在55 kW/L以下的发动机[2]。图2 Bosch公司的高压共轨喷射系统Bosch公司第三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。高压油泵前端的齿轮泵将燃油从油箱抽出,通过滤清器送入具有泵油量调节功能的高压油泵升压,分配单元将进入的燃油分成两路:一路供给泵油元件,另一路用以冷却。高压油泵将燃油压缩至最高压力160MPa,并将其输入共轨。共轨上安装的压力传感器、压力调节器和电控装置形成闭环的压力控制回路。高压燃油经油轨到喷油器。第三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,压电执行器内置于喷油器轴体上,相比于传统喷油器减少了约75%的运动件及75%的质量,开关速度也得到很大提高。图3为压电式喷油器。图3 压电式喷油器高强度模块式激光焊接油轨为一铸造管,是连接高压油泵和喷油器的桥梁,也是一个蓄压器,见图4。图4 激光焊接油轨共轨中压力波动是设计所要考虑的重要参数,为使共轨压力波动和启动油压的建立几乎不受喷油器、高压油泵和调节阀工作的影响,共轨的长度、内径和容积应有一合理的数值。为使其最佳化,Bosch在设计阶段运用AMESIM程序进行了模拟计算。与迄今最好的电磁或压电控制的喷油系统相比,Bosch第三代高压共轨喷射系统排放物控制效果和燃油的计量精度有明显的提高[3]。Bosch公司第四代高压共轨喷射系统将会采用必威体育精装版研制的同轴可变喷嘴及压力扩大器技术,最高喷射压力将会超过200MPa。2.3 美国德尔福公司的Multec DCR系统德尔福最具代表性的就是先进的Multec DCR柴油共轨喷射系统。Multec DCR柴油共轨喷射系统的主要部件有共用高压油轨、高压燃油调压器、高压燃油泵、燃油喷油器、电控单元、燃油滤清器和传感器等,如图5所示。图5 德尔福公司的Multec DCR-1400跟其他的尖端高压喷射系统一样,Multec DCR柴油共轨喷射系统的喷射压力与发动机转速和负荷无关,即使在低速运行时,系统仍可保持足够压力的高压燃油喷射。可实现多次喷射,相比之下,其喷油器的设计更加独特。Multec DCR主要采用了带有平衡控制和反馈控制策略的电控电磁阀结构的电液式喷油器[4],它能提供极快的动作响应并精确地进行燃油流量的计量。这种响应迅速、结构紧凑、小巧玲珑的电磁阀控制的喷油器只