浅谈柴油机高压共轨技术

　　一、高压共轨技术简介 
    我们先来了解下传统柴油发动机燃油喷射系统的局限性： 
　　传统柴油发动机燃油喷射系统的工作过程是：柴油通过高压油泵提高油压后，再按照一定的供油定时和供油量通过喷油器， 喷入气缸燃烧室。在燃油喷射过程中，由于压力波动，存在二次喷油现象。由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物的排放量， 油耗也增高。此外，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，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。  
　　随着发动机自动控制技术的发展和进步，为了解决柴油机燃油压力变化所造成的燃油喷射燃烧缺陷，现代柴油机采用了一种高压共轨电控燃油喷射技术，使柴油机的性能得到了全面提升。 
　　柴油机在机械喷射、增压喷射和普通电喷后,近几年来出现了共轨高压喷射。高压共轨（Common Rail)电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元（ECU)组成的闭环系统中,相比于一般的喷油系统,它的压力建立、喷射压力控制和喷油过程相互独立,并可以灵活地控制。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管（Rail),通过公共供油管内的油压实现精确控制,使高压油管压力（Pressure)大小与发动机的转速无关,可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度。 
　　另外，共轨喷油系统的高精度零部件的表面加工质量要求高，几何精度高，特殊要求多，其加工都是微米、亚纳米级的精度，代表了目前机械制造行业的最高加工水平。  
　　二、高压共轨系统的组成和工作原理   
　　2.1、高压共轨喷射系统组成 

　　高压共轨喷射系统主要由高压油泵、共轨管、电控喷油器、各种传感器和电控单元ECU等组成，如图1所示。发动机工作时，高压油泵上自带的齿轮泵通过负压从油箱中吸油，并以一定的压力（约5~7bar）将过滤后燃油送入高压油泵。燃油进入高压柱塞腔后被压缩，通过高压油管进入共轨管形成高压，每缸喷油器通过高压油管与共轨管相连，以实现高压喷射。 
　　2.1.1 高压油泵（High pressure pump） 
　　高压油泵是高压共轨系统中的关键部件之一，它的主要作用是将低压燃油加压成为高压燃油，储存在油轨内等待ECU的喷射指令。高压油泵由齿轮泵、油量计量单元、溢流阀、进出油阀和高压柱塞等部分组成。以Bosch目前广泛应用于中国商用车市场并已开始本地化生产的CPN2.2BL为例，其结构如图2所示[12]。

　　高压油泵供油量的设计准则是：
　　在整个寿命范围内和任何工况下都必须保证高压油泵的
　　供油量能满足发动机在一定轨压下的喷油量要求，即油量平衡。
　　CPN2.2BL采用2个直列柱塞设计，通过发动机凸轮轴驱动，传动比为1:2，与传统的机械泵类似，以便于欧II发动机升级。其润滑方式为机油润滑，润滑油路与发动机润滑油路直接相连。齿轮泵的任务是向高压油泵供给足够的低压燃油，安装在高压油泵泵体后端，依靠位于高压油泵凸轮轴末端的齿轮来驱动，它的转速是高压油泵2.85倍。当燃油进入高压部分后，一路经过油量计量单元进入高压柱塞腔，经压缩后进入油轨，同时多余的燃油通过溢油阀回到油箱中。油量计量单元的主要作用是调节进入高压柱塞腔的油量，以控制共轨管内的燃油压力的大小。
  　　2.1.2 高压共轨管（Common Rail）    
　　共轨管是电控高压共轨系统中所特有的零部件，主要包括高压接头、节流孔、轨压传感器和压力限制阀，如图3所示。共轨管的主要作用是蓄压和分配燃油，阻尼燃油压力波动同时还限制最高燃油压力，使之不超过安全限值。轨压传感器向ECU提供共轨管内的实时压力信号，做为轨压闭环控制的输入。油轨进出口处的节流孔设计可减小共轨管和高压油管中的压力波动。
　　压力限制阀是一个机械阀，当压力超过一定限值时即开启，以保证共轨管在出现压力异常时，将压力迅速释放从而确保系统安全。当压力限制阀打开后，它仍能将轨压维持在一个正常范围（如700~800Bar），让车辆在故障情况下仍能继续运行至维修站点，即跛行回家。

　　2.1.3 喷油器（Injector）  
　　喷油器是电控高压共轨系统中最关键和最复杂的部件，它的作用是根据ECU发出的电信号控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油时刻、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室内。喷油器主要由喷油器体、电磁阀、油嘴、针阀组件和弹簧等部分组成，图4所示为Bosch的第二代商用车喷油器CRIN2。在电磁阀不通电时，电枢将球阀紧紧压在阀座上，此时控制室和压力室内压力平衡，油嘴针阀被弹簧预紧力紧紧压在油嘴座面上不抬起，即喷油器不喷油；当电磁阀通电时，电磁阀通过吸力将电枢抬起，此时控制室内燃油经球阀量孔泄漏，控制室压力迅速下降，而压力室压力没有变化，从而油嘴针阀被抬起，即喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，油嘴针阀两端压力再次平衡，在弹簧预紧力的作用下油嘴针阀落座，从而关闭喷油器完成喷油过程。

　　2.2  高压共轨系统的工作原理 

　　通过较大容积的共轨管腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，以消除燃油中的压力波动，形成恒定的高压燃油，然后分送至每个喷油器，借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量。从而保证柴油机达到良好的燃油雾化、最佳的燃烧比，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。 
　　电控单元（ECU）控制喷油器的喷油量（喷油量大小则取决于燃油轨、公共供油管）、压力和电磁阀开启时间的长短。ECU的基本控制功能是将一定量的柴油在适当的时刻以设定的压力喷入燃烧室，以保证柴油机高动力、低油耗、低排放及低噪声。  
　　三、柴油机电控燃油喷射的发展历程 
　　柴油发动机的电子化燃油喷射管理，起始于20世纪70年代，柴油机电控燃油喷射技术的发展历程大致经历了以下三代： 
　　第一代：位置式电控系统。采用电子伺服机构（如线性螺线管、线性直流电机）代替机械调速器控制供油齿杆位置（直列泵）或控制溢油环的位置（分配泵）实现喷油量的控制，由ECU（电子控制单元）控制的电液执行机构改变发动机驱动轴与喷油泵凸轮轴之间的相位或控制提前器活塞的移动，实施喷油时间的控制。第一代共轨高压泵总是保持在最高压力,导致燃油的浪费和很高的燃油温度。 
　　第二代：时间式电控系统。其结构特点是供油仍维持传统的脉冲式柱塞泵供油方式，即燃油升压是通过喷油泵或发动机的凸轮来实现的，但喷油定时（升压开始的时间）和喷油量（从升压开始到升压终了的时间段的喷油量）， 由ECU调节高速电磁阀开闭时刻决定。 由于采用了高速电磁阀, 其控制精度较第一代有了较大提高。预喷射降低了发动机噪声:在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了气缸压燃,预热燃烧室。预热后的气缸使主喷射后的压燃更加容易,缸内的压力和温度不再是突然地增加,有利于降低燃烧噪音。 
　　第三代：时间—压力控制系统，也称为高压共轨电控燃油喷射系统，带有压电直列式喷油器。它是20世纪90年代中期研制出的全新电控燃油喷射系统，其完全摆脱了传统喷油泵、分缸燃油供油方式，通过共轨蓄压和高速电磁阀执行机构的电控喷油器，实现喷油压力、时间、喷油量和各种复杂喷油特性的综合控制，与第一、二代电控燃油喷射系统比较，更具有其明显的优越性。 
　　现已逐渐产生第四代柴油机共轨电控系统。柴油机第四代共轨电控系统是在第三代共轨系统技术基础上，实现对喷油压力、喷油量、喷油时间及喷油率等喷油参数进行自由地控制，使燃油系的工作与发动机整机运转状况达到最佳匹配，具备废气再循环（ EGR）、增压控制、怠速控制、巡航控制等各种附加功能的综合控制，拓展了还未被别人在柴油机电控系统中采用的“改变排量”节能技术，和“急刹车误踩油门安全防范”的尖端技术，并集成了“改变排量”、“HCCI”、“低温等离子尾气净化”三大节能减排高端技术。 从理论上估算，其节油率可再提高近30%，尾气污染物排放可达到或超过欧IV标准。  
　　四、高压共轨系统的优点与不足   
　　4.1 高压共轨系统的优点 
　　共轨柴油喷射系统与之前以凸轮驱动的柴油喷射系统不同,它将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开,使高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能,其优点大概可概括为以下四点: 
　　4.1.1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。 
　　4.1.2可独立地柔性控制喷油正时,配合高的喷射压力（120~200MPa),可同时控制NOx和微粒、PM2.5在较小的数值内,以满足排放要求。 
　　4.1.3柔性控制喷油速率变化,实现理想喷油规律,容易实现预喷射和多次喷射,既可降低柴油机NOx,又能保证优良的动力性和经济性。  
　　五、国内外高压共轨技术的研究   
　　1、国内高压共轨技术的研究现状 
　　国内对电控高压共轨燃油喷射系统的研究起步较晚，且大都局限在电控单元硬件等方面的研究上，只有部分大学、企业以及科研单位参与共轨系统零部件的研制工作。目前尚未开发出成熟的柴油机电控燃油喷射系统，距离产品化还有很长的一段路要走。以下是国内在柴油机电控燃油喷射系统方面的研究成果：1）清华大学研究开发的电控直列泵-管-阀-嘴(PPVI)系统，己研制出相应的高性能电磁阀。2）天津大学内燃机燃烧学国家重点试验室开发的新型共轨蓄压式电控燃油系统PAIRCUI正处于硬件在环仿真和实机测试阶段。3）浙江大学在锡柴CA6110发动机上进行了高压共轨系统匹配试验。4）上海交通大学基于自主开发GD-1型高压共轨系统处于匹配玉柴YC6110柴油机的准备阶段。5）广西玉林柴油机厂与清华大学合作开发了GDI型柴油机高压共轨喷射系统。6）无锡油泵油嘴研究所与无锡柴油机厂合作，已成功的在CA6110增压中冷柴油机进行了共轨式喷射系统的试验。7）无锡威孚集团与博世公司已经联合组建了无锡Bosch汽车柴油机系统股份有限公司，开始了高压共轨系统的生产。 
　　2、国外高压共轨技术的发展现状 
　　到目前为止,各国已研制并生产各种柴油机电子控制系统,有力的缓解了当前的世界性能源危机和汽车污染。一些汽车工业发达国家的柴油机电控技术水平目前已相当发达。 
    目前欧美国家中100％重型车、90% 轻型车采用柴油机,欧洲的柴油轿车在轿车保有量中比例超过40%,新车产量比例超过50%。博世公司对中国市场的保守预测是,到2015年,柴油车所占比例能达到 25％,而同样到2015年据有些文章介绍在美国轻型车辆和轿车领域,柴油车的市场份额将提高到大约 15%。 
　　3、高压共轨技术的研究方向和待解决的问题 
　　共轨技术的研究与开发热点如下：1）燃油喷射系统的数值模拟技术。通过仿真软件建立电控高压共轨燃油系统的数值模型，分析燃油的喷射过程及系统参数对燃油喷射特性的影响，为燃油系统的优化设计、故障分析提供理论依据。降低产品开发成本，缩短开发周期。2）解决共轨压力的微小波动造成的喷油量不均匀问题。高压共轨系统的动态压力稳定性直接影响系统理想喷油规律的实现。3）新型电磁阀的研究。未来的电磁阀要求有更快的响应能力、工作精确性、重复、可靠性以及良好的流通能力。如采用压电陶瓷驱动器研制高响应电磁阀。4）传感器技术。随着喷射压力的不断提高，要求有更高精度和响应速度的新型智能传感器。5）最佳控制策略的研究。多次喷射的控制技术以及通过控制压力调节喷油规律。 
　　综合分析国内外对柴油机电控燃油喷射系统的研究历史和现状。电控高压共轨系统具有很大的发展空间。主要是进一步挖掘电控的灵活多样性和共轨系统压力。时间控制原理的潜力。 以获得理想喷油规律（图5）重点在于提高喷射压力和改善喷油速率控制的柔性度。主要的技术措施是多级压力控制和多次喷射。