淺談柴油機高壓共軌技術

　　一、高壓共軌技術簡介 
    我們先來了解下傳統柴油發動機燃油噴射系統的局限性： 
　　傳統柴油發動機燃油噴射系統的工作過程是：柴油通過高壓油泵提高油壓后，再按照一定的供油定時和供油量通過噴油器， 噴入氣缸燃燒室。在燃油噴射過程中，由于壓力波動，存在二次噴油現象。由于二次噴油不可能完全燃燒，于是增加了煙度和碳氫化合物的排放量， 油耗也增高。此外，每次噴射循環后高壓油管內的殘壓都會發生變化，隨之引起不穩定的噴射，尤其在低轉速區域容易產生上述現象，嚴重時不僅噴油不均勻，而且會發生間歇性不噴射現象。  
　　隨著發動機自動控制技術的發展和進步，為了解決柴油機燃油壓力變化所造成的燃油噴射燃燒缺陷，現代柴油機采用了一種高壓共軌電控燃油噴射技術，使柴油機的性能得到了全面提升。 
　　柴油機在機械噴射、增壓噴射和普通電噴后,近幾年來出現了共軌高壓噴射。高壓共軌（Common Rail)電噴技術是指在高壓油泵、壓力傳感器和電子控制單元（ECU)組成的閉環系統中,相比于一般的噴油系統,它的壓力建立、噴射壓力控制和噴油過程相互獨立,并可以靈活地控制。它是由高壓油泵將高壓燃油輸送到公共供油管（Rail),通過公共供油管內的油壓實現精確控制,使高壓油管壓力（Pressure)大小與發動機的轉速無關,可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發動機轉速變化的程度。 
　　另外，共軌噴油系統的高精度零部件的表面加工質量要求高，幾何精度高，特殊要求多，其加工都是微米、亞納米級的精度，代表了目前機械制造行業的最高加工水平。  
　　二、高壓共軌系統的組成和工作原理   
　　2.1、高壓共軌噴射系統組成 

　　高壓共軌噴射系統主要由高壓油泵、共軌管、電控噴油器、各種傳感器和電控單元ECU等組成，如圖1所示。發動機工作時，高壓油泵上自帶的齒輪泵通過負壓從油箱中吸油，并以一定的壓力（約5~7bar）將過濾后燃油送入高壓油泵。燃油進入高壓柱塞腔后被壓縮，通過高壓油管進入共軌管形成高壓，每缸噴油器通過高壓油管與共軌管相連，以實現高壓噴射。 
　　2.1.1 高壓油泵（High pressure pump） 
　　高壓油泵是高壓共軌系統中的關鍵部件之一，它的主要作用是將低壓燃油加壓成為高壓燃油，儲存在油軌內等待ECU的噴射指令。高壓油泵由齒輪泵、油量計量單元、溢流閥、進出油閥和高壓柱塞等部分組成。以Bosch目前廣泛應用于中國商用車市場并已開始本地化生產的CPN2.2BL為例，其結構如圖2所示[12]。

　　高壓油泵供油量的設計準則是：
　　在整個壽命范圍內和任何工況下都必須保證高壓油泵的
　　供油量能滿足發動機在一定軌壓下的噴油量要求，即油量平衡。
　　CPN2.2BL采用2個直列柱塞設計，通過發動機凸輪軸驅動，傳動比為1:2，與傳統的機械泵類似，以便于歐II發動機升級。其潤滑方式為機油潤滑，潤滑油路與發動機潤滑油路直接相連。齒輪泵的任務是向高壓油泵供給足夠的低壓燃油，安裝在高壓油泵泵體后端，依靠位于高壓油泵凸輪軸末端的齒輪來驅動，它的轉速是高壓油泵2.85倍。當燃油進入高壓部分后，一路經過油量計量單元進入高壓柱塞腔，經壓縮后進入油軌，同時多余的燃油通過溢油閥回到油箱中。油量計量單元的主要作用是調節進入高壓柱塞腔的油量，以控制共軌管內的燃油壓力的大小。
  　　2.1.2 高壓共軌管（Common Rail）    
　　共軌管是電控高壓共軌系統中所特有的零部件，主要包括高壓接頭、節流孔、軌壓傳感器和壓力限制閥，如圖3所示。共軌管的主要作用是蓄壓和分配燃油，阻尼燃油壓力波動同時還限制最高燃油壓力，使之不超過安全限值。軌壓傳感器向ECU提供共軌管內的實時壓力信號，做為軌壓閉環控制的輸入。油軌進出口處的節流孔設計可減小共軌管和高壓油管中的壓力波動。
　　壓力限制閥是一個機械閥，當壓力超過一定限值時即開啟，以保證共軌管在出現壓力異常時，將壓力迅速釋放從而確保系統安全。當壓力限制閥打開后，它仍能將軌壓維持在一個正常范圍（如700~800Bar），讓車輛在故障情況下仍能繼續運行至維修站點，即跛行回家。

　　2.1.3 噴油器（Injector）  
　　噴油器是電控高壓共軌系統中最關鍵和最復雜的部件，它的作用是根據ECU發出的電信號控制電磁閥的開啟和關閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油時刻、噴油量和噴油率噴入柴油機的燃燒室內。噴油器主要由噴油器體、電磁閥、油嘴、針閥組件和彈簧等部分組成，圖4所示為Bosch的第二代商用車噴油器CRIN2。在電磁閥不通電時，電樞將球閥緊緊壓在閥座上，此時控制室和壓力室內壓力平衡，油嘴針閥被彈簧預緊力緊緊壓在油嘴座面上不抬起，即噴油器不噴油；當電磁閥通電時，電磁閥通過吸力將電樞抬起，此時控制室內燃油經球閥量孔泄漏，控制室壓力迅速下降，而壓力室壓力沒有變化，從而油嘴針閥被抬起，即噴油器開始噴油；當電磁閥關閉時，控制室的壓力上升，油嘴針閥兩端壓力再次平衡，在彈簧預緊力的作用下油嘴針閥落座，從而關閉噴油器完成噴油過程。

　　2.2  高壓共軌系統的工作原理 

　　通過較大容積的共軌管腔將油泵輸出的高壓燃油蓄積起來，以消除燃油中的壓力波動，形成恒定的高壓燃油，然后分送至每個噴油器，借助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關閥的開啟與閉合，定時、定量地控制噴油器噴射至柴油機燃燒室的油量。從而保證柴油機達到良好的燃油霧化、最佳的燃燒比，以及最佳的點火時間、足夠的點火能量和最少的污染排放。 
　　電控單元（ECU）控制噴油器的噴油量（噴油量大小則取決于燃油軌、公共供油管）、壓力和電磁閥開啟時間的長短。ECU的基本控制功能是將一定量的柴油在適當的時刻以設定的壓力噴入燃燒室，以保證柴油機高動力、低油耗、低排放及低噪聲。  
　　三、柴油機電控燃油噴射的發展歷程 
　　柴油發動機的電子化燃油噴射管理，起始于20世紀70年代，柴油機電控燃油噴射技術的發展歷程大致經歷了以下三代： 
　　第一代：位置式電控系統。采用電子伺服機構（如線性螺線管、線性直流電機）代替機械調速器控制供油齒桿位置（直列泵）或控制溢油環的位置（分配泵）實現噴油量的控制，由ECU（電子控制單元）控制的電液執行機構改變發動機驅動軸與噴油泵凸輪軸之間的相位或控制提前器活塞的移動，實施噴油時間的控制。第一代共軌高壓泵總是保持在最高壓力,導致燃油的浪費和很高的燃油溫度。 
　　第二代：時間式電控系統。其結構特點是供油仍維持傳統的脈沖式柱塞泵供油方式，即燃油升壓是通過噴油泵或發動機的凸輪來實現的，但噴油定時（升壓開始的時間）和噴油量（從升壓開始到升壓終了的時間段的噴油量）， 由ECU調節高速電磁閥開閉時刻決定。 由于采用了高速電磁閥, 其控制精度較第一代有了較大提高。預噴射降低了發動機噪聲:在主噴射之前百萬分之一秒內少量的燃油被噴進了氣缸壓燃,預熱燃燒室。預熱后的氣缸使主噴射后的壓燃更加容易,缸內的壓力和溫度不再是突然地增加,有利于降低燃燒噪音。 
　　第三代：時間—壓力控制系統，也稱為高壓共軌電控燃油噴射系統，帶有壓電直列式噴油器。它是20世紀90年代中期研制出的全新電控燃油噴射系統，其完全擺脫了傳統噴油泵、分缸燃油供油方式，通過共軌蓄壓和高速電磁閥執行機構的電控噴油器，實現噴油壓力、時間、噴油量和各種復雜噴油特性的綜合控制，與第一、二代電控燃油噴射系統比較，更具有其明顯的優越性。 
　　現已逐漸產生第四代柴油機共軌電控系統。柴油機第四代共軌電控系統是在第三代共軌系統技術基礎上，實現對噴油壓力、噴油量、噴油時間及噴油率等噴油參數進行自由地控制，使燃油系的工作與發動機整機運轉狀況達到最佳匹配，具備廢氣再循環（ EGR）、增壓控制、怠速控制、巡航控制等各種附加功能的綜合控制，拓展了還未被別人在柴油機電控系統中采用的“改變排量”節能技術，和“急剎車誤踩油門安全防范”的尖端技術，并集成了“改變排量”、“HCCI”、“低溫等離子尾氣凈化”三大節能減排高端技術。 從理論上估算，其節油率可再提高近30%，尾氣污染物排放可達到或超過歐IV標準。  
　　四、高壓共軌系統的優點與不足   
　　4.1 高壓共軌系統的優點 
　　共軌柴油噴射系統與之前以凸輪驅動的柴油噴射系統不同,它將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開,使高壓共軌系統可實現在傳統噴油系統中無法實現的功能,其優點大概可概括為以下四點: 
　　4.1.1共軌系統中的噴油壓力柔性可調,對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力,從而優化柴油機綜合性能。 
　　4.1.2可獨立地柔性控制噴油正時,配合高的噴射壓力（120~200MPa),可同時控制NOx和微粒、PM2.5在較小的數值內,以滿足排放要求。 
　　4.1.3柔性控制噴油速率變化,實現理想噴油規律,容易實現預噴射和多次噴射,既可降低柴油機NOx,又能保證優良的動力性和經濟性。  
　　五、國內外高壓共軌技術的研究   
　　1、國內高壓共軌技術的研究現狀 
　　國內對電控高壓共軌燃油噴射系統的研究起步較晚，且大都局限在電控單元硬件等方面的研究上，只有部分大學、企業以及科研單位參與共軌系統零部件的研制工作。目前尚未開發出成熟的柴油機電控燃油噴射系統，距離產品化還有很長的一段路要走。以下是國內在柴油機電控燃油噴射系統方面的研究成果：1）清華大學研究開發的電控直列泵-管-閥-嘴(PPVI)系統，己研制出相應的高性能電磁閥。2）天津大學內燃機燃燒學國家重點試驗室開發的新型共軌蓄壓式電控燃油系統PAIRCUI正處于硬件在環仿真和實機測試階段。3）浙江大學在錫柴CA6110發動機上進行了高壓共軌系統匹配試驗。4）上海交通大學基于自主開發GD-1型高壓共軌系統處于匹配玉柴YC6110柴油機的準備階段。5）廣西玉林柴油機廠與清華大學合作開發了GDI型柴油機高壓共軌噴射系統。6）無錫油泵油嘴研究所與無錫柴油機廠合作，已成功的在CA6110增壓中冷柴油機進行了共軌式噴射系統的試驗。7）無錫威孚集團與博世公司已經聯合組建了無錫Bosch汽車柴油機系統股份有限公司，開始了高壓共軌系統的生產。 
　　2、國外高壓共軌技術的發展現狀 
　　到目前為止,各國已研制并生產各種柴油機電子控制系統,有力的緩解了當前的世界性能源危機和汽車污染。一些汽車工業發達國家的柴油機電控技術水平目前已相當發達。 
    目前歐美國家中100％重型車、90% 輕型車采用柴油機,歐洲的柴油轎車在轎車保有量中比例超過40%,新車產量比例超過50%。博世公司對中國市場的保守預測是,到2015年,柴油車所占比例能達到 25％,而同樣到2015年據有些文章介紹在美國輕型車輛和轎車領域,柴油車的市場份額將提高到大約 15%。 
　　3、高壓共軌技術的研究方向和待解決的問題 
　　共軌技術的研究與開發熱點如下：1）燃油噴射系統的數值模擬技術。通過仿真軟件建立電控高壓共軌燃油系統的數值模型，分析燃油的噴射過程及系統參數對燃油噴射特性的影響，為燃油系統的優化設計、故障分析提供理論依據。降低產品開發成本，縮短開發周期。2）解決共軌壓力的微小波動造成的噴油量不均勻問題。高壓共軌系統的動態壓力穩定性直接影響系統理想噴油規律的實現。3）新型電磁閥的研究。未來的電磁閥要求有更快的響應能力、工作精確性、重復、可靠性以及良好的流通能力。如采用壓電陶瓷驅動器研制高響應電磁閥。4）傳感器技術。隨著噴射壓力的不斷提高，要求有更高精度和響應速度的新型智能傳感器。5）最佳控制策略的研究。多次噴射的控制技術以及通過控制壓力調節噴油規律。 
　　綜合分析國內外對柴油機電控燃油噴射系統的研究歷史和現狀。電控高壓共軌系統具有很大的發展空間。主要是進一步挖掘電控的靈活多樣性和共軌系統壓力。時間控制原理的潛力。 以獲得理想噴油規律（圖5）重點在于提高噴射壓力和改善噴油速率控制的柔性度。主要的技術措施是多級壓力控制和多次噴射。