摘要：传统的燃油喷射系统的经济性和排放性能逐渐地变得不再适应时代的发展，为了改善柴油机的经济性和减少排放，研究新的燃油喷射系统，以取代传统的燃油喷射系统是必要的，当前世界上燃油喷射系统的主流的研究和发展的方向是高压共轨。该系统相对于传统的机械式燃油喷射系统而言，具有很大的优势，例如在低速、低负荷工况下有很大的性能改善；在喷油量、喷油定时、喷油压力等喷射特性的控制与调节方面表现出了很大的灵活性与很高的精确性；氮氧化物和微粒等物质的排放大幅度减少，减轻了对环境的损害并满足各种法规的要求；有效降低了燃油的消耗以提高其经济性。本文对燃油喷射系统的发展作了简单的介绍，阐述高压共轨柴油机燃油喷射系统的特点及优势，主要对该系统的组成、工作原理及其各个主要部件进行了分析。
关键词：柴油机；高压共轨；燃油喷射
1绪论
1.1柴油机电控喷射系统的发展
自从上世纪七十年代开始，各个国家的柴油机制造商开始了对柴油机电控喷油系统的研究，经过这么多年的研究，至今为止电控喷油系统已经发展到了第三代。
第一代是位置控制式。它和传统的喷油系统在结构上大体相似，对传统的喷油系统即喷油泵-高压油管-喷油器系统没有做出改变而依然采用这一供油方式，传统的喷油系统对供油泵输送到喷油器的燃油数量进行控制的方式是通过齿条、滑套、柱塞上的螺旋槽等机械传动机构调节油量，位置控制式燃油喷射系统对这些控制油量的机构也没有做出更换而是依然和传统的柴油机的结构一样，但是对齿条的控制方式则与传统的柴油机不一样，不再采用机械调速器控制，而是更换为电子控制，使得这一系统相对于传统系统而言控制精度更加准确和反应速率更加快。但对性能的提高并不明显。传统系统的固有的喷射特性无法得到改变，喷射压力也不能够得到大幅度的提升。
第二代是时间控制式。时间控制式燃油喷射系统可以选择不改变传统的燃油系统而仍然采用喷油泵-高压油管-喷油嘴系统，也可以选择使用新研究出来的高压燃油系统以替换传统的燃油系统，这种新系统的燃油的喷射过程是通过电磁阀的开启和关闭来控制的。
但时间控制式喷油系统与传统喷油系统的不同之处是，该系统采用的是电磁阀泄油原理来实现对燃油喷射的控制，柱塞不再起到调节供油量大小的作用，只是给燃油增加压力而起到建立供油压力的作用。但是由于时间控制式燃油喷射系统的喷油压力依旧是采用脉动柱塞供油的方式建立的，因此该系统的性能受到发动机的转动速速的限制，对转动速速的依赖性很大，对柴油机的低速运行不利。
第三代是压力时间控制式。共轨式电控喷油系统可分为三种，即蓄压式电控高压喷射系统、电控液压泵-喷嘴系统和高压共轨式电控喷射系统[ ]。对于前两种类型的喷射系统来说，喷射压力的控制需要靠控制油压力和增压活塞两者相互配合完成，高压喷射的实现不需要很高的共轨压力。由于这两种系统需要采用活塞来对燃油进行增压，所以增压过程响应速度就会比较慢，一般在30ms左右；虽然可以实现预喷射，但是对预喷射的调节不够灵活。第三种系统则不会有上述的各种缺点，相对于前两种系统来说性能有很大的提高，因此，当前世界上已经安装或研发中的电控柴油机的燃油喷射系统大多数采用的是高压共轨式。
2高压共轨燃油喷射系统概述
2.1特点
传统的喷射技术最大的缺陷就是燃油喷射压力的产生过程和燃油的喷射过程是相互联系的，两者之间并不相互独立。高压共轨燃油喷射系统则明显对上述缺点做出了改善，采用高压油泵-共轨-喷油器式的供油方式，其供油过程为：以一个由发动机提供能量使其能够以一定的速率持续工作工作的高压油泵，对来自低压系统的低压燃油不停地增加压力使低压燃油变成高压燃油，再把增压后的具有很高压力的燃油输送到一个能够将其内部的燃油保持在高压状态下的公共供油管即共轨管内，共轨管可以消除泵所输送过来的燃油的压力波动，然后再把燃油输送到喷油器中。高压油泵与整个系统的燃油的喷射过程之间并没有直接的联系，油泵仅仅是对低压输油泵输送到其控制腔内的低压燃油进行增压并把增压后的高压燃油输送到公共供油管内，管内的压力受到电控系统的控制与调节使得燃油压力大小与机器转速没有关系，油泵并不对喷射过程进行控制而是由电磁阀的开启与闭合来控制，也就是
说该燃油喷射压力的产生过程与燃油的喷射过程互不相关。这就使得该新式系统的油压能够在系统长时间连续工作的情况下不随着发动机的转速的改变而改变，而是能够保持一个基本稳定的数值，改善了发动机转速影响喷射压力的缺陷，使柴油机能够实现在任何工况任何转速下的高压喷射，在低速、低负荷等非设计工况下的运行性能有很大的提升。
2.2优势
高压共轨燃油喷射系统相对传统的机械式燃油喷射系统主要有以下几个突出的优点[ ][ ]：
(1)自由调节喷射压力。高压共轨燃油喷射系统可以对燃油的喷射压力进行自由地控制和调节，它根据发动机的运转速度和所承载的负荷等参数来决定高压供油泵内部的压力控制阀的开启与关闭，从而使得供油泵可以根据发动机的工况输送合适数量的燃油到共轨管内，从而实现共轨管内燃油压力和喷射压力的自由调节。
(2)自由调节喷油量。共轨系统有多种喷油量的控制模式，通过各种传感器对柴油机的各种运行参数如运转速度、进气流量、进气压力、燃油温度等进行监测，然后根据这些监测到的参数对喷油量自动地做出合适的控制与调整。
(3)可变的预喷射控制。高压共轨燃油喷射系统的喷油提前角则是通过电控单元来进行控制，电控单元会自动地根据传感器所测得的各种柴油机运行参数对喷油提前角做出调节，不再是只根据柴油机的运转速度而是根据柴油机运行工况的不同而对喷油提前角做出修正，因此具有很宽的调节范围。
(4)燃料适应性好。可根据各种燃油的特性而改变喷油定时和气阀定时，在任何工况下无可见排烟。这是传统的凸轮驱动的机械结构几乎不可能实现的。
(5)系统结构移植方便，适应范围广，尤其是与目前的小型、中型及重型柴油机均能很好匹配，因而市场前景广阔[ ]。
2.3系统组成
高压共轨燃油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1-1所示。
图1-1高压共轨系统组成示意图
3主要部件
3.1高压油泵
共轨系统的高压油泵结构上与传统柴油机的高压油泵大体相似，跟随着凸轮轴一起转动的凸轮带动柱塞上下往复运动，使得柱塞腔容积也就是工作容积周期性变化，从而实现燃油的吸入、增压、排出，但是与传统柴油机不同的是，传统柴油机的喷油泵在其出口处安装出油阀，而高压共轨系统的高压油泵则是采用压力控制电磁阀来控制低压油路的连通与断开进而控制燃油的排出。图3-1为日本电装公司的HP0型高压油泵，该泵的主要部件有三次工作凸轮、柱塞和柱塞套偶件、压力控制电磁阀、出油阀和溢流阀等。采用三作用型凸轮可使柱塞单元减少到1/3；油泵向共轨管供油的频率和喷油频率一致，可使共轨中的压力趋于平稳[ ]。
图3-1 HP0型高压油泵结构图
3.2共轨管
共轨管是连接高压油泵和喷油器的部件，高压油泵输出的具有很高压力的燃油先流到共轨管中再由共轨管分配到各个气缸的喷油器中。共轨管是一个能承受高压和超高压的容器。它的由高压油泵的结构和工作原理可以看出其输出的油量是具有一定的脉动性质的，另外喷油器的间歇喷射也会引起共轨管内高压燃油的压力波动，所以共轨管除了能够存储和分配高压燃油之外，还能够消除和抑制其内部燃油的压力波动。为了使共轨管能够存储更多的高压燃油以供喷射和更有效地抑制消除燃油的压力波动，共轨管的容积应该尽量大，但是又不能太大，因为当共轨管的容积过大的时候，就无法快速地建立启动油压和不能随着柴油机工况的变化而快速地对共轨压力进行调节。
共轨管的结构如图3-3所示，其大体上是一个管状部件，沿着中间轴线一般是一个长通孔，两端可以连接其它部件如限压阀，如图中4所示，限压阀的作用是设定一个共轨管内燃油压力所能达到的最大压力值，当共轨管内存储的高压燃油的实际压力值大于这个设定的最大值得时候，该阀就会被打开，使共轨管内的高压燃油泄放压力以避免管内压力过高，从而保护喷油系统的安全运行。在管的径向开有许多和长通孔相连的通孔，它们可以连接不同的部件，如图中2连接着高压油泵输出的高压燃油的输入接口，通过该接口可以使高压油泵输出的高压燃油流到共轨管内；图中3连接的是共轨管燃油压力传感器，其作用对当前柴油机运行状态下共轨管内的实际燃油压下进行检测，传感器检测到的燃油压力再传输到电控单元，电控单元则把传感器测得的实际燃油压力与根据当前柴油机运行状态计算出的理论燃油压力进行比较，从而进行燃油压力的闭环控制；图中6为流量限制器，安装在共轨管和通往喷油器的高压燃油的输出接口之间，其作用是在输送到喷油器的燃油流量超过最大流量时自动切断通往喷油器的高压燃油输出通道，从而防止喷油器出现不正常的持续喷油现象。
图3-3 共轨管结构图
1-共轨管 2-高压油泵输出的高压燃油的输入接口 3-共轨管燃油压力传感器 4-限压阀 5-从共轨到油箱的回油管 6-流量限制器 7-通往喷油器的高压燃油输出接口
3.3喷油器
高压共轨喷油器是一个精密部件，是整个高压共轨燃油喷射系统的最重要的核心部件之一。根据控制方式的不同可以分为：高速电磁阀控制的高压共轨喷油器和压电陶瓷驱动高速开关阀控制的高压共轨喷油器[ ]。其中高速电磁阀控制的高压共轨喷油器的电磁阀可以分为由两位两通和两位三通这两种类型，当前大多数高压共轨柴油机的喷油器使用的是两位两通型的高速电磁阀来对系统的喷油过程进行控制，两位两通高速电磁阀控制的高压共轨喷油器的结构如图3-4所示，其基本原理如图3-5所示。
图3-4 两位两通高速电磁阀喷油器结构图
a：喷油器关闭 b：喷油器开启
1-回油孔 2-电气接头 3-电磁阀 4-进油孔 5-球阀 6-回油节流孔
7-进油节流孔8-控制容积 9-控制柱塞 10-至喷嘴的进油道 11-针阀
图3-5 两位两通高速电磁阀喷油器工作原理图
来自共轨管的高压燃油会分成两路流到喷油器中，其中一部分直接流向喷油器针阀的盛油槽，另一部分则通过进油节流孔的节流作用后再流到控制柱塞上方的控制腔，控制柱塞的功能是控制针阀的启闭。该控制腔除了有一个进油节流孔之外，还有一个出油节流孔，出油节流孔通过两位两通高速电磁阀与低压油箱相通。
当两位两通高速电磁阀处于断电状态时，来自共轨管的高压燃油会分别流到控制腔和喷油器盛油槽，两处的燃油的压力大小相等，柱塞上端面受到高压燃油的压力作用会使针阀有一个向下的作用力即使其关闭，而针阀锥面和针阀下端圆锥面受到的高压燃油的压力作用为针阀提供一个向上的作用力使其打开。由于高压燃油作用于控制柱塞上端面的有效面积比作用于针阀锥面和针阀下端圆锥面的垂直面积大，也就是说高压燃油施加给针阀使其关闭的作用力大于使其打开的作用力，此外针阀还受到针阀复位弹簧的作用而有一个向下的使其关闭的作用力，总的来说，针阀所受到的合力是使其向下运用而关闭喷油器的，因此控制柱塞和复位弹簧一起向下推动针阀从而关闭喷油器的喷孔，喷油器不向气缸喷射燃油。
当两位两通高速电磁阀处于通电状态时，控制腔与低压油箱的连接通道被打开，由于低压油箱内的压力低于控制腔内的压力且液体会自动从高压处向低压处流动，所以控制腔内的高压燃油通过出油节流孔流泄放到低压油箱中，使得控制腔内处于低压状态。而由于进油节流孔的阻尼作用，流到针阀盛油槽内的燃油压力并无太大损失，基本和共轨管内的燃油压力一样。随着控制腔内的高压燃油泄放到低压油箱中，控制腔内的燃油压力会迅速地降低，当控制腔内的压力下降到一定值的时候，高压燃油作用于针阀锥面和针阀下端圆锥面的使针阀上升打开喷油器的作用力比较大，而柱塞腔内的卸压后的燃油作用于柱塞上端面的作用力和针阀复位弹簧的作用力的合力比较小，所以针阀被抬起而打开喷油器，高压燃油经过喷油孔喷射到气缸中。
3、其进油、出油节流孔的选择还要受到共轨压力的运行范围的限制。
由于以上的这些原因，某些公司不采用两位两通高速电磁阀，而是采用三位三通高速电磁阀控制高压共轨喷油器，但是这种喷油器的成本相对两位两通的会高上许多，也难以控制喷油器喷射特性的一致性。
3.4传感器
为了燃油喷射的电控，各种各样的传感器是必不可少的。传感器的作用是检测柴油机的各种运行参数，由于检测到的基本都是非电量信号，所以传感器还得把非电量信号转换成电信号，起到信号变换的功能。变换后的信号再输送到电控单元中。最主要的传感器有用来实时判断曲轴的瞬态位置的曲轴转角传感器和检测共轨管内燃油压力的轨压传感器。
3.5电控单元（ECU）
电控单元（ECU）是整个高压共轨燃油喷射系统的控制核心。传感器传输到电控单元的信号有模拟信号和数字信号两种类型，由于计算机不能直接识别模拟信号只能识别数字信号，电控单元根据预先设计的程序对信号进行处理，通过检测元件和变送器将模拟信号转换为模拟电压和电流，再将模拟电压和电流转换为微控制器所能接受的数字信号，并把这些输入信息存储起来以供微控制器在需要的时刻使用。电控单元还存储着各种程序、各种数据、表格等，微处理器根据输入信息和所存储的这些程序、数据、表格计算喷油定时、喷油量和喷油率等，并将这些参数转换为与发动机运行匹配的随时间变化的电量信号，从而控制喷油器和供油泵等部件的动作，使每个气缸都有合适的喷油特性，保证每一个气缸进行最佳的燃烧过程。
4结论
本文介绍了电控喷油系统的发展历程，通过对高压共轨燃油喷射系统的工作原理和主要部件的分析，可以看出高压共轨燃油喷射系统相对于其它燃油喷射系统具有很大的优越性，表明高压共轨燃油喷射系统是未来电控柴油机燃油系统发展的主要方向。同时指出了两位两通高速电磁阀控制的喷油器的某些不足之处，为喷油器的改进提供依据。
参考文献：
[1]徐春龙.柴油机电控燃油喷射系统[J].内燃机,2002,04:29-31.
[2]董尧清.柴油机共轨式电控喷射系统的进展[J].国外内燃机,2000,05:26-35.
[3]聂建军.柴油机高压共轨燃油系统的现状及发展趋势[J].内燃机,2009,04:6-9.
[4]肖艳.共轨式燃油电喷技术接轨车用柴油机时代[J].电子技术,2007,No.382Z1:26-30.
[5]刘军萍,续彦芳,杨帆,高舒芳.柴油发动机高压共轨燃油喷射技术研究[J].内燃机与配件,2012,No.16802:9-12.
[6]任亮.高压共轨柴油机电控喷射系统软件设计[D].清华大学,2005.
[7]王尚勇.现代柴油机电控喷油技术[Ｍ].机械工业出版社,2013.
论文作者:廖云飞
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/10/1
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