浅论柴油机共轨技术研究及发展前景

      目前,资源匮乏油价居高不下的严峻状况。本人以资源的稀缺性为依托，对柴油机的发展，结合柴油机的优良特性，通过阐述当前先进的电控柴油机共轨技术与之传统柴油机做了鲜明的描述.对比与结论,和对柴油机共轨技术的未来发展前景,做了具体的浅析和深入的探索.

　　一．问题背景

　　能源短缺尤其是石油短缺是全球性的问题，而作为经济增长的中国在能源方面保持着强劲的需求。当前，中国资源的“红灯”已经亮起，其中石油资源的短缺十分突出，据专家估计，中国已探明的石油可采储量约我23亿t，2004年中国累计进口原油1.2亿t,石油对我依存度已达到40%。目前我国汽车消耗燃油约占全国总石油消费的三分之一。预计2010年，汽车燃油需求我1.38亿t，占总消费43%；2020年燃油需求我2.56亿t，比例将达到75%；而到了2030年，这一比例将有可能达到77%。

　　笨重、噪声大、喷黑烟，令许多人对柴油机的直观印象不佳，加之柴油机的构造比较复杂，不少人对柴油机缺乏了解，尤其对现代先进的柴油机缺乏了解，因此柴油机汽车在一些城市成了“被限制的对象”、受到种种歧视。其实，经过多年的研究和新技术应用，现代柴油机已与传统柴油机有了很大差别，在减少质量、噪声、废气烟度等方面取得了重大突破。其中，共轨技术就是现代柴油机采用的新技术之一。

　　二．柴油机的发展浅析

　　自1897年柴油机问世至今，在一百多年的发展过程中，自20世纪20年代中期以德国BOSCH公司我代表推出的机械式喷油系统取代蓄压式供油系统，是柴油机在汽车上的应用成为可能，从而在许多地方取代了汽油机，并发展壮大。

　　柴油机发展经历了五个阶段：

　　1.电控直列式喷右泵

　　电控直列式喷右泵在直列泵基础上发展起来的电子控制燃油喷射装置，他具有喷油量与喷油定时控制功能或只具备其中一种功能，有些喷油压力和喷油速率等控制功能。（如日本DKK公司的RED-型电子调速器。德国Heinzmann公司的E型电子调速器及美国Barber Colmann

　　公司的电子调速器等）

　　2.电控单体泵系统

　　德国Bosch公司的电控单体泵（EUP）系统，采用较短的高压油管，可实现较高的喷油压力，最高喷油压力可达160MPa,该系统采用高速电磁阀控制喷油定时及喷油量。

　　3.电控分配泵

　　柴油机电控分配泵的喷油量及喷油定时的控制一般采用高速电磁阀，电磁阀的闭合时刻对应着喷油定时，电磁阀从闭合到开启的时间确定了喷油量，如日本丰田公司的ECD-2型电控VE泵。

　　4.电控泵喷嘴系统

　　电子控制泵喷嘴系统可分为机械驱动式和蓄压式两种，如美国底特律柴油机的DDEC型电控泵喷嘴，英国LucasCAV公司的EUI型电控泵喷嘴。

　　电控蓄压十系统的特点是：将电控和液压技术相结合，按时控制喷射过程和喷射压力。如日本小松公司的KOMPICS电子液压泵喷嘴系统。

　　5.电控共轨燃油系统

　　20世纪90年代研制出了一种全新的燃油喷射系统----电控共轨燃油系统，该系统虽然正式问世不久，但已显示出它的巨大的优越性。如日本的电装公司的共轨系统ECD-2及德国Bosch公司的柴油机共轨电控蓄压式喷射系统。

　　 三、现代共轨柴油喷射系统浅析

　　现代先进的汽车柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平，而且相比汽油机更环保。目前国外轻型汽车用柴油机日益普遍，奔驰、大众、宝马、雷诺、沃尔沃等欧洲名牌车都有采用柴油发动机的车型。

　　在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制www.zlunwen.com空燃比，柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出的大小，而柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置（油门拉杆位置）来决定的。因此，基本工作原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号，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，确定最佳喷油量的。

　　电控柴油喷射系统由传感器、ECU（计算机）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与巳储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。这类电控系统可分为：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。以下就介绍一下高压共轨电控柴油喷射系统：

　　（一）共轨技术

　　在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在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。由于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。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象，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（HC）的排放量，油耗增加。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。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷，现代柴油机采用了一种称为"共轨"的技术。

　　1、原理。

　　共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制装置(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，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力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，因此，也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，其大小取决于燃油轨道(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。该技术不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理，而是通过供轨直接或间接的形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的启闭，定时定量的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最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的发火时间、足够的能量和最少的污染排放。柴油机供轨式电控燃油系统的原理如附图所示。

　　2、分类

　　按照喷油高压形成的不同，共轨式电控燃油喷射系统有两种基本型式，即高压共轨式和中压共轨式。

　　(1)高压共轨系统。高压输油泵(压力在120MPa以上)直接产生高压燃油后，输送至共轨中消除压力的脉动，再分送到各喷油器；当电子控制装置按需要发出指令信号后，高速电磁阀(响应在200s左右)迅速打开或关闭，进而控制喷油器工作，即按设定的要求喷出或停喷高压燃油。

　　(2)中压共轨系统。中压输油泵(压力为10-13MPa)将中压燃油输送到共轨中消除压力的脉动，再分送至带有增压柱塞的喷油器中；当高速电磁阀开关阀接收到电子控制装置发送的指令信号后，就迅速开启或关闭，从而控制燃油器工作，迅即通过高压柱塞的增压作用，将从共轨中来的中压燃油加压至高压(120-150MPa)后喷出或停喷。

　　高压共轨系统与中压共轨系统的主要判别在于，高压燃油的获得方式不同；前者由高压燃油泵直接提供，而后者则借助于增压柱塞增压后获得。3、特点

　　柴油机共轨式电控燃油喷射技术集计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油器结构于一身。它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制，而且还能实现预喷射和后喷，从而优化喷油特性、减低柴油机噪声和大大减少废气的排放量，其特点为：

　　(1)采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，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。

　　(2)采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油器间相互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。

　　(3)高速电测开关阀频率高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，并且能方便的实现预喷射、后喷等功能，为优化柴油机喷油规律、改善其性能和降低废气排放提供了有效手段。

　　(4)系结构移植方便，适应范围广，不像其他的击中电喷油系统，对柴油机的结构形式有专门要求；尤其是高压共轨系统，与目前的小、中型及重性柴油机均能很好匹配，因而市场前景看好。

　　（二）高压共轨电控燃油喷射系统及基本单元

　　高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元、高压油泵、蓄压器(共轨管)、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨(蓄压器)，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。

　　1、高压油泵

　　高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。

　　2、高压油轨（共轨管）

　　共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用， ECD-U2 系统的共轨管如图 4 所示。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 ECD-U2 系统的高压泵的最大循环供油量为 600毫升，共轨管容积为 94000毫升。

　　高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。

　　3、电控喷油器

　　电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据 ECU 发出的控制信号，通过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定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。

　　BOSCH 和 ECD-U2 的电控喷油器的结构基本相似，都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成，图 5 为 BOSCH 的电控喷油器结构图。在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔 A ，高压油轨的燃油压力通过量孔 Z 作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔 A 被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。

　　为了实现预定的喷油形状，需对喷油器进行合理的优化设计。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。

　　控制量孔 A 、 Z 的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。

　　此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。

　　但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。

　　由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为 0.169mm � 6 ，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。

　　对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。

　　4、高压油管

　　高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。

　　四．共轨柴油机的未来前景和展望

　　在汽车工业发达的欧洲国家，柴油轿车已经被广泛接受和认可。2004年国内工消失了柴油轿车12654辆。20世纪90年代初，轿车总大约有20％为柴油车。1998年至2004年，柴油轿车在欧洲的销售所占分额已每年4个百分点的速度增长，从24.8％跃升至40.3％，2004年柴油轿车在新车销售中的比例已超过45％。法国，西班牙，奥地利，比利时及卢森堡，柴油轿车的销售量超过汽油车了。美国也达到30.1万辆，日本近1％轿车是柴油轿车，而且这趋势有在迅速上升趋势。

　　发动机历来是汽车企业欲雄起于诸子纷争中的必夺之物，而发动机的科技含量很大程度上决定了一款车型的品质和性能，一家企业在发动机领域的自主研发能力，同样很大程度上也决定了其在国际汽车产业链中的话语权和影响力。随着油价上涨等因素的制约和影响，汽车向经济性迈进步伐不断加大，共轨技术的优势已经使现代柴油技术在近几年取得了巨大成功　，我相信这些优势很快能在中国或国际上体现因为这是当代经济市场走势，并向更为理想的方向——柴油动力进军。柴油汽车的发展将无可限量。

　　致谢语

　　值止毕业论文完成之际,感谢我的知道老师老师对本人毕业论文耐心而又详尽的指导.虽然教务繁忙,却时刻惦记着学生的论文写作进度.朱老师以其渊博的知识,严谨的治学态度以及悔人不倦的指导,使我的论文不断完善和提高.在此,向朱老师表示最衷心的感谢.