柴油機共軌噴油技術(shù)的進(jìn)展


本文將介紹日本電裝公司的ECD-U2共軌噴油系統(tǒng)和博世公司的共軌噴油系統(tǒng)，并闡述共軌噴油技術(shù)的發(fā)展趨勢。

柴油機共軌噴油系統(tǒng)有一個共同的特點，就是有一個共同的高壓燃油蓄勢器，稱為共軌。高壓供油泵只負(fù)責(zé)向這個蓄勢器提供高壓燃油，不負(fù)責(zé)控制燃油定量和噴油定時。管理燃油壓力和向各個氣缸輸送燃油的任務(wù)通過共軌完成。這樣，燃油噴射過程可以不受壓力產(chǎn)生和燃油輸送過程的牽制；燃油定量控制和噴油定時控制可以更為靈活和自由。

相對于其他燃油噴射系統(tǒng)，共軌燃油噴射系統(tǒng)有如下特點：在燃油定量和噴油定時方面實行全電子的和柔性的控制；噴油規(guī)律曲線形狀可以比較自由地調(diào)整；優(yōu)化的、已可達(dá)到1800bar的噴油壓力（僅次于博世公司的泵噴嘴和泵管嘴）控制；能實現(xiàn)每個工作循環(huán)多達(dá)七次的燃油噴射；高度的緊湊性和較低的高壓油泵驅(qū)動扭矩。

日本電裝公司的ECD-U2共軌噴油系統(tǒng)
日本電裝（Denso）公司率先在上世紀(jì)九十年代初推出了名為ECD-U2的共軌燃油噴射系統(tǒng)。ECD-U2共軌噴油系統(tǒng)由高壓供油泵、共軌、噴油器以及控制這些部件的電子控制單元和各種傳感器等組成（如圖1）。系統(tǒng)利用泵控制閥改變高壓供油泵的燃油出油量來控制共軌壓力，共軌壓根據(jù)發(fā)動機負(fù)荷和轉(zhuǎn)速確定的數(shù)值而調(diào)節(jié)。泵控制閥與燃油壓力傳感器相結(jié)合進(jìn)行共軌壓力的閉環(huán)控制。
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噴油器的工作原理
共軌壓力長期施加在噴油器針閥的底面上。只有在噴油器不通電時才施加在針閥的背面上。當(dāng)噴油器不通電的時候，三通閥使單向孔板上面的空腔與共軌連通，高壓燃油通過單向孔板流入控制腔（液壓柱塞的上方），通過液壓柱塞對針閥施加向下的壓力，跟回位彈簧的作用力一起克服針閥下方燃油壓力，使針閥關(guān)閉。在這個過程中，單向孔板沒有節(jié)流作用。

當(dāng)ECU發(fā)出噴油脈沖時，三通閥使單向孔板上面的空腔與回油管連通，燃油流到回油管去，充滿在這個空腔里的高壓燃油壓力立刻下降到大氣壓力。由于單向孔板節(jié)流，其下面控制腔中的壓力只能緩慢地下降，噴油器針閥逐漸地升起，造成所謂的德爾塔型（三角型）噴油規(guī)律，這種噴油規(guī)律對氣缸內(nèi)的燃燒十分有利。

當(dāng)由電子控制單元控制的噴油持續(xù)時間過去之后，噴油器斷電，三通閥恢復(fù)到它的初始狀態(tài)。此時，來自共軌的高壓燃油通過三通閥和單向孔板流入控制腔，使控制腔迅速地達(dá)到共軌壓力,令針閥很快關(guān)閉，噴油很快被切斷。

由此可見，噴油嘴的開啟和關(guān)閉完全由噴油器控制腔中的壓力和共軌壓力的差值決定。改變施加在三通閥上的電脈沖寬度，可以控制噴油量；改變施加在三通閥上的電脈沖發(fā)生的時刻，可以控制噴油定時。因為ECD-U2共軌噴射系統(tǒng)是一個全電子控制的、完善的壓力-時間燃油定量控制系統(tǒng)，所以沒有傳統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)固有的問題，如：由于噴油系統(tǒng)內(nèi)的壓力傳播而產(chǎn)生難以控制的或者不能控制的工況區(qū)域；由于調(diào)速器控制能力不足而引起低速下控制效能不良。

三種形狀的噴油規(guī)律
ECD-U2共軌噴射系統(tǒng)的噴油規(guī)律可以控制成三種的形狀，即德爾塔型（三角型）、靴型和預(yù)噴型：
?   德爾塔型（三角型）噴油率型式：噴油率逐漸上升并迅速截止的型式
?   預(yù)噴型式：在主噴之前實施一次小油量的預(yù)噴的型式
?   靴型噴油率型式：預(yù)噴跟主噴連在一起，形成一種靴子形狀的噴油率型式

其中**有意義的是預(yù)噴。預(yù)噴是通過在主噴脈沖之前提供一個小小的預(yù)噴脈沖，因此三通閥在每次噴油中都開啟兩次。預(yù)噴量小到1立方毫米/沖程。預(yù)噴和主噴的間隔時間已經(jīng)可以縮小到0.1毫秒。預(yù)噴可以減少在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣，進(jìn)而有效地降低柴油機的燃燒噪聲。

高壓供油泵的控制策略
高壓供油泵的功能是控制出油量以產(chǎn)生高壓燃油。它采用便于產(chǎn)生高壓的凸輪驅(qū)動機構(gòu)（見圖1）。泵控制閥關(guān)閉后柱塞的升程當(dāng)量決定了出油量。通過對泵控制閥關(guān)閉時刻的控制，或者通過對凸輪預(yù)升程的控制來控制出油量，燃油在沒有經(jīng)過壓縮的狀況下進(jìn)行回油并定量，從而減少了高壓回油。因此，泵驅(qū)動扭矩明顯地下降了。**大驅(qū)動扭矩只有直列泵的三分之一。

博世（BOSCH）公司的共軌噴油系統(tǒng)
世界性大公司研究開發(fā)和生產(chǎn)的共軌噴油系統(tǒng)，其基本原理大同小異，但在一些關(guān)鍵零部件的設(shè)計上則各有特色。BOSCH公司對共軌噴油技術(shù)的研究與開發(fā)1997年才起步，但是發(fā)展迅速，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了第四代，累計已經(jīng)生產(chǎn)出了大約1500萬套共軌燃油噴射系統(tǒng)。
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圖2所示為BOSCH公司共軌噴油系統(tǒng)的高壓部分。這個系統(tǒng)的特點是，增加了限壓閥和限流器。其中：1）壓力控制閥使燃油壓力保持恒定，壓力控制有兩條控制環(huán)路：一條慢響應(yīng)的電氣控制環(huán)路，用于設(shè)定共軌中變動著的平均壓力；一條快響應(yīng)的機械控制環(huán)路，用于補償高頻壓力脈動。2）共軌壓力傳感器的特點是，產(chǎn)生的信號由安裝在傳感器內(nèi)部的運算電路放大后送往ECU。如果共軌壓力傳感器發(fā)生故障，那幺壓力控制閥就被觸發(fā)成“關(guān)閉”狀態(tài)，同時起動緊急（跛行回家）功能，采用固定值。3）限壓閥起泄壓作用，它將**大共軌壓力限制在一個確定的數(shù)值，例如1500bar。4）共軌通往每一個噴油器的出口處都裝設(shè)了一個限流器，限流器的另一頭擰入噴油管。在某一個噴油器中發(fā)生永久開啟的非常不尋常的情況下，限流器可防止連續(xù)地噴油。

噴油器與日本電裝公司共軌噴油器的設(shè)計原理差不多，也是以電控制液，用液控制噴油嘴針閥，但是具體構(gòu)造有所不同（見圖3）。該噴油器可以分成若干個功能模塊：孔式噴油嘴；液壓伺服系統(tǒng)；電磁閥。

控制腔(8)通過一個由噴油器的電磁閥開啟的泄油孔(6)與回油管(1)相連通。當(dāng)電磁閥不通電，泄油孔封閉，在閥控制柱塞(9)上的液壓力超過施加在噴油嘴針閥壓力臺肩(11)上的液壓力，針閥被壓到針閥座上，使高壓通道保持對燃燒室的密封。當(dāng)電磁閥被觸發(fā)時，泄油孔開啟，控制腔內(nèi)的壓力降低，柱塞上的液壓力也降低。一旦這個液壓力降低到低于作用在噴油嘴針閥臺肩上的力，噴油嘴針閥就將開啟。

共軌噴油技術(shù)的發(fā)展趨勢
隨著排放法規(guī)和燃油經(jīng)濟性的要求不斷**，對柴油機的要求也越來越高，首當(dāng)其沖的是柴油噴射技術(shù)。首先，為了降低燃燒噪聲，要求預(yù)噴；為了使燃油燃燒充分、從氣缸內(nèi)降低排放和使微粒物捕集器得到再生，要求在主噴之后進(jìn)行補噴。為了使燃油霧化得好，就要增加噴油孔的數(shù)目，縮小噴油孔的直徑，但這會導(dǎo)致噴油速率的下降。如要保證足夠的噴油速率，就要**噴油壓力。而為了實現(xiàn)多次噴射，就要改善噴油系統(tǒng)的響應(yīng)特性。這些要求決定了共軌噴油技術(shù)的發(fā)展方向。

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1)**噴油壓力
早期的共軌噴油壓力不超過800至1000bar。BOSCH公司**代共軌系統(tǒng)的噴油壓力只有1350bar，第二代達(dá)到1600bar，第三代已經(jīng)達(dá)到1800bar，第四代將增大到2200bar的噴油壓力。因為泵噴嘴和泵管嘴系統(tǒng)2050bar的噴油壓力收到了良好的效果。一般認(rèn)為，柴油機噴油壓力越高，則燃油經(jīng)濟性和排放越好。

2)壓電式噴油器
在中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，噴射的機動靈活性特別重要，**理想的情況是，在2500r/min以下的轉(zhuǎn)速范圍每個工作循環(huán)噴射達(dá)5次，在中等轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)每個工作循環(huán)噴射兩次或者三次，在標(biāo)定轉(zhuǎn)速每個工作循環(huán)噴射一次。前面介紹過的電磁閥共軌噴油器無法滿足這樣的要求。西門子VDO公司開發(fā)了能夠非常機動靈活地實現(xiàn)多重噴射的、機電一體化的壓電式共軌噴油器，并且已經(jīng)實現(xiàn)了商品化，見圖4。

壓電式執(zhí)行元件像一個在電壓下立即就能充電的電容器，其關(guān)鍵元件是陶瓷壓電薄膜，它在加上電壓以后的0.1ms以內(nèi)就會發(fā)生晶體晶格的畸變。為了使執(zhí)行器達(dá)到足夠的位移（行程），必須將許多層陶瓷薄膜燒結(jié)成一塊長方六面體。噴油器內(nèi)30mm長的執(zhí)行器由300多層薄膜組成，每層的厚度只有80μm。壓電元件加上電壓后會膨脹大約40μm，通過杠桿比為1:1.5的杠桿，使得控制腔回油通道中的閥開啟。于是，控制腔內(nèi)的壓力下降，噴油嘴針閥開啟。

與電磁閥相比，壓電執(zhí)行器具有：沒有滯后時間；切換十分迅速而且**；可重現(xiàn)性非常好；沒有因設(shè)計造成的、以氣隙之類的形式出現(xiàn)的偏差；壽命長，工作非常穩(wěn)定等優(yōu)點。壓電式共軌噴油器推出之后，立即受到各大公司的推崇。奧迪A8柴油轎車已經(jīng)采用了這一系統(tǒng)。

德國漢諾威大學(xué)的工程燃燒研究所不久前研究開發(fā)了采用壓電噴油器的柔性噴射系統(tǒng)，見圖5。該系統(tǒng)的噴油器通過對針閥實施直接控制而為噴油規(guī)律曲線形狀的優(yōu)化提供了更大的自由度。這種噴油器具有決定性意義的優(yōu)點是，噴油嘴針閥的升程和速度可以自由地選擇。

3)多孔式噴油嘴
BOSCH公司**代共軌噴油嘴的直徑為0.2mm，第二代為0.14mm，第三代則為0.11-0.13mm。孔數(shù)則相應(yīng)地分別為**代4個，第二代以上至少6個。

特別值得一提的是，噴油孔做成內(nèi)端大、外端小的錐形，可**出口的噴射速度。而且普遍借助液體磨蝕（HE）工藝將噴油孔的入口邊倒圓，其目的是：事先**燃油中的磨粒對噴油孔棱邊進(jìn)行磨蝕的機會，和/或縮小流量公差。

共軌技術(shù)在中國發(fā)展的兩點建議
泵噴嘴/泵管嘴系統(tǒng)的**大優(yōu)點在于噴油壓力高，對燃油經(jīng)濟性和排放有積極影響，但是價格過高，而且氣缸蓋的設(shè)計改動比較大。中國可以跨過直列泵和分配泵的柴油機電子控制時代，直接進(jìn)入共軌時代。這樣可以避免投資的大量浪費。

在此，就共軌噴射系統(tǒng)在中國的發(fā)展提出兩點建議。**，國家必須在制定環(huán)保法規(guī)的同時，制定針對燃油質(zhì)量的強制性法規(guī)。以目前質(zhì)量低劣的柴油，根本無法適應(yīng)電子控制共軌噴射系統(tǒng)的要求。第二，國家應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)、組織和扶植國內(nèi)企業(yè)對共軌燃油噴射系統(tǒng)的研究和開發(fā)。共軌系統(tǒng)所需之關(guān)鍵零部件或許可以進(jìn)口，但是共軌系統(tǒng)成套供應(yīng)，特別是研究、開發(fā)、生產(chǎn)和銷售電子控制單元及一些傳感器和執(zhí)行器的機會千萬不要拱手讓給外人。