1.1 柴油機燃油噴射系統的發展

1.1.1 柴油機燃油噴射系統主要發展階段

自從1892年狄塞爾發明柴油機后，由于當時科技水平限制，沒有找到合適的燃油供給系統，在接下來的30年里沒有實質性的進展。20世紀20年代末期Bosch公司為解決燃油供給問題，研制了柴油機用直列式合成泵，從而使得柴油機技術飛速發展，同時也使柴油機在人們的生產和生活中日益普及。然而20世紀70年后的石油危機和柴油機排放污染事件，使柴油機技術的進一步發展既面臨新的發展機遇，又面臨新的挑戰^[4—6]。柴油機燃油噴射系統的發展主要經歷了4個階段：

（1）1892—1927年，早期的柴油機采用空氣噴射系統，即用7MPa的壓縮空氣將燃油吹入氣缸中。

（2）1927—1970年，此階段柴油機采用機械噴射系統，該系統主要由機械的噴油泵和噴油器組成，由于機械調速器和機械噴油提前器的控制精度低，反應不靈敏，這些機械裝置雖然也實現了對影響柴油機經濟性和排放指標的主要參數的控制，但控制效果始終不能令人滿意^[2]。因此，傳統的機械式調控機構很難滿足柴油機進一步改善性能和降低排放的要求，即使其進一步復雜化也很難甚至不能實現高精度控制。

（3）1970—1995年，出現了常規電控燃油噴射系統，其特點是控制精度高，控制自由度大，控制功能齊全，可實現燃油噴射系統噴射特性（噴油壓力、噴油量、噴射正時和噴油率）隨柴油機工況變化的動態優化，極大地降低了柴油機的有害排放物，改善了其經濟性。

（4）1995年以來，研制出的一種如圖1.1所示的全新燃油噴射系統———電控共軌燃油噴射系統，其特點是柴油機的實際運行狀態可通過傳感器得到檢測，經數據處理后由相應執行器對噴油時間、噴油率和噴油量實現最佳控制，同時通過調整進入共軌管中的燃油量實現對共軌管內的壓力控制。

1.1.2 柴油機電控燃油噴射系統的發展

國外柴油機電控燃油噴射系統已先后推出了3代產品^[1]，如表1.1所示。

圖1.1 電控共軌燃油噴射系統

展

發

統

系

射

噴

油

燃

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電

機

油

柴

外

國

1

1.

表

表

續

表

續

從20世紀70年代開發，到20世紀80年代實用的以位置控制為主的電控燃油噴射系統屬于第一代產品，它只需用電控泵及其控制部件代替原有的機械式柱塞泵就成為電控系統，幾乎不用改動柴油機結構，使控制精度和響應速度得以提高，故生產繼承性好，但控制的靈活性及瞬態控制效果不夠理想，無法有效控制噴油壓力和噴油率。比較成熟的產品有：①分配泵基礎上改進。如德國博世公司的EDCCOVEC系統和日本電裝公司的ECD Ⅵ系統等。②在直列泵上實施位

置控制。如日本Zexel公司的COPEC系統和TICS系統等。

這些產品具有的特點：①或者通過比例電磁鐵或直流電機來控制齒條或滑套的位置，并用位置傳感器作為反饋信號，實現對噴油量的控制；②或者通過對原來的噴油提前器進行改進，采用電液伺服機構控制噴油器活塞的位置，實現噴油定時的控制。

20世紀90年代，陸續出現了時間控制式的第二代電控噴射系統和壓力時間控制式的第三代電控噴射系統。時間控制式噴射系統改變了傳統噴射系統的一些機械結構，利用柱塞泵可承載高壓的特性提供高的供油壓力，利用高速、強力電磁溢流閥直接控制噴油始點和噴油量，具有直接控制和響應快的優點，可達很高的噴油壓力，但無法實現噴油壓力的靈活調節以及噴油率的靈活控制。時間控制式噴射系統典型有：日本Zexel公司的 Model1分配泵系統、日本Denso公司

的ECD V3分配泵系統、美國Stanadyne公司的DS、RS分配泵系統、美國底

特律公司的DDEC系統和英國Lucas公司的EUI系統等。

與位置控制系統和時間控制系統相比，壓力時間控制式電控噴射系統完全擺脫原有的噴油泵—高壓油管—噴油嘴系統結構，將計算機控制技術、現代傳感檢測技術、高速電磁閥技術融入先進的噴油機構之中所開發出的一種全新的電控噴射系統，控制噴油器噴射的開始和終止可通過電磁閥來實現：噴油定時決定于電磁閥作用時刻，而噴油量則由作用持續時間和共軌壓力共同決定。與傳統的柱塞泵采用分缸脈動供油原理不同，該全新的電控噴射系統采用壓力—時間式燃油計量原理，并通過公共油道油壓的連續控制和各缸噴射過程的電磁閥控制相結合方式實現噴油控制，因此稱為壓力時間控制式電控噴射系統，又稱為電控共軌式噴射系統。該系統根據柴油機運行工況的不同不僅可以適時地控制噴油量和噴油正時，而且還可以控制過去所不能控制的噴射壓力及噴油率，系統控制自由度及控制精度都得到了大幅度的提高。共軌噴射系統可分為中壓共軌噴射系統和高壓共軌噴射系統。這兩種系統噴油控制的基本原理一致，但噴油器結構不同。中壓共軌噴射系統的噴油器中增加了壓力放大環節，結構復雜。典型的有美國Caterpil-lar公司研制的HEUI系統和美國BKM公司開發的Servojet系統。在高壓共軌噴射系統方面，日本電裝（Nippondenso）公司開發了適用于中型柴油機的ECDU2高壓共軌噴射系統（如圖1.2所示），與日野J08C柴油機匹配成功后，又與五十鈴公司 HK系列柴油機匹配成功，至2001年月/產量達2000臺以上；1997年，世界上第一臺采用Unijet高壓共軌噴射系統在意大利Fiat集團成功研發，并在阿爾法156汽車上得到了試用。2003年，Fiat研制成功第2代JTD16氣門多重噴射柴油發動機；德國Bosch公司開發的高壓共軌噴射系統第一代于1997年7月批量投放市場，第2代于2000年開始批量生產，而高壓共軌噴油系統第3代產品目前已能嚴格滿足歐Ⅳ排放標準。

圖1.2 電裝公司的ECDU2共軌系統

目前，德國博世（Bosch）公司正在將同軸可變噴嘴及壓力擴大器技術直接用來研制的高壓共軌噴射系統第4代產品（如圖1.3所示），相信不久以后最高噴射壓力超過200MPa的高壓共軌噴射系統將成為實際應用的產品。此外，德國博世（Bosch）公司在Fiat公司Unijet系統基礎上研究開發的主要用于轎車上的

CR系統（如圖1.4所示），與BENZ、VW、BMW等公司產品成功匹配后，目

前CR系統年產量超過100萬臺，并開發出從小功率到中功率的系列產品。此外，英國Lucas公司及美國Stanadyne公司也都開發出各自的高壓共軌電控噴射系統。

與國外對柴油機電控高壓共軌噴油系統的研究相比，國內在該領域研究起步相對較晚，盡管在控制理論、系統組成和關鍵零部件研究等方面已取得了很大進展，但對高壓共軌噴油系統的研究還很少，也還未形成規模化生產。其主要原因為：①國內規模化汽車企業核心技術為外資方所掌握，國內具有自主知識產權的圖1.3 博世（Bosch）公司共軌燃油噴射系統

1—空氣質量流量計；2—電控單元；3—高壓油泵；4—共軌管；5—電控噴油器；6—曲軸位置傳感器；7—冷卻水溫度傳感器；8—燃油濾清器；9—油門踏板位置傳感器

圖1.4 博世（Bosch）公司開發的CR系統

高壓共軌噴油系統系列產品很難融入外資廠商所提供的配套體系中；②高壓共軌噴油系統進口產品進入中國市場的門檻降低，同時又具有強大的信息化和智能化系統，這必然會給國內弱小高壓共軌噴油系統產業帶來殘酷的競爭和巨大的沖擊。