1.2 高壓共軌噴油系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

1.2.1 高壓共軌噴油系統(tǒng)國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代末期，Robert Huber發(fā)明了原始的高壓共軌噴油系統(tǒng)。瑞士

工業(yè)大學(xué)的MarcoGanser和Ganser Hydromag公司對(duì)原始的高壓共軌噴油系

統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)后，形成了現(xiàn)代的高壓共軌噴油系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代初期，因面臨財(cái)政困難，意大利Fiat公司只好將其成功開發(fā)（但未能進(jìn)一步改良和完善）的高壓共軌燃油噴射技術(shù)出售給德國(guó)的Bosch公司。經(jīng)過10多年改進(jìn)和完善，Bosch公司為高壓共軌噴油系統(tǒng)大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。1997年Bosch公司將高壓共軌噴油系統(tǒng)應(yīng)用到阿爾法156轎車和梅賽德斯奔馳C220轎車上。1995年，Denso公司宣布第1代商用高壓共軌噴油系統(tǒng)誕生，并將成功研制的ECDU2共軌燃油噴射系統(tǒng)安裝在日野卡車上進(jìn)行公開銷售。2000年，美國(guó)Delphi公司收購(gòu)了Lucas公司的柴油系統(tǒng)及相關(guān)售后市場(chǎng)業(yè)務(wù)后，一躍成為世界第二大柴油

噴射系統(tǒng)供應(yīng)商。2007年，Continental公司收購(gòu)了SiemensVDO后，其高壓共

軌噴油系統(tǒng)也取得了進(jìn)一步的發(fā)展。

為滿足歐Ⅳ及其以上排放標(biāo)準(zhǔn)和達(dá)到節(jié)能要求，電控高壓共軌噴油系統(tǒng)已成為新一代綠色高效的柴油機(jī)開發(fā)和廣泛使用的必然選擇，因此，柴油機(jī)電控共軌系統(tǒng)的市場(chǎng)十分巨大。為此，國(guó)外許多著名的汽車電控產(chǎn)品制造商（如Bosch公

司、Delphi公司、Denso公司和Continental公司等）對(duì)高壓共軌噴油系統(tǒng)系列

產(chǎn)品進(jìn)行了廣泛的研究，均已成功推出各自的產(chǎn)品^[8，13]。

1.2.2 高壓共軌燃油噴射技術(shù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)高壓共軌燃油噴射技術(shù)的研究起步較晚，許多高校、企業(yè)以及科研所在高壓共軌燃油噴射的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較廣泛深入的研究，并取得了一些階段性成果。

1.高壓共軌燃油噴射關(guān)鍵零部件研究概述

已有的國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)檢索表明，高壓共軌噴油系統(tǒng)關(guān)鍵零部件研究主要包括現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法、數(shù)值模擬與分析和試驗(yàn)分析等3方面。文獻(xiàn)[14]采用高次方函數(shù)凸輪模型和液固耦合模型對(duì)不同結(jié)構(gòu)的柱塞偶件徑向間隙和燃油泄漏量的影響進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明柔性可變截面柱塞在減少柱塞偶件的徑向間隙和燃油泄漏量方面比其他設(shè)計(jì)方案更有效。文獻(xiàn)[15]通過對(duì)比分析常用共軌系統(tǒng)的高壓油泵的組成、結(jié)構(gòu)和性能，得到了可對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意義的高壓油泵的設(shè)計(jì)指標(biāo)和參數(shù)。文獻(xiàn)[16]研究了柱塞偶件的變形補(bǔ)償技術(shù)，研究結(jié)果表明，隨著高壓共軌壓力提高，高壓泵容積效率將顯著地提高。文獻(xiàn)[17]對(duì)新型共軌用高壓油泵性能特性試驗(yàn)研究，系統(tǒng)地研究了共軌用高壓油泵的泄漏與密封問題。文獻(xiàn)[18]主要針對(duì)共軌用高壓油泵的性能特性和高壓共軌系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)所存在的問題進(jìn)行了研究分析。文獻(xiàn)[19]在分析多分支共軌管貼體網(wǎng)格的基礎(chǔ)上對(duì)多分支計(jì)算模型在高壓共軌噴油系統(tǒng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果為高壓共軌噴油系統(tǒng)與柴油機(jī)進(jìn)氣、燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化匹配提供了決策支持作用。文

獻(xiàn)[20]兼顧實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，利用MATLAB的SIMULINK和STATEFLOW

工具箱建立了發(fā)動(dòng)機(jī)、傳感器、控制器和執(zhí)行器等模型，為高壓共軌噴油系統(tǒng)故障自診斷系統(tǒng)提供了良好的仿真研發(fā)平臺(tái)。

2.整套高壓共軌噴油系統(tǒng)研究概述

上海交通大學(xué)卓斌等人在Denso公司的ECDU2系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)上成功研發(fā)了GD1高壓共軌噴油系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到Y(jié)C6110型柴油機(jī)上，于2005年12月裝車運(yùn)行試驗(yàn)成功^[21，23]，2007年5月玉柴Yc6L40新型國(guó)4電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在北京公交動(dòng)力競(jìng)標(biāo)中一舉成功，玉柴國(guó)4動(dòng)力已裝配中國(guó)客車進(jìn)入北京公交市場(chǎng)，成為2008年北京奧運(yùn)會(huì)專用車隊(duì)^[24]。一汽集團(tuán)無(wú)錫油泵油嘴研究所與江蘇大學(xué)合作建立了共軌蓄壓式噴射系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，推出了自行研制開發(fā)的蓄壓增壓式共軌噴射系統(tǒng)；一汽集團(tuán)無(wú)錫油泵油嘴研究所還聯(lián)合浙江大學(xué)開發(fā)了最高軌壓可達(dá)160MPa，最小噴油時(shí)間間隔為0.6ms（軌壓為50MPa時(shí)）的FCRS共軌系統(tǒng)，并在公交車柴油機(jī)中進(jìn)行了小批量試用^[25]。為克服蓄壓式電控燃油噴射系統(tǒng)在預(yù)噴射和快速斷油功能使平均有效噴射壓力等方面的缺點(diǎn)，天津大學(xué)開發(fā)了蓄壓式共軌燃油噴射系統(tǒng)———PAIRCUI^[26]。貴杭集團(tuán)紅林機(jī)械廠全面引進(jìn)美國(guó)BKM公司的技術(shù)，現(xiàn)能夠批量生產(chǎn)中壓高速電磁閥和斜盤柱塞式噴油泵；貴州柴油機(jī)廠進(jìn)行過6135柴油機(jī)配裝Servojet系統(tǒng)的配機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)證明可有效地改善柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)；2005年，云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司和昆明理工大學(xué)合作研發(fā)，已完成高壓共軌噴油系統(tǒng)的初步匹配和標(biāo)定工作^[27]。遼陽(yáng)新風(fēng)企業(yè)集團(tuán)引進(jìn)CRT共軌技術(shù)公司和BSG公司的高壓共軌技術(shù)，研發(fā)并獲得了能適應(yīng)國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)歐Ⅲ及其以上排放要求的共軌技術(shù)^[28]。“十一五”期間，我國(guó)電控燃油噴射系統(tǒng)的資源情況大致如表1.2所示^[29]。

表1.2

“十一五”期間我國(guó)電控燃油噴射系統(tǒng)的資源情況

序號(hào)

系統(tǒng)

主要生產(chǎn)或研發(fā)單位

主要配套用途

備注

主要的國(guó)內(nèi)資源（擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)）

續(xù)表

序號(hào)

系統(tǒng)

主要生產(chǎn)或研發(fā)單位

主要配套用途

備注

主要的國(guó)內(nèi)資源（擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)）

資源或技術(shù)

1.2.3 高壓共軌噴油噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

高壓共軌噴油系統(tǒng)集機(jī)械、液力和電磁于一體，是一個(gè)各種參數(shù)復(fù)雜作用、各種因素相互影響制約的控制系統(tǒng)———高壓油泵為高、低壓燃油的接口，電控噴油器為燃油進(jìn)入柴油機(jī)燃燒室的必經(jīng)之路，共軌管為高壓共軌噴油系統(tǒng)中高壓燃油的儲(chǔ)存器和分配器，可利用共軌管容積抑制來自高壓油泵和電控噴油器的壓力波動(dòng)，維持高壓燃油離開共軌管噴射時(shí)共軌管中壓力基本恒定，以確保燃油噴射的霧化效果。

因此，高壓共軌噴油系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要有：（1）高壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。

（2）高壓共軌系統(tǒng)零部件加工關(guān)鍵技術(shù)。

（3）高壓共軌系統(tǒng)的的優(yōu)化匹配和標(biāo)定關(guān)鍵技術(shù)。（4）高壓共軌系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)。

其中，高壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)是高壓共軌技術(shù)快速發(fā)展的前提，高壓共軌系統(tǒng)零部件加工關(guān)鍵技術(shù)是自主開發(fā)高壓共軌系統(tǒng)的基礎(chǔ)，高壓共軌系統(tǒng)的的優(yōu)化匹配和標(biāo)定關(guān)鍵技術(shù)是高壓共軌系統(tǒng)實(shí)用化的必由之路，高壓共軌系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)則是高壓共軌系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用的靈魂。

1.2.4 高壓共軌噴油系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿?/h3>

高壓共軌噴油系統(tǒng)被世界內(nèi)燃機(jī)行業(yè)公認(rèn)為20世紀(jì)的三大突破之一，為目前最有發(fā)展?jié)摿Φ膰娚湎到y(tǒng)，也是未來柴油機(jī)噴射系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)和主流，因?yàn)楦邏汗曹墖娪拖到y(tǒng)具備近乎完美的噴油特性^[1]：

（1）平均有效噴射壓力高，可在較大程度上改善空氣與燃油的混合和燃燒過程。

（2）噴油定時(shí)完全由電磁閥的開啟決定，而電磁閥的通電時(shí)刻和通電時(shí)間間隔是以脈沖形式發(fā)出的，故可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立地柔性靈活控制，配合高的噴射壓力（120～200MPa），可同時(shí)控制 NO_x和PM排放在較小的數(shù)值內(nèi)，以滿足排放要求。

（3）通過電磁閥的多次通電容易實(shí)現(xiàn)預(yù)噴、后噴和多次噴射，可降低柴油機(jī)的噪聲和NO_x排放。

（4）該系統(tǒng)中噴射壓力的控制和噴油過程的控制互不關(guān)聯(lián)。

（5）噴油壓力的形成和油量計(jì)量在時(shí)間、位置和功能方面分開了，噴油壓力獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)高壓噴射，對(duì)不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。

（6）系統(tǒng)直接控制針閥運(yùn)動(dòng)，所以可通過對(duì)高壓共軌噴油器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整，自由方便地調(diào)節(jié)噴油率形狀，實(shí)現(xiàn)理想噴油規(guī)律，保證優(yōu)良的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

（7）在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，采用電磁閥控制噴油，可改善柴油機(jī)各缸供油的均勻性，確保循環(huán)噴油量變化幅度較小，整體控制精度較高，且高壓油路中不易出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象，可減輕柴油機(jī)的振動(dòng)和降低有害氣體排放。

（8）高壓共軌噴油系統(tǒng)可很容易嵌入柴油機(jī)的其他系統(tǒng)，并能很好地實(shí)現(xiàn)性能匹配。

總之，高壓共軌噴油系統(tǒng)可以自由調(diào)節(jié)噴油壓力，自由調(diào)節(jié)噴油量，自由調(diào)節(jié)噴油率形狀，自由調(diào)節(jié)噴油定時(shí)。其在滿足要求方面沒有約束，自由度高，能夠滿足未來新型高速柴油機(jī)的多方面全自控的要求。

不斷發(fā)展的高壓共軌燃油噴射電控系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)已成為柴油機(jī)電控技術(shù)的主要發(fā)展方向^[30]，其趨勢(shì)主要表現(xiàn)為：

（1）高壓噴射技術(shù)開發(fā)。目前噴油壓力越來越高，現(xiàn)有的噴油壓力可達(dá)到160MPa，而且一些科研機(jī)構(gòu)還在研發(fā)噴油壓力可達(dá)200MPa以上的高壓共軌系統(tǒng)。

（2）噴油規(guī)律柔性控制技術(shù)。為使噴油過程實(shí)現(xiàn)最佳，可采用壓電式噴油器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器代替電磁式噴油器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器作為多次噴射技術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)噴油規(guī)律進(jìn)行柔性控制。

（3）超細(xì)微噴射技術(shù)。由于減小油粒粒徑有利于柴油機(jī)油氣混合均勻性和燃燒質(zhì)量的提高，因此，可實(shí)現(xiàn)超細(xì)微噴射的μSAC閉式超細(xì)微噴嘴越來越成為超細(xì)微噴射技術(shù)發(fā)展的重要方向。

（4）油品適應(yīng)性增強(qiáng)技術(shù)。柴油組成成分的不同以及代用燃料技術(shù)的飛速發(fā)展客觀上要求燃油系統(tǒng)具備廣泛的油品適應(yīng)能力。