柴油机高压共轨燃油喷射的发展趋势与展望

高压共轨燃油喷射的发展趋势与展望高压喷射、可变喷油量和喷油定时的精确控制以及喷油速率的柔性控制是柴油机燃油喷射系统的发展方向。而电子控制技术在柴油机上应用的日趋成熟使这些不再是可望而不可及了,尤其是高压共轨电控燃油喷射系统的出现使柴油机喷油系统的前景越来越光明了。它不仅有能力实现现代燃油系统所要求的各关键技术,使发动机达到最佳的经济性、排放性、动力性以及舒适性的要求;而且其结构简单,大大降低了新型发动机的制造成本。共轨式燃油喷射系统对于车用柴油机来说是一种最佳选择,也将是燃油喷射系统的发展趋势。笔者认为,柴油机电控燃油喷射系统今后的发展趋势大致有以下几个方面:(l)在燃油喷射系统结构得到完善、材料性能得到改进的基础上适当提高燃油喷射压力,达到200MPa左右,甚至超过200MPa。以改善发动机的排放和燃油经济性。(2)改善电控系统的抗电磁干扰能力。由于电控系统中各电子部件受到电磁环境的影响,从而严重干扰电子部件的工作性能,因此确保电子部件在严峻的电磁环境下工作的可靠性和稳定性就变得很重要了。(3)提高电控燃油喷射系统的自诊断能力。采用自诊断系统用以监测电控燃油喷射系统各部件的工作情况。(4)柴油机变工况下燃油流动压力波的计算和控制研究。(5)提高各部件的工作可靠性。尤其是电磁阀、喷油器等关键部件,既要求其响应速度快、高压稳定性好,同时可靠性好、寿命长。(6)电控喷油系统与柴油机优化匹配的研究。(7)进一步简化结构、降低成本。国内外高压共轨式系统的研究现状，高压共轨系统作为一种高度柔性的燃油喷射系统，给柴油机的结构设计和性能优化带来了广阔的自由空间，但系统中大量参数的可变性也增加了废气排放、噪声水平、经济性和动力性之间折衷优化匹配的困难。研究热点有：a．高压共轨系统的恒高压密封问题。b．共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题。c．高压共轨系统三维控制数据的优化问题。d．微结构、高频响电磁阀所涉及的制造过程中的关键技术问题。但是从总体上讲，我国的柴油机电喷技术仍滞后于世界上许多发达国家，主要在四个方面急需加强。(1)高速高压电磁阀是关键部件，国外已达0．27ms的开闭周期，而我国仍处于研制阶段，所涉及到电工材料、微电子技术方面的问题较难解决。(2)在共轨式喷油系统中，供油泵的供油量控制尚缺少灵敏的控制机构，因此在供油过程中油压与油量的脉动变化仍制约着供油量的准确性。高小娟：柴油机电控共轨系统的控制技术(3)在执行机构的开发研制上，仍限于传统的机械装置，未能从根本上向机电一体化和微电子化方向发展。(4)共轨油道中的控制油多以中、高压为主，因此许多工作部件因为润滑不当使磨损加剧，影响密封面泄漏增加，在产生泄漏后降压不可避免；今后对加强密封、防止泄漏最佳材料的研究有待于加强。1．4．1电控共轨式燃油喷射系统发展的热点和难点柴油机电子控制系统本身也不是万能的，一方面是因为它参与柴油机的控制的主要作用，是使被控对象柴油机能在接近于其最优运行状态下工作，而该最优运行状态则完全取决于发动机本身，与控制系统的存在与否无关。另一方面，柴油机微单片机电子控制系统也存在一些固有缺陷，可靠性问题首当其冲。在实际应用中，电磁干扰问题是单片机系统必须解决的重要问题，若不采取有效措施，控制系统无法工作。柴油机电子控制技术的两个明显特点是：柴油喷射电控执行器和柴油电控喷射系统的多样化。柴油机电子控制技术的关键和难点，就是柴油喷射电控执行器，也即电控柴油喷射系统。主要控制量是喷油量和喷油定时。对电控共轨式燃油喷射系统来说，主要难点在于：一是如何解决高压共轨系统的恒高压密封问题；二是如何解决高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀闯题；三是如何解决高压共轨系统的多MAP(三位控制数据表)优化问题；四是如何解决微结构高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。1．4．2共轨系统的发展趋势高压共轨电控喷油系统自问世以来，德国BOSCH公司、日本DENSO公司、美国DELPHI公司等多家厂商已经开发出不同结构的高压共轨电控喷油系统，且广泛应用于多种柴油机上。系统的喷射压力正在从120～150MPa向180-200MPa的水平发展，高速电磁开关阀的响应速度、控制精度等也在逐步提高。主要是因为高压喷射在改善排放的同时，由于其燃烧急速而使气缸燃烧压力急剧上升，发动机噪声和振动急剧增大。这种噪声和振动对于车用柴油机，尤其是轿车柴油机是不可容忍的。为此，必须在燃油的主喷射之前，有适当的、多次的预喷射，以此来控制预燃速度，减缓气缸燃烧压力上升速率。为了有效地减少炭烟和微粒的排放，在主喷射之后，还需要有适当、多次后喷射。这些喷射特性要求喷油系统必须有更高的响应速度，更精确地控制精度。为此由德国Siemens公司、Bosch公司相继开发的采用压电晶体驱动器的新一代高压共轨电控喷油系统应运而生，其核心是采用压电晶体驱动的高速开关阀，取代高速电磁开关阀驱动电控喷油器，实现了精确控制的、多次的预喷射和后喷射，使高压共轨喷油系统的特性有了明显改善。目前，各家公司都在大力开发第二代电控共轨系统。第二代、第三代电控共轨系统将具有更出色的控制功能、更可靠、更紧凑、价格更便宜。专家们认为：电控共轨系统必将以不可阻挡之势迅速发展，并将逐步替代现有的机械式燃油系统。总之，电控共轨大连理工大学硕士研究生学位论文喷油系统的进一步发展与优化涉及到执行器、传感器、计算机和控制技术，是一门综合性的新型技术，其应用前景一片光明。综合分析国内外的研究历史和现状，电控共轨喷油系统将在以下几个方面得到进一步的发展和完善：a．研发新型智能型传感器；b．提高整个喷油系统的可靠性，降低制造成本：c．采用先进的控制模式与算法；d．结构的进一步改进；e．电磁阀的研发；f．共轨系统控制功能的优化与改善。随着我国汽车产量和汽车保有量的逐年增加城市大气污染已引起人民群众和环保部门的重视我国将实施更为严格的排放法规因而采用电控柴油喷射技术的迫切性已摆在汽车工业界的面前由于电控柴油喷射系统执行机构比较复杂各种系统各有利弊既要开发具有发展前途的电控共轨系统也要考虑我国国情和排放法规落后于国外发达国家水平的现状迅速开发研制形成自己的电控柴油机产品时间控制式电控燃油喷射系统第二代电控喷油系统虽然大大优于位置控制式电控燃油喷射系统第一代电控喷油系统但其关键技术高速高压电磁阀的制造难度大国外似乎已解决制造技术在我国汽车工业水平和电子技术相对落后的情况下要达到这个水平需要付出艰巨努力不可盲目追求第二代控制系统而应该从实际出发逐步发展。柴油机电喷系统的优化控制涉及到执行器传感器计算机和控制技术是一门综合性的新兴技术，综合分析国内外的研究历史和现状柴油机电喷系统应将在研制新型智能型传感器、采用总线控制技术、提高故障诊断及紧急运行能力、集成电喷系统与车辆其他电控系统、实现整车的优化控制、采用先进的控制模式与算法等方面得到进一步发展和完善未来的柴油机燃油喷射装置将向着喷射压力高压化及灵活调整喷油量及喷油定时自由控制喷油速率最佳控制的方向发展全电子控制的燃油喷射系统是实现燃油过程柔性控制的必然趋势在国外，一直都在研究先进的燃油系统，且往往超前于发动机和汽车的开发。然而，传统上我国由于燃油喷射系统的技术基础比较差，还有就是人们的观念跟不上，市场过分强调价格和低成本，推动技术进步的动力不足，所以研发工作重视程度不高，投入不高，因此燃油系统的研发常常滞后于柴油机的发展，不能很好地满足柴油机的配套要求，一定程度上对我国柴油机和汽车的发展有一定制约作用。柴油机电控共轨式燃油喷射技术是一种全新现代微机控制技术，该系统对降低柴油机的排放有着最关键的作用，它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。该技术的主要特点是：1)采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀；2)采用共轨方式供油；3)高速电磁开关阀频响高，控制灵活；4)系统结构移植方便，适应范围宽。这一技术的研究与开发热点问题有：1)对高压共轨系统的恒高压密封的研究问题；2)对高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀的研究问题，3)对高压共轨系统的多MAP即三维控制数据表优化的研究问题；4)对微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术的研究问题等。在机械方面，对于电控高压共轨式喷射系统，国外开发商正在着眼于提高燃油喷射压力和精确性，以使燃油更充分燃烧，其中最高压力可达260Mpa。在高压油泵、油路，喷嘴的材料和加工过程上进行改进方法有：1)对泵轴及驱动系统进行专门设计以增强其刚度和硬度。2)减小喷油孔直径，该直径小于0．2ram，最小可达0．12mm和增加油孔数目。3)减小喷油提前角，增大燃烧室直径和提高压缩比。4)进一步减少零部件，因为较少的零部件意味着较少的管路、接头和振动。在电气方面，重点在于执行器和ECU的设计。国内对柴油机电控燃油喷射系统的研究起步较晚，在20世纪90年代才开始有几家单位研究，但呈后起直追之势，在控制理论、系统组成、关键零部件研究等方面取得了一些进展。由前述目前的状况可知，电控高压共轨式喷射系统是未来最有前景的控制系统，对于燃油喷射控制的原理，各种共轨喷射系统近期变化较小。可以说将来的柴油机燃油喷射系统将会是高喷射压力、喷油量及喷油定时可灵活控制、最佳喷油速率控制的这样的一个趋势，全电子控制的燃油喷射系统是实现燃油喷射过程柔性控制的必然趋势f1引。综合分析柴油机电控燃油喷射系统的研究历史和现状，柴油机电控喷射系统应将以下几点作为发展动向：1)使高压技术进一步发展。最根本的解决尾气排放达标问题办法是提高共轨压力。电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是喷射压力达180’200MPa，甚至出现了“超高压喷射”的概念。但相关研究也指出，在综合考虑油束贯穿距离足够大、压力提高值对燃烧改善效果较明显的前提下，最高喷射压力取l80MPa。2)喷孔L直径向更小化发展、响应时间更短化和功率消耗更低化从而提高关键部件的可靠性和寿命。由于喷射压力的提高，在电磁阀、喷油器的要求上相应提高，要求其响应速度快，高压稳定性好，同时可靠性好，使用时间长，这将都取决于零部件制造技术的发展。关键技术采用压电晶体喷油器而取代以前的电磁阀。3)共轨系统具有更好的经济性。柴油机电控高压共轨喷射系统的研究前景和趋势：大力研制新型智能型传感器，如研究更高精度和响应速度的传感器；新型喷油器的研究，控制精度和速度的提高，喷油器的加工难度的降低，喷油器寿命的加长；共轨燃油压力波动的控制和计算的研究，如持续恒压反馈控制的进一步深入研究和完善，最佳控制策略的研究，入反复多次喷射的控制技术以及通过控制压力调节喷油规律等161，安全保护与提高故障诊断及紧急运行能力的研究；研究整个喷射系统优化匹配；提高整个喷油系统的可靠性，降低制造成本；研究应用新材料和新的表面处理技术；提高喷油系统的耐久性等等。柴油机电控燃油喷射系统发展应加强研究的内容未来的柴油机燃油喷射装置将向着喷射压力高;喷油量及喷油正时可灵活控制;喷油速率可控制在最佳的方向发展,全电子控制的燃油喷射系统是实现燃油喷射过程柔性控制的必然趋势。综合分析国内外对柴油机电控燃油喷射系统的研究历史和现状,应在以下几方面进一步加强研究:(1)高速、强力电磁阀的研究开发;(2)高压转子式和直列式喷油泵原件的研究开发;(3)柴油机变工况下燃油流动压力波的计算与控制研究;(4)电控系统软、硬件的研究开发;(5)最佳喷油规律的研究;(6)电喷系统与柴油机优化匹配的研究;(7)新型及智能型传感器的研制;(8)安全保护与提高故障诊断及紧急运行能力的研究;(9)集成电喷系统、车辆其它电控系统及整车优化控制的研究。结论柴油机电控燃油喷射系统是一个动力机电一体化系统,仅通过电子学途径进行喷油定时和油量的实时优化不足以全面改善柴油机性能。只有按照机电一体化途径,同时变革柴油机的固有特性,才能开发出真正的高效低污染的电控柴油机。高压喷射系统的研究目标和方向(1)研究目标就燃油喷射控制原理而言,各种共轨喷射系统近期不会有大的变化。未来的柴油机燃油喷射系统将向着