1.1 柴油机燃油喷射系统的发展

1.1.1 柴油机燃油喷射系统主要发展阶段

自从1892年狄塞尔发明柴油机后，由于当时科技水平限制，没有找到合适的燃油供给系统，在接下来的30年里没有实质性的进展。20世纪20年代末期Bosch公司为解决燃油供给问题，研制了柴油机用直列式合成泵，从而使得柴油机技术飞速发展，同时也使柴油机在人们的生产和生活中日益普及。然而20世纪70年后的石油危机和柴油机排放污染事件，使柴油机技术的进一步发展既面临新的发展机遇，又面临新的挑战^[4—6]。柴油机燃油喷射系统的发展主要经历了4个阶段：

（1）1892—1927年，早期的柴油机采用空气喷射系统，即用7MPa的压缩空气将燃油吹入气缸中。

（2）1927—1970年，此阶段柴油机采用机械喷射系统，该系统主要由机械的喷油泵和喷油器组成，由于机械调速器和机械喷油提前器的控制精度低，反应不灵敏，这些机械装置虽然也实现了对影响柴油机经济性和排放指标的主要参数的控制，但控制效果始终不能令人满意^[2]。因此，传统的机械式调控机构很难满足柴油机进一步改善性能和降低排放的要求，即使其进一步复杂化也很难甚至不能实现高精度控制。

（3）1970—1995年，出现了常规电控燃油喷射系统，其特点是控制精度高，控制自由度大，控制功能齐全，可实现燃油喷射系统喷射特性（喷油压力、喷油量、喷射正时和喷油率）随柴油机工况变化的动态优化，极大地降低了柴油机的有害排放物，改善了其经济性。

（4）1995年以来，研制出的一种如图1.1所示的全新燃油喷射系统———电控共轨燃油喷射系统，其特点是柴油机的实际运行状态可通过传感器得到检测，经数据处理后由相应执行器对喷油时间、喷油率和喷油量实现最佳控制，同时通过调整进入共轨管中的燃油量实现对共轨管内的压力控制。

1.1.2 柴油机电控燃油喷射系统的发展

国外柴油机电控燃油喷射系统已先后推出了3代产品^[1]，如表1.1所示。

图1.1 电控共轨燃油喷射系统

展

发

统

系

射

喷

油

燃

控

电

机

油

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外

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1

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表

表

续

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续

从20世纪70年代开发，到20世纪80年代实用的以位置控制为主的电控燃油喷射系统属于第一代产品，它只需用电控泵及其控制部件代替原有的机械式柱塞泵就成为电控系统，几乎不用改动柴油机结构，使控制精度和响应速度得以提高，故生产继承性好，但控制的灵活性及瞬态控制效果不够理想，无法有效控制喷油压力和喷油率。比较成熟的产品有：①分配泵基础上改进。如德国博世公司的EDCCOVEC系统和日本电装公司的ECD Ⅵ系统等。②在直列泵上实施位

置控制。如日本Zexel公司的COPEC系统和TICS系统等。

这些产品具有的特点：①或者通过比例电磁铁或直流电机来控制齿条或滑套的位置，并用位置传感器作为反馈信号，实现对喷油量的控制；②或者通过对原来的喷油提前器进行改进，采用电液伺服机构控制喷油器活塞的位置，实现喷油定时的控制。

20世纪90年代，陆续出现了时间控制式的第二代电控喷射系统和压力时间控制式的第三代电控喷射系统。时间控制式喷射系统改变了传统喷射系统的一些机械结构，利用柱塞泵可承载高压的特性提供高的供油压力，利用高速、强力电磁溢流阀直接控制喷油始点和喷油量，具有直接控制和响应快的优点，可达很高的喷油压力，但无法实现喷油压力的灵活调节以及喷油率的灵活控制。时间控制式喷射系统典型有：日本Zexel公司的 Model1分配泵系统、日本Denso公司

的ECD V3分配泵系统、美国Stanadyne公司的DS、RS分配泵系统、美国底

特律公司的DDEC系统和英国Lucas公司的EUI系统等。

与位置控制系统和时间控制系统相比，压力时间控制式电控喷射系统完全摆脱原有的喷油泵—高压油管—喷油嘴系统结构，将计算机控制技术、现代传感检测技术、高速电磁阀技术融入先进的喷油机构之中所开发出的一种全新的电控喷射系统，控制喷油器喷射的开始和终止可通过电磁阀来实现：喷油定时决定于电磁阀作用时刻，而喷油量则由作用持续时间和共轨压力共同决定。与传统的柱塞泵采用分缸脉动供油原理不同，该全新的电控喷射系统采用压力—时间式燃油计量原理，并通过公共油道油压的连续控制和各缸喷射过程的电磁阀控制相结合方式实现喷油控制，因此称为压力时间控制式电控喷射系统，又称为电控共轨式喷射系统。该系统根据柴油机运行工况的不同不仅可以适时地控制喷油量和喷油正时，而且还可以控制过去所不能控制的喷射压力及喷油率，系统控制自由度及控制精度都得到了大幅度的提高。共轨喷射系统可分为中压共轨喷射系统和高压共轨喷射系统。这两种系统喷油控制的基本原理一致，但喷油器结构不同。中压共轨喷射系统的喷油器中增加了压力放大环节，结构复杂。典型的有美国Caterpil-lar公司研制的HEUI系统和美国BKM公司开发的Servojet系统。在高压共轨喷射系统方面，日本电装（Nippondenso）公司开发了适用于中型柴油机的ECDU2高压共轨喷射系统（如图1.2所示），与日野J08C柴油机匹配成功后，又与五十铃公司 HK系列柴油机匹配成功，至2001年月/产量达2000台以上；1997年，世界上第一台采用Unijet高压共轨喷射系统在意大利Fiat集团成功研发，并在阿尔法156汽车上得到了试用。2003年，Fiat研制成功第2代JTD16气门多重喷射柴油发动机；德国Bosch公司开发的高压共轨喷射系统第一代于1997年7月批量投放市场，第2代于2000年开始批量生产，而高压共轨喷油系统第3代产品目前已能严格满足欧Ⅳ排放标准。

图1.2 电装公司的ECDU2共轨系统

目前，德国博世（Bosch）公司正在将同轴可变喷嘴及压力扩大器技术直接用来研制的高压共轨喷射系统第4代产品（如图1.3所示），相信不久以后最高喷射压力超过200MPa的高压共轨喷射系统将成为实际应用的产品。此外，德国博世（Bosch）公司在Fiat公司Unijet系统基础上研究开发的主要用于轿车上的

CR系统（如图1.4所示），与BENZ、VW、BMW等公司产品成功匹配后，目

前CR系统年产量超过100万台，并开发出从小功率到中功率的系列产品。此外，英国Lucas公司及美国Stanadyne公司也都开发出各自的高压共轨电控喷射系统。

与国外对柴油机电控高压共轨喷油系统的研究相比，国内在该领域研究起步相对较晚，尽管在控制理论、系统组成和关键零部件研究等方面已取得了很大进展，但对高压共轨喷油系统的研究还很少，也还未形成规模化生产。其主要原因为：①国内规模化汽车企业核心技术为外资方所掌握，国内具有自主知识产权的图1.3 博世（Bosch）公司共轨燃油喷射系统

1—空气质量流量计；2—电控单元；3—高压油泵；4—共轨管；5—电控喷油器；6—曲轴位置传感器；7—冷却水温度传感器；8—燃油滤清器；9—油门踏板位置传感器

图1.4 博世（Bosch）公司开发的CR系统

高压共轨喷油系统系列产品很难融入外资厂商所提供的配套体系中；②高压共轨喷油系统进口产品进入中国市场的门槛降低，同时又具有强大的信息化和智能化系统，这必然会给国内弱小高压共轨喷油系统产业带来残酷的竞争和巨大的冲击。