1.2 高压共轨喷油系统的研究现状

1.2.1 高压共轨喷油系统国外研究现状

20世纪60年代末期，Robert Huber发明了原始的高压共轨喷油系统。瑞士

工业大学的MarcoGanser和Ganser Hydromag公司对原始的高压共轨喷油系

统进一步改进后，形成了现代的高压共轨喷油系统。20世纪80年代初期，因面临财政困难，意大利Fiat公司只好将其成功开发（但未能进一步改良和完善）的高压共轨燃油喷射技术出售给德国的Bosch公司。经过10多年改进和完善，Bosch公司为高压共轨喷油系统大规模生产奠定了基础。1997年Bosch公司将高压共轨喷油系统应用到阿尔法156轿车和梅赛德斯奔驰C220轿车上。1995年，Denso公司宣布第1代商用高压共轨喷油系统诞生，并将成功研制的ECDU2共轨燃油喷射系统安装在日野卡车上进行公开销售。2000年，美国Delphi公司收购了Lucas公司的柴油系统及相关售后市场业务后，一跃成为世界第二大柴油

喷射系统供应商。2007年，Continental公司收购了SiemensVDO后，其高压共

轨喷油系统也取得了进一步的发展。

为满足欧Ⅳ及其以上排放标准和达到节能要求，电控高压共轨喷油系统已成为新一代绿色高效的柴油机开发和广泛使用的必然选择，因此，柴油机电控共轨系统的市场十分巨大。为此，国外许多著名的汽车电控产品制造商（如Bosch公

司、Delphi公司、Denso公司和Continental公司等）对高压共轨喷油系统系列

产品进行了广泛的研究，均已成功推出各自的产品^[8，13]。

1.2.2 高压共轨燃油喷射技术国内研究现状

我国对高压共轨燃油喷射技术的研究起步较晚，许多高校、企业以及科研所在高压共轨燃油喷射的一些关键技术进行了较广泛深入的研究，并取得了一些阶段性成果。

1.高压共轨燃油喷射关键零部件研究概述

已有的国内文献检索表明，高压共轨喷油系统关键零部件研究主要包括现代设计理论与方法、数值模拟与分析和试验分析等3方面。文献[14]采用高次方函数凸轮模型和液固耦合模型对不同结构的柱塞偶件径向间隙和燃油泄漏量的影响进行了对比分析，结果表明柔性可变截面柱塞在减少柱塞偶件的径向间隙和燃油泄漏量方面比其他设计方案更有效。文献[15]通过对比分析常用共轨系统的高压油泵的组成、结构和性能，得到了可对实际设计提供指导意义的高压油泵的设计指标和参数。文献[16]研究了柱塞偶件的变形补偿技术，研究结果表明，随着高压共轨压力提高，高压泵容积效率将显著地提高。文献[17]对新型共轨用高压油泵性能特性试验研究，系统地研究了共轨用高压油泵的泄漏与密封问题。文献[18]主要针对共轨用高压油泵的性能特性和高压共轨系统关键技术所存在的问题进行了研究分析。文献[19]在分析多分支共轨管贴体网格的基础上对多分支计算模型在高压共轨喷油系统中的应用情况进行了研究，其研究结果为高压共轨喷油系统与柴油机进气、燃烧系统的优化匹配提供了决策支持作用。文

献[20]兼顾实时性和准确性，利用MATLAB的SIMULINK和STATEFLOW

工具箱建立了发动机、传感器、控制器和执行器等模型，为高压共轨喷油系统故障自诊断系统提供了良好的仿真研发平台。

2.整套高压共轨喷油系统研究概述

上海交通大学卓斌等人在Denso公司的ECDU2系统的技术基础上成功研发了GD1高压共轨喷油系统，并将其应用到YC6110型柴油机上，于2005年12月装车运行试验成功^[21，23]，2007年5月玉柴Yc6L40新型国4电控柴油发动机在北京公交动力竞标中一举成功，玉柴国4动力已装配中国客车进入北京公交市场，成为2008年北京奥运会专用车队^[24]。一汽集团无锡油泵油嘴研究所与江苏大学合作建立了共轨蓄压式喷射系统的数学模型，并进行了数值模拟计算，推出了自行研制开发的蓄压增压式共轨喷射系统；一汽集团无锡油泵油嘴研究所还联合浙江大学开发了最高轨压可达160MPa，最小喷油时间间隔为0.6ms（轨压为50MPa时）的FCRS共轨系统，并在公交车柴油机中进行了小批量试用^[25]。为克服蓄压式电控燃油喷射系统在预喷射和快速断油功能使平均有效喷射压力等方面的缺点，天津大学开发了蓄压式共轨燃油喷射系统———PAIRCUI^[26]。贵杭集团红林机械厂全面引进美国BKM公司的技术，现能够批量生产中压高速电磁阀和斜盘柱塞式喷油泵；贵州柴油机厂进行过6135柴油机配装Servojet系统的配机试验，试验证明可有效地改善柴油机的经济性和排放指标；2005年，云内动力股份有限公司和昆明理工大学合作研发，已完成高压共轨喷油系统的初步匹配和标定工作^[27]。辽阳新风企业集团引进CRT共轨技术公司和BSG公司的高压共轨技术，研发并获得了能适应国产柴油机欧Ⅲ及其以上排放要求的共轨技术^[28]。“十一五”期间，我国电控燃油喷射系统的资源情况大致如表1.2所示^[29]。

表1.2

“十一五”期间我国电控燃油喷射系统的资源情况

序号

系统

主要生产或研发单位

主要配套用途

备注

主要的国内资源（拥有我国自主知识产权）

续表

序号

系统

主要生产或研发单位

主要配套用途

备注

主要的国内资源（拥有我国自主知识产权）

资源或技术

1.2.3 高压共轨喷油喷射系统的关键技术

高压共轨喷油系统集机械、液力和电磁于一体，是一个各种参数复杂作用、各种因素相互影响制约的控制系统———高压油泵为高、低压燃油的接口，电控喷油器为燃油进入柴油机燃烧室的必经之路，共轨管为高压共轨喷油系统中高压燃油的储存器和分配器，可利用共轨管容积抑制来自高压油泵和电控喷油器的压力波动，维持高压燃油离开共轨管喷射时共轨管中压力基本恒定，以确保燃油喷射的雾化效果。

因此，高压共轨喷油系统关键技术主要有：（1）高压共轨系统的优化设计技术。

（2）高压共轨系统零部件加工关键技术。

（3）高压共轨系统的的优化匹配和标定关键技术。（4）高压共轨系统控制关键技术。

其中，高压共轨系统的优化设计技术是高压共轨技术快速发展的前提，高压共轨系统零部件加工关键技术是自主开发高压共轨系统的基础，高压共轨系统的的优化匹配和标定关键技术是高压共轨系统实用化的必由之路，高压共轨系统控制关键技术则是高压共轨系统研发与应用的灵魂。

1.2.4 高压共轨喷油系统的发展潜力

高压共轨喷油系统被世界内燃机行业公认为20世纪的三大突破之一，为目前最有发展潜力的喷射系统，也是未来柴油机喷射系统发展的趋势和主流，因为高压共轨喷油系统具备近乎完美的喷油特性^[1]：

（1）平均有效喷射压力高，可在较大程度上改善空气与燃油的混合和燃烧过程。

（2）喷油定时完全由电磁阀的开启决定，而电磁阀的通电时刻和通电时间间隔是以脉冲形式发出的，故可实现独立地柔性灵活控制，配合高的喷射压力（120～200MPa），可同时控制 NO_x和PM排放在较小的数值内，以满足排放要求。

（3）通过电磁阀的多次通电容易实现预喷、后喷和多次喷射，可降低柴油机的噪声和NO_x排放。

（4）该系统中喷射压力的控制和喷油过程的控制互不关联。

（5）喷油压力的形成和油量计量在时间、位置和功能方面分开了，喷油压力独立于发动机转速，即在宽广的转速范围内均可实现高压喷射，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。

（6）系统直接控制针阀运动，所以可通过对高压共轨喷油器内部结构参数的调整，自由方便地调节喷油率形状，实现理想喷油规律，保证优良的动力性和经济性。

（7）在柴油机运转范围内，采用电磁阀控制喷油，可改善柴油机各缸供油的均匀性，确保循环喷油量变化幅度较小，整体控制精度较高，且高压油路中不易出现气泡和残压为零的现象，可减轻柴油机的振动和降低有害气体排放。

（8）高压共轨喷油系统可很容易嵌入柴油机的其他系统，并能很好地实现性能匹配。

总之，高压共轨喷油系统可以自由调节喷油压力，自由调节喷油量，自由调节喷油率形状，自由调节喷油定时。其在满足要求方面没有约束，自由度高，能够满足未来新型高速柴油机的多方面全自控的要求。

不断发展的高压共轨燃油喷射电控系统技术现已成为柴油机电控技术的主要发展方向^[30]，其趋势主要表现为：

（1）高压喷射技术开发。目前喷油压力越来越高，现有的喷油压力可达到160MPa，而且一些科研机构还在研发喷油压力可达200MPa以上的高压共轨系统。

（2）喷油规律柔性控制技术。为使喷油过程实现最佳，可采用压电式喷油器驱动执行器代替电磁式喷油器驱动执行器作为多次喷射技术的执行机构对喷油规律进行柔性控制。

（3）超细微喷射技术。由于减小油粒粒径有利于柴油机油气混合均匀性和燃烧质量的提高，因此，可实现超细微喷射的μSAC闭式超细微喷嘴越来越成为超细微喷射技术发展的重要方向。

（4）油品适应性增强技术。柴油组成成分的不同以及代用燃料技术的飞速发展客观上要求燃油系统具备广泛的油品适应能力。