系统柴油机高压共轨与传统燃油系统的比较与研究论文.docx

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系统柴油机高压共轨与传统燃油系统的比较与研究论文

【关键字】系统

本科毕业论文

题目名称：

柴油机高压共轨燃油系统

与保守燃油系统的比较研究

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班级学号：

指导教师：

二XX年

摘要

柴油机自诞生至今，其技术不断地在革新。

为了满足柴油机低排放、高性能的要求，高压共轨燃油系统应运而生。

本文介绍了柴油机燃油系统的发展过程和机械式燃油系统和共轨燃油系统的工作过程。

同时，在喷油压力、喷油定时、喷油速率的控制等方面指出共轨系统与机械式燃油系统存在的差异。

今后，随着排气后处理技术和空燃比控制技术的进步，不再以牺牲柴油机的高热效率为代价，就可生产出排放和噪声水平都接近或超过汽油车的柴油机汽车。

高压共轨系统被世界内燃机行业公认为20世纪三大突破之一，已成为21世纪柴油机燃油系统的主流。

关键词　柴油机共轨系统燃油系统

Abstract

Sincethebirthofdiesel,thetechnologyofwhichisbeingsteadilyimproved.Tomeettherequirementsofhighperformanceandlowemissionofthediesel,thehigh-pressurecommonrailfuelsystememergesasrequired.Thedevelopmentofthefuelsystemfordiesel、theofmechanicalfuelsystemandcommonrailfuelsystemareintroducedinthispaper.,itpointsoutthedifferencesbetweencommonrailsystemandmechanicalfuelsystemintermsof、andinjectionrate.

Inthefuture,withtheprogressofexhaustaftertreatmenttechnologyandair-fuelratiocontroltechnology,Nolongerregardsacrificingthehighthermalefficiencyofthedieselengineasthecost,itcanproduceemissionsandnoiselevelswhichareclosetoormorethangasolinecarsofdieselvehicles.Commonrailsystemisconsideredtobeoneofthethreeinthe20thcenturybytheworldinternalcombustionengineindustry,ithasbecomethemainflowofthedieselenginefuelsysteminthe21stcentury.

Keywords　Dieselengine，commonrailsystem,Fuelinjection

1引言

1.1柴油机的诞生

世界上第一台诞生于1893年的德国。

蒸汽机发明后，鲁道夫.狄塞尔（RUDOLFDIESEL）—一位德国皮革商的儿子，在慕尼黑技术大学上学时对“蒸汽机”表现出了极大的兴趣，在他34岁那年（1892）取得了把空气压进容器并且和煤粉充分混合直至被压燃而提供动力的机械装置的发明专利。

第2年，位于德国奥古斯堡的MAN公司根据这一专利制造出了世界上第一台的原型机，并取名叫‘狄塞尔（DIESEL）。

像所有的新生事物一样，狄塞尔发动机从诞生到不断完善经历了漫长的过程。

先生在他55岁那年不幸逝世了，没有能够见到他发明的发动机装在汽车上。

10年之后，MAN公司终于在柏林的汽车展览会上推出了第一台装在卡车上的狄塞尔发动机。

后来，设在曼海姆的奔驰公司制造出了带预燃室的狄塞尔发动机，并且把它装在了自己的卡车上。

直到1936年，也就是先生去世23年后，梅塞德斯——奔驰公司才制造出了第一台装有狄塞尔发动机的轿车。

　　直到今天，的英文名称仍然是DIESELENGINE—狄塞尔。

1.2柴油机燃油系统的发展历程

自第一台柴油机问世以来，在百余年的发展过程中，柴油机技术历经了三个重要的发展阶段：

第一阶段是20世纪20年代末用机械式喷油系统取代了原来的蓄压式供油系统；第二阶段是在20世纪50年代广泛采用增压技术，使功率提高30％—100％甚至更多，在高原缺氧地区也能大大提高动力性和加速性等性能指标，而且在改进了中间冷却技术后对赤道附近的热带地区也将更加适应；到了20世纪的80年代，柴油机发展到第三阶段，即微机电子控制技术蓬勃兴起，而且已成为柴油机电控技术发展的重要方向。

在第三个阶段发展过程中，柴油机还远不如汽油机的电控技术那样普及，但其发展趋势也已被许多人所认识。

在柴油机的发展过程中，人们逐渐认识到柴油机排放的严重性，从80年代以来HC，CO，NOX和颗粒物的排放量已经大大降低，满足当时所相应的排放法规的要求。

从1985年至今，NOX排放量降低了72％，同期CO排放量降低了85％．HC降低了81％，自1990年以来柴油机制造商将颗粒排放物（PM）降低了86％。

这些成就是通过柴油机技术的不断改进取得的，如废气涡轮增压技术、中冷技术、四气门技术、EGR技术、燃烧室设计优化和高喷射压力技术。

燃油系统是柴油机的核心部分，它的功用是：

在适当的时刻将一定数量的洁净柴油增压后以适当的规律喷入燃烧室。

喷油定时和喷油量各缸相同与柴油机运行工况相适应。

喷油压力、喷注雾化质量及其在燃烧室内的分布与燃烧室类型相适应。

在每一个工作循环内，各气缸均喷油一次，喷油次序与气缸工作顺序一致。

根据柴油机负荷的变化自动调节循环供油量，以保证柴油机稳定运转，尤其要稳定怠速，限制超速。

储存一定数量的柴油，保证汽车的最大续驶里程。

1.2.1保守机械式燃油系统

为了提高柴油机各种性能，柴油机燃油系统不断的被改进。

柴油机燃油系统的核心部件——高压喷油泵经历了从直列泵、分配泵、泵——喷油器系统、直到电子控制喷油系统的发展过程。

其中，直列泵、分配泵系统是机械式燃油系统的典型代表。

直列泵的结构特点是对应于一个发动机气缸应要有一组驱动、泵油和调节元件，然后由一个泵体把多组相同的元件组合起来，并在外部加装各种部件，以增加控制功能。

如调速器、自动提前器、增加烟度限制器等。

直列泵存在着体积大、精密偶件数目多、行程大、调整维修复杂等缺点，分配泵则是针对直列泵的缺点开发出来的，其结构特点是：

第一，只用一副精密偶件泵油，然后再将高压油依次分配到各气缸中去。

这种结构使得分配泵的体积和重量大大降低。

尤其是分配泵调速器的微型化，使得长度方向的尺寸缩短较为显著，而该尺寸对紧凑型小缸径多缸柴油机是至关重要的。

其次，由分配泵把输油泵、提前器，调速器等都集中在一个泵体内，为柴油机的总体布置带来方便。

1.2.2柴油机增压技术

为了提高柴油机的功率，在20世纪50年代产生了增压技术。

柴油机增压技术是在进气管前上加装一个压气机，将新鲜空气加压后送入汽缸，使气缸内空气密度增大，进而可以增加喷油量。

柴油机采用增压技术后，不仅提高了柴油机的输出功率，降低了燃油消耗，并且大大降低了柴油机排气中有害气体的排放。

按照压气机的驱动方式不同，增压系统可分为：

机械增压系统、废气涡轮增压系统和二级增压系统等多种形式。

使用最为广泛的是废气涡轮增压系统。

1.2.3中冷技术

涡轮中冷增压是80年代后期在柴油机上广泛运用的新技术。

此项技术装置由涡轮增压器和中冷器组成。

它利用排气中的剩余能量驱动涡轮增压器旋转，对空气滤清器中吸入的空气进行压缩增压．并送入发动机进气管中，使进入气缸的空气总量增加。

而中冷器的作用是带走由于压缩空气和摩擦所产生的热量，进一步增加了进入燃烧室里的空气密度。

1.2.4燃油喷射系统

1.2.4.1电控技术产生背景

柴油机的特点是功率高、扭矩大，这是汽油机无法相比的。

但是，柴油机对雾化质量有着特殊的要求，它是利用高压喷油实现燃烧充分，使排放烟度符合排放标准。

在柴油机上，燃油喷射系统是保障高压喷油的核心部件，而传统的机械式燃油喷射系统存在着严重的缺陷和不足。

作为喷射系统心脏的柱塞式喷油泵在工作中采用柱塞脉动式供油方式，导致进一步提高柴油喷射压力受到限制；同时由于喷油泵结构复杂，在机械式调速器和供油提前装置的自动调节过程中不可避免地出现磨损和惯性冲击等，使油量调节受到影响、提前供油受到限制，造成动力性和经济性下降以及排放烟度、噪声和耐久性受到影响。

微电子技术、机电一体化技术及其它相关技术共同发展的过程带动了柴油机燃油喷射系统的变革：

从机械供油装置的改进逐步发展到电控燃油喷射系统，继而发展到柴油机电子控制技术。

纵观目前的柴油机电子控制技术，主要表现在三个方面，即电控燃油喷射系统、数控电子调速器和电控变截面涡轮增压器。

虽然种类繁多，但其组成均由四部分组成，即被控对象柴油机有关零部件、各种传感器、电控单元（ECU，即ElectronicControlUnit）和执行器，它们共同构成了闭环反馈控制系统。

在柴油机工作中的反馈控制即是电子控制技术的具体体现，其核心是电控燃油喷射系统。

1.2.4.2柴油机自动控制技术的功能

在柴油机高速发展的过程中，机械式控制系统已经不能满足柴油机的需求。

为了提高柴油机的性能，自动控制技术应运而生。

（1）具有多功能的自动调节性能

工程机械用柴油机的运转工况是多变的，而且对油耗、排放和可靠性等要求较高。

自动控制技术应用于柴油机的调节系统正好可以实现多功能的自动调节，从而保证柴油机动力性、燃料使用经济性、可靠性和操作方便性等性能充分发挥。

（2）减轻质量、缩小尺寸、提高柴油机的紧凑性

对于现代高速柴油机而言，由于驱动喷油泵的扭矩较大，要设计一个紧凑和可靠的供油提前自动调节器很复杂，而且在柴油机总体布置上也比较困难。

采用自动控制技术解决供油提前角自动调节问题，不仅可以容易地解决上述难题，而且提高了柴油机的紧凑性。

（3）部件安装连接方便，提高了维修性

采用自动控制系统，相关部件尺寸减小特别是燃油供给系统，安装部位免受空间位置的约束，连接简便，有利于柴油机日常维护及修理。

（4）扩展了故障诊断、联络等功能

采用自动控制系统，可方便地与微型计算机相连，很容易实现柴油机性能检测与故障诊断功能，柴油机运行及检测数据的存储与传递等问题也迎刃而解，便于科学管理和使用。

（5）使柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配

随着工程机械制造技术高速发展，为了提高自行式工程机械的作业效能，采用了电喷柴油机，电控自动变速器等自动控制装置，使自行式工程机械在作业时，能随着负荷的变化在一定范围内自动调整动力输出、动力传递，柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配，充分发挥工程机械作业效能。

1.2.4.3电控燃油系统的组成、特点

柴油机电控系统组成：

（1）信号的采集和输入部分。

通常有若干个具有相同功能或不同功能的传感器和信号调理电路组成。

（2）电控单元。

它负责对各种传感器信号进行分析处理，通过其内算法，向被控单元输出控制信号。

（3）执行器。

它是ECU与柴油机的接口，接受ECU的控制信号以改变柴油机的状态。

在柴油机电控系统组成方面，提高电控发动机的控制精度将会被更多的科研机构放到重要的位置，主要从两方面入手，即采集信号的精确度和处理信号的精确度。

因而研究柴油机电控控制精度的提高也是今后一个重要方向。

柴油发动机电控技术有两个明显的特点：

一是其技术难点就在柴油喷射电控执行器上；二是柴油电控喷射系统的多样化。

柴油发动机在机械控制时代，就已经有了直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸（体）泵等结构完全不同的系统，每个系统各有其特点和适用范围，每种系统中又有多种不同结构。

实施电控技术的执行机构比较复杂，因而在此方面也可进行新的探索研究。

1.2.4.4柴油机电控燃油系统的历程

根据电子控制的对象不同和应用的时间先后，将柴油机电子控制系统分成以下几种。

（1）过滤型电子控制系统

之所以称这些系统为过滤型电子控制系统，是因为这几种系统是采用传统的机械式喷油泵的压油、喷油机构而工作，仅以电子执行机构等替代机械式的调速器或提前器。

1）采用模拟电路控制的燃油系统

最初投入使用的柴油机电子控制系统始于20世纪70年代，采用模拟电子控制回路，传感器和执行器代替控制喷油量的调速器。

其基本构成是：

采用电磁执行器控制喷油泵的调节齿杆，由传感器检出调节齿杆的位移，通过反馈电子系统把调节齿杆的位移作为目标喷油量进行控制。

电子回路中控制发动机的基本信号有油门位置和发动机的实际转速。

该类控制方式是根据目标控制特性由电子控制回路计算出调节齿杆的目标位移，输入了目标齿杆位移电压的电子伺服机构，可以将调节齿杆的位移精确地控制在目标位置上，得到目标转速特性，但该系统设计的自由度有一定的局限。

2）采用计算机控制的燃油系统

该控制方式的原理：

预先将能够使发动机性能达到最佳的调速器特性曲线图输入到计算机的存储器中，根据油门开度和发动机转速从存储器中计算出目标位置，实现精确控制。

这是一种最基本的、最有效的技术方法。

这种方法已能够圆满地解决20世纪80年代提出的噪声、排气净化的要求。

3）喷油定时的电子控制系统

该类控制是利用电子油压伺服机构代替机械系统中的飞锤，通过计算机的计算结果控制喷油定时。

工作原理：

由传感器检测出发动机转速和喷油泵调节齿杆的位移，从数据存储器中计算出目标提前器相位，通过油压回路的动作，产生相应的提前角，电子提前器可以得到比较理想的喷油定时控制特性。

4）综合电子控制系统

该系统采用一个电子控制系统，同时控制喷油量和喷油定时，将调速器控制和喷油定时控制有机地结合起来，控制精度更高，控制自由度更大。

根据油门开度和发动机转速确定最佳喷油量的同时，还将喷油量和水温、转速等参数的相互关系加以考虑，计算出最佳的喷油定时，加以控制。

5）电磁阀控制的燃油系统

该系统根据电流的通电或断电，使油压回路接通或切断，该系统的特点是：

计算机控制对象只是接通或断开电磁阀，控制方式从位置控制变成了时间控制。

但其控制精度不仅取决于电磁阀的响应特性，而且与基准凸轮位置的检测精度、转速的检测精度和速度、计算机的演算精度和速度都有很大关系。

（2）共轨式燃油系统

共轨式燃油系统于20世纪90年代中后期进入实用化阶段。

其原理是：

由发动机驱动的高压供油泵将柴油加压后供人共轨内，共轨内柴油压力可维持在130—l60MPa范围内。

形成高压的柴油经喷油嘴喷射到相应的气缸内。

喷油器是由计算机单独控制的。

2传统机械燃油喷射系统组成、工作过程

2.1组成

传统机械式燃油喷射系统主要包括：

油箱、低压输油泵，燃油滤清器，高压燃油泵，喷油嘴以及油管等组成。

各部分功能依次是：

喷油泵的功能是将柴油进行加压、计量，并按照一定的次序将柴油供人到各个气缸对应的喷油器中。

调速器的功能是根据发动机的转速变化，在一定范围内，通过飞锤等感应元件产生的离心力的变化，再通过机械杠杆和弹簧的作用，使发动机转速保持在设定范围，并能按照驾驶员的意愿调节喷油量。

提前器的功能是根据发动机转速的变化，自动改变喷油泵供油提前角度。

输油泵的作用是将油箱中的油吸出，压入到喷油泵的低压腔，保证低压腔中充满油并保持一定压力。

高压油管是无缝钢管，将喷油泵中的高压燃油送人喷油嘴中。

喷油器的作用是将由高压油管送来的高压柴油按设定的压力、方向，以理想的雾状喷向气缸。

滤清器的作用是将柴油中的杂物滤去，保证柴油清洁。

回油管的作用是将多余的柴油送回油箱。

2.2工作过程

如图1，工作过程是：

直列柱塞式喷油泵由柴油机曲轴的定时齿轮驱动。

固定在喷油泵体上的活塞式输油泵由喷油泵的凸轮轴驱动。

当柴油机工作时，输油泵从柴油箱吸出柴油，经油水分离器除去柴油中的水分，再经过柴油滤清器滤除柴油中的杂质，然后送入喷油泵。

在喷油泵内柴油经过增压和计量之后，经高压油管供入喷油器，最后通过喷油器喷入燃烧室。

喷油泵前端装有喷油提前器，后端与调速器组成一体。

输油泵供给的多余柴油及喷油器顶部的回油均经回油管返回柴油箱。

发动机给喷油泵提供动力，发动机曲轴每旋转两圈各缸各做功一次，喷油泵旋转一圈，对各缸各进行一次燃油喷射。

这样来看，喷油泵喷油的大体时刻就由发动机间接的控制。

并且柴油机供油压力随发动机转速的变化较大。

具有VE型分配式喷油泵的柴油机燃油系统，它的工作过程是：

当柴油机工作时，一级输油泵将柴油从柴油箱吸出，经油水分离器及柴油滤清器，将其送入二级输油泵，柴油在二级输油泵中加压后充入密闭的分配式喷油泵体内，再经分配式喷油泵增压计量后进入喷油器。

一级输油泵为膜片式泵，由配气机构的凸轮轴驱动。

二级输油泵为滑片式泵，装在分配式喷油泵体内，并由分配式喷油泵的传动轴驱动。

3柴油机高压共轨燃油系统

柴油机共轨式电控燃油喷射系统采用共轨油道控制油压，同汽油机电控喷射系统有许多相似之处；但其工作压力相差l0～30倍，这是因为柴油机需要特殊的高压喷油才能利于雾化而充分燃烧。

由于共轨油道中的高压要求，随之带来的高压密封要求、强度要求、快速响应动作要求也较难解决。

目前美国BKM公司研制的中压共轨式电控燃油喷射系统（又叫共轨蓄压式电控燃油喷射系统），其输油泵工作压力可降到2～10MPa之间；其关键技术是采用了蓄压式喷油器，实现低压共轨、高压喷射。

该种喷射系统对强度和密封性要求较低，但在工作中平均有效压力偏低，不利于柴油雾化和空气混合，使微粒排放有所增加，影响排放质量；特别是柴油喷出过程中，蓄压室内开始压力高而后其压力逐渐降低，使喷油速率越来越低，不符合先缓后急的喷油燃烧规律。

3.1共轨技术的发展过程

电控共轨燃油喷射技术首先在20世纪40年代航空发动机上应用，在20世纪50年代赛车发动机上广泛应用。

20世纪90年代，柴油机的电控供油系统开始在实际应用中大量使用。

主要的应用系统有日本电装公司、丰田汽车公司ECD-U2系统和博世公司、D-C公司电控共轨式燃油系统。

共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。

ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。

共轨喷射的发展阶段大体经历了以下三个阶段：

表1-1共轨发展阶段

发展阶段

第一代

第二代

第三代

最高喷射压力（MPa）

135～140

160

180

喷射次数（次）

1～2

1～4

1～5

最小稳定喷射量（mm3）

2～3

1～2

1

从上表中可以看出：

共轨喷射的最高喷射压力在不断的提高，这样对于燃油喷射的效果起着重要的意义，压力越高，燃料雾化的越好，颗粒越小越均匀，燃烧越充分，经济性动力性和排放性均好，但是这也对喷射系统的要求越高；喷射的次数也是在不断的增加，可以实现满足发动机燃烧和排放的多次喷射，可以控制燃烧的不同阶段的喷油量和喷油的速率，适应工况的需求，使热效率提高；在最小稳定喷射量上，三个阶段的每次的喷射量在下降，这说明每次喷射时候可以使喷射的更均匀，更细密，喷油和断油更干脆，反应灵敏，响应特性好，这样有利于燃烧，减少积碳的产生。

3.2共轨电控喷射系统两大代表

柴油机电子控制燃油系统经历了三个发展历程。

凸轮压油+位置控制，称之为第一代柴油机电控燃油系统，第二代是凸轮压油+电磁阀时间控制，第三代是燃油蓄压+电磁阀时间控制。

高压共轨、中压共轨技术是共轨电控喷射系统的两大代表。

3.2.1高压共轨

前两代电控方式虽然有了很大的进步，但是有一个无法克服的缺点，即其燃油压力受柴油机转速的影响。

与前两代喷油系统相比，共轨电控燃油喷射系统是一种理想的燃油喷射系统。

这种系统抛弃了传统的脉动供油原理，不再采用传统的柱塞泵脉动供油，油泵的作用是为一个公共的蓄压室（共轨）建立压力，该压力作用到每一个电控喷油器上。

高速电磁阀控制喷油器的开启，以实现每一次喷油控制；喷油压力、喷油量以及喷油定时都可由ECU灵活控制；喷油速率也可通过对喷油器内部结构的特殊设计，或者通过高速电磁阀的多次动作而自由选择或灵活控制。

图2是其典型的结构图。

高压共轨系统是如今各个公司和研究机构研究的热点，高压共轨电控燃油喷射系统是一个严格的时间控制系统，必须精确控制喷油器电磁阀的工作过程。

以实现灵活的喷油规律控制，这是高压共轨控制的核心，也是难点之一。

高压共轨燃油喷射系统最具代表的有意大利菲亚特集团的Unijet系统、德国BoSCH公司的CR系统和日本电装公司的ECD—U2系统。

最有名的是德国B0SCH公司开发的高压共轨燃油喷射系统，见图3。

其高压油泵为带有电控压力调节器的径向柱塞泵，将柴油以高压送到蓄压器即共轨内，发动机每缸都用一个独立的高速电磁阀来控制喷油器的工作，每一喷油器通过各自的一根高压油管连到共轨轨道上，系统内的油压由电控回路控制高压油泵可以实现部分停缸控制，这样可以节省低压时油泵的功率消耗，其共轨油压可以在l5～140MPa之间自由调节，而喷射时的最高油压可达l20一l50MPa。

喷油器的电磁阀为二位二通阀，其开启和关闭时间之和不超过O.27ms。

该系统成功地实现r低的初始喷油率、预喷射和多次喷射。

¨日本电装公司的ECD-U2系统（图3）也是一种高压共轨电控燃油喷射系统。

该系统建立在新的供油概念基础之上，其特点是有广泛的控制自由度，且不会损害发动机基本性能。

通过电磁三通阀控制，可以自由调节喷油压力（共轨压力控制）、喷油量、喷油率形状以及喷油定时。

而且凸轮每转一圈柱塞往复3次，所以，起动时共轨油压上升很快，保证发动机快速起动，高压油泵供油量通过燃油压力传感器、ECU、电磁三通阀来计量。

喷油压力可达到120MPa，喷油定时为柔性调节，通过选择喷油器内节流孔径尺寸和共用管压力，可以改变喷油率图形。

这些对改善燃油经济性、排放性能和低速特性都有明显效果。

德国3家著名汽车公司BENZ、BMW、AUDI几乎同时开发的大型V8柴油机，均采用BoSCH的高压共轨燃油喷射系统。

其中BMW的ALPINAD10柴油机的喷射压力高达160MPa，该型号柴油机为BMW5系列提供动力，之后还将配备于BMW3系列，它在动力性和排放方面都达到了前所未有的高水准。

3.2.2中压共轨电控燃油喷射系统

对于高压共轨燃油喷射系统，从高压油泵到喷油器的针阀，整个系统都处于持续高压作用之下，因此系统的密封要求极其严格，有时由于泄漏还会带来安全问题，这是高压共轨燃油喷射系统较难解决的问题。

与高压共轨燃油喷射系统相对应，还有一种中压共轨燃油喷射系统，即共轨中的最高压力处于10-20MPa之间，高压喷射压力则通过喷油器中的液压放大活塞来实现，可达到足够大的压力。

在该类型中，美国BKM公司的Servojet系统是蓄压共轨电控燃油喷射系统的典型，如图4所示。

该系统主要由输油泵、压力调节器、燃油供油轨、高速电磁阀、油压增压器、蓄压式喷油器、电子控制器（ECU）、传感器等组成。

该系统工作原理是：

输油泵向共轨提供中压燃油，利用喷油器中的增压活塞使中压燃油的压力进一步提高。

通过调节共轨压力可控制最高喷射压力和喷油量。

当电磁阀通电时，回油通道关闭，共轨燃油进入增压