摘要：随着排放法规的日益严格和柴油机电控技术的不断进步，高压共轨燃油喷射系统作为一种高度柔性控制的燃油喷射系统，以其显著的优越性，已经成为现代柴油机技术的发展趋势之一。详细介绍了电控高压共轨燃油喷射系统的工作原理、组成和特点，概括了国内外的研究现状，并给出了今后的发展方向。
关键词：柴油机；燃油喷射系统；高压共轨；发展趋势
0 前言
能源危机和环境污染问题以及世界各国日益严格的排放法规促使人们进一步改善柴油机的燃烧过程，而影响燃烧过程的关键是燃油喷射系统的性能。电控高压共轨燃油喷射系统通过各种传感器检测出发动机的实际运行状况，由计算机计算和处理，可以精确、柔性地控制柴油机喷油量、喷油定时和喷射压力，与传统的喷射技术相比，进一步降低了燃油消耗和排放，增强了动力性能，实现了柴油机综合性能的又一次飞跃[1]。这种技术的典型代表有日本电装公司、BOSCH 公司等，国内也有一些科研院所在这方面做了很多工作，并取得了一定的成果。
1 电控高压共轨燃油喷射系统的工作原理
燃油由发动机凸轮轴驱动的机械输油泵经滤清器从油箱中吸出， 通过电子切断阀进入高压泵，此时压力约为0.5 MPa。然后，燃油分为两路，一路作为冷却油通过高压供油泵的凸轮轴室进入压力调节阀后流回油箱，另一路充入高压供油泵，燃油压力上升至135 MPa 或更高后供入共轨。共轨上有一个压力传感器和一个压力调节阀， 用来调节电控单元设定的共轨压力。高压燃油从共轨流入喷油器后又分为两路，一路直接喷入燃烧室，另一路在喷油期间， 与针阀导向部分和控制柱塞处泄漏出的燃油一起流回油箱。
2 系统组成及主要部件
电控高压共轨燃油喷射系统的基本组成见图2。从功能上分析，该系统由控制系统和燃油供给系统两部分组成。
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图1 电控共轨燃油系统的组成
2.1 控制系统
控制系统由传感器、电控单元（ECU）和执行器组成。ECU 根据各个传感器的信息，计算出最佳喷油时间和最合适的喷油量， 并确定合理的喷油时刻和喷油持续期，向执行器（电控喷油器的电磁阀）发出开关指令，从而精确控制发动机的工作过程。控制系统框图见图3。
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图2 控制系统框图
2.2 燃油供给系统
燃油供给系统见图4，主要由供油泵、共轨和电控喷油器组成。
燃油经供油泵加压后流入并储存在共轨内，然后，根据ECU 的指令在适当的时刻通过电控喷油器喷入柴油机气缸。
2.3 主要部件
与传统燃油喷射系统相比，电控高压共轨燃油射系统的主要部件包括ECU、共轨和电控喷油器。
ECU 是电控高压共轨燃油喷射系统的核心，实际上就是一个微型计算机，一般由输入模块、输出模块、微机控制模块和通信模块四部分组成。ECU 接收各传感器输入的实时运行参数并进行处理，与预存在其内部的MAP 图（三维控制数据表，即不同转速、不同油门开度时的控制参数值）比较，计算出最佳喷油定时和喷油脉宽，然后输出到执行机构，驱动喷油器电磁阀，完成喷油压力和喷油量的控制。此外，电控单元还能完成在线故障诊断和应急处理、与监控系统进行实时通信，记录并存储重要的状态参数。共轨实际上是一种燃油分配管，主要包括油轨、压力传感器和压力调节阀， 其作用是储存燃油并保持油压，消除燃油压力波动。
电控喷油器是电控高压共轨燃油喷射系统的执行器，主要由喷油嘴、控制活塞、控制量孔和控制电磁阀组成，作用是根据ECU 发出的控制信号，开、关控制电磁阀，将高压共轨中的燃油以最佳喷油定时、喷油量和喷油速率喷入柴油机的燃烧室。
3 电控高压共轨燃油喷射系统的优点
电控高压共轨燃油喷射系统可以实现喷射压力、喷油定时、喷油量和喷油规律的单独控制，自由度高，与传统燃油喷射系统相比，具有许多优点[4]。
3.1 高压喷射，自由调节喷油压力
提高喷射压力和喷射速率、缩短喷油持续时间可以同时降低颗粒和NOx。电控高压共轨燃油喷射系统可以将燃油喷射压力提高到100 MPa 以上，同时，可以利用共轨压力传感器和压力调节器，调整供油泵的供油量和共轨压力，实现对喷油压力的精确控制。此外，还可以根据发动机的不同工况，连续对共轨压力进行反馈控制。
3.2 高精度喷油量的自由调节
精确计量的喷油量可以提高发动机的功率密度和燃油经济性，减少振动。电控高压共轨燃油喷射系统以发动机的转速和油门开度信号为基础，由ECU计算出最佳喷油量，并控制喷油器电磁阀的通、断电时间，从而精确控制预喷射、主喷射和后喷射的喷油量与时间间隔，这一点传统燃油喷射系统难以做到。
3.3 自由调节喷油规律
随着电控喷射技术的不断进步，近些年提出了许多适应发动机不同用途需要的喷油规律，如预喷射、主喷射、多段喷射等，并且预喷射量、预喷射和主喷射之间的间隔都能根据不同运行工况调节，这只有通过电子控制才能实现。电控高压共轨燃油喷射系统由指令脉冲决定喷油始点和喷油持续时间，与转速和负荷无关。因此，可以自由控制喷油时间，设置并控制理想的喷油规律。
4 国内外研究现状
共轨技术一经问世， 就得到了世界上大多数柴油机生产厂商的青睐，被认为是20 世纪内燃机技术的三大突破之一。
国外经过多年的发展，已经形成了比较成熟的产品，如Fiat 集团的Unijet 系统、电装公司的ECDU2系统和博世公司的CR 系统等。其中，博世公司用压电石英作为执行器代替高速电磁阀， 喷射压力已经高达180 MPa，针阀运动速度达到1.3 m/s，预喷射油量可控制在1 mm3 之内。在控制策略上，以经典控制理论和现代控制理论为基础的开环控制和闭环控制在电控高压共轨系统中得到了广泛应用。
国内对电控高压共轨燃油喷射系统的研究起步较晚， 目前正处于研制阶段。其中天津大学研制的FIRCRI 高压共轨系统正处于硬件在环仿真和实机测试阶段， 上海交通大学开发的GD-1 型高压共轨系统处于匹配玉柴6110 柴油机的准备阶段，北京理工大学、华中理工大学等也正在开发自己的高压共轨系统， 无锡威孚集团与博世公司已经联合组建了无锡博世汽车柴油机系统股份有限公司，开始了高压共轨系统的生产。在控制策略上，目前国内主要采用经典PID 控制方法， 这种方法原理简单，易于实现，稳定性好，但存在需要在不同工况下反复调节和不能在线调节等缺点。
5 国内外发展趋势
电控高压共轨燃油喷射系统的应用使柴油机的排放、噪声及燃烧性能都得到了很大改善，远远超过了传统内燃机，大大增强了柴油机的竞争力。随着电子技术、材料技术以及控制理论等的不断发展，该技术还具有很大的发展潜力， 进一步的研究主要体现以下趋势：
a. 设计开发新的执行器，以及通过对高压油泵、喷嘴材料和加工过程的改进进一步提高燃油喷射压力及其精确性，使燃烧更为充分[6~8]。
b. 通过最优控制、自适应控制、预测控制等控制理论的研究，将模糊控制、人工神经网络、基于非线性的滑模控制、基于辨识模型的自适应控制等运用到电控高压共轨燃油喷射系统中，改进其控制策略[9~11]。
c. 研究新的喷油规律[12]。随着柴油车数量增加，柴油机尾气已经成为大气的主要污染源之一。因此，世界各国都在积极探索新方法和采取有效的技术措施主动减少和控制污染物的排放， 欧洲已经制订出严格的欧V、欧VI 排放法规，预计2014 年开始实施欧VI 排放法规。因此，必须不断研究满足新的排放标准的喷油规律，进一步降低柴油机的排放。
d. 燃油喷射系统的数值模拟技术。通过仿真软件建立电控高压共轨燃油系统的数值模型，分析燃油的喷射过程及系统参数对燃油喷射特性的影响，为燃油系统的优化设计、故障分析提供理论依据[13, 14]，降低产品开发成本，缩短开发周期。e. 传感器技术。随着喷射压力的不断提高，要求有更高精度和响应速度的新型智能传感器[15]。
f. 解决高压共轨系统的恒高压密封问题[16]。高压共轨系统的密封性能影响燃油喷射压力的提高和柴油机性能。传统燃油系统和电控泵只在20~30 ℃A内高压供油，油泵驱动扭矩的峰值很高，但泄漏时间很短， 而高压共轨燃油系统在一个循环内都高压供油， 喷油器中的针阀偶件和控制活塞偶件长期处于恒定高压中，泄漏量大幅增加，因此，必须进一步解决零部件的恒高压密封问题。
g. 解决共轨压力的微小波动造成的喷油量不均匀问题[17]。高压共轨系统的动态压力稳定性直接影响系统理想喷油规律的实现，因此，对高压共轨系统压力波动性的研究已经成为当前的热点之一。
6 总结
目前我国对高压共轨燃油喷射系统的研究与开发尚处于起步阶段， 发动机燃油喷射系统由机械式喷射系统向电控式喷射系统过渡还主要依靠国外技术来实现。为尽快提高我国的自主开发和核心竞争力，应不遗余力地在电控喷油器、液力控制阀、喷油嘴偶件和高速执行器、ECU 软硬件等关键零部件的制造以及控制策略和功能、匹配标定技术、提高产品可靠性和安全、降低制造成本等方面开展研究。
[参考文献]
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