柴油机电控燃油喷射系统及其发展前景
1 前言
柴油机具有效率高、经济性好、功率强大等特点，在交通运输和工程车辆领域有着广泛的应用。在可以预见的未来，柴油机在动力机械领域将继续占有重要的地位。实际上，在汽油机占主导地位的家用轿车领域，柴油机由于其节能的优势，正越来越受到汽车研究人员们的重视。然而，噪声大、NOx 和颗粒物排放高等痼疾也一直困扰着柴油机的应用。前不久，欧盟正式制订了欧VI 排放标准，颗粒物排放要求减半，氮氧化物排放必须降低77%，并将于2013年底实施[1].
面对日益严苛的柴油机排放标准，研究各种排放控制技术成为内燃机工作者的重要课题。这些控制技术总体上可分为3个方面：提高燃油品质、改善燃烧过程和采用先进的排气后处理技术，其中以改善燃烧过程为最根本的措施。就国外的经验来看，采用电控高压燃油喷射系统以改善柴油机的燃烧过程是普遍的发展趋势[2 ,3 ].
电控喷油技术是柴油机技术三大飞跃的最近一项（另外两项是机械燃油技术和增压中冷技术）[4]，也是内燃机行业20世纪的三大突破之一（另外两项是汽油直喷技术和DME 待用燃料）[5]，为柴油机的喷油控制，以及噪声和排放的改善做出的巨大贡献。本文将从技术历程、技术现状及发展前景的角度简略阐述电控喷油技术。
2 电控喷油系统的技术历程
电子技术的迅猛发展使20世纪后半叶的技术领域发生了翻天覆地的变化。汽车行业也不例外。在汽油机中采用喷油器代替化油器，导致燃油系统发生巨大改善，这一转型比较顺利，所用时间也比较短，在21世纪初就已全面完成。但在柴油机中要求高精度地控制高压燃油喷射是非常困难的，而且由于传统的机械式柴油机燃油喷射系统具有非常优越的控制性能，所以，像汽油机那样在柴油机中采用电子控制的喷射系统的发展直到20世纪90年代才到来。
虽然大规模发展较晚，柴油机电控喷射系统却迅速地经历了三代发展。如表2-1所示[6]。
表2-1 三代柴油机电控燃油系统特点
2.1 第一代电控燃油控制很大程度上仍然是基于机械式燃油系统的，将机械式调速器和提前器换成电子控制的机构。燃油压送机构和机械式燃油系统相同。
在第一代电控燃油系统中：
喷油量的控制：根据ECU 的指令由齿杆或溢油环的位置进行控制；
喷油时刻的控制：根据ECU 的指令由发动机的驱动轴和凸轮轴的相位差进行控制。 ECU 根据各种传感器发出的发动机状态和环境条件（主要是负荷与转速），通过所储存MAP 数据，计算出适合发动机状态的最佳控制量，并向执行器发出指令。
第一代电控喷油系统主要的改革是采用了机械式燃油系统中没有的微型计算系统，将最
佳调速特性曲线图事先输入计算机的存储器中，可以对目标伺服位置进行非常精确细致的计算处理，使之前不可能实现的精确控制特性成为可能。使得柴油机燃油系统第一次跨入了电控时代。
表2-1所列的三种第一代代表产品分别是电控分配泵系统、电控直列泵系统（电子调速器式）、电控直列泵系统（可变预行程式）。
2.2 第二代：凸轮压油+电磁阀时间控制
在第一代电控燃油系统中，使用的位置控制机构仍然是机械燃油系统中的齿杆、溢油环等机构，采用相位差原理，虽然ECU 可以精确得出喷油状态，执行器的执行却不能尽善尽美。于是工程师们采用了高速电磁阀，对喷油时间和喷油量进行精确控制，使得控制自由度较第一代有了阶跃式的提高。
第二代电控喷油系统的特征是：燃油升压是通过喷油泵或者发动机的凸轮实现的。而升压开始时间和升压终了时间则是由高速电磁阀实现，也就是说，喷油量和喷油正时都是有电磁阀的通断来实现，大大提高了控制的精度，配合ECU 信号的完善，可以更加准确地控制喷油。
2.3 第三代：燃油蓄压+电磁阀时间控制
第三代电控燃油系统即人们常说的共轨燃油喷射系统（个人见解，不知是否准确）。图
2.1和图2.1分别是康明斯和博世公司的共轨燃油系统，简略显示共了其原理[7]。共轨系统将燃油的升压系统独立出来，即燃油的压力与发动机转速和负荷无关。使用可以独立控制压力的蓄压器——共轨。这样，以前一直非常困难的燃油喷射压力可以按照人们的意志进行自由控制。再通过计算机单独控制的各喷油器，将共轨中的压力高达130Mpa —160Mpa[8]的燃油喷入燃烧室。
图2.1 康明斯共轨燃油系统
图2.2 博世公司电控共轨燃油系统
第三代电控喷油系统的最大进步就是使用了共轨，使得高压的产生和喷油控制可以分别进行。由此，可以根据发动机的负荷、转速等各种运行工况，在20—140Mpa 的广大范围内改变喷油压力，可以实现预喷射、主喷射以及多段喷射等，根据需要改变喷油率的形状。为了改善柴油机的排放，可以自由自在地改变喷油参数和喷油形态。向着洁净的柴油机时代，可以高自由度地控制喷油策略，在一次工作循环中可以实现多次喷油，可以实现标定转速4000r/min——相当于4.2μs 的高速控制，将柴油机的排放性能大大提高一步。
可以总结出三代电控燃油系统的特点，如表2.2所示。
表2.2 三代电控燃油系统技术沿革
共轨燃油系统的基本原理早就广为知晓。但是，技术上的难度限制了该项技术的发展。直到上世纪90年代，共轨燃油系统才获得了突飞猛进式的发展。
3.1 共轨技术简史
共轨喷射系统因其高的喷射压力、可灵活控制的喷射过程以及驱动性能，被公认为能解决柴油机许多不足的法宝。共轨喷射系统的基本原理是由意大利菲亚特公司在上世纪80年代为了应对用户对Croma 型柴油机缺乏精确优化的批评而设计的。之后, 该公司将该技术的生产特许权卖给德国博世公司以求发展。后者则花了三年时间进行生产准备。博世公司于 1997年6月Bari 工厂开始大批量生产共轨用高压泵，其它零部件分别在奥地利的Bamberg ，法国Mondeville ，德国的Homburg ，Reutlinge 和Salzgitter 等地的工厂中生产。在1999年底以前博世公司就已生产出了第一百万套共轨喷油系统[9]。
80年代戴姆勒—奔驰公司详尽地分析了当时尚比较陌生的电控共轨式燃油系统，得出以下优点：
——它取消了限制喷油的供油凸轮，从而大大增加了自由选择预喷射和主喷射的喷油始点的灵活性；
——驱动转矩峰值低；
——喷油压力可以自由选定，因此，即使在低转速和小负荷时燃油也能很好地雾化； ——在喷油嘴开启时，以恒定的电控共轨压力进行喷油；
3.2 共轨系统特点
高压共轨燃油喷射系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种全新概念的燃油喷射系统。其主要由高压泵、带调压阀的共轨管、带电磁阀的喷油器、燃油喷射系统控制单元ECU 和各种传感器组成。共轨管油压由高压泵、压力传感器和ECU 组成的闭环来调控。高压共轨系统不再采用喷油系统的柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并平抑压力波动，再通过各高压油管输送到每个喷油器上，由喷油器上电磁阀的动作控制喷射的开始和终止；电磁阀起作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量。由于这种系统采用压力时间式燃油计量原理，因此又可称为压力时间控制式电控喷射系统
[10].
高压共轨喷油系统的特点是：喷油压力的建立与喷油过程无关；喷油压力、喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响；喷油定时与嫩油计量完全分开，可以自由调整每缸的喷油量和喷油始点能实现预喷射、∆喷射、靴型喷射、快速停喷、后喷射、多段喷射。 4 电控燃油系统的发展前景
电控燃油系统在不远未来的发展方向应该还是在共轨系统方向，共轨燃油系统还有很大的潜力可挖。第二代共轨——压电式喷油器共轨系统就是很好的发展方向。
传统的共轨喷油器的执行器是电磁阀，其响应速度没有压电式执行器的响应速度快。压电晶体在加电压后的0.1ms 内就能发生迅速的晶格畸变。压电式喷油器如图4.1所示。其优点是：具有快速响应性，可以得到更柔性的喷油策略；很小的预喷油量；更灵活的喷油开始与暂停；设计更紧凑。采用压电效应喷油器的共轨喷油系统，使燃油得到更好的雾化，形成极细的小颗粒油滴，使燃烧更加彻底，功率可以提高5%，柴油机排气有害物降低20%，燃油消化率降低3%，噪声降低3dB[11].压电式喷油器的尺寸和质量又比电磁式明显减小，柴油机整体设计更加紧凑；压电式喷油器还可以实现多次喷射，且对喷油量的分配、喷油时间点及喷油压力都可以进行更好的柔性控制。
图4.1 压电式共轨喷油器
博世公司的第三代电控共轨燃油系统的喷射压力将达到180Mpa ，可以满足柴油机2008年的欧V 排放标准。随着欧VI 标准的提出，共轨燃油系统还会进一步得到发展。也许将来的某天也会出现完全颠覆性的革命性设计，但有一点是毋庸置疑的：那就是，
电控燃油喷射
系统为柴油机性能的优化和环境的保护做出了卓越的贡献，而且在将来的内燃机领域还会继续发挥它的作用。
参考文献
[1]刘秀荣. 欧洲议会通过欧VI 汽车排放标准[EB/OL], http://news.163.com,2008-12-17.
[2]董尧清. 欧洲内燃机考察散记(Ⅱ) [J].国外内燃机,2001 ,33 (2) :4214.
[3]伊藤悟, 岡本研二, 松井宏次. 柴油机燃油喷射系统的新动向[J].国外内燃机.2001,33
(6) :19224 ,57.
[4]刘乐. 国际主流柴油三大技术的中国应用[EB/OL], http://news.ifeng.com,2011-8-17.
[5]李绍安. 国内外共轨系统的开发进展和所面临的问题[J].内燃机喷油喷射和控制,1999(4):5~8、55.
[6]徐家龙. 柴油机电控喷射技术[M].北京:人民交通出版社,2004.
[7]刘忠长, 赵佳佳. 车用柴油机电控高压喷油系统与欧Ⅲ排放标准[J].车用发动机,2004(4):5~9.
[8]黄安华. 浅析柴油机的电控燃油喷射系统[J]. 建筑机械化,2010(03):85~87.
[9]胡林峰, 李德桃, 吴健. 柴油机共轨喷射系统的应用现状及发展前景[J]. 小型内燃机与摩托车,2001(3):29~32.
[10]王钧效, 陆家祥, 谭丕强, 张锦杨. 柴油机高压共轨燃油喷射系统的发展动态[J].内燃机,2001,
(5) : 39 - 40.
[11]胡建村, 仇滔. 柴油机电控喷施系统现状及新技术[J].天津汽车,2008,(6):17
柴油机电控燃油喷射系统及其发展前景
1 前言
柴油机具有效率高、经济性好、功率强大等特点，在交通运输和工程车辆领域有着广泛的应用。在可以预见的未来，柴油机在动力机械领域将继续占有重要的地位。实际上，在汽油机占主导地位的家用轿车领域，柴油机由于其节能的优势，正越来越受到汽车研究人员们的重视。然而，噪声大、NOx 和颗粒物排放高等痼疾也一直困扰着柴油机的应用。前不久，欧盟正式制订了欧VI 排放标准，颗粒物排放要求减半，氮氧化物排放必须降低77%，并将于2013年底实施[1].
面对日益严苛的柴油机排放标准，研究各种排放控制技术成为内燃机工作者的重要课题。这些控制技术总体上可分为3个方面：提高燃油品质、改善燃烧过程和采用先进的排气后处理技术，其中以改善燃烧过程为最根本的措施。就国外的经验来看，采用电控高压燃油喷射系统以改善柴油机的燃烧过程是普遍的发展趋势[2 ,3 ].
电控喷油技术是柴油机技术三大飞跃的最近一项（另外两项是机械燃油技术和增压中冷技术）[4]，也是内燃机行业20世纪的三大突破之一（另外两项是汽油直喷技术和DME 待用燃料）[5]，为柴油机的喷油控制，以及噪声和排放的改善做出的巨大贡献。本文将从技术历程、技术现状及发展前景的角度简略阐述电控喷油技术。
2 电控喷油系统的技术历程
电子技术的迅猛发展使20世纪后半叶的技术领域发生了翻天覆地的变化。汽车行业也不例外。在汽油机中采用喷油器代替化油器，导致燃油系统发生巨大改善，这一转型比较顺利，所用时间也比较短，在21世纪初就已全面完成。但在柴油机中要求高精度地控制高压燃油喷射是非常困难的，而且由于传统的机械式柴油机燃油喷射系统具有非常优越的控制性能，所以，像汽油机那样在柴油机中采用电子控制的喷射系统的发展直到20世纪90年代才到来。
虽然大规模发展较晚，柴油机电控喷射系统却迅速地经历了三代发展。如表2-1所示[6]。
表2-1 三代柴油机电控燃油系统特点
2.1 第一代电控燃油控制很大程度上仍然是基于机械式燃油系统的，将机械式调速器和提前器换成电子控制的机构。燃油压送机构和机械式燃油系统相同。
在第一代电控燃油系统中：
喷油量的控制：根据ECU 的指令由齿杆或溢油环的位置进行控制；
喷油时刻的控制：根据ECU 的指令由发动机的驱动轴和凸轮轴的相位差进行控制。 ECU 根据各种传感器发出的发动机状态和环境条件（主要是负荷与转速），通过所储存MAP 数据，计算出适合发动机状态的最佳控制量，并向执行器发出指令。
第一代电控喷油系统主要的改革是采用了机械式燃油系统中没有的微型计算系统，将最
佳调速特性曲线图事先输入计算机的存储器中，可以对目标伺服位置进行非常精确细致的计算处理，使之前不可能实现的精确控制特性成为可能。使得柴油机燃油系统第一次跨入了电控时代。
表2-1所列的三种第一代代表产品分别是电控分配泵系统、电控直列泵系统（电子调速器式）、电控直列泵系统（可变预行程式）。
2.2 第二代：凸轮压油+电磁阀时间控制
在第一代电控燃油系统中，使用的位置控制机构仍然是机械燃油系统中的齿杆、溢油环等机构，采用相位差原理，虽然ECU 可以精确得出喷油状态，执行器的执行却不能尽善尽美。于是工程师们采用了高速电磁阀，对喷油时间和喷油量进行精确控制，使得控制自由度较第一代有了阶跃式的提高。
第二代电控喷油系统的特征是：燃油升压是通过喷油泵或者发动机的凸轮实现的。而升压开始时间和升压终了时间则是由高速电磁阀实现，也就是说，喷油量和喷油正时都是有电磁阀的通断来实现，大大提高了控制的精度，配合ECU 信号的完善，可以更加准确地控制喷油。
2.3 第三代：燃油蓄压+电磁阀时间控制
第三代电控燃油系统即人们常说的共轨燃油喷射系统（个人见解，不知是否准确）。图
2.1和图2.1分别是康明斯和博世公司的共轨燃油系统，简略显示共了其原理[7]。共轨系统将燃油的升压系统独立出来，即燃油的压力与发动机转速和负荷无关。使用可以独立控制压力的蓄压器——共轨。这样，以前一直非常困难的燃油喷射压力可以按照人们的意志进行自由控制。再通过计算机单独控制的各喷油器，将共轨中的压力高达130Mpa —160Mpa[8]的燃油喷入燃烧室。
图2.1 康明斯共轨燃油系统
图2.2 博世公司电控共轨燃油系统
第三代电控喷油系统的最大进步就是使用了共轨，使得高压的产生和喷油控制可以分别进行。由此，可以根据发动机的负荷、转速等各种运行工况，在20—140Mpa 的广大范围内改变喷油压力，可以实现预喷射、主喷射以及多段喷射等，根据需要改变喷油率的形状。为了改善柴油机的排放，可以自由自在地改变喷油参数和喷油形态。向着洁净的柴油机时代，可以高自由度地控制喷油策略，在一次工作循环中可以实现多次喷油，可以实现标定转速4000r/min——相当于4.2μs 的高速控制，将柴油机的排放性能大大提高一步。
可以总结出三代电控燃油系统的特点，如表2.2所示。
表2.2 三代电控燃油系统技术沿革
共轨燃油系统的基本原理早就广为知晓。但是，技术上的难度限制了该项技术的发展。直到上世纪90年代，共轨燃油系统才获得了突飞猛进式的发展。
3.1 共轨技术简史
共轨喷射系统因其高的喷射压力、可灵活控制的喷射过程以及驱动性能，被公认为能解决柴油机许多不足的法宝。共轨喷射系统的基本原理是由意大利菲亚特公司在上世纪80年代为了应对用户对Croma 型柴油机缺乏精确优化的批评而设计的。之后, 该公司将该技术的生产特许权卖给德国博世公司以求发展。后者则花了三年时间进行生产准备。博世公司于 1997年6月Bari 工厂开始大批量生产共轨用高压泵，其它零部件分别在奥地利的Bamberg ，法国Mondeville ，德国的Homburg ，Reutlinge 和Salzgitter 等地的工厂中生产。在1999年底以前博世公司就已生产出了第一百万套共轨喷油系统[9]。
80年代戴姆勒—奔驰公司详尽地分析了当时尚比较陌生的电控共轨式燃油系统，得出以下优点：
——它取消了限制喷油的供油凸轮，从而大大增加了自由选择预喷射和主喷射的喷油始点的灵活性；
——驱动转矩峰值低；
——喷油压力可以自由选定，因此，即使在低转速和小负荷时燃油也能很好地雾化； ——在喷油嘴开启时，以恒定的电控共轨压力进行喷油；
3.2 共轨系统特点
高压共轨燃油喷射系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种全新概念的燃油喷射系统。其主要由高压泵、带调压阀的共轨管、带电磁阀的喷油器、燃油喷射系统控制单元ECU 和各种传感器组成。共轨管油压由高压泵、压力传感器和ECU 组成的闭环来调控。高压共轨系统不再采用喷油系统的柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并平抑压力波动，再通过各高压油管输送到每个喷油器上，由喷油器上电磁阀的动作控制喷射的开始和终止；电磁阀起作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量。由于这种系统采用压力时间式燃油计量原理，因此又可称为压力时间控制式电控喷射系统
[10].
高压共轨喷油系统的特点是：喷油压力的建立与喷油过程无关；喷油压力、喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响；喷油定时与嫩油计量完全分开，可以自由调整每缸的喷油量和喷油始点能实现预喷射、∆喷射、靴型喷射、快速停喷、后喷射、多段喷射。 4 电控燃油系统的发展前景
电控燃油系统在不远未来的发展方向应该还是在共轨系统方向，共轨燃油系统还有很大的潜力可挖。第二代共轨——压电式喷油器共轨系统就是很好的发展方向。
传统的共轨喷油器的执行器是电磁阀，其响应速度没有压电式执行器的响应速度快。压电晶体在加电压后的0.1ms 内就能发生迅速的晶格畸变。压电式喷油器如图4.1所示。其优点是：具有快速响应性，可以得到更柔性的喷油策略；很小的预喷油量；更灵活的喷油开始与暂停；设计更紧凑。采用压电效应喷油器的共轨喷油系统，使燃油得到更好的雾化，形成极细的小颗粒油滴，使燃烧更加彻底，功率可以提高5%，柴油机排气有害物降低20%，燃油消化率降低3%，噪声降低3dB[11].压电式喷油器的尺寸和质量又比电磁式明显减小，柴油机整体设计更加紧凑；压电式喷油器还可以实现多次喷射，且对喷油量的分配、喷油时间点及喷油压力都可以进行更好的柔性控制。
图4.1 压电式共轨喷油器
博世公司的第三代电控共轨燃油系统的喷射压力将达到180Mpa ，可以满足柴油机2008年的欧V 排放标准。随着欧VI 标准的提出，共轨燃油系统还会进一步得到发展。也许将来的某天也会出现完全颠覆性的革命性设计，但有一点是毋庸置疑的：那就是，
电控燃油喷射
系统为柴油机性能的优化和环境的保护做出了卓越的贡献，而且在将来的内燃机领域还会继续发挥它的作用。
参考文献
[1]刘秀荣. 欧洲议会通过欧VI 汽车排放标准[EB/OL], http://news.163.com,2008-12-17.
[2]董尧清. 欧洲内燃机考察散记(Ⅱ) [J].国外内燃机,2001 ,33 (2) :4214.
[3]伊藤悟, 岡本研二, 松井宏次. 柴油机燃油喷射系统的新动向[J].国外内燃机.2001,33
(6) :19224 ,57.
[4]刘乐. 国际主流柴油三大技术的中国应用[EB/OL], http://news.ifeng.com,2011-8-17.
[5]李绍安. 国内外共轨系统的开发进展和所面临的问题[J].内燃机喷油喷射和控制,1999(4):5~8、55.
[6]徐家龙. 柴油机电控喷射技术[M].北京:人民交通出版社,2004.
[7]刘忠长, 赵佳佳. 车用柴油机电控高压喷油系统与欧Ⅲ排放标准[J].车用发动机,2004(4):5~9.
[8]黄安华. 浅析柴油机的电控燃油喷射系统[J]. 建筑机械化,2010(03):85~87.
[9]胡林峰, 李德桃, 吴健. 柴油机共轨喷射系统的应用现状及发展前景[J]. 小型内燃机与摩托车,2001(3):29~32.
[10]王钧效, 陆家祥, 谭丕强, 张锦杨. 柴油机高压共轨燃油喷射系统的发展动态[J].内燃机,2001,
(5) : 39 - 40.
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