電控泵噴嘴系統(tǒng)的成敗

如圖1所示，電控泵噴嘴系統(tǒng)是將油泵和油嘴做成一體直接裝于氣缸蓋上，由頂置凸輪軸驅(qū)動(dòng)。頂置凸輪軸必須具有極高的硬度和剛度以承受噴油器產(chǎn)生的高壓，同時(shí)，凸輪軸的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也需專門設(shè)計(jì)。其最大優(yōu)點(diǎn)是能夠減輕或者消除在柴油流動(dòng)和噴射過程中高壓油管內(nèi)壓力波的影響。因?yàn)檫@個(gè)壓力波會(huì)妨礙噴油系統(tǒng)與負(fù)荷轉(zhuǎn)速的良好匹配，并隨著高壓管的增長(zhǎng)而增大。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、噴射壓力高，低速和小負(fù)荷時(shí)燃油噴射穩(wěn)定性好，具有較好的控制靈活性，低速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能顯著改善。

電控泵噴嘴系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)原理是通過氣缸蓋頂端的頂置凸輪軸直接驅(qū)動(dòng)燃油形成高壓。由于沒有了額外的高壓燃油管路，故消除了管路壓力損失也避免了管路泄漏的可能。由于燃油增壓與噴射裝置的一體化，故可以在短時(shí)間內(nèi)高效高壓完成燃油噴射并對(duì)其噴油量、壓力、正時(shí)進(jìn)行靈活控制。該系統(tǒng)的噴油壓力一般都超過共軌系統(tǒng)和單體泵系統(tǒng)所能夠達(dá)到的水平。

由于該系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋頂置凸輪軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加大了缸蓋剛度、強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。按國(guó)外產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)，采用該系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，氣缸內(nèi)能夠承受的最大爆發(fā)壓力一般需要達(dá)到２０ＭＰａ。該系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)是可以形成更高的噴射壓力，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)具備國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ排放升級(jí)的潛力。因?yàn)閷?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的設(shè)計(jì)難度增大，從近期國(guó)內(nèi)主要商用車企業(yè)已申報(bào)和正在申報(bào)的國(guó)Ⅳ發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品公告來看，到目前為止國(guó)內(nèi)還沒有此種系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

電控單體泵系統(tǒng)的優(yōu)劣

      單體式噴油泵簡(jiǎn)稱單體泵。如圖2所示，此系統(tǒng)是將整體式噴油泵化整為零安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)氣缸上，燃油噴射由各自的獨(dú)立噴射單元來完成。噴油泵與噴油嘴之間用一根很短的高壓油管相連。電控單體泵系統(tǒng)是在泵噴嘴系統(tǒng)的基礎(chǔ)上衍生出來的，除了壓力比泵噴嘴稍低一點(diǎn)外，其他功能基本和泵噴嘴相近。

單體泵系統(tǒng)主要由柱塞、柱塞套筒、回位彈簧、彈簧座、出油閥、出油閥座、出油閥彈簧、出油閥壓緊螺帽等零件組成。作為在國(guó)內(nèi)外都有著成熟應(yīng)用的電控單體泵技術(shù)，其系統(tǒng)基本布置
是：將油泵柱塞驅(qū)動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)所需凸輪軸整合為一體，包含在機(jī)體內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)油泵到噴油器的燃油管路最短化。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)則通過發(fā)動(dòng)機(jī)周邊安裝眾多的傳感器以檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，作為控制油泵電磁閥開啟時(shí)間的輸入信息，對(duì)燃油噴射量、噴射正時(shí)實(shí)行電子控制。其主要工作原理是通過電子系統(tǒng)對(duì)噴入氣缸的噴油量、噴油正時(shí)進(jìn)行精確、柔性的控制，以及通過油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油氣缸噴油壓力的提高，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒工作過程，最終在有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平以滿足法規(guī)要求的同時(shí)，還能夠較大改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、噪聲特性。

該系統(tǒng)已在歐美成功使用了十多年，被公認(rèn)為性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠的電控燃油噴射系統(tǒng)之一。此系統(tǒng)主要包括一個(gè)帶有出油控制閥的高壓油泵、機(jī)械噴油器，以及連接所需的燃油管路、濾清系統(tǒng)。其技術(shù)的主要特征是在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上集成噴油泵的功能，并通過在油泵上加裝電磁閥控制其出油時(shí)間、油量，從而達(dá)到燃油噴射優(yōu)化的目的。其油泵與發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)共用一根凸輪軸，從而在結(jié)構(gòu)上使其最大程度得到簡(jiǎn)化，并縮短了油泵出油口到噴油器的管路距離。由于在油泵的出油口加裝了精確燃油計(jì)量、時(shí)間控制的電磁閥，因而能夠?qū)娪驼龝r(shí)和噴油量進(jìn)行較為精確的控制，有利于燃燒過程的優(yōu)化。

目前，國(guó)內(nèi)商用車企業(yè)配套使用的電控單體泵系統(tǒng)來源主要有：德爾福單體泵、衡陽(yáng)單體泵和威特單體泵等。在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的應(yīng)用中，考慮到重新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體需要對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的鑄造、加工生產(chǎn)線有較大地變動(dòng)，為控制成本，國(guó)Ⅲ階段一般都采用外掛式單體泵，但這種設(shè)計(jì)，對(duì)噪聲、振動(dòng)會(huì)有一定的負(fù)面影響。而在國(guó)Ⅳ階段則與歐美產(chǎn)品接軌，普遍采用半內(nèi)置式單體泵系統(tǒng)。

電控共軌系統(tǒng)的沉浮

目前國(guó)內(nèi)商用車企業(yè)的大多數(shù)中重型國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ柴油機(jī)都采用了電控高壓共軌技術(shù)。如圖3所示，該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是：增設(shè)用來存儲(chǔ)高壓燃油的共軌管，由ＥＣＵ根據(jù)實(shí)際使用工況條件對(duì)燃油噴射過程實(shí)行精確控制，通過控制噴油器電磁閥開啟時(shí)刻、持續(xù)時(shí)間從而控制噴射提前角和燃油噴射量，通過控制高壓油泵電磁閥開啟持續(xù)時(shí)間從而控制共軌油管內(nèi)的燃油壓力。該系統(tǒng)已經(jīng)在歐、美、日成功使用了多年，并被公認(rèn)為是性能最優(yōu)越、可靠性最高的電控燃油噴射系統(tǒng)。

       共軌技術(shù)一經(jīng)問世，就得到了世界上大多數(shù)柴油機(jī)生產(chǎn)廠商的青睞，被認(rèn)為是20世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的三大突破之一。國(guó)外經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了比較成熟的產(chǎn)品，如FIAT集團(tuán)的Unijet系統(tǒng)、電裝公司的ECDU2系統(tǒng)和博世公司的CR系統(tǒng)等。其中，博世公司用壓電石英作為執(zhí)行器代替高速電磁閥，噴射壓力已經(jīng)高達(dá)180 MPa，針閥運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到1.3m/s，預(yù)噴射油量可控制在1mm3 之內(nèi)。

在控制策略上，以經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的開環(huán)控制和閉環(huán)控制在電控高壓共軌系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)對(duì)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的研究起步較晚，目前正處于研制階段。其中天津大學(xué)研制的FIRCRI高壓共軌系統(tǒng)正處于硬件在環(huán)仿真和實(shí)機(jī)測(cè)試階段；上海交通大學(xué)開發(fā)的GD-1型高壓共軌系統(tǒng)處于匹配玉柴6110 柴油機(jī)的準(zhǔn)備階段；北京理工大學(xué)、華中理工大學(xué)等也正在開發(fā)自己的高壓共軌系統(tǒng)。無錫威孚集團(tuán)與博世公司已經(jīng)聯(lián)合組建了無錫博世汽車柴油機(jī)系統(tǒng)股份有限公司，并開始了高壓共軌系統(tǒng)的生產(chǎn)。在控制策略上，目前國(guó)內(nèi)主要采用經(jīng)典PID 控制方法，這種方法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好，但存在需要在不同工況下反復(fù)調(diào)節(jié)和不能在線調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)。