淺談柴油機(jī)共軌技術(shù)在我國的發(fā)展

一、引言

柴油機(jī)于1892年被德國工程師迪塞爾提出后，已經(jīng)歷100多年的發(fā)展歷程。由于沒有找到合適的燃油供給系統(tǒng)，起初被冷落了30多年，直到1936年德國奔馳公司設(shè)計(jì)出260D柴油機(jī)后才被應(yīng)用到乘用車上。到上個(gè)世紀(jì)70年代第一次石油危機(jī)出現(xiàn)，柴油車開始擴(kuò)大使用并在美國和西歐開始銷售，但那時(shí)的技術(shù)還不能和汽油機(jī)相比，盡管有很好的燃油經(jīng)濟(jì)性，但因噪音大、笨重、排放差、成本高等因素，沒能像汽油機(jī)那樣被公眾廣泛接受。近30年來，柴油機(jī)應(yīng)用技術(shù)經(jīng)歷了一次巨大的演變過程，使得傳統(tǒng)柴油機(jī)形象得到了根本改變。

高壓共軌燃油系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)是現(xiàn)代柴油機(jī)的兩大技術(shù)核心，二者的緊密結(jié)合成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)公認(rèn)的20世紀(jì)三大突破之一，在實(shí)際研究與應(yīng)用中越來越顯示出在減輕環(huán)境污染、節(jié)約能源及柴油機(jī)智能化等方面的技術(shù)優(yōu)勢。

二、共軌技術(shù)

高壓共軌技術(shù)是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過對公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，因此也就減少了傳統(tǒng)柴油機(jī)的缺陷。

高壓共軌系統(tǒng)由五個(gè)部分組成，即高壓油泵、共軌腔及高壓油管、噴油器、電控單元、各類傳感器和執(zhí)行器。供油泵從油箱將燃油泵入高壓油泵的進(jìn)油口，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的高壓油泵將燃油增壓后送入共軌腔內(nèi)，再由電磁閥控制各缸噴油器在相應(yīng)時(shí)刻噴油。

預(yù)噴射在主噴射之前，將小部分燃油噴入氣缸，在缸內(nèi)發(fā)生預(yù)混合或者部分燃燒，縮短主噴射的著火延遲期。這樣缸內(nèi)壓力升高率和峰值壓力都會下降，發(fā)動機(jī)工作比較緩和，同時(shí)缸內(nèi)溫度降低使得NOx排放減小。預(yù)噴射還可以降低失火的可能性，改善高壓共軌系統(tǒng)的冷起動性能。

主噴射初期降低噴射速率，也可以減少著火延遲期內(nèi)噴入氣缸內(nèi)的油量。提高主噴射中期的噴射速率，可以縮短噴射時(shí)間從而縮短緩燃期，使燃燒在發(fā)動機(jī)更有效的曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)完成，提高輸出功率，減少燃油消耗，降低碳煙排放。主噴射末期快速斷油可以減少不完全燃燒的燃油，降低煙度和碳?xì)渑欧拧?/p>

共軌系統(tǒng)將燃油壓力產(chǎn)生和燃油噴射分離開來，如果把單體泵柴油噴射技術(shù)比做柴油技術(shù)的革命的話，那共軌就可以稱作反叛了，因?yàn)樗畴x了傳統(tǒng)的柴油系統(tǒng)而近似于順序汽油噴射系統(tǒng)。共軌系統(tǒng)開辟了降低柴油發(fā)動機(jī)排放和噪音的新途徑。

共軌系統(tǒng)目前已在歐美和日本的部分新開發(fā)機(jī)型上應(yīng)用，在國內(nèi)該系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)才剛剛開始。雖然有幾所高校和研究所從事這方面的研究，如無錫油泵油嘴研究所、上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、天津大學(xué)、華中科技大學(xué)等。但總體上仍處于試驗(yàn)研究的階段，距投產(chǎn)階段還有很長一段艱難的道路要走。

三、共軌技術(shù)在我國的發(fā)展

國內(nèi)對共軌技術(shù)的研究源于中壓共軌技術(shù)。天津大學(xué)開發(fā)的PAIRCUI型共軌蓄壓式電控噴系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，主要研究了PAIRCUI噴油器、共軌系統(tǒng)的噴油規(guī)律、電控共軌系統(tǒng)噴射參數(shù)的優(yōu)化和系統(tǒng)噴射參數(shù)對柴油機(jī)性能的影響。北京理工大學(xué)在2000 年完成了柴油機(jī)電控蓄壓共軌噴油系統(tǒng)與柴油機(jī)的初步配機(jī)實(shí)驗(yàn)，最高噴射壓力達(dá)129 MPa ，噴油定時(shí)實(shí)現(xiàn)了靈活可調(diào)與精確控制。

在2000年之后，國內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)開始將注意力轉(zhuǎn)向高壓共軌技術(shù)研究，其中，成績最為突出的是無錫油泵油嘴研究所，“已全面掌握了電控共軌技術(shù)”，擁有20多項(xiàng)電控系統(tǒng)的專利，其中9項(xiàng)是發(fā)明專利；開發(fā)的國內(nèi)第一輛自主電控共軌公交車已經(jīng)在無錫投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了共軌技術(shù)小批量性能過關(guān)。無錫油泵油嘴研究所的成功，打破了外國企業(yè)壟斷汽車發(fā)動機(jī)核心技術(shù)的局面。上海交通大學(xué)基于玉柴6 缸車用柴油機(jī)研制了GD-1 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。研究方向包括系統(tǒng)控制策略、噴油特性、故障診斷等。北京理工大學(xué)曾于1999 年開展過柴油機(jī)電控高壓共軌噴油系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)并加工出用于該系統(tǒng)上的高速電磁閥、噴油器，并在臺架試驗(yàn)上取得了階段性的成功，并有進(jìn)一步的研究。2006年，對共軌柴油機(jī)的缸壓反饋技術(shù)進(jìn)行研究。清華大學(xué)在6HK1柴油機(jī)上研究了高壓共軌起動過程中共軌壓力的建立、轉(zhuǎn)速升高過程和動態(tài)煙度的特點(diǎn)，以排氣煙度為優(yōu)化目標(biāo)，提出了按轉(zhuǎn)速進(jìn)行分段考察和采用正交試驗(yàn)方法對起動過程噴油參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和優(yōu)化的方法。

此外，國內(nèi)一生柴油機(jī)廠家為了滿足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，直接引進(jìn)國外成熟的高壓共軌噴油系統(tǒng)，與本單位生產(chǎn)的柴油機(jī)進(jìn)行匹配。上海柴油機(jī)股份有限公司和無錫柴油機(jī)廠引進(jìn)日本電裝的ECD-U2共軌噴油系統(tǒng)，分別在D6114B柴油機(jī)和CA6110柴油機(jī)上進(jìn)行性能匹配。雖然在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出樣機(jī)，但不擁有高壓共軌的關(guān)鍵技術(shù)。

四、結(jié)語

國內(nèi)柴油機(jī)研究到目前為止，雖有較大的進(jìn)展，但是離實(shí)用仍有較大的距離，主要原因在于研究力量分散，未能對核心技術(shù)進(jìn)行深入的研究。面對國外共軌系統(tǒng)的強(qiáng)大攻勢，我國柴油機(jī)廠、油泵廠、研究所和高校需密切聯(lián)合，深度合作，共同開發(fā)屬于我國自己的高壓共軌系統(tǒng)，為我國的國防事業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供重要保障。