当电控共轨喷射系统的新进展

电控共轨喷射系统的新进展

摘要：介绍了共轨系统新的发展。为改善共轨喷油器的漏泄特性，提出了内腔式共轨电控喷油器；为增强共轨系统喷油规律的可控性，提出的高低压组合式的新一代共轨系统，为共轨系统的发展研究开拓了思路。

关键词：柴油机 共轨系统 发展

1 前言

共轨式燃油喷射系统，是随着世界范围内对内燃机排放要求的提高以及电控燃油系统的发展，产生的第三代电控燃油系统，在对内燃机排放要求和经济性要求日益增长的今天，共轨系统相对于其它燃油系统具有极大的优越性。国内外已有多家公司和研究机构投入大量人力、物力进行研究，国外已有成熟的机型获得应用。虽然如此，该型燃油系统也有它固有的不足，如整个系统始终处于高压燃油作用之下，各系统产生变形而使得漏泄量更大，由于油轨压力固定使得实现理想靴型构造道理喷油规律较困难等。为克服这些不足，针对以上的缺点提出了对共轨系统的新构想。

2 内腔式共轨喷油器

共轨喷油器作为系统中的重要部件以及最复杂部件，对整个共轨系统喷射特性具有重要全面掌握了每种材料所处发展阶段、主要利用环节、国内外生产利用情况、存在的发展瓶颈、“1035”要解决的主要问题等的影响。常规典型共轨喷油器结构如图1 所示，为保证对喷油器针阀的控制，喷油器上部为控制柱塞，与控制柱塞套为精密配合偶件。由于控制室为高压燃油，在高压燃油的作用下，控制柱塞直径减小，控制柱塞套直径增大，使该偶件的配合件的配合间隙增大，导致漏泄量增大。为解决此问题，提出了内腔式共轨喷油器[1]，结构如图2 所示。图3 为控制部分的详细结构图。

图1 典型共轨喷油器 图2 内腔式共轨喷油器

图3 控制部分结构图 图4 内腔式共轨喷油器漏泄量

该型喷油器的主要特点，是将高压燃油引入控制柱塞内部，利用高压燃油的平衡来减小控制柱塞的变形，从而减小由控制柱塞部分的漏泄量。图4 给出了该型喷油器控制柱塞和针阀偶件处的漏泄量对比，控制柱塞的漏泄量是针阀体漏泄量的1/5，这一方面是由于使用的是常规喷射系统采用的标准S 形喷嘴，针阀体的径向配合间隙是4μm，而柱塞体的径向间隙是2μm，并且在控制柱塞上有一个接通进油量孔的充满高压燃油的较大的内孔，这意味着控制柱塞由于内孔中的高压燃油的压力而使其外径增大，这样由于当导向体的内径由于压力而增大时，则可保证配合间隙保持在一个范围之间，从而使其漏泄量相对于没有内孔的柱塞少。

该型喷油器的另一个特点是用一个平面阀代替通常共轨喷油器采用的球形阀，如图5 所示。采用平面电磁阀，可大大减小电磁阀关闭时对阀座的冲击应力，为减小高压燃油作用在电磁阀上的液压力，在电磁阀座上开了泄流槽，保证电磁阀在燃油压力下产生小的漏泄时的燃油迅速泄流。采用该型电磁阀后，其静态漏泄量极小，图6 给出了不同压力下的电磁阀静态漏泄量试验结果，如在柴油机转速1000r/min，系统压力2000bar 时，其漏泄量为每循环16mm3，而对应于此时的循环喷油量为每循环220mm3。

图5 平面电磁阀结构示意图 图6 平面电磁阀的静态漏泄试验结果

3 新一代共轨系统(NCRS)

由于共轨系统具有极大的柔性，在喷油压力和喷油定时控制方面具有更大的自由度，使得在任何运行状态下实现喷油压力和喷油定时的优化控制成为可能，这使得共轨系统成为未来离产业化还有1定时间最满意的燃油喷射系统之一。但是共轨系统具有一个近似于矩形的喷油规律，相对于脉动式喷射系统如泵管嘴系统和凸轮驱动的整体喷油器系统来说，起初的喷油量较大。这产生的后果就是发动机的燃烧噪声和Nox水平较高，为解决此矛盾，提出了新一代共轨系统[2]的概念。

图7 为新一代共轨系统结构示意图。NCRS 的基本部件包括：(a)喷油器，(b)低压油轨(LPCR)，(c)高压油轨(HPCR)，(d)高压油泵，(e)LPCR 控制阀，(f)喷油器的开关控制阀，(g)检查阀和量孔，( h)油管和连接件。这个系统除了转换阀、LPCR 和LPCR 压力控制阀以外，就是典型的CRS。

图7 新一代共轨系统结构示意图

喷油规律形状的控制通过打开LPCR 和HPCR 向喷油器的供油来实现。在喷射开始前，所有的电磁阀和转换阀都是关闭的，低压燃油通过LPCR 供给喷油器。喷油器电磁阀打开，开始喷油，由于初始喷射阶段转换阀仍保持关闭，又LPCR 提供燃油进行低压喷射。在达到设定时间时，转换阀打开，高压燃油由HPCR 供给喷油器，完成高压喷射。在高压喷射期间，检查阀防止了高压燃油回流到LPCR。完成喷射后，喷油器电磁阀关闭停止喷油，然后关闭检查阀。由此可以看出，如果LPCR 压力、HPCR 压力、转换阀的开启时间同时调整，就可实现喷油规律的柔性控制。

图8 给出了在不同转换阀开启定时情况下的喷油规律测试结果。从图中可以看出喷油规律的靴型部分可由转换阀的开启定时有效控制，靴型部分持续到转换阀完全开启，然后高压主喷射开始。这样，NCRS的喷油规律为明显的靴型，而常规的CRS 的喷油规律近似于矩形，当NCRS 的转换阀开启定时为0，即LPCR 不起作用时，NCRS 系统即为传统的CRS。测试结果也可看出，喷油规律的靴型部分决定于LPCR的压力，转换阀打开后，由于HPCR的供油而使压力持续上升，在喷油规律的后半段达到HPCR 压力。

图8 转换阀开启定时对实验机应按说明书的恳求用油喷油规律的影响 图9 LPCR 压力对喷油规律的影响

图9 给出了LPCR 在不同压力时对喷油规律的影响对比，这里所有测试状态的转换阀开启定时相同。可以看出，随着LPCR 压力的增加，喷油规律由靴型逐渐变为梯形，初始喷油量增加，然而和传统CRS相比较，初始喷油量仍然非常低。在LPCR压力为20MPa时，初始喷油量比传统CRS低90%，到40MPa时仍比传统CRS 低一半。这可看出NCRS 可柔性控制初始喷油量，从而根据柴油机运转状态有效优化初始喷油量。

4 结束语

为使具有极大优越性的共轨燃油喷射系统具有更好的性能，采用不同的方法来改进其不足之处，可使共轨喷射系统在未来内燃机性能发展中发挥极大的作用，在共轨燃油系统研究中已处于相对落后状态的情况下，更应注重共轨系统发展的最新动态，加大研究力度，缩短与国际研究水平的差距，提高我国内燃机发展水平。

参考文献

1 M. A. Ganser. Common rail injectors for 2000 bar and beyond. SAE-.

2 Susumu Kohketus, Keiki Tanabe and Koji Mori. Flexibly controlled injection rate shape with next generation common rail system for heavy duty DI diesel engines. SAE-.(end)