□張應(yīng)和 □王蘇婭

西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院 西安 710026

1 研究背景

目前，國內(nèi)外柴油機都已經(jīng)普遍采用了電控燃油噴射系統(tǒng)，主要有3種類型，即電控泵噴嘴系統(tǒng)、電控單體泵系統(tǒng)和電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，其中電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛[1-2]?，F(xiàn)階段對電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的基本要求如下：

（1）在各種工況下能夠?qū)ρh(huán)供油量進行精確控制，并保證工作時各個氣缸循環(huán)噴油量的均勻性；

（2）在各種工況下能夠?qū)娪驼龝r、噴油速率和噴油規(guī)律進行精確控制，以便在燃燒過程中產(chǎn)生理想的熱量；

（3）在各種工況下能夠?qū)娪蛪毫Φ姆€(wěn)定性進行精確控制，提高燃油霧化質(zhì)量，加快燃燒速度。

筆者以柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)為研究對象，對電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)工作時的噴油量、油軌壓力及噴油正時等參數(shù)進行控制分析，使柴油機達到理想的燃燒條件——高熱效率、低排放量。

2 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)概述

柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)主要由高壓油泵、高壓油軌、噴油器、電子控制單元、壓力傳感器等組成，如圖1所示。工作時，低壓輸油泵將燃油從油箱輸送至高壓油泵，高壓油泵對燃油加壓至約160 MPa，然后送入高壓油軌，高壓油軌中的油壓由電子控制單元根據(jù)油軌壓力傳感器進行閉環(huán)控制。電子控制單元根據(jù)柴油機的運行狀態(tài)，從預(yù)設(shè)值中確定合適的噴油正時、噴油量，控制噴油器將高壓燃油噴入氣缸[3]。

高壓油泵的出口端裝有一個用于調(diào)節(jié)油壓的調(diào)壓閥，電子控制單元根據(jù)柴油機的轉(zhuǎn)速、負荷等來控制調(diào)壓閥的開度，從而增加或減少高壓油泵輸送至高壓油軌的油量，以保證供油壓力穩(wěn)定在目標值，使噴油壓差保持不變[4]。

▲圖1 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)

3 系統(tǒng)優(yōu)化

對柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)進行優(yōu)化，主要采用CP3.3型高壓油泵來連接高壓油軌，如圖2所示。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)主要由5路供油油路和1路潤滑油路組成，油管A路為來自燃油濾清器的燃油，油管B路為經(jīng)過齒輪泵加壓的低壓燃油，油管C路為潤滑油路，油管D路為高壓油泵內(nèi)部燃油回油，油管E路為經(jīng)過高壓油泵中柱塞泵加壓之后的高壓燃油，油管F路為噴油器和高壓油泵的燃油回路。

▲圖2 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化示意圖

柴油機工作時，高壓油泵的凸輪軸帶動相互錯開120°的3個凸輪開始工作。凸輪軸每轉(zhuǎn)一圈，3個柱塞分泵各完成3次泵油過程，即高壓油泵完成3次供油。每個柱塞分泵的進油口處都安裝了一個進油控制電磁閥，用于控制分泵供油正時和供油量。柱塞工作時的凸輪行程和電磁閥控制的開關(guān)信號如圖3所示。圖3中h為凸輪有效行程；a為凸輪驅(qū)動柱塞下行，控制閥開啟，低壓燃油經(jīng)控制閥流入柱塞腔；b為凸輪驅(qū)動柱塞上行，但控制閥尚未通電，仍處于開啟狀態(tài)，吸進的燃油并未升壓，經(jīng)控制閥油流回低壓腔；c為電子控制單元計算出滿足必要供油量的定時，適時向控制閥供電，并使之開始關(guān)閉，切斷回油流路，柱塞腔內(nèi)燃油增壓，高壓燃油經(jīng)出油單向閥壓入高壓油軌，控制閥開啟后的柱塞行程與供油量對應(yīng)，如果使控制閥的開啟時間，即柱塞的預(yù)行程改變，則供油量隨之改變，從而可以控制高壓油軌中的燃油壓力[5]；d為凸輪越過最大行程H后，柱塞進入下降行程，柱塞腔內(nèi)的壓力降低，此時出油閥關(guān)閉，壓油停止，控制閥處于停止通電狀態(tài)，控制閥開啟，低壓燃油被吸入柱塞腔內(nèi)，恢復(fù)到a狀態(tài)，一個工作循環(huán)結(jié)束，進入下一個工作循環(huán)。

4 燃油噴射參數(shù)控制

▲圖3 柱塞工作原理

對柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化的目的是通過電子控制單元對系統(tǒng)的燃油噴油量、噴油正時及噴油壓力等參數(shù)進行靈活控制，同時對柴油機實際的工作狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)控。

4.1 噴油量

控制噴油量指在柴油機工作時，根據(jù)不同工況和不同操作要求，控制噴入每一個氣缸的油量，保證各缸循環(huán)噴油量的均勻性。從理論上來說，如果油軌壓力穩(wěn)定，則每一次噴油量和噴油脈沖時間基本上成正比，但實際情況有一定偏差[6]。噴油量控制原理如圖4所示，電子控制單元根據(jù)油門開度傳感器信號AC和發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne來確定理論噴油量Qt，然后進行壓油時間計算，通過壓油時間確定控制量，通過驅(qū)動回路來控制噴油器電磁閥的啟閉，從而完成對噴油量的控制。

4.2 噴油正時

柴油機在工作時的燃燒狀態(tài)、排放性能及運行工況都由噴油正時來控制，柴油機噴油的提前角既不能太大，也不能太小[7]，因此，要保證電子控制單元依據(jù)柴油機的運行工況來對噴油正時進行精確控制。噴油正時控制原理如圖5所示，電子控制單元根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne和負荷Le來計算噴油時間T1、T2，電子控制單元中的驅(qū)動模型計算電路根據(jù)T1、T2和ne來確定噴油時間的脈沖信號，通過驅(qū)動回路將信號傳輸至噴油器的電磁控制閥，從而控制柴油機工作時的噴油正時。

4.3 油軌壓力

油軌壓力是系統(tǒng)中的一個重要參數(shù)，柴油機在很多時候都處于瞬時工況，如加速、減速及負載變化等，油軌壓力也希望在瞬時能保持恒定[8]。油軌壓力控制原理如圖6所示，電子控制單元根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne和負荷Le來確定理論噴油壓力Pf，同時油軌壓力傳感器將實際噴油壓力Ps傳至電子控制單元，實際噴油壓力和理論噴油壓力進行比較之后計算噴油量，通過驅(qū)動回路驅(qū)動高壓油泵來保持油軌壓力穩(wěn)定，這樣噴油器輸送至發(fā)動機的噴油壓力就能保持穩(wěn)定。

5 燃油噴射仿真

對優(yōu)化后的柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)進行仿真，應(yīng)用MATLAB軟件建立燃油噴射系統(tǒng)仿真模型，通過仿真結(jié)果驗證燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化后的合理性。

5.1 噴油量分析

噴油量通過曲軸轉(zhuǎn)角時間曲線來表征，如圖7所示。柴油機起動時的當前轉(zhuǎn)速為800 r/min，柴油機調(diào)節(jié)后的目標轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，柴油機工作正常后按目標轉(zhuǎn)速進行噴油。由于燃油噴射系統(tǒng)會進行二次噴射，因此從目標轉(zhuǎn)速曲線可以看出，在曲軸轉(zhuǎn)角為0°，即發(fā)動機處于停機狀態(tài)時，在90 s左右之后出現(xiàn)了噴射余量。從整體仿真結(jié)果看，目標轉(zhuǎn)速下的噴油量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)[9]。

▲圖4 噴油量控制原理

▲圖5 噴油正時控制原理

▲圖6 油軌壓力控制原理

▲圖7 曲軸轉(zhuǎn)角時間曲線

▲圖8 噴油正時脈沖信號

5.2 噴油正時分析

噴油正時脈沖信號如圖8所示，脈沖信號以噴油器電磁閥的電壓和時間來確定，電磁閥的工作電壓范圍一般為15～-15 V。由于采用6缸柴油機電控高壓共軌噴射系統(tǒng)，柴油機一個工作循環(huán)剛好噴射6次，噴油正時從第9 s開始進入下一個工作循環(huán)。通過噴油時間的脈沖信號波動變化可以驗證，每次噴油正時的脈沖信號變化是均勻的，噴油正時在理想的控制范圍內(nèi)。

5.3 油軌壓力分析

高壓油軌的壓力主要由油軌壓力傳感器來檢測，圖9為油軌壓力仿真曲線。通過曲線可以看出，在每次噴油時，高壓油軌的瞬時壓力下降，噴油結(jié)束之后則上升，直到下一次噴油，仿真結(jié)果顯示油軌壓力基本在理想范圍內(nèi)。

5.4 燃燒狀態(tài)分析

柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的燃燒狀態(tài)仿真曲線如圖10所示，溫度越高，說明柴油燃燒越充分，狀態(tài)越理想。燃油理想的噴油過程分為預(yù)噴期、主噴期和后噴期，隨著噴油時間的延長，噴油進入主噴期時燃燒最充分[10]。仿真結(jié)果基本與柴油機的理想燃燒狀態(tài)相符合。

▲圖9 油軌壓力仿真曲線

▲圖10 燃燒狀態(tài)仿真曲線

6 結(jié)論

柴油機電控高壓共軌燃油噴油系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，筆者僅圍繞燃油輸送方式和噴射參數(shù)做了一些基礎(chǔ)性優(yōu)化，對噴油量、噴油正時和油軌壓力的控制方式進行設(shè)計，通過MATLAB仿真軟件對結(jié)果進行分析，確認結(jié)果基本符合柴油機的理想工況，但還存在不足，需要進一步研究與改進：①用MATLAB進行仿真，但沒有進一步在柴油機試驗臺上進行測試試驗；②沒有對噴油器的具體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和改進。

隨著現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，未來人們對柴油機經(jīng)濟性、動力性及排放性能等方面的要求將越來越高，因此后期還需要在這些方面進行改善和提高。