柴油发动机高压共轨电控系统：现状与未来发展

1.国内外研究现状

电控燃油共轨技术现在是主要的发展趋势，但是在新技术的使用过程中，根据不同发动机的使用特点，使得电控燃油共轨技术在不同的使用条件下，在与发动机系统的匹配上还有很大的发展空间，尤其是在共轨技术的研究与开发方向上。目前该项新技术已经在国内外以柴油提供动力的汽车上广泛使用。这是世界汽车工业为满足日益严格的废气排放标准的必然趋势。

目前世界上主要的大公司，如日本电装公司、德国博世公司、意大利菲亚特集团、美国德尔福公司和美国福特都在研发和生产柴油机高压共轨系统。共轨系统将燃油压力的产生和燃油喷射分离开来，如果把单体泵柴油喷射技术比做柴油技术的革命的话，那共轨就可以称作反叛了，因为它背离了传统的柴油系统而近似于顺序汽油喷射系统。共轨系统开辟了降低柴油发动机排放和噪声的新途径。

由于其强大的技术潜力，今天各制造商已经把目光定在了共轨系统第3代——压电式（piezo）共轨系统。压电执行器代替了电磁阀，得到了更加精确的喷射控制。没有了回油管，在结构上更简单。压力从0.2～2kPa弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm³，减小了烟度和NO_x的排放。

日趋严重的能源危机，成为全世界内燃机行业关注的焦点，也使柴油机越来越受到用户青睐。与汽油机相比，柴油机有很多优势：能减少20％～25％的CO₂废气排放，车速较低时的加速性能更有优势，平均燃油消耗低25％～30％，能提供更多的驾驶乐趣。但是，与汽油机相比，柴油机的排放控制又是一个难点。为满足排放标准，柴油机先进的燃油喷射系统——高压共轨技术成为业内人士关注的焦点。前些年，高压共轨技术是外资一统天下，现在这种局面被打破了。

2005年12月30日，北京率先实施国Ⅲ排放标准。2006年7月31日，上海公交、出租车行业新车实施国Ⅲ排放标准。2006年9月1日，广州开始实施国Ⅲ排放标准。2010年，全国实施国Ⅳ排放标准。

排放标准的提升，必然推动发动机技术的发展。对于汽油发动机，由于技术相对成熟且有后处理，因此满足目前排放标准难度不大。对于柴油发动机，由于目前大部分还是机械式燃油系统，且柴油机直喷技术发展历程较短，因而为满足排放标准要求必须重新设计发动机。我国目前大部分采用引进技术来满足现阶段排放标准（国Ⅲ），但也有部分企业在进行自主研发，如中国一汽无锡油泵油嘴研究所、成都威特等。

自从1991年日本电装公司发表ECD—U2高压共轨系统论文以来，国外燃油系统制造商纷纷投入巨额资金和人力开发共轨系统。博世公司于1995年发表了用于轿车的高压共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵，喷油器电磁阀采用球阀结构。目前博世公司共轨系统在欧洲乘用车和轻型车柴油机上已得到普遍应用，如德国奔驰公司C系列轿车、意大利阿尔法·罗密欧156轿车，以及德国大众奥迪3.3L V8涡轮增压柴油机、美国通用公司与日本五十铃公司合资生产的Duramax 6600柴油机和美国康明斯公司的ISBe 3.9L和5.9L全电控柴油机等。德尔福与西门子分别在1998年和2000年推出轿车MultecDCR1400共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵。德尔福公司的喷油器电磁阀设计在喷油器内，使得喷油器体积更小巧；西门子喷油器采用压电执行器，响应时间更短；而日本电装公司在1991年研究开发出ECD—U2第一代产品，并于1995年匹配Hino的J08C柴油机、五十铃的6HK1柴油机，经过多年的改进与完善，最新产品为已用于轿车的ECD—U2P系统。

目前，共轨燃油喷射系统应用十分普遍，博世公司已生产出2500万套共轨系统，并在江苏无锡投资建设了技术中心和工厂，实现了本地化生产。长城汽车与博世公司开发出了高压共轨柴油发动机，此外奥迪、奔驰、华泰等品牌也推出了采用共轨系统的汽车。我国部分大学、研究所和企业也通过合作或独立自主研发，取得了各具特色的研究成果，并有数十项专利公布。因此，我国在电控直喷式柴油机方面已积累了一定的经验，但总体来说与国外还存在差距，主要体现在制造工艺和批量生产的质量控制。此外，国内共轨系统相关配套体系不健全，部分零部件还依靠进口，如单片机芯片、共轨压力传感器等。

国外公司与我国企业竞争已不占绝对优势。相对于汽油机而言，国内在电控柴油机方面与国外差距相对较小。这得益于两方面原因：一是我国原有柴油机使用车辆大都具有自主品牌；二是我国柴油机使用车辆的舒适性要求不高，价格低廉，国外公司与我国企业竞争不占优势。随着排放标准的提高，柴油机必须采用电控喷射系统。目前国内柴油电控系统主要有共轨、单体泵等，和国外先进技术相比，虽然还不具备对等的实力，但发展势头良好。如无锡油泵油嘴研究所研发的共轨系统已在无锡公交车上使用，同时国内从事电控柴油机研发的企业数量较多，因而国内电控柴油机市场今后一定会有所作为。而国外公司提供的产品价格相对较高，供货价格取决于批量，在目前我国电控柴油机批量还不大的前提下，他们很难拿到比较满意的价位。

同时，在售后服务及配件供应方面，国内自主品牌系统也存在明显的优势。国内自主研发的电控燃油系统竞争力主要体现在以下几方面：

首先，价格便宜，经济批量较小。其次，对于轻卡产品，在批量不大的情况下匹配共轨技术，可选择高喷射压力的PM型直列泵＋电子调速器＋冷却EGR方案，这也是我们的优势。还有，对于中、重型车辆，在国Ⅲ阶段已开始实施共轨、单体泵等技术路线。

当然，国内在电控柴油机系统方面还面临很多挑战，如制造工艺不成熟，批量规模较小；燃油品质难以保证；柴油机后处理技术水平不高等。但这些会随着时间的推移，不久将逐步得到解决。(www.xing528.com)

2.发展趋势

就燃油喷射控制原理而言，各种共轨喷射系统近期不会有大的变化。未来的柴油机燃油喷射系统将向着高喷射压力、喷油量及喷油定时可灵活控制、最佳喷油速率控制的方向发展，全电子控制的燃油喷射系统是实现燃油喷射过程柔性控制的必然趋势。综合分析国内外对柴油机电控燃油喷射系统的研究历史和现状，以下几点是研究的目标。

1）进一步高压化。为解决尾气排放达标问题，最根本还是提高共轨压力。电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是喷射压力达180～200MPa，甚至出现了“超高压喷射”的概念。当然，喷射压力也不是越高越好。相关研究指出，在保证油束贯穿距离足够大、压力提高值对燃烧改善效果明显的前提下，最高喷射压力取180MPa为宜。

2）更小的喷孔直径、更短的响应时间和更低的功率消耗，提高关键部件的可靠性和寿命。随着喷射压力的提高，对电磁阀、喷油器的要求也相应提高，要求其响应速度高，高压稳定性好，同时可靠性好，寿命长，这将依赖于零部件制造技术的发展。关键技术如采用压电晶体喷油器代替原有的电磁阀进行控制。

柴油机高压共轨喷射系统的研究方向如下。

①新型智能型传感器的研制，更高精度和响应速度的传感器的生产和应用。

②新型电磁阀的研究。未来的电磁阀要求有更快的响应能力、工作精确性、重复性、可靠性以及良好的流通能力。如用压电陶瓷驱动器研制高响应电磁阀。

③共轨燃油压力波动的控制和计算的研究，持续恒压反馈控制的进一步深入研究和完善。

④最佳控制策略的研究，即多次喷射的控制技术以及通过控制压力调节喷油规律等。

⑤安全保护与提高故障诊断及紧急运行能力的研究。

⑥研究整个喷射系统优化匹配。