2011年12月29日，國家環(huán)保部"關(guān)于實(shí)施國家第四階段車(chē)用壓燃式發(fā)動(dòng)機與汽車(chē)污染物排放標準的公告"正式出臺。公告要求：自2013年7月1日起，所有生產(chǎn)、進(jìn)口、銷(xiāo)售和注冊登記的車(chē)用壓燃式發(fā)動(dòng)機與汽車(chē)必須符合國Ⅳ標準。

　　隨著(zhù)國Ⅳ排放標準全面實(shí)施日期的臨近，從目前國內主要商用車(chē)企業(yè)已申報和正在申報的國Ⅳ汽車(chē)與發(fā)動(dòng)機產(chǎn)品公告、以及"十二五"國Ⅳ、國Ⅴ柴油發(fā)動(dòng)機開(kāi)發(fā)計劃來(lái)看，其燃油噴射系統主要采用電控高壓共軌，少數產(chǎn)品采用電控單體泵和泵噴嘴。下面分別就這三種噴射系統的優(yōu)缺點(diǎn)及其技術(shù)發(fā)展趨勢作一對比介紹。

　　1.電控泵噴嘴系統

　　電控泵噴嘴系統是將油泵和油嘴做成一體直接安裝于氣缸蓋上，由頂置凸輪軸驅動(dòng)。頂置凸輪軸必須具有極高的硬度和剛度以承受?chē)娪推鳟a(chǎn)生的高壓，同時(shí)，凸輪軸的驅動(dòng)系統也需專(zhuān)門(mén)設計。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(guò)程中高壓油管內壓力波的影響。因為這個(gè)壓力波會(huì )妨礙噴油系統與負荷轉速的良好匹配，并隨著(zhù)高壓管的增長(cháng)而增大。此系統結構緊湊、噴射壓力高，低速和小負荷時(shí)燃油噴射穩定性好，具有較好的控制靈活性，低速時(shí)發(fā)動(dòng)機綜合性能顯著(zhù)改善。

　　電控泵噴嘴系統主要設計原理是通過(guò)氣缸蓋頂端的頂置凸輪軸直接驅動(dòng)燃油形成高壓，如圖1所示為該系統布置示意圖。由于沒(méi)有了額外的高壓燃油管路，故消除了管路壓力損失并避免了管路泄漏的可能。同時(shí)因為燃油增壓與噴射裝置的一體化，故可以在短時(shí)間內高效高壓完成燃油噴射并對其噴油量、壓力、正時(shí)進(jìn)行靈活控制。該系統的噴油壓力一般都超過(guò)共軌系統和單體泵系統所能夠達到的水平。

　　圖1：電控泵噴嘴系統布置示意圖

　　由于該系統發(fā)動(dòng)機缸蓋頂置凸輪軸的結構特點(diǎn)，加大了缸蓋剛度、強度的設計要求。按國外產(chǎn)品經(jīng)驗，采用該系統的發(fā)動(dòng)機，氣缸內能夠承受的最大爆發(fā)壓力一般需要達到20Mpa。該系統的最大優(yōu)勢是可以形成更高的噴射壓力，從而使得發(fā)動(dòng)機具備國Ⅳ、國Ⅴ排放升級的潛力。因為對發(fā)動(dòng)機缸蓋的設計難度增大，從近期國內主要商用車(chē)企業(yè)已申報和正在申報的國Ⅳ發(fā)動(dòng)機產(chǎn)品公告來(lái)看，到目前為止國內還沒(méi)有此種系統的實(shí)際應用。

　　2.電控單體泵系統

　　單體式噴油泵簡(jiǎn)稱(chēng)單體泵。將整體式噴油泵化整為零安裝在發(fā)動(dòng)機每個(gè)氣缸上，燃油噴射由各自的獨立噴射單元來(lái)完成。噴油泵與噴油嘴之間用一根很短的高壓油管相連。電控單體泵系統是在泵噴嘴系統的基礎上衍生出來(lái)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。

　　作為在國內外都有著(zhù)成熟應用的電控單體泵技術(shù)，其系統基本布置是：將油泵柱塞驅動(dòng)與發(fā)動(dòng)機配氣機構所需凸輪軸整合為一體，包含在機體內部，從而實(shí)現油泵到噴油器的燃油管路最短化。發(fā)動(dòng)機工作時(shí)則通過(guò)發(fā)動(dòng)機周邊安裝眾多的傳感器以檢測發(fā)動(dòng)機狀態(tài)，作為控制油泵電磁閥開(kāi)啟時(shí)間的輸入信息，對燃油噴射量、噴射正時(shí)實(shí)行電子控制。其主要工作原理是通過(guò)電子系統對噴入氣缸的噴油量、噴油正時(shí)進(jìn)行精確、柔性的控制，以及通過(guò)油泵結構設計的優(yōu)化進(jìn)而實(shí)現對噴油氣缸噴油壓力的提高，從而改善發(fā)動(dòng)機的燃燒工作過(guò)程，最終在有效降低發(fā)動(dòng)機的排放水平以滿(mǎn)足法規要求的同時(shí)，還能夠較大改善發(fā)動(dòng)機的燃油經(jīng)濟性、噪聲特性。

圖2：電控單體泵系統布置示意圖

　　圖2所示為電控單體泵系統布置示意圖，該系統已在歐美成功使用了十多年，被公認為性能優(yōu)越、穩定可靠的電控燃油噴射系統之一。此系統主要包括一個(gè)帶有出油控制閥的高壓油泵、機械噴油器，以及連接所需的燃油管路、濾清系統。其技術(shù)的主要特征是在發(fā)動(dòng)機機體上集成噴油泵的功能，并通過(guò)在油泵上加裝電磁閥控制其出油時(shí)間、油量，從而達到燃油噴射優(yōu)化的目的。其油泵與發(fā)動(dòng)機配氣機構共用一根凸輪軸，從而在結構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量、時(shí)間控制的電磁閥，因而能夠對噴油正時(shí)和噴油量進(jìn)行較為精確的控制，有利于燃燒過(guò)程的優(yōu)化。

　　該系統油泵提升壓力原理與直列泵類(lèi)似，所以其噴油規律為"三角形"的前緩后急的特征，一定程度上有利于燃燒過(guò)程的優(yōu)化，最高壓力可達到1800～2000bar。但由于油泵壓力和發(fā)動(dòng)機轉速成正比，低轉速區域壓力較低，因而不利于柴油機低速時(shí)燃燒性能的提高。在國Ⅲ排放要求階段，噴油器的噴油開(kāi)啟方式仍是依靠彈簧壓力控制。進(jìn)入國Ⅳ階段，需將機械式噴油器改成電控噴油器，形成雙電磁閥單體泵系統，燃油噴射壓力相應提高到2500bar，并采用系統一致性控制，來(lái)優(yōu)化整個(gè)噴射過(guò)程，并且可以實(shí)現多次噴射。如此在對發(fā)動(dòng)機整體結構不做大的調整下，可以達到國Ⅳ排放水平，并具有升級到國Ⅴ排放的潛力。

　　目前，國內商用車(chē)企業(yè)配套使用的電控單體泵系統來(lái)源主要有：德?tīng)柛误w泵、衡陽(yáng)單體泵和威特單體泵等。在國內產(chǎn)品的應用中，考慮到重新設計發(fā)動(dòng)機機體需要對現有發(fā)動(dòng)機的鑄造、加工生產(chǎn)線(xiàn)有較大地變動(dòng)，為控制成本，國Ⅲ階段一般都采用外掛式單體泵，但這種設計，對噪聲、振動(dòng)會(huì )有一定的負面影響。國Ⅳ階段則與歐美產(chǎn)品接軌，普遍采用半內置式單體泵系統。

　　3.電控共軌系統

　　3.1結構和特點(diǎn)

　　目前國內商用車(chē)企業(yè)的大多數中重型國Ⅲ、國Ⅳ柴油機都采用了電控高壓共軌技術(shù)。該系統的基本結構是：增設用來(lái)存儲高壓燃油的共軌管，由ＥＣＵ根據實(shí)際使用工況條件對燃油噴射過(guò)程實(shí)行精確控制，通過(guò)控制噴油器電磁閥開(kāi)啟時(shí)刻、持續時(shí)間從而控制噴射提前角、燃油噴射量，通過(guò)控制高壓油泵電磁閥開(kāi)啟持續時(shí)間從而控制共軌油管內的燃油壓力。其目的是在一定的發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣條件下，通過(guò)對噴入氣缸的噴油量、噴油壓力、噴油正時(shí)、噴油次數等進(jìn)行精確控制從而改善發(fā)動(dòng)機的燃燒工作過(guò)程，在有效降低發(fā)動(dòng)機的排放水平的同時(shí)，還能夠改善發(fā)動(dòng)機的經(jīng)濟性、燃燒噪聲等。圖3所示為電控高壓共軌系統基本布置示意圖，該系統已經(jīng)在歐、美、日成功使用了多年，并被公認為是性能最優(yōu)越、可靠性最高的電控燃油噴射系統。

　　圖3：電控高壓共軌系統基本布置示意圖

　　該系統的幾大基本特點(diǎn)是：

　?。?）噴射壓力高，噴油壓力比一般直列泵高出一倍，目前最高可達180Mpa；

　?。?）噴油壓力獨立于發(fā)動(dòng)機轉速，可以改善發(fā)動(dòng)機低速、大負荷的性能；

　?。?）可以實(shí)現多次噴射，調節噴油率形狀，實(shí)現理想噴油規律；

　?。?）噴油正時(shí)和噴油量可以自由選定；

　?。?）驅動(dòng)扭矩小，噪聲小、振動(dòng)低；

　?。?）結構簡(jiǎn)單、適用性強；

　?。?）可以通過(guò)電控系統進(jìn)行各缸工作均勻性校正；等等。

　　根據國內外產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的實(shí)際經(jīng)驗，共軌系統無(wú)需經(jīng)過(guò)特殊升級改進(jìn)即可滿(mǎn)足國Ⅳ和國Ⅴ排放發(fā)動(dòng)機對燃油系統的要求。與單體泵和泵噴嘴系統相比，高壓共軌系統能夠把壓力產(chǎn)生與實(shí)際燃油噴射過(guò)程分離，特殊設計的電控噴油器可實(shí)現靈活的多次噴射，主要控制參數可在不同轉速和負荷條件下任意調節，使發(fā)動(dòng)機能夠在不同工況下均得到較好的性能指標，且其在發(fā)動(dòng)機上的安裝較為容易。除此之外，高壓共軌燃油噴射系統還能提供更廣闊的擴展功能和在燃燒過(guò)程組織設計上的更多的自由度，它可以使柴油機以更低的排放、更好的燃油經(jīng)濟性和噪聲性能下運行。

　　3.2國內外研究現狀

　　共軌技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世，就得到了世界上大多數柴油機生產(chǎn)廠(chǎng)商的青睞，被認為是20世紀內燃機技術(shù)的三大突破之一。

　　國外經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了比較成熟的產(chǎn)品，如Fiat集團的Unijet系統、電裝公司的ECDU2系統和博世公司的CR系統等。其中，博世公司用壓電石英作為執行器代替高速電磁閥，噴射壓力已經(jīng)高達180MPa，針閥運動(dòng)速度達到1.3m/s，預噴射油量可控制在1mm3之內。在控制策略上，以經(jīng)典控制理論和現代控制理論為基礎的開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制在電控高壓共軌系統中得到了廣泛應用。

　　國內對電控高壓共軌燃油噴射系統的研究起步較晚，目前正處于研制階段。其中天津大學(xué)研制的FIRCRI高壓共軌系統正處于硬件在環(huán)仿真和實(shí)機測試階段；上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的GD-1型高壓共軌系統處于匹配玉柴6110柴油機的準備階段；北京理工大學(xué)、華中理工大學(xué)等也正在開(kāi)發(fā)自己的高壓共軌系統。無(wú)錫威孚集團與博世公司已經(jīng)聯(lián)合組建了無(wú)錫博世汽車(chē)柴油機系統股份有限公司，開(kāi)始了高壓共軌系統的生產(chǎn)。在控制策略上，目前國內主要采用經(jīng)典PID控制方法，這種方法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，穩定性好，但存在需要在不同工況下反復調節和不能在線(xiàn)調節等缺點(diǎn)。

　　4.電控燃油噴射系統的技術(shù)發(fā)展趨勢

　　4.1噴油壓力高壓化

　　高壓噴油的基本目的是改善霧化質(zhì)量,是滿(mǎn)足不同階段排放法規要求的有效技術(shù)之一。目前,泵噴嘴系統噴油壓力可達200MPa以上,美國威斯康辛大學(xué)開(kāi)發(fā)的電控泵噴嘴系統(UHIP－S)最高噴油壓力已達260MPa。BOSCH公司第1代共軌系統的噴油壓力只有135MPa，第2代達到160MPa,第3代已經(jīng)達到180MPa,第4代將增大到220MPa。新型電控噴油系統的最高噴油壓力已超過(guò)150MPa,超高壓電控噴油系統的最大噴射壓力可達300MPa。

　　高噴油壓力對噴油系統的可靠性提出更高要求,而先進(jìn)的噴油系統可使噴油壓力達到250MPa以上。泵噴嘴系統在噴油壓力方面有比較明顯的優(yōu)勢,而電控共軌燃油系統在柔性控制性方面優(yōu)點(diǎn)突出。因此,將高噴油壓力和柔性控制集于一身的具有高壓和高靈活性的噴油系統則代表了未來(lái)柴油機電控噴油系統的發(fā)展方向。

　　4.2采用壓電晶體噴油器

　　壓電晶體噴油器將成為新型高壓共軌噴射系統的新寵。西門(mén)子VCO的壓電晶體噴油器主要由帶彈簧的多孔油嘴、控制活塞、進(jìn)出油節流孔、二位二通閥和壓電晶體部件組成。壓電晶體部件采用的多層壓電晶體執行器由20～200?m陶瓷層燒結而成。與電磁閥相比,壓電晶體噴油器具有以下特點(diǎn):一是響應速度更快,由于壓電晶體閥芯的變形速度在0.1ms以?xún)燃纯赏瓿梢淮螄娪歪橀y的開(kāi)啟動(dòng)作,所以對于同樣的噴油量,只需要更短的噴油持續時(shí)間；二是重復精度高,由于壓電晶體塊在噴油器內,整個(gè)噴油控制鏈上的累積公差進(jìn)一步降低,能更精確地計量噴油量；三是采用多孔噴油器(6孔以上,孔徑為0.11～0.13mm),最小噴油量可控制在0.5mm3,具有很高的燃油噴射壓力(20～200MPa調節)；四是新穎的調節功能有助于高精度、多級噴射和改善排放性能；五是具有集成化、低能耗、壽命長(cháng)與工作穩定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

　　4.3電控泵噴嘴系統由機械驅動(dòng)向蓄壓方向發(fā)展

　　首先,將電控和液壓技術(shù)相結合,響應快,能按時(shí)間控制噴油過(guò)程和噴油壓力；其次,工作過(guò)程與柴油機轉速無(wú)關(guān),可在寬廣的工況范圍內保持較高噴油壓力,噴油壓力可達150MPa以上；其三,可優(yōu)化控制噴油規律,改善柴油機的排放性能；其四,能滿(mǎn)足17～2910kW柴油機的匹配需要。

　　4.4采用具有高度柔性調節能力的高壓噴油系統

　　BOSCH公司的增壓活塞共軌系統(APCRS系統)、卡特皮勒公司的HEUI-CRD和Delphi公司的E3-EUI是3種典型的未來(lái)先進(jìn)柔性高壓噴油系統的代表。其共同特點(diǎn):一是在結構上每缸都采用了兩個(gè)控制電磁閥,一個(gè)控制噴油壓力(PCV閥),另一個(gè)控制噴油時(shí)刻和噴油量(SCV閥),通過(guò)兩個(gè)控制電磁閥的配合可以實(shí)現噴射速率的柔性調節；二是最大噴油壓力都超過(guò)200MPa,且都有達到240MPa的潛力；三是噴油壓力控制的瞬態(tài)響應快,避免了傳統共軌系統在變工況時(shí)因油軌壓力滯后而產(chǎn)生的油量控制誤差和轉速的瞬時(shí)波動(dòng)；四是都具有進(jìn)行多次噴射的能力。

　　4.5共軌系統的其它發(fā)展趨勢

　　電控高壓共軌燃油噴射系統的應用使柴油機的排放、噪聲及燃燒性能都得到了很大改善，遠遠超過(guò)了傳統內燃機，大大增強了柴油機的競爭力。隨著(zhù)電子技術(shù)、材料技術(shù)以及控制理論等的不斷發(fā)展，該技術(shù)還具有很大的發(fā)展潛力，除上面的發(fā)展趨勢外，進(jìn)一步的研究主要體現在以下趨勢：

　?。?）設計開(kāi)發(fā)新的執行器，以及通過(guò)對高壓油泵、噴嘴材料和加工過(guò)程的改進(jìn)進(jìn)一步提高燃油噴射壓力及其精確性，使燃燒更為充分。

　?。?）通過(guò)最優(yōu)控制、自適應控制、預測控制等控制理論的研究，將模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、基于非線(xiàn)性的滑?？刂?、基于辨識模型的自適應控制等運用到電控高壓共軌燃油噴射系統中，改進(jìn)其控制策略。

　?。?）研究新的噴油規律。隨著(zhù)柴油車(chē)數量增加，柴油機尾氣已經(jīng)成為大氣的主要污染源之一。因此，世界各國都在積極探索新方法和采取有效的技術(shù)措施主動(dòng)減少和控制污染物的排放，歐洲早在1999年就已經(jīng)制訂出嚴格的歐VI排放法規，并預定在2013年開(kāi)始實(shí)施。因此，必須不斷研究滿(mǎn)足新的排放標準的噴油規律，進(jìn)一步降低柴油機的排放。

　?。?）燃油噴射系統的數值模擬技術(shù)。通過(guò)仿真軟件建立電控高壓共軌燃油系統的數值模型，分析燃油的噴射過(guò)程及系統參數對燃油噴射特性的影響，為燃油系統的優(yōu)化設計、故障分析提供理論依據，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

　?。?）傳感器技術(shù)。隨著(zhù)噴射壓力的不斷提高，要求有更高精度和響應速度的新型智能傳感器。

　?。?）解決高壓共軌系統的恒高壓密封問(wèn)題。高壓共軌系統的密封性能影響燃油噴射壓力的提高和柴油機性能。傳統燃油系統和電控泵只在20～30℃A內高壓供油，油泵驅動(dòng)扭矩的峰值很高，但泄漏時(shí)間很短，而高壓共軌燃油系統在一個(gè)循環(huán)內都高壓供油，噴油器中的針閥偶件和控制活塞偶件長(cháng)期處于恒定高壓中，泄漏量大幅增加，因此，必須進(jìn)一步解決零部件的恒高壓密封問(wèn)題。

　?。?）解決共軌壓力的微小波動(dòng)造成的噴油量不均勻問(wèn)題。高壓共軌系統的動(dòng)態(tài)壓力穩定性直接影響系統理想噴油規律的實(shí)現，因此，對高壓共軌系統壓力波動(dòng)性的研究已經(jīng)成為當前的熱點(diǎn)之一。

　?。?）解決高壓共軌系統的多MAP優(yōu)化問(wèn)題。電控燃油系統中，ECU根據其內部存儲的MAP控制噴射過(guò)程。普通的電控泵ECU中只有噴油量MAP和噴油定時(shí)MAP，而高壓共軌燃油系統除這兩者外，還有噴油壓力MAP和預噴射MAP等，控制數據較多，要根據排放和燃油耗進(jìn)行優(yōu)化，工作量很大。因此需要研究統計學(xué)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型映射MAP數據、自學(xué)習優(yōu)化方法等很多關(guān)鍵技術(shù)，以解決多MAP優(yōu)化問(wèn)題。

　　目前我國對高壓共軌燃油噴射系統的研究與開(kāi)發(fā)尚處于起步階段，發(fā)動(dòng)機燃油噴射系統由機械式噴射系統向電控式噴射系統過(guò)渡還主要依靠國外技術(shù)來(lái)實(shí)現。為盡快提高我國的自主開(kāi)發(fā)和核心競爭力，應不遺余力地在電控噴油器、液力控制閥、噴油嘴偶件和高速執行器、ECU軟硬件等關(guān)鍵技術(shù)，以及控制策略和功能、匹配標定技術(shù)、產(chǎn)品可靠性和安全、制造成本等方面開(kāi)展研究。