高壓共軌柴油機燃油噴射系統參數優化分析

王學軍，孫長勇

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

1 高壓共軌柴油發動機的發展優勢

高壓共軌燃油系統自20世紀90年代末開始投入實際應用，作為柴油機燃油系統的第三代電控技術，得到了廣泛的應用。由發動機驅動的高壓供油泵將燃油加壓進入共軌，然后高壓燃油通過噴油器噴入相應的氣缸，由計算機獨立控制。到目前為止，共軌燃油壓力可維持在130～160 MPa[1]。

與傳統柴油機相比，共軌柴油機具有以下優點：

1.1 適應性強

共軌柴油機實現了噴油系統、增壓系統和排放系統的單控或多控。噴油壓力可靈活調節，噴油參數可精確控制，使柴油機運轉良好。當外界溫度較低時，電子控制單元（ECD）可控制進氣加熱器對柴油機進氣進行加熱，提高冷啟動能力與低溫運行性能。

1.2 更高的可靠性

由于實時采集柴油機的運行狀態參數，能夠及時檢測出柴油機的運行障礙，便于及時處理。此外，故障代碼指示使維護更加方便，具有良好的可維護性。

1.3 最佳運行模式

最佳運行模式是指根據不同的用戶要求自由選擇柴油機的運行模式，如經濟運行模式、低排放運行模式和低負荷運行模式，以保證發動機在最佳狀態下運行。

1.4 全面的故障監測

故障監測能在線檢測各缸負荷，保證各缸負荷均勻分布，防止柴油機過載：在故障發生前，能提前報警并啟動應急處理程序。電控柴油機具有較好的保護功能：在運行過程中，當關鍵參數出現一段時間（通常在幾秒鐘左右）時，會自動降低扭矩和轉速，并點亮報警燈；當出現嚴重問題時，如果設置了停機保護功能，則將自動停止并點亮停車燈。

2 高壓共軌燃油噴射系統的功能

燃油噴射系統是共軌柴油機的核心技術。機械式燃油噴射系統采用電子控制，可根據柴油機的工況精確控制噴油量和噴油正時。隨著共軌燃油噴射技術的不斷發展，控制功能日益完善，主要表現在以下幾個方面：

2.1 高噴射壓力

為了滿足排放法規的要求，當燃油噴射壓力增加到 135 Mpa時，高噴射壓力可以顯著改善柴油和空氣的混合質量，縮短點火延遲期，使燃燒更加迅速和充分，減少廢氣排放。

2.2 獨立噴射壓力控制

機械噴射系統的噴射壓力取決于柴油機的轉速，在低速和部分負荷條件下不利于燃油經濟性和排放的提高。最先進的電子燃油噴射系統，高壓共軌燃油噴射系統，具有獨立于速度和負載調節噴射壓力的能力。它能以適當的噴射壓力優化噴射過程，保證柴油機在各種工況下的最佳經濟性和排放。

2.3 提高柴油機燃油經濟性

柴油機的燃油消耗率反映了柴油機的設計技術和制造水平。采用高噴油壓力、獨立噴油壓力控制和小噴油孔等措施，可以降低柴油機的燃油消耗率，從而提高柴油機的燃油經濟性。

2.4 最小油量控制

由于車用柴油機的工況非常復雜，經常出現怠速工況。而共軌噴油系統通過設定低噴油壓力和小噴油持續時間，可以很容易地實現柴油機的最小燃油量控制。電子燃油噴射系統的預噴射能力使其更容易控制少量燃油[2]。

3 共軌柴油機燃油噴射系統優化的要求

針對共軌柴油機對燃油噴射系統的要求，燃油噴射系統的選擇和參數優化成為柴油機設計、改進和性能發展過程中的關鍵工作。燃油噴射系統應滿足以下要求[3]：

3.1 有足夠的工作能力

燃油系統必須能滿足柴油機所需的結構和工作參數，包括氣缸數、允許單缸功率、最大允許轉速、最大噴射壓力等。

3.2 噴射壓力高

在柴油機全轉速范圍內，在低速、低負荷條件下，應盡量提高噴油壓力，使噴油壓力與轉速和負荷無關，并能靈活控制。

3.3 噴油量的精確測量和控制

噴油量的精確測量和控制，特別是最小穩定噴油量應小且可控。

3.4 良好的噴霧特性

油束的透過率、噴霧錐角、噴霧顆粒大小及分布應適當，油束應與燃燒室形狀和燃燒室內空氣流動相匹配。

4 共軌柴油機燃油噴射系統優化策略

高壓共軌電控燃油噴射系統是目前最先進的電控燃油噴射系統之一，比機械式燃油噴射系統更為復雜。它涉及油泵噴嘴技術、液壓技術、電磁技術和電子控制技術。為了解決高壓共軌燃油噴射系統參數優化過程中的信息集成和知識經驗共享問題，將知識工程（KBE）技術引入高壓共軌噴油系統參數優化過程中，建立了基于KBE的高壓共軌系統參數優化系統，采用特征技術和知識工程技術解決設計各個階段的信息問題[4]。

4.1 KBE技術

工程設計是知識驅動下的創新過程，包括知識的繼承、整合、創新和管理。知識工程（KBE）是為適應現代設計要求而產生和發展起來的一種新型智能設計方法和設計決策自動化的重要工具。它已成為推動智能化工程設計的重要途徑。

知識模型是KBE工程設計的核心。知識庫、設計實例庫等各種數據庫都與產品模型相關聯。KBE的工程設計過程如圖1所示。設計人員的任務僅僅是提供輸入需求和做出重要的設計決策，這樣可以大大提高設計效率和質量。

圖1 KBE的設計過程

4.2 系統參數優化總體方案

高壓共軌噴射系統的參數優化應按照機械復雜系統的設計匹配過程進行。引入KBE技術，收集圖紙、數據和專家頭腦中存在的設計經驗和知識，為匹配過程中的設計和開發服務。建立了基于KBE的電控高壓共軌噴油系統參數優化的總體結構，如圖2所示。該系統由四個層次組成：系統表示層、應用邏輯層、特征技術層、推理機層和數據庫層。

圖2 基于KBE的高壓共軌噴油系統參數優化結構

系統表示層：作為系統的頂層，可以全面監控匹配進度、進程和任務狀態，并記錄下下級數據，具有動態關聯性。

應用邏輯層：顯示系統參數，優化各階段任務、工作狀態、任務序列流程。

特征技術層：存儲系統參數優化各階段零件設計開發的基本信息和最終信息，以及信息傳遞的方式和條件。

推理機械層：對零件設計和開發中的主要信息和特征進行判斷和推理，可以人工或計算機實現。

數據庫層：覆蓋各種數據庫，包括特征數據庫、標準數據庫和規則庫。它存儲計算和實驗所用的數據、中間數據和結果數據，并以電子文檔的形式保存。燃油噴射系統匹配過程。

4.3 噴油系統參數優化流程

由于高壓共軌系統部件、調整參數和控制參數的增加，參數優化過程更加復雜，工作量也增加。因此，需要一個清晰有序的系統流程圖。按照科學合理的開發流程，建立高壓共軌系統參數優化導向樹，如圖3所示。KBE系統主要由任務建立、知識工程、部件設計、仿真計算、部件試驗和優化報告等組成。

圖3 高壓共軌噴油系統參數優化導向樹

知識工程部分主要包括噴油器、高壓泵、共軌管和電控單元的設計經驗、標準、設計規范、試驗規程、試驗指標、試驗設備、相關和類似的技術設計資料、各部分的相關專利。在零件設計中，以機械設計手冊、流體設計手冊、材料應用手冊為主，考慮了關鍵零件的密封和間隙，給出了明確的范圍，以指導實際的設計工作。

在部件設計部分，參數化設計主要用于計算幾何參數、結構強度和流場。根據標準庫和規則庫的要求，進行初步判斷和推理，最終確定零件的完整幾何參數。仿真部分根據幾何參數建立三維實體模型，建立系統性能仿真模型，進行多方案參數優化。

部件試驗是燃油噴射系統匹配的必要環節。根據相關部件的試驗程序，進行臺架試驗，檢查相關技術指標是否合格，整個燃油噴射系統是否能滿足總體指標要求。所有試驗必須在相應的試驗規范下進行。

5 結論

雖然高壓共軌燃油噴射系統可以促進發動機的靈活燃燒，降低發動機的噪音和排放，但它是一種理想的燃油系統。對高壓共軌燃油噴射系統的總體優化設計、高壓共軌燃油噴射系統多次噴射的協調機理、共軌壓力的智能控制策略等方面的研究還不夠，這對高壓共軌燃油噴射系統的整體性能有很大的影響。先進的電子技術和計算機技術的迅速發展，現代優化設計方法和人工智能技術的不斷出現，為提高高壓共軌燃油噴射系統的工作穩定性和提高燃油噴射系統的穩定性提供了新的思路提高柴油機的動力性、經濟性。