高壓共軌燃油噴射系統綜合實驗教學平臺建設

吳學舜 韓志強 田維

摘要：為了滿足教學實驗的需求，讓學生緊跟現代柴油機燃油供給系統技術發展，設計搭建了高壓共軌燃油噴射系統綜合實驗教學平臺。基于該實驗平臺可以完成五類基本教學實驗，使學生從對先進燃油系統的基本認知到基于實驗平臺的實踐動手能力都得到提高，能夠滿足發動機構造和發動機原理的相關能力培養要求。該平臺也可以用于本科畢業設計等創新實踐活動，學生根據需要自主設計實驗方案完成相關創新性實驗項目，培養學生的實踐創新能力和創新意識。該平臺還可以用于科學研究，實現教學與科研資源共享，使高校有限資源的作用最大化。

關鍵詞：高壓共軌;教學實驗;綜合實驗平臺;資源共享;實踐創新

中圖分類號：U464.136? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0233-03

0? 引言

柴油機的電控技術從20世紀80年代開始開發研究，經過30余年的發展從位置式控制系統發展到時間式控制的電控高壓共軌系統和電控泵噴嘴系統，使柴油機的噴射系統滿足理想噴射系統的要求，實現對柴油機放熱規律的柔性化控制，達到節能又控制排放的目的[1，2]。高壓共軌燃油噴射系統作為目前柴油機最佳燃油系統，其普及率在歐洲已經達90%以上，在中國市場上國IV及以上排放水平的柴油機幾乎全部配備了高壓共軌燃油噴射系統。因此，高壓共軌燃油噴射系統對于柴油機來講是至關重要的。

我校能源與動力工程汽車發動機專業主要培養從事內燃機技術開發、設計制造本科學生?！捌嚢l動機構造”與“汽車發動機原理”是兩門必須學習的專業核心課程，其中“汽車發動機構造”課程主要講授發動機的結構和原理，燃油供給系統作為柴油機四大系統之一是學習的重點和難點之一，此前主要以位置式機械燃油供給系統為基礎進行講授，學生所學知識在現在的發動機上已經不再使用，造成學生所學知識學完即過時的現狀，因此必須將目前普遍使用的最先進燃油供給系統加入到教學過程當中來，滿足學生未來的工作需要。另一方面，目前的“汽車發動機原理”課程都是基于主流發動機技術為基礎，如果“汽車發動機構造”所講述知識與“汽車發動機原理”脫節，那么必須不利于學生對知識的掌握;此外，在原理講述的過程當中也需要利用實驗過程讓學生對所學知識有一個具體的認識，幫助學生更好地掌握課程知識[3-5]，加強實踐教學也有助于培養具有較強綜合素質的創新型人才[6-7]。

綜上所述，亟需構建高壓共軌燃油噴射系統綜合實驗教學平臺，幫助學生更好地掌握高壓共軌燃油噴射系統的結構、工作原理、性能參數及對發動機性能的影響關鍵參數。同時，也為學生進一步探索高壓共軌柴油機噴射系統在發動機上的應用研究提供一個基礎平臺。

1? 高壓共軌燃油噴射系統綜合實驗教學平臺建設方案

1.1 高壓共軌燃油噴射系統綜合實驗教學平臺構成

高壓共軌燃油噴射系統綜合實驗教學平臺主要包括高壓共軌燃油噴射系統和測量與采集系統兩個部分。高壓共軌燃油噴射系統是整個實驗平臺的核心部件，是教學實驗的主體。雖然目前市場上的高壓共軌燃油噴射系統的各類較多，但是其基本原理都比較類似，本實驗平臺以市場占有率最高的BOSCH（博世）高壓共軌燃油噴射系統為對象進行設計。讓學生理解高壓共軌的基本原理和基本組成，為學生掌握其他的高壓共軌燃油噴射系統奠定基礎。

測量與采集系統是本實驗平臺的另一個重要環節，它通過將實驗平臺上的各個傳感器信號采集并以直觀的壓力、溫度、質量和體積等學生常見的物理量呈現出來，讓學生更直觀的認識和理解實驗過程和實驗結果。借助數據采集系統，可以設置測試條件、采集和存儲實驗結果數據，方便實驗的操作對結果的處理。

1.2 高壓共軌燃油噴射系統的基本組成

如圖1所示為高壓共軌燃油噴射系統的組成示意圖，主要由帶粗濾的燃油箱、帶油水分離器的過濾器、低壓輸油泵、高壓油泵、油泵低壓回油管、高壓輸油管、燃油共軌管、噴油器、噴油器回油管、油泵電磁閥、軌壓傳感器和電子控制單元等組成。

高壓共軌燃油噴射系統的燃油走向為：燃油箱內柴油在低壓輸油泵的作用下，柴油從燃油箱中經低壓油管被吸出，經油水分離器分離過濾和燃油濾清器再次濾清后送往高壓油泵，高壓油泵使低壓柴油變為高壓柴油，并將高壓油經高壓油管送至燃油共軌管，燃油共軌管經高壓油管連接電控噴油器供油接頭。在這個過程當中，高壓油泵上有一回油管，將低壓輸油泵輸送的多余燃油流回油箱;如果油軌的油壓超過最大限定值后，高壓燃油經燃油共軌上的回油管回到油箱;噴油器上的回油經回油管送回油箱。

高壓共軌燃油噴射系統的控制過程為：電控單元ECU根據轉速傳感器、高壓油泵上壓力傳感器和軌壓傳感器檢測電控噴油器的供油壓力，通過控制高壓油泵上的回油閥和共軌管上限壓閥使噴油器供油壓力穩定在設定值附近。同時電控單元根據設定的脈寬和頻率，定時打開、關閉電控噴油器實現噴油過程。但是，用于教學平臺的高壓共軌燃油噴射系統其功能需求不一樣，因此需要在控制系統上進行改進。實驗平臺用控制系統主要功能包括：軌壓的控制、噴射頻率控制、噴射脈寬控制和噴油次數計量與控制。

1.3 高壓共軌柴油噴油器的基本工作原理

高壓共軌噴油器的工作原理與傳統機械式噴油器的工作原理相差較大，如圖2所示為高壓共軌電控噴油器的結構示意和工作原理圖。

1.3.1 噴油器關閉狀態

當沒有控制信號輸入時，回油球閥在電磁閥回位彈簧的作用理下壓緊在回油節流閥的閥座上，回油節流孔關閉，高壓燃油充滿整個控制腔，控制腔中的油壓、針閥壓力室中的油壓與共軌管中的油壓保持平衡。此時，控制腔中的油壓作用在控制活塞上端面上所產生的力與針閥回位彈簧所產生的壓力之和大于針閥壓力室中的油壓作用在針閥壓力環向上的推力，因此噴針閥處于向下壓緊的狀態，噴油器關閉。

1.3.2 噴油器開啟過程

當有控制電壓輸入時，電磁閥線圈內產生電流，電磁閥線圈產生的電磁力克服電磁閥回位彈簧的彈力使電磁閥向上運動，球閥離開閥座打開回油節流孔，控制腔中的高壓燃油從回油節流孔經噴油器的回油管流回燃油箱。由于進油節流孔的直徑小于回油節流孔的直徑，在進油節流孔的節流作用下控制腔內的燃油壓力與回油管內的壓力保持平衡，而針閥壓力室內的壓力與燃油共軌管內的油壓保持平衡。這時作用在控制活塞上端平面上的油壓產生的作用力減小，控制活塞上端面上的油壓作用力和噴油器針閥彈簧的彈力之和小于針閥壓力室內的油壓作用在針閥壓力環向上推力，針閥向上移動而打開噴油器，噴油開始。噴油器的最低打開噴油壓力取決于針閥回位彈簧的預緊力，當共軌管中的壓力高于這個值時噴油器才可以開啟。當噴油壓力一定時，噴油量與控制電磁閥的通電時間成正比，與噴油泵轉速及發動機轉速無關，這就是時間壓力（P-T）燃油噴射系統的優點。

1.3.3 噴油器回位過程

當控制信號作用消失時，電磁閥回位彈簧把銜鐵向下推，球閥關閉回油節孔。高壓燃油經進油節流孔流入控制腔，控制腔油壓逐漸回升，直到與共軌壓油平衡。作用在控制活塞上端平面的油壓作用逐漸增大，當油壓在控制活塞上端面上所產生的力與針閥回位彈簧所產生的壓力之和大于針閥壓力室中的油壓作用在針閥壓力環向上的推力時針閥向下運動而落入閥座，噴嘴關閉，噴油過程結束。

1.4 高壓共軌燃油噴射系統主要測量裝置

噴油器電流裝置：噴油器的開啟過程是完全依賴于電磁閥的控制，因此電磁閥的電流信號是噴油器的關鍵控制參數之一，即時間壓力控制當中的時間。噴油器電流測量主要采用磁感應式電流探頭，并借助于示波器或者是實驗平臺的采集系統進行顯示，讓學生可以直觀地了解控制電流的變化情況。

軌壓測量裝置：軌壓作為控制噴油量的另一關鍵參數其重要性是不言而喻的，軌壓的測量一般采用壓阻式壓力傳感器，傳感器信號借助實驗平臺的采集系統進行采集和顯示。

油量計量裝置：噴油量的測量分為兩部分，其中一部分是測量噴射量，主要計量的是從噴油器噴孔噴射出來的油量;另一部分是測量噴油器的回油量，主要是計量從噴油器回油道流回燃油箱的回油量。

2? 教學實驗項目設計

針對能源與動力工程汽車發動機專業學生的培養需求，從演示性實驗、驗證性實驗和創新性實驗三個方面搭建的高壓共軌燃油噴射系統綜合實驗教學平臺，可以開展以下主要實驗項目（見圖3）：

2.1 高壓共軌柴油機噴射系統結構及原理實驗

高壓共軌燃油噴射系統的結構及原理與傳統機械式噴射系統有很大的區別，通過實驗平臺可以直觀地認識系統的組成，各部分之間的位置裝配關系及工作原理，燃油的流程，控制信號流程圖等等。詳細拆解高壓油泵，了解其結構原理，弄清與傳統高壓油泵的區別，充分認識油壓的建立與轉速無關的本質。詳細拆解電控噴油器，了解其工作原理，充分認識其電子-液力-機械力三者的協同工作關系，理解時間-壓力控制的本質。通過整體認識和對關鍵部件的詳細拆解，讓學生對整個高壓共軌燃油噴射系統有更直觀的認識，為理論課程的學習和今后的工作打下基礎。

2.2 噴油量及回油量測量實驗

噴油量是噴油器的關鍵參數[8]，每一支噴油器都有其自身的流量特性;高壓共軌噴油器的回油取決于進回油孔的直徑，而進回油孔的直徑是影響噴油器流量特性的關鍵結構參數之一，因此高壓共軌噴油器的回油量是測量關鍵參數。高壓共軌噴油器的噴油量與回油量的測量需要同步進行，測量時固定軌壓和控制脈寬，在噴射固定次數后測量其總的噴油量和總的回油量并除以噴射次數即可獲得噴油器相應的噴油量和回油量。

2.3 噴油器控制參數調整實驗

影響噴油器流量特性的主要控制參數有軌壓、控制脈寬和驅動電壓，通過調整上述三個參數當中的某一個參數，然后按2.2所述的方法測量其噴油量和回油量，即可獲得不同控制參數下噴油器的流量特性。通過調整控制脈寬，即噴射時間，和調整噴油壓力來測量噴油量的流量特性，可以進一步幫助學生認識到高壓共軌噴射系統的時間壓力控制概念。

2.4 噴油器標定及一致性測試實驗

噴油器由于制造誤差等原因會導致每一支噴油器的流量特性不完全一致，因此噴油器在使用之前都需要進行一個標定測試來確認其流量特性。該實驗可以讓學生了解噴油器的標定流程，掌握噴油器的標定方法，為將來工作打下基礎。在實驗的時候，可以隨機給學生多支噴油器讓學生完成噴油器的標定，并分析多支噴油器流量特性的一致性。

2.5 噴霧質量演示實驗

噴霧質量是影響柴油機燃燒的關鍵因素，因此噴霧質量是汽車發動機原理課程的學習重點之一。借助實驗平臺，再配合紋影等攝像系統即可獲得在一定壓力和控制信號下的燃油噴霧質量，讓學生可以直觀地觀察燃油噴霧形狀和理解控制參數對噴霧質量的影響，幫助學生加深對理論課程的理解。

3? 高壓共軌燃油噴射系統綜合實驗平臺多元化

學生在高壓共軌結構及原理認識實驗、噴油量及回油量測量實驗、噴油器控制參數調整實驗、噴油器標定實驗和噴霧質量演示實驗等多層次的綜合實驗訓練中，完成了高壓共軌從認識、了解到應用強化的訓練。學生還可以根據自己選擇的實驗對象、內容和設備進行實驗方案設計并進行實驗，發現和探索高壓共軌的相關規律和原理。這樣既滿足了理論教學的演示性和驗證性實驗需求，又滿足了學生對創新性、探究性和綜合性實驗的需求。讓學生全面掌握基本的知識和技能，同時也培養了學生的工程實踐能力、創新思維和運用知識解決問題的能力。

高壓共軌燃油噴射系統綜合實驗平臺可滿足本科畢業設計和創新實踐訓練的需要。結合目前高壓共軌燃油噴射系統在各類柴油機上的應用情況，學生完成相關課題時可利用現在實驗平臺，自主查閱相關文獻資料等，完成研究、設計和實驗。這不僅可以培養學生理論聯系實際的能力，同時也可提高學生的創新實踐能力。

高壓共軌燃油噴射系統實驗平臺還可以用于科學研究，實現教學與科研的緊密結合。該實驗平臺可用于電子控制系統的開發與標定工作的噴油器控制調試，也可用于高壓共軌噴射系統與發動機的匹配測試，還可用于噴油器關鍵參數的設計等等。將教學設備與科研設備緊密結合使用可以提高設備的利用率，也可讓本科生參與到自己所熟悉設備的研究領域，激發學生的科研興趣。

4? 結語

高壓共軌燃油噴射系統實驗平臺的建設是基于“汽車發動機構造”與“汽車發動機原理”兩門主要核心課程展開的，該平臺可以完成從認識實驗、驗證實驗和學生版主創新實驗，滿足了對學生的日常教學要求和對學生的創造力的培養。與此同時，該平臺還可用于科學研究和畢業設計等創新訓練的培養，這種實驗室資源整合與科研教學相整合的方式有利于實驗室資源的共享，實現資源的節約，充分發揮現有資源的作用。

參考文獻：

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