王學(xué)軍，孫長勇

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

1 高壓共軌柴油發(fā)動機(jī)的發(fā)展優(yōu)勢

高壓共軌燃油系統(tǒng)自20世紀(jì)90年代末開始投入實際應(yīng)用，作為柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的第三代電控技術(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用。由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的高壓供油泵將燃油加壓進(jìn)入共軌，然后高壓燃油通過噴油器噴入相應(yīng)的氣缸，由計算機(jī)獨(dú)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(tǒng)柴油機(jī)相比，共軌柴油機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.1 適應(yīng)性強(qiáng)

共軌柴油機(jī)實現(xiàn)了噴油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和排放系統(tǒng)的單控或多控。噴油壓力可靈活調(diào)節(jié)，噴油參數(shù)可精確控制，使柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好。當(dāng)外界溫度較低時，電子控制單元（ECD）可控制進(jìn)氣加熱器對柴油機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行加熱，提高冷啟動能力與低溫運(yùn)行性能。

1.2 更高的可靠性

由于實時采集柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，能夠及時檢測出柴油機(jī)的運(yùn)行障礙，便于及時處理。此外，故障代碼指示使維護(hù)更加方便，具有良好的可維護(hù)性。

1.3 最佳運(yùn)行模式

最佳運(yùn)行模式是指根據(jù)不同的用戶要求自由選擇柴油機(jī)的運(yùn)行模式，如經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式、低排放運(yùn)行模式和低負(fù)荷運(yùn)行模式，以保證發(fā)動機(jī)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

1.4 全面的故障監(jiān)測

故障監(jiān)測能在線檢測各缸負(fù)荷，保證各缸負(fù)荷均勻分布，防止柴油機(jī)過載：在故障發(fā)生前，能提前報警并啟動應(yīng)急處理程序。電控柴油機(jī)具有較好的保護(hù)功能：在運(yùn)行過程中，當(dāng)關(guān)鍵參數(shù)出現(xiàn)一段時間（通常在幾秒鐘左右）時，會自動降低扭矩和轉(zhuǎn)速，并點(diǎn)亮報警燈；當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重問題時，如果設(shè)置了停機(jī)保護(hù)功能，則將自動停止并點(diǎn)亮停車燈。

2 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的功能

燃油噴射系統(tǒng)是共軌柴油機(jī)的核心技術(shù)。機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)采用電子控制，可根據(jù)柴油機(jī)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(shù)的不斷發(fā)展，控制功能日益完善，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 高噴射壓力

為了滿足排放法規(guī)的要求，當(dāng)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(zhì)量，縮短點(diǎn)火延遲期，使燃燒更加迅速和充分，減少廢氣排放。

2.2 獨(dú)立噴射壓力控制

機(jī)械噴射系統(tǒng)的噴射壓力取決于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，在低速和部分負(fù)荷條件下不利于燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的提高。最先進(jìn)的電子燃油噴射系統(tǒng)，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，具有獨(dú)立于速度和負(fù)載調(diào)節(jié)噴射壓力的能力。它能以適當(dāng)?shù)膰娚鋲毫?yōu)化噴射過程，保證柴油機(jī)在各種工況下的最佳經(jīng)濟(jì)性和排放。

2.3 提高柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性

柴油機(jī)的燃油消耗率反映了柴油機(jī)的設(shè)計技術(shù)和制造水平。采用高噴油壓力、獨(dú)立噴油壓力控制和小噴油孔等措施，可以降低柴油機(jī)的燃油消耗率，從而提高柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.4 最小油量控制

由于車用柴油機(jī)的工況非常復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)怠速工況。而共軌噴油系統(tǒng)通過設(shè)定低噴油壓力和小噴油持續(xù)時間，可以很容易地實現(xiàn)柴油機(jī)的最小燃油量控制。電子燃油噴射系統(tǒng)的預(yù)噴射能力使其更容易控制少量燃油[2]。

3 共軌柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化的要求

針對共軌柴油機(jī)對燃油噴射系統(tǒng)的要求，燃油噴射系統(tǒng)的選擇和參數(shù)優(yōu)化成為柴油機(jī)設(shè)計、改進(jìn)和性能發(fā)展過程中的關(guān)鍵工作。燃油噴射系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求[3]：

3.1 有足夠的工作能力

燃油系統(tǒng)必須能滿足柴油機(jī)所需的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，包括氣缸數(shù)、允許單缸功率、最大允許轉(zhuǎn)速、最大噴射壓力等。

3.2 噴射壓力高

在柴油機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在低速、低負(fù)荷條件下，應(yīng)盡量提高噴油壓力，使噴油壓力與轉(zhuǎn)速和負(fù)荷無關(guān)，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(wěn)定噴油量應(yīng)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(yīng)適當(dāng)，油束應(yīng)與燃燒室形狀和燃燒室內(nèi)空氣流動相匹配。

4 共軌柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化策略

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

4.1 KBE技術(shù)

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

知識模型是KBE工程設(shè)計的核心。知識庫、設(shè)計實例庫等各種數(shù)據(jù)庫都與產(chǎn)品模型相關(guān)聯(lián)。KBE的工程設(shè)計過程如圖1所示。設(shè)計人員的任務(wù)僅僅是提供輸入需求和做出重要的設(shè)計決策，這樣可以大大提高設(shè)計效率和質(zhì)量。

圖1 KBE的設(shè)計過程

4.2 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化總體方案

高壓共軌噴射系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化應(yīng)按照機(jī)械復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計匹配過程進(jìn)行。引入KBE技術(shù)，收集圖紙、數(shù)據(jù)和專家頭腦中存在的設(shè)計經(jīng)驗和知識，為匹配過程中的設(shè)計和開發(fā)服務(wù)。建立了基于KBE的電控高壓共軌噴油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該系統(tǒng)由四個層次組成：系統(tǒng)表示層、應(yīng)用邏輯層、特征技術(shù)層、推理機(jī)層和數(shù)據(jù)庫層。

圖2 基于KBE的高壓共軌噴油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)表示層：作為系統(tǒng)的頂層，可以全面監(jiān)控匹配進(jìn)度、進(jìn)程和任務(wù)狀態(tài)，并記錄下下級數(shù)據(jù)，具有動態(tài)關(guān)聯(lián)性。

應(yīng)用邏輯層：顯示系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化各階段任務(wù)、工作狀態(tài)、任務(wù)序列流程。

特征技術(shù)層：存儲系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化各階段零件設(shè)計開發(fā)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(jī)械層：對零件設(shè)計和開發(fā)中的主要信息和特征進(jìn)行判斷和推理，可以人工或計算機(jī)實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)庫層：覆蓋各種數(shù)據(jù)庫，包括特征數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫。它存儲計算和實驗所用的數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)，并以電子文檔的形式保存。燃油噴射系統(tǒng)匹配過程。

4.3 噴油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化流程

由于高壓共軌系統(tǒng)部件、調(diào)整參數(shù)和控制參數(shù)的增加，參數(shù)優(yōu)化過程更加復(fù)雜，工作量也增加。因此，需要一個清晰有序的系統(tǒng)流程圖。按照科學(xué)合理的開發(fā)流程，建立高壓共軌系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化導(dǎo)向樹，如圖3所示。KBE系統(tǒng)主要由任務(wù)建立、知識工程、部件設(shè)計、仿真計算、部件試驗和優(yōu)化報告等組成。

圖3 高壓共軌噴油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化導(dǎo)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(shè)計經(jīng)驗、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范、試驗規(guī)程、試驗指標(biāo)、試驗設(shè)備、相關(guān)和類似的技術(shù)設(shè)計資料、各部分的相關(guān)專利。在零件設(shè)計中，以機(jī)械設(shè)計手冊、流體設(shè)計手冊、材料應(yīng)用手冊為主，考慮了關(guān)鍵零件的密封和間隙，給出了明確的范圍，以指導(dǎo)實際的設(shè)計工作。

在部件設(shè)計部分，參數(shù)化設(shè)計主要用于計算幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和流場。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)庫和規(guī)則庫的要求，進(jìn)行初步判斷和推理，最終確定零件的完整幾何參數(shù)。仿真部分根據(jù)幾何參數(shù)建立三維實體模型，建立系統(tǒng)性能仿真模型，進(jìn)行多方案參數(shù)優(yōu)化。

部件試驗是燃油噴射系統(tǒng)匹配的必要環(huán)節(jié)。根據(jù)相關(guān)部件的試驗程序，進(jìn)行臺架試驗，檢查相關(guān)技術(shù)指標(biāo)是否合格，整個燃油噴射系統(tǒng)是否能滿足總體指標(biāo)要求。所有試驗必須在相應(yīng)的試驗規(guī)范下進(jìn)行。

5 結(jié)論

雖然高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)可以促進(jìn)發(fā)動機(jī)的靈活燃燒，降低發(fā)動機(jī)的噪音和排放，但它是一種理想的燃油系統(tǒng)。對高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的總體優(yōu)化設(shè)計、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)多次噴射的協(xié)調(diào)機(jī)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(tǒng)的整體性能有很大的影響。先進(jìn)的電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計方法和人工智能技術(shù)的不斷出現(xiàn)，為提高高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和提高燃油噴射系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了新的思路提高柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性。