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面对日益严峻的环境和能源问题，在保持柴油机卓越的燃油经济性的同时，要想达到越来越严格的排放法规的标准要求，除了使用先进的废气后处理系统外，最主要的还需进一步改善柴油机的燃烧过程，而燃油喷射系统的性能是影响柴油机燃烧过程的关键环节。
一、柴油机高压共轨系统的特点
电控共轨式燃油喷射系统是柴油机喷射系统的一大革命。高压共轨燃油喷射系统作为当今最先进的燃油喷射系统，是最理想的一种高压喷油装置。所谓共轨技术，是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。由高压油泵把高压燃油输送到共轨管，可实现对共轨管内的油压进行精确控制。
柴油机高压共轨系统由高压油泵、蓄压器（共轨管）、电控喷油器、电控单元（ECU）等组成（图1）。其燃油喷射技术主要特点是：采用现代传感检测技术测出柴油机实际运行工况的主要参数如柴油机转速、扭矩、功率、油温、油压、水温、增压压力等，并将其传给ECU；ECU将这些实测参数与预先输入的、优化的柴油机运行脉谱进行比较，经过处理计算按照最佳值控制燃油轨（公共供油管）压力和喷油器的高速电磁阀的开启时间、持续时间和喷射次数，使柴油机运作状态达到最佳。ECU产生的电脉冲按顺序触发喷油器电磁阀，确定发动机每次喷油的起始和关闭时刻，并可灵活控制喷油速率和次数。共轨式喷射结构通过公共供油管直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器。柴油机电控共轨燃油喷射技术可以保证柴油机达到最佳的空燃比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。当然由于柴油机电控共轨燃油喷射技术发展时间较短，也存在一些技术问题有待解决。
图1 柴油机高压共轨系统基本组成
二、柴油机共轨燃油喷射系统的不足
喷射压电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，共轨系统对电控喷油器的要求有：
一是高压力、小流量。共轨系统的力在120MPa以上，流量很小，等效流通直径在0.5 ～1mm 范围内，对阀芯的结构设计和加工要求很高。
二是快速响应。为了满足共轨喷射的控制需要，喷油器上高速电磁阀的响应时间要在0.5 ms 以下。
三是大电流驱动。脉冲式工作一般使用的驱动电压在70V以上，驱动电流在10A以上。但是这么大的电流不可能连续通电，必须在电磁阀开启后迅速降低到2A～3A保持电流水平，并且在喷油结束后切断电流。高速电磁阀是脉冲式工作，电磁材料和结构必须适合低涡流低损耗的要求，对驱动电路要求很高。
国外用于高压共轨系统的高速电磁阀结构参数见表1，最高喷油压力在120MPa以上，响应时间在0.5 ms以下。但其都是各个燃油系统制造商在开发高压共轨系统时根据自己的喷油器和供油泵的结构开发的。如德国Bosch公司生产的高速电磁阀。
表1 国外的高速电磁阀结构参数
在国内由无锡威孚集团与德国博世集团成立的博世汽车柴油系统股份有限公司生产柴油机高压共轨系统高速喷油器，但核心技术依然掌握在德国博世公司。
目前国内生产使用的高速电磁阀响应时间都在0.5ms以上，存在无法强力快速线形响应，难以实现喷油速率形状控制和优质的预喷射，降低了柴油机电控共轨燃油喷射的质量，使柴油机的动力性、经济性受到较大影响。
三、2D喷油器的设计方案
1.2D喷油器结构和工作原理
2D喷油器是指控制阀芯采用双自由度电液控制的喷油器。2D喷油器工作原理如图2所示。2D喷油器由控制阀芯、喷油阀芯、喷油孔等组成。在2D喷油器中控制阀芯由伺服电机驱动旋转，使控制阀芯的三角槽与高压油、低压油依次接通、阻断，成周期性变化。由于控制阀芯的三角槽轴向截面面积不一，当控制阀芯伺服电机通过偏心机构驱动阀芯作轴向运动时，它与高压油、低压油接通的面积成一定线性变化，从而改变喷油时间，进而改变喷油量。
（1）当喷油阀芯上方进油时，孔与控制阀芯上的高压三角槽（通共轨管高压油的三角槽）相通时，喷油阀芯上下活塞同时受到来自共轨管的高压油的作用，由于上活塞作用力面积大于下活塞作用力面积，喷油阀芯的针阀被压在下方的针阀座面上，2D喷油器不喷油。
（2）当喷油阀芯上方的进油孔与控制阀芯上的低压三角槽（通低压油的三角槽）相通时，喷油阀芯上活塞受低压油作用而喷油阀芯下活塞受共轨管的高压油的作用，喷油阀芯克服弹簧弹力向上运动，针阀升起，喷油开始。
3）当喷油阀芯上方的进油孔与控制阀芯上的低压三角槽和高压三角槽之间相通时，若控制阀芯由低压三角槽转到高压三角槽，则针阀升起，继续喷油。若控制阀芯由高压三角槽转到低压三角槽，则针阀关闭，停止喷油。
显然，图示2D喷油器喷油时刻取决于控制阀芯低压三角斜槽何时与低压油腔相通，2D喷油器喷油量的大小则取决于进油孔与控制阀芯低压三角槽的接通时间。
2. 2D喷油器理论分析
（1）当针阀关闭，停止喷油时，2D喷油器流量方程为
式中： Cd——阀口的流量系数；
A——阀口的通流面积；
Ps——喷油阀芯下活塞所受压力；
PC——喷油阀芯上活塞所受压力；
ρ——高压柴油密度。
（2）当针阀开启，开始喷油时，2D喷油器流量方程为
（1）
（3）2D喷油器流量连续性方程为
（2）
式中： As——上活塞上表面面积；
xv——喷油阀芯位移
Vt ——喷油阀芯体积；
Eh——体积模量。
（4）喷油阀芯受力情况包括以下各种力的作用：AsPc为作用在上活塞的液压推力；AoPc为作用在下活塞的液压推力；为调压弹簧力和稳态液动力；为瞬态液动力；为喷油阀芯惯性力。
当喷油阀芯在力平衡状态下，有
(3)
式中：m——喷油阀芯质量；
Bc——黏性阻尼系数；
K——弹簧刚度；
Ff——摩擦力；
x0——弹簧预压缩量；
xv——喷油阀芯位移。
3.2D喷油器MATLAB仿真分析
MATLAB语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言。MATLAB具有功能强大、编程效率高等特点。对于数值计算、计算机辅助设计和系统仿真等来说，用MATLAB编程是一个最佳选择。其编程结果将以清晰的数据和图形的形式显示，从而能根据这些数据，对2D喷油器的特性的进行分析，得到仿真的结果。
图4 2D喷油器喷油阀芯位移变化图
图5 2D喷油器的动态特性
由图4可以看出喷油阀芯位移迅速，不存在振荡过程，而且其响应时间短，从图5可以看出2D喷油器，具有极高的灵敏度，喷油压力在140MPa以上。
在柴油机电控共轨喷射系统中，采用2D喷油器替代高速电磁阀主要有以下三方面意义：
（1）采用2D喷油器替代高速电磁阀，不但能克服高速电磁阀无法强力快速线形响应的问题，实现强力快速线形响应，提高响应特性，改善柴油机电控共轨喷射系统的综合性能，使柴油机电控共轨喷射系统的优势更为明显。
（2）采用2D喷油器替代高速电磁阀，不但能提高柴油机的喷油压力，优化雾化质量，而且更容易实现理想的喷油率图形，使喷油量控制更为精确。
（3）采用2D喷油器替代高速电磁阀，有助于我们突破技术封锁，实现在柴油机共轨燃油喷射技术中的飞速发展。
（作者单位：浙江省安吉县技工学校）
一、柴油机高压共轨系统的特点
电控共轨式燃油喷射系统是柴油机喷射系统的一大革命。高压共轨燃油喷射系统作为当今最先进的燃油喷射系统，是最理想的一种高压喷油装置。所谓共轨技术，是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。由高压油泵把高压燃油输送到共轨管，可实现对共轨管内的油压进行精确控制。
柴油机高压共轨系统由高压油泵、蓄压器（共轨管）、电控喷油器、电控单元（ECU）等组成（图1）。其燃油喷射技术主要特点是：采用现代传感检测技术测出柴油机实际运行工况的主要参数如柴油机转速、扭矩、功率、油温、油压、水温、增压压力等，并将其传给ECU；ECU将这些实测参数与预先输入的、优化的柴油机运行脉谱进行比较，经过处理计算按照最佳值控制燃油轨（公共供油管）压力和喷油器的高速电磁阀的开启时间、持续时间和喷射次数，使柴油机运作状态达到最佳。ECU产生的电脉冲按顺序触发喷油器电磁阀，确定发动机每次喷油的起始和关闭时刻，并可灵活控制喷油速率和次数。共轨式喷射结构通过公共供油管直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器。柴油机电控共轨燃油喷射技术可以保证柴油机达到最佳的空燃比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。当然由于柴油机电控共轨燃油喷射技术发展时间较短，也存在一些技术问题有待解决。
图1 柴油机高压共轨系统基本组成
二、柴油机共轨燃油喷射系统的不足
喷射压电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，共轨系统对电控喷油器的要求有：
一是高压力、小流量。共轨系统的力在120MPa以上，流量很小，等效流通直径在0.5 ～1mm 范围内，对阀芯的结构设计和加工要求很高。
二是快速响应。为了满足共轨喷射的控制需要，喷油器上高速电磁阀的响应时间要在0.5 ms 以下。
三是大电流驱动。脉冲式工作一般使用的驱动电压在70V以上，驱动电流在10A以上。但是这么大的电流不可能连续通电，必须在电磁阀开启后迅速降低到2A～3A保持电流水平，并且在喷油结束后切断电流。高速电磁阀是脉冲式工作，电磁材料和结构必须适合低涡流低损耗的要求，对驱动电路要求很高。
国外用于高压共轨系统的高速电磁阀结构参数见表1，最高喷油压力在120MPa以上，响应时间在0.5 ms以下。但其都是各个燃油系统制造商在开发高压共轨系统时根据自己的喷油器和供油泵的结构开发的。如德国Bosch公司生产的高速电磁阀。
表1 国外的高速电磁阀结构参数
在国内由无锡威孚集团与德国博世集团成立的博世汽车柴油系统股份有限公司生产柴油机高压共轨系统高速喷油器，但核心技术依然掌握在德国博世公司。
目前国内生产使用的高速电磁阀响应时间都在0.5ms以上，存在无法强力快速线形响应，难以实现喷油速率形状控制和优质的预喷射，降低了柴油机电控共轨燃油喷射的质量，使柴油机的动力性、经济性受到较大影响。
三、2D喷油器的设计方案
1.2D喷油器结构和工作原理
2D喷油器是指控制阀芯采用双自由度电液控制的喷油器。2D喷油器工作原理如图2所示。2D喷油器由控制阀芯、喷油阀芯、喷油孔等组成。在2D喷油器中控制阀芯由伺服电机驱动旋转，使控制阀芯的三角槽与高压油、低压油依次接通、阻断，成周期性变化。由于控制阀芯的三角槽轴向截面面积不一，当控制阀芯伺服电机通过偏心机构驱动阀芯作轴向运动时，它与高压油、低压油接通的面积成一定线性变化，从而改变喷油时间，进而改变喷油量。
（1）当喷油阀芯上方进油时，孔与控制阀芯上的高压三角槽（通共轨管高压油的三角槽）相通时，喷油阀芯上下活塞同时受到来自共轨管的高压油的作用，由于上活塞作用力面积大于下活塞作用力面积，喷油阀芯的针阀被压在下方的针阀座面上，2D喷油器不喷油。
（2）当喷油阀芯上方的进油孔与控制阀芯上的低压三角槽（通低压油的三角槽）相通时，喷油阀芯上活塞受低压油作用而喷油阀芯下活塞受共轨管的高压油的作用，喷油阀芯克服弹簧弹力向上运动，针阀升起，喷油开始。
3）当喷油阀芯上方的进油孔与控制阀芯上的低压三角槽和高压三角槽之间相通时，若控制阀芯由低压三角槽转到高压三角槽，则针阀升起，继续喷油。若控制阀芯由高压三角槽转到低压三角槽，则针阀关闭，停止喷油。
显然，图示2D喷油器喷油时刻取决于控制阀芯低压三角斜槽何时与低压油腔相通，2D喷油器喷油量的大小则取决于进油孔与控制阀芯低压三角槽的接通时间。
2. 2D喷油器理论分析
（1）当针阀关闭，停止喷油时，2D喷油器流量方程为
式中： Cd——阀口的流量系数；
A——阀口的通流面积；
Ps——喷油阀芯下活塞所受压力；
PC——喷油阀芯上活塞所受压力；
ρ——高压柴油密度。
（2）当针阀开启，开始喷油时，2D喷油器流量方程为
（1）
（3）2D喷油器流量连续性方程为
（2）
式中： As——上活塞上表面面积；
xv——喷油阀芯位移
Vt ——喷油阀芯体积；
Eh——体积模量。
（4）喷油阀芯受力情况包括以下各种力的作用：AsPc为作用在上活塞的液压推力；AoPc为作用在下活塞的液压推力；为调压弹簧力和稳态液动力；为瞬态液动力；为喷油阀芯惯性力。
当喷油阀芯在力平衡状态下，有
(3)
式中：m——喷油阀芯质量；
Bc——黏性阻尼系数；
K——弹簧刚度；
Ff——摩擦力；
x0——弹簧预压缩量；
xv——喷油阀芯位移。
3.2D喷油器MATLAB仿真分析
MATLAB语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言。MATLAB具有功能强大、编程效率高等特点。对于数值计算、计算机辅助设计和系统仿真等来说，用MATLAB编程是一个最佳选择。其编程结果将以清晰的数据和图形的形式显示，从而能根据这些数据，对2D喷油器的特性的进行分析，得到仿真的结果。
图4 2D喷油器喷油阀芯位移变化图
图5 2D喷油器的动态特性
由图4可以看出喷油阀芯位移迅速，不存在振荡过程，而且其响应时间短，从图5可以看出2D喷油器，具有极高的灵敏度，喷油压力在140MPa以上。
在柴油机电控共轨喷射系统中，采用2D喷油器替代高速电磁阀主要有以下三方面意义：
（1）采用2D喷油器替代高速电磁阀，不但能克服高速电磁阀无法强力快速线形响应的问题，实现强力快速线形响应，提高响应特性，改善柴油机电控共轨喷射系统的综合性能，使柴油机电控共轨喷射系统的优势更为明显。
（2）采用2D喷油器替代高速电磁阀，不但能提高柴油机的喷油压力，优化雾化质量，而且更容易实现理想的喷油率图形，使喷油量控制更为精确。
（3）采用2D喷油器替代高速电磁阀，有助于我们突破技术封锁，实现在柴油机共轨燃油喷射技术中的飞速发展。
（作者单位：浙江省安吉县技工学校）