柴油共軌噴油系統快速劣化試驗評估研究 -...

中華民國第十九屆車輛工程學術研討會，桃園創新技術學院機械工程系，台灣中壢，2014 年 11 月 14 日。 The 19th National Conference on Vehicle Engineering, Nov. 14, 2014, TIIT, Jhongli, Taiwan. C – 02 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

柴油共軌噴油系統快速劣化試驗評估研究

陳雅倫 1、顧詠元 1、陳嘉元 2、陳文杰 2、萬皓鵬 3 1 財團法人車輛研究測試中心(工程師)

2 財團法人工業技術研究院(資深工程師) 3 財團法人工業技術研究院(正研究員)

1E-mail:ellen @artc.org.tw 經濟部能源局計畫編號：103-D0108

摘要由於污染排放與燃油效率的要求提高，使得車輛開

始發展共軌噴油系統，藉由多次噴射、提高噴油壓力及

電磁或壓電式閥門控制來達到高霧化效果、精準的噴油

量提供，以符合排放法規要求。除須面對超高壓下高溫

油品低黏度特性與油品中硫含量降低影響外，對生質燃

料應用影響亦為零組件耐用性的重要因素。本研究透過

車輛燃油系統零組件實體與 ECU 控制模型建置，運用Rule-Based 控制策略可實現軌壓、噴油量與噴油正時調控，並經實機驗證可穩定運轉達 600 小時運轉，軌壓控制於目標設定值最大偏差可維持±20bar 內，平均標準差小於 4.2bar，本研究同步結合噴油嘴噴霧特性與油品特性分析，經加速劣化試驗研究目標於 600 小時運轉後，油品具有良好的穩定性，噴油嘴穿透深度、噴霧錐角與

噴霧粒徑分佈特性，具有相似特性變化且差異在量測誤

差內，顯示噴油嘴無異常劣化。

關鍵詞：電控共軌噴油系統、噴油嘴、生質柴油。 1. 前言

為因應環保法規排放標準加嚴，車廠採用多項對策

(如:排氣再循環、後處理器系統等)，其中柴油共軌噴油技術，將傳統柴油噴射系統更改為電腦控制共軌式高壓

柴油噴射系統，具有低動力消耗、恆定高壓噴射壓力、

噴射期間的多段噴油、噴油率與彈性噴油正時調控，可

同時減少 CO、HC、CO2、NOx 與 PM 的產生與排放，並且也能增進引擎的輸出性能，為車輛技術上重要進展

突破。過去引擎採用柱塞式噴射泵浦系統(圖 1)【1】，其

作動方式是藉由供油泵浦將燃油自油箱吸至噴射泵浦

內，再由噴射泵浦內的凸輪軸，受引擎轉動使得凸輪依

引擎旋轉正時來壓動控制各缸噴油壓力的柱塞，以建立

燃油壓力，並將燃油藉高壓油管輸送至各缸噴油嘴，而

噴油嘴的啟閉亦是由引擎凸輪軸所控制。但因為上述作

動主要是依據引擎運轉來驅動，所以燃油壓力會隨著引

擎轉速的不同而增加，但低速下漏油量將導致油壓無法

提升。因此無法依據引擎負荷狀況來提供精確的供油量，

導致引擎的噪音、排放污染及油耗狀況不佳。

圖 1 柱塞式噴射泵浦系統【1】

共軌式噴射系統(圖 2)，其油壓的產生與柴油噴射

啟閉為各自分開，燃油經高壓油泵加壓後儲存在共軌管

中準備噴射，而噴油嘴啟閉是透過引擎電腦(ECU)控制噴嘴電磁閥而決定。整套噴射系統透過 ECU 來協調控制高壓泵浦、調壓閥及噴油嘴等元件之運作，使得燃油

在極高的壓力下，仍能依據當時之引擎負載及轉速準確

地調整噴油量，讓引擎運轉順暢，因此運轉噪音及污染

排放、油耗狀況都較傳統柴油引擎好。且共軌式噴射系

統的噴油泵浦體積及重量也較柱塞式噴射泵浦小，減輕

不少引擎重量。

圖 2 共軌式噴射系統【2】


2. 研究方法本研究為建立一套柴油共軌噴油系統快速劣化試

驗平台技術，可結合進行燃油溫度條件影響研究、噴油

嘴、濾清器及油箱等燃油系統元件耐久試驗。本平台以

市售商用車輛搭載之共軌燃油系統元件為研究目標，採

用 Rule-Based 控制策略達成實現軌壓、噴油量與噴油正時調控。

2.1 硬體架設

本共軌噴油系統，組成元件包含有油箱、濾清器、

橡膠油管、供油泵浦、共軌管、高壓鋼管、汽缸蓋及噴

油嘴，其中在汽缸的位置，則以透明壓克力裝設，方便

確認汽缸內噴霧情形。動力驅動則透過一變頻馬達，驅

動供油泵浦以吸取油箱內的柴油並加壓至預設壓力值，

ECU 則依輸入訊息經計算後，提供對應的驅動器訊號輸出，令噴油嘴在適當時機噴注需求的噴油量，而多餘

的柴油再透過回油管送回油箱。

平台主要硬體分別為說明如下: (1). 供油泵浦與共軌管總成

供油泵浦(圖 3)及吸入控制閥(SCV 閥;未通電時為常開)，當啟動馬達帶動後，供油泵浦中的低壓供油泵作動將柴油從油箱中吸起，再由 SCV 進行流量調整，接著燃油進入高壓泵浦總成的柱塞室中，其偏心凸輪軸

以推桿使柱塞上下動作將燃油高壓化後再送至共軌管

(圖 4;規格如表 1)。而當壓力過高時，限壓閥將會開啟讓燃油回流至油箱，以保護共軌系統安全。

表 1 共軌管總成規格

共軌管容積 26mL 壓力限制閥開啟壓力 212-230MPa

共軌壓力感測器供給電壓 5V

(2). 噴油嘴總成噴油嘴(圖 5;規格如表 2)會依照ECU傳來的訊號，

在適當的噴射時期與噴油量，將共軌管中高壓燃油噴射

至燃燒室中。而噴射啟閉是藉由電磁線圈通電狀態來控

制。故在高壓與高速啟閉作動下，噴嘴針閥、閥門鋼珠、

鋼珠座為監控磨耗影響的主要部件，其明顯影響噴油量

的準確性。

表 2 噴油嘴規格控制方式電子式

最大作動壓力 155MPa 最小作動壓力 24MPa 作動電壓 48V 噴孔數 6

圖 3 供油泵浦【3】

圖 4 共軌管【3】

圖 5 噴油嘴【3】

2.2 控制邏輯

本平台控制系統，分為感知器訊號輸入、控制邏輯、

驅動器輸出三大部分。令平台能夠依據轉速、油門開度

以及進氣溫度等狀況，對應共軌壓力、噴油正時及噴油

量的輸出表現。


(1). 感知器訊號輸入建立燃油系統控制邏輯中則主要應用輸入的感知器訊

號包括有：曲軸轉速、上死點 TDC、水溫、進氣壓力、共軌壓力、燃油溫度、進氣溫度及油門踏板等。訊號型

態主要為類比訊號，經 ADC 處理轉成數位訊號傳輸到控制邏輯模型。

(2). 控制邏輯燃油系統的主要控制邏輯為依照引擎運轉狀況決

定適當的輸出參數，以獲得共軌壓力、噴油正時及噴油

量正確實現。共軌壓力控制是透過 SCV 閥的開度，使流入共軌管中的燃油流量受到限制，進而控制內部的燃

油壓力。依照引擎轉速(Rpm)及油門開度(APP)決定共軌壓力的命令值，依欲達到的命令值輸出對應的 PWM 訊號給 SCV 閥，再利用共軌管上的共軌壓力感知器檢測共軌管內的燃油壓力回授修正誤差。

圖 6 共軌壓力控制邏輯

噴油嘴的控制即為噴油正時及噴油量，其中噴油量

為自噴油脈寬決定來實現。油門開度大小與扭力(T)成正比，依公式計算制動平均有效壓力 (Brake mean effective pressure, BMEP)。另一方面，依據冷卻水溫ECT、RPM 比對引擎實驗建立的摩擦平均有效壓力表(Fraction mean effective pressure, FMEP)，兩者總和即為引擎真正輸出的平均有效指示壓力 (Indicated mean effective pressure, IMEP)。

VnTNBMEP

2

(1)

VNTNFMEP

28.6

(2)

FMEPBMEPIMEP (3) BMEP:單位排氣量引擎所輸出制動的功 FMEP:引擎運轉時單位排氣量下摩擦力所作的功 IMEP:引擎真正輸出的功 N:汽缸數 n:引擎每一燃燒循環曲軸轉數 T 單缸扭力(N-m) V 單缸排氣量(cc)

依據設定之 IMEP 計算所須之噴油量。再由軌壓、燃油密度等參數建立之噴油脈寬 MAP，輸出欲控制的噴油脈寬命令。而依 Rpm、IMEP 建立之 MAP 決定噴油正時，其噴油嘴噴油正時與噴油量控制邏輯如圖 7 所示。

圖 7 噴油嘴噴油正時與噴油量控制邏輯

(3). 驅動器輸出

透過曲軸轉速、上死點 TDC、水溫、進氣壓力、共軌壓力、燃油溫度、進氣溫度及油門踏板等感知器訊

號輸入後，再經由控制邏輯計算所須目標軌壓與噴油量。

其相關輸出控制包括有 SCV 閥，採用 PWM 方式進行調控進而改變其高壓泵吸入量。另噴油嘴則由噴油脈寬

IPW、噴油正時 SOI 數位訊號傳遞至一 DC/DC 高速噴油嘴驅動器進行調控。

2.3 噴油嘴噴霧特徵與粒徑量測

本研究依據所建立之快速劣化平台進行共軌噴油

嘴耐久試驗評估，主要分析噴霧張角、噴霧滲透深度與

油滴粒徑等噴油嘴噴霧特性。噴霧張角主要是根據雷射光頁進行噴霧攝影再進

行數位影像處理後所得，本研究均是使用 Nd:YAG 脈衝雷射系統作為攝影光源，雷射的高發光時機控制以及極

短的脈衝時間，在極短的脈衝時間內，噴霧型態的現象

可以被瞬間凝固，根據噴霧的曝光影像進行噴霧張角之

分析，除此之外相同的設施也將應用於噴霧貫穿深度的

量測，如圖 8 所示為噴霧系統與雷射系統整合關係與噴霧張角示意圖。

圖 8 噴霧雷射攝影(上)與噴霧張角定義(下)

SOI Map

Fuel manager Density

Fuelmass IPW Map

Injector

Rpm

IMEP

SOI

Fuel mass

Fuel press

Fuel Vol

BMEP

ECT FMEP Map

APP

Rpm

ECT APP

Rpm

Fuel press map

PID PWM Map SCV +

-

Rpm

APP

Fuel press


測試燃料經由共軌系統控制至目標壓力(1400bar)，使用控制線路同步驅動電控噴霧式噴嘴與雷射取像系

統，進行相關影像視流擷取，本研究使用畫幅內分的時

間能達到 10μs 影像擷取裝置來進行數位影像處理技術以取得噴嘴暫態噴霧型態。

油滴粒徑分析則透過 Malvern 雷射繞射粒徑分析儀，進行流體霧化液滴平均粒徑之量測，由一部氦-氖(He-Ne)雷射產生紅光雷射，藉著光束擴大器將雷射光擴束為直徑 9mm 之平行光後，穿過噴霧流場中之液滴產生繞射光，再經由傅立葉透鏡收集液滴產生之繞射光

後，通過光檢測器。本次使用之傅立葉透鏡焦距為

300mm，其有效量測粒徑範圍為 1.5μm~564μm。

3. 實驗結果本研究建立之柴油共軌噴油系統快速劣化試驗平

台，可模擬電控共軌引擎在高共軌壓力下進行噴油霧化

的狀況，具有調變噴嘴噴射次數與噴油正時能力。如圖

9 所示為實際驗證可調變噴射次數，包含前導噴射(Pilot)、預噴射(Pre)、主噴(Main)、後噴射(After)及後期噴射(Post)共五種噴射，可依實驗設計進行設定。正時部分則透過曲軸、凸輪軸訊號與噴油訊號間的位置計算

驗證。

圖 9 噴油嘴實現 5 噴驅動

(紫色為曲軸、黃色為噴油嘴、綠色則為凸輪軸)

本研究亦參考 JAMA 文獻【2】設計之試驗條件運用本研究所建立之快速劣化平台，進行加速劣化耐久試

驗，評估市售柴油對於柴油共軌燃油系統中噴油嘴噴霧

特性影響。詳細試驗方法如圖 10 所示，為達快速劣化目的則控制油品溫度達 80°C 使其潤滑性降低，其油品溫度控制條件為惰速運轉時油溫 40°C 為期 6 小時，共軌壓力設定於 800bar、全負載運轉油溫 80°C 為期 6 小時，共軌壓力設定於 1400bar，系統停止 12 小時為 1 循環試驗，油品每 150 小時進行更新模擬運轉後燃料更新補給，共進行 600 小時週期驗證。

圖 10 B2 噴油嘴耐久循環試驗【2】

由於全負載運轉條件下具有高共軌壓力與高入口燃油溫度將造成燃油熱氧化穩定性加速劣化進而使油

中酸度增加，對噴油嘴具有腐蝕性及污垢生成影響，每

階段油品運轉 150 小時後更換新油，分析其 0、300 與600 小時階段油品特性結果顯示，水分皆小於 200ppm、氧化穩定性亦都大於 20 小時，可視為油品在此期間尚屬於穩定狀態，然酸價則有上升趨勢，說明油品已有熱

氧化現象發生。

表 3 噴油嘴試驗油品特性分析

油品特性 0hr 300hr 600hr 標準市

售

柴

油

水分(ppm) 71 55 129 200 酸價(mgKOH/g)

0.001 0.029 0.019 0.08

氧化穩定性(hr) >20 >20 ＞20 >20

噴油嘴噴霧特性分析利用實驗測重法與雷射光學

流場可視化方法分別觀測燃油噴嘴於一靜止且具壓力

環境條件下之燃油噴霧外型，以噴霧端點穿透深度

(spray tip penetration)以及噴霧錐角(spray cone angle)表示。當液滴自噴嘴噴注進入靜止空氣中所能達到的最大

距離，此距離即為穿透深度；若將噴霧液滴群使用兩切

線包圍，這兩條切線的夾角即為噴霧錐角(亦稱霧化角)。

比較試驗前後噴嘴噴射延遲時間，同樣為0.25ms。圖11~圖14為試驗前(0hr)與試驗後(600hr)之噴霧錐角、穿透深度試驗結果，比較數值變化皆在正常誤差範圍內

(兩者平均噴霧錐角約 30Deg，穿透深度於 0.30ms 時約為 45mm)，而距離噴孔 10mm 處之粒徑分布，經由圖15、16 統計結果可知其平均粒徑(SMD)試驗前、後分別為 7.7、7.05μm 差異不大。顯示噴油嘴試驗後並無異常劣化。


圖 11 試驗前(0hr)噴嘴之穿透深度

圖 12 試驗後(600hr)噴嘴之穿透深度

圖 13 試驗前(0hr)噴嘴之噴霧錐角

圖 14 試驗後(600hr)噴嘴之噴霧錐角

圖 15 試驗前(0hr)噴嘴之粒徑分布

圖 16 試驗後(600hr)噴嘴之粒徑分布

經 600 小時試驗後分析惰轉與全負載共軌壓力共軌壓力值，如圖 17 與圖 18 所示，計算期間惰轉之共軌壓力平均值為 799.2bar、全負載平均值為 1398.2bar，軌壓控制於目標設定值最大偏差可維持±20bar 內，標準差小於 4.2bar 顯示平台之軌壓控制具有穩定性。

0 0.1 0.2 0.3 0.4Spray Evolution (ms)

0

10

20

30

40

50

60A

vera

ge P

enet

ratio

n (m

m)

Hole_1Hole_2Hole_3Hole_4Hole_5Hole_6

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30

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50

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Ave

rage

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(mm

)

Hole_1Hole_2Hole_3Hole_4Hole_5Hole_6

1 2 3 4 5 6Number of Holes

0

15

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45

60

75

90

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Spr

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ngle

(Deg

)

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)


圖 17 惰轉 360 分鐘之共軌壓力感測值

圖 18 全負載 360 分鐘之共軌壓力感測值

4. 結論 (1). 本試驗平台運用 Rule-Based 控制策略可實現軌

壓、噴油量與噴油正時調控，經驗證具前導噴射

(Pilot)、預噴射(Pre)、主噴(Main)、後噴射(After)及後期噴射(Post)共五種噴射

(2). 平台系統經實機 600 小時週期試驗確認可穩定運轉，軌壓控制於目標設定值最大偏差可維持

±20bar 內，標準差小於 4.2bar。

(3). 經由平台之噴油嘴快速劣化實驗，油品特性於高溫運轉下，氧化穩定性與水分尚符合標準，然熱

氧化現象導致酸價產生有上升趨勢。

(4). 比較試驗前、後噴油嘴穿透深度、噴霧錐角與噴霧粒徑分佈特性，具有相似特性變化且差異在量

測誤差內，顯示噴油嘴無異常劣化。

(5). 透過本研究之柴油共軌噴油系統快速劣化試驗平台，除可運用於燃油系統元件的耐久試驗，未來

可搭配不同油品、油溫變化、噴射參數調變、共

軌壓力變化等，彈性擴增研究範圍。

5. 致謝本研究承蒙經濟部能源局「永續生質燃料關鍵技術

與研發」計畫(計畫編號：103-D0108)經費支持，謹此誌謝。 6. 參考文獻期刊及研討會論文: [1] http://classroom.u-car.com.tw/classroom-featuredetail

.asp?cfsid=34, U-Car find your car. [2] Yasunori TAKEI, “JAMA’s Recommendation

on Bio Diesel Specification”, Japan Automobile Manufactures Association, 2007.

[3] 中華汽車6M60修護手冊-Group 13E 電子控制式燃油系統

[4] 林英瑋，“使用生質柴油共軌柴油引擎之控制參數調校”，碩士論文，國立台灣科技大學機械工程研究所，台北，台灣，2013。

[5] 陳雅倫，“電控引擎燃油系統快速劣化平台技術報告”，財團法人車輛研究測試中心，2013。

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0 60 120 180 240 300 360

共軌

壓力

(bar

)

時間(分)

800bar共軌壓力

1200

1250

1300

1350

1400

1450

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共軌

壓力

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時間(分)

1400bar共軌壓力

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