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                                    電控高壓共軌直噴柴油機技術介紹

                                    作者:     發布日期:2019-08-22

                                    ?Piezo 噴射器具有極快和精確的燃油量分配。Piezo噴射器的響應時間是原系統的4倍,允許在預噴和主噴之間更短和更多可變距離的噴射。

                                    由于通過能量恢復獲得需的觸發能的可能,需的觸發能會相當地減少。另外,通過簡單的電控制,可達到忍受較大的電磁和基本減少感應錯誤。

                                    Piezo噴射器安裝在油軌上,將燃油噴入燃燒室。每沖程的噴入量由預噴量和主噴量構成。這種分層噴射使得柴油機燃燒過程變得柔和。由于Piezo噴射器的配置,使其具有極快的響應速度(時間)。因此,噴射的燃油量和劑量可以非常準確的控制,而且確保良好的循環。

                                    噴射器由發動機控制單元控制(ECU)。與以前的系統比較,Piezo噴射器需要相當小的觸發能,它可通過可能的能量恢復獲得。

                                    注意:在發動機工作期間,連接線束連接器到發動機控制裝置,噴射器須連接可靠,否則有損壞發動機的危險。

                                    在維修工作時,噴射器不應拆散。每個件都不許被松動或沒有擰緊,否則將引起噴射器的損壞。

                                    ● 柴油共軌泵DCP

                                    柴油共軌泵由布置在一個單一殼體里的下列部件組成:

                                    內置傳輸泵ITP

                                    內置葉片泵的作用是將燃油從燃油箱經過燃油濾抽出,供給帶有柴油的高壓燃油泵。除此之外,還有潤滑高壓油泵的目的。

                                    柴油共軌泵DCP是需求控制中心,由凸輪盤驅動具有相差120°的三個排量裝置的柱塞泵。DCP提供體積流量以保證油軌正常的高壓,同時也提供噴射器在發動機所所有工作條件下需的燃油量和在DCP里的燃油壓力。

                                    油箱中的柴油完整的內置傳輸泵ITP(1)經燃油濾清器抽出。燃油也被傳送至潤滑閥(6)和體積控制閥(2)。平行位于燃油供應泵里的預壓控制閥,當體積控制閥關閉時打開,使燃油再次到燃油泵的吸入端。燃油經潤滑閥(6)到泵里邊,并從那到燃油回油管。

                                    體積控制閥由發動機控制裝置控制,計量輸送到高壓元件(3)的燃油量,同時到高壓泵HPP。

                                    三個泵元件的高壓輸出口將再結合并傳送到DCP的高壓出口(b)高壓控制閥(4)。體積控制閥到高壓出口的燃油量,同時保證油軌中的壓力,并位于高壓通道和回油管線之間。

                                    體積控制閥VCV

                                    體積控制閥控制輸入高壓泵的燃油流量比并根據要求確保向高壓泵的輸入準確。體積控制閥VCV調節從內置傳輸泵來的燃油傳送到高壓泵元件,內置傳輸泵安裝在柴油共軌泵內。

                                    隨即,在系統的低壓側,由高壓泵HPP輸送的燃油量就能按發動機的要求被調節好。高壓泵的吸入功能可以減低,由此發動機的效率將獲得改善。體積控制閥VCV直接擰緊到柴油共軌泵DCP上。

                                    注意:如果須進行維修時,體積控制閥不得從柴油共軌泵DCP上拆下。

                                    高壓泵HPP

                                    高壓泵是由3缸凸輪盤驅動的柱塞泵,提供油軌需的系統壓力。

                                    壓力控制閥PCV

                                    壓力控制閥控制高壓泵的出口壓力。

                                    壓力控制閥PCV控制柴油共軌泵DCP在高壓出口及油軌內的燃油壓力。另外,壓力控制閥衰減在柴油供軌泵供油期間和噴射過程中產生的壓力波動。

                                    壓力控制閥由ECU裝置控制,使得在發動機每個工況下油軌中存在較佳壓力。壓力控制閥直接由法蘭連接到柴油共軌泵DCP上。

                                    高壓油管

                                    高壓油管連接柴油共軌泵和油軌,油軌和噴射器。

                                    注意:高壓油管在須進行維修時,由于在擰緊的過程中密封環已卷曲變形,所以高壓油管總是被更換。

                                    油軌

                                    油軌負貯存由柴油共軌高壓泵DCP來的高壓燃油,在發動機各個工況向噴射器提供須的燃油量。由于貯存的功能,使得在噴射過程產生的波動被衰減。油軌中的燃油壓力可以用壓力傳感器測量, 壓力傳感器擰緊在油軌打標記3的地方。

                                    注意:維修時,壓力傳感器不能從油軌上拆下。

                                    高壓傳感器

                                    壓力傳感器測量燃油軌中的壓力。即時的壓力被轉換為發動機控制單元ECU可以識別的電位信號。根據發動機控制單元(ECU)已記錄的性能特性,在噴射器期間壓力信號可用來做控制計算,通過高壓控制閥實現高壓調節。高壓傳感器直接固定在油軌上,用柔軟的鐵墊圈密封。

                                    注意:維修時高壓傳感器不能拆下。

                                    高壓傳感器的功能:鋼薄膜(2)的變形與油軌中的即時壓力有關。傳感器內的阻值由于要附加到鋼膜(2)上而被改變。阻置的改變由電子儀器(3)和發動機控制單元作為電位信號識別。

                                    發動機控制單元(ECU)

                                    發動機控制單元檢查發動機系統控制的所有須的過程。按駕駛者的要求,計算發動機須的輸出數據(如:燃油噴射量,廢氣再循環比等),和發動機整車數據(如,發動機速度,車速,發動機冷卻溫度,進氣質量,)以及檢查防盜碼。發動機控制單元與其他控制裝備的通訊。

                                    高電壓警告:當不得不在發動機控制單元上工作的時候,須認真遵守相關高壓裝備防止意外的原則和規章。

                                    注意:當發動機運轉時,不能拆除發動機控制單元,否則將導致發動機損壞。

                                    ● 初始啟動(車輛第 一次啟動):

                                    1、燃油系統須自動充滿。發動機廠出廠時,燃油濾充有2/3的燃油。從燃油箱到燃油濾的燃油管線充滿燃油。

                                    2、安裝在進游管線的手泵(1)應操作3到4次。

                                    注意:為操作手泵須用手握住,用力擠壓。

                                    3、這種啟動操作Max20秒。

                                    笨重、噪音大、噴黑煙,令許多人對柴油機的直觀印象不佳,加上柴油機的構造比較復雜,不少人對柴油機缺乏了解,尤其對現代先進的柴油機缺乏了解,因此柴油機汽車在一些城市成了“被限制的對象”,受到種種歧視。其實經過多年的研究和新技術應用,現代柴油機的現狀已與往日不可同喻。

                                    現代先進的汽車柴油機一般采用電控噴射、共軌、渦輪增壓中冷等技術,在重量、噪音、煙度等方面已取得重大突破,達到了汽油機的水平。目前國外輕型汽車用柴油機日益普遍,奔馳、大眾、寶馬、雷諾、沃爾沃等歐洲名牌車都有采用柴油發動機的車型。

                                    在電控噴射方面柴油機與汽油機的主要差別是,汽油機的電控噴射系統只是控制空燃比(汽油與空氣的比例),柴油機的電控噴射系統則是通過控制噴油時間來調節輸出的大小,而柴油機噴油控制是由發動機的轉速和加速踏板位置(油門拉桿位置)來決定的。

                                    因此,基本工作原理是計算機根據轉速傳感器和油門位置傳感器的輸入信號,首先計算出基本噴油量,然后根據水溫、進氣溫度、進氣壓力等傳感器的信號進行修正,再與來自控制套位置傳感器的信號進行反饋修正,確定較佳噴油量的。

                                    電控柴油噴射系統由傳感器、ECU(計算機)和執行機構三部分組成。其任務是對噴油系統進行電子控制,實現對噴油量以及噴油定時隨運行工況的實時控制。采用轉速、溫度、壓力等傳感器,將實時檢測的參數同步輸入計算機,與已儲存的參數值進行比較,經過處理計算按照較佳值對噴油泵、廢氣再循環閥、預熱塞等執行機構進行控制,驅動噴油系統,使柴油機運作狀態達到較佳。

                                    什么是共軌技術,為什么要采用共軌技術呢? 在汽車柴油機中,高速運轉使柴油噴射過程的時間只有千分之幾秒,實驗證明,在噴射過程中高壓油管各處的壓力是隨時間和位置的不同而變化的。

                                    由于柴油的可壓縮性和高壓油管中柴油的壓力波動,使實際的噴油狀態與噴油泵所規定的柱塞供油規律有較大的差異。油管內的壓力波動有時還會在主噴射之后,使高壓油管內的壓力再次上升,達到令噴油器的針閥開啟的壓力,將已經關閉的針閥又重新打開產生二次噴油現象,由于二次噴油不可能完全燃燒,于是增加了煙度和碳氫化合物(HC)的排放量,油耗增加。

                                    此外,每次噴射循環后高壓油管內的殘壓都會發生變化,隨之引起不穩定的噴射,尤其在低轉速區域容易產生上述現象,嚴重時不僅噴油不均勻,而且會發生間歇性不噴射現象。

                                    為了解決柴油機這個燃油壓力變化的缺陷,現代柴油機采用了一種稱為“共軌”的技術。

                                    共軌技術是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環系統中,將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式,由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管,通過對公共供油管內的油壓實現精確控制,使高壓油管壓力大小與發動機的轉速無關,可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發動機轉速的變化,因此也就減少了傳統柴油機的缺陷。

                                    ECU控制噴油器的噴油量,噴油量大小取決于燃油軌(公共供油管)壓力和電磁閥開啟時間的長短。

                                    柴油機的渦輪增壓器已作過介紹。至于增壓中冷技術就是當渦輪增壓器將新鮮空氣壓縮經中段冷卻器冷卻,然后經進氣歧管、進氣門流至汽缸燃燒室。有效的中冷技術可使增壓溫度下降到50℃以下,有助于減少廢氣的排放和提高燃油經濟性。

                                    發動機共軌系統

                                    共軌壓力傳感器安裝在高壓共軌管上,感應燃油壓力。它采用壓力作用在硅體上,可改變電阻值的半導體壓力傳感器。

                                    噴油泵的供油量的設計準則是須保證在任何情況下柴油機的噴油量與控制油量之和的需求以及起動和加速時的油量變化的需求。由于共軌系統中噴油壓力的產生與燃油噴射過程無關,且噴油正時也不由噴油泵的凸輪來保證,因此噴油泵的凸輪可以按照峰值扭矩最 低、接觸應力較小和較耐磨的設計原則來設計凸輪。

                                    電控噴油器是共軌式燃油系統中關鍵和較復雜的部件,它的作用根據 ECU 發出的控制信號,通過電磁閥的開啟和關閉,將高壓油軌中的燃油以較佳的噴油時間及噴油量噴入燃燒室。

                                    柴油機電控系統的控制內容:噴油量控制;噴油正時控制;怠速控制;各缸噴油量不均勻的修正;廢氣再循環;起動預熱控制;故障自診斷功能;故障保護功能。

                                    加速踏板位置傳感器內部是霍爾感應式的,通過踏板位置的改變,改變傳感器傳送給ECU的反饋電壓,是ECU控制噴油量的一個主要參數

                                    提高柴油機的經濟性和降低排放

                                    較佳噴油提前角受發動機轉速、負荷、冷卻液溫度、燃油溫度、進氣溫度及壓力等多種因素的影響。柴油機電控系統應能在不同的工況及工作條件下精確地控制噴油提前角,并始終保持在較佳值,以降低燃油消耗和減少排放污染。

                                    共軌系統主要生產廠家:德國 ROBERT BOSCH 公司的CR系統;日本電裝公司的ECD-U2系統;美國的 DELPHI 公司的 LDCR 系統等;意大利的 FIAT 集團的 unijet 系統。

                                    軌式噴油系統于二十世紀 90 年代中后期才正式進入實用化階段。這類電控系統可分為:蓄壓式電控燃油噴射系統、液力增壓式電控燃油噴射系統和高壓共軌式電控燃油噴射系統。高壓共軌系統可實現在傳統噴油系統中無法實現的功能,其優點有:

                                    a. 共軌系統中的噴油壓力柔性可調,對不同工況可確定所需的較佳噴射壓力,從而優化柴油機綜合性能。

                                    b. 可獨立地柔性控制噴油正時,配合高的噴射壓力(120MPa-200MPa),可同時控制NOx和微粒(PM)在較小的數值內,以滿足排放要求。

                                    c. 柔性控制噴油速率變化,實現理想噴油規律,容易實現預噴射和多次噴射,既可降低柴油機NOx,又能保證優良的動力性和經濟性。

                                    d. 由電磁閥控制噴油,其控制精度較高,高壓油路中不會出現氣泡和殘壓為零的現象,因此在柴油機運轉范圍內,循環噴油量變動小,各缸供油不均勻可獲得改善,從而減輕柴油機的振動和降低排放。由于高壓共軌系統具有以上的優點,現在國內外柴油機的研究機構均投入了很大的精力對其進行研究。

                                    高壓共軌燃油噴射系統主要部件介紹

                                    它主要由電控單元、高壓油泵、共軌管、電控噴油器以及各種傳感器等組成。低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵,高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌,高壓油軌中的壓力由電控單元根據油軌壓力傳感器測量的油軌壓力以及需要進行調節,高壓油軌內的燃油經過高壓油管,根據機器的運行狀態,由電控單元從預設的map圖中確定合適的噴油定時、噴油持續期由電液控制的電子噴油器將燃油噴入氣缸。

                                    1 、高壓油泵

                                    高壓油泵的供油量的設計準則是需保證在任何情況下的柴油機的噴油量與控制油量之和的需求以及起動和加速時的油量變化的需求。由于共軌系統中噴油壓力的產生于燃油噴射過程無關,且噴油正時也不由高壓油泵的凸輪來保證,因此高壓油泵的壓油凸輪可以按照峰值扭矩較低、接觸應力較小和較耐磨的設計原則來設計凸輪。

                                    bosch公司采用由柴油機驅動的三缸徑向柱塞泵來產生高達135Mpa的壓力。該高壓油泵在每個壓油單元中采用了多個壓油凸輪,使其峰值扭矩降低為傳統高壓油泵的1/9,負荷也比較均勻,降低了運行噪聲。該系統中高壓共軌腔中的壓力的控制是通過對共軌腔中燃油的放泄來實現的,為了減小功率損耗,在噴油量較小的情況下,將關閉三缸徑向柱塞泵中的一個壓油單元使供油量減少。

                                    日電裝公司采用了一個三作用凸輪的直列泵來產生高壓,如圖2所示。該高壓油泵對油量的控制采用了控制低壓燃油有效進油量的方法,其基本原理如圖3所示。

                                    a 、柱塞下行,控制閥開啟,低壓燃油經控制閥流入柱塞腔;

                                    b、柱塞上行,但控制閥中尚未通電,處于開啟狀態,低壓燃油經控制閥流回低壓腔;

                                    c、在達到供油量定時時,控制閥通電,使之關閉,回流油路被切斷,柱塞腔中的燃油被壓縮,燃油經出油閥進入高壓油軌。利用控制閥關閉時間的不同,控制進入高壓油軌的油量的多少,從而達到控制高壓油軌壓力的目的;

                                    d、凸輪經過較大升程后,柱塞進入下降行程,柱塞腔內的壓力降低,出油閥關閉,停止供油,這時控制閥停止供電,處于開啟狀態,低壓燃油進入柱塞腔進入下一個循環。

                                    該方法使高壓油泵不產生額外的功率消耗,但需要確定控制脈沖的寬度和控制脈沖與高壓油泵凸輪的相位關系,控制系統比較復雜。

                                    2 、共軌管

                                    共軌管將供油泵提供的高壓燃油分配到各噴油器中,起蓄壓器的作用,ECD-U2 系統的供軌管如圖4所示。

                                    它的容積應削減高壓油泵的供油壓力波動和每個噴油器由噴油過程引起的壓力震蕩,使高壓油軌中的壓力波動控制在5Mpa之下。但其容積又不能太大,以保證共軌有足夠的壓力響應速度以快速跟蹤柴油機工況的變化。ECD-U2 系統的高壓泵的較大循環供油量為 600mm3 ,共軌管容積為 94000mm3 。

                                    高壓共軌管上還安裝了壓力傳感器、液流緩沖器(限流器)和壓力限制器。壓力傳感器向 ECU 提供高壓油軌的壓力信號;液流緩沖器(限流器)保證在噴油器出現燃油漏泄故障時切斷向噴油器的供油,并可減小共軌和高壓油管中的壓力波動;壓力限制器保證高壓油軌在出現壓力異常時,迅速將高壓油軌中的壓力進行放泄。

                                    從上述分析可見,精確設計高壓共軌管的容積和形狀適合確定的柴油機是并不容易的。

                                    3 、電控噴油器

                                    電控噴油器是共軌式燃油系統中較關鍵和較復雜的部件,它的作用根據 ECU 發出的控制信號,通過控制電磁閥的開啟和關閉,將高壓油軌中的燃油以較佳的噴油定時、噴油量和噴油率噴入柴油機的燃燒室。

                                    BOSCH和ECD-U2的電控噴油器的結構基本相似,都是由于傳統噴油器相似的噴油嘴、控制活塞、控制量孔、控制電磁閥組成,圖5為 BOSCH 的電控噴油器結構圖。

                                    在電磁閥不通電時,電磁閥關閉控制活塞頂部的量孔A,高壓油軌的燃油壓力通過量孔Z作用在控制活塞上,將噴嘴關閉;當電磁閥通電時,量孔A被打開,控制室的壓力迅速降低,控制活塞升起,噴油器開始噴油;當電磁閥關閉時,控制室的壓力上升,控制活塞下行關閉噴油器完成噴油過程。

                                    控制了噴油率的形狀,需對其進行合理的優化設計,實現預定的噴油形狀??刂剖业娜莘e的大小決定了針閥開啟時的靈敏度,控制室的容積太大,針閥在噴油結束時不能實現快速的斷油,使后期的燃油霧化不良;控制室容積太小,不能給針閥提供足夠的有效行程,使噴射過程的流動阻力加大,因此對控制室的容積也應根據機型的較大噴油量合理選擇。

                                    控制量孔A、Z的大小對噴油嘴的開啟和關閉速度及噴油過程起著決定性的影響。雙量孔閥體的三個關鍵性結構是進油量孔、回油量孔和控制室,它們的結構尺寸對噴油器的噴油性能影響巨大。

                                    回油量孔與進油量孔的流量率之差及控制室的容積決定了噴油嘴針閥的開啟速度,而噴油嘴針閥的關閉速度由進油量孔的流量率和控制室的容積決定。進油量孔的設計應使噴油嘴針閥有足夠的關閉速度,以減少噴油嘴噴射后期霧化不良的部分。

                                    此外噴油嘴的較小噴油壓力取決于回油量孔和進油量孔的流量率及控制活塞的端面面積。這樣在確定了進油量孔、回油量孔和控制室的結構尺寸后,就確定了噴油嘴針閥完全開啟的穩定、但控制室的容積不可能無限制減少,它應能保證噴油嘴針閥的升程以使針閥完全開啟。兩個控制量孔決定了控制室中的動態壓力,從而決定了針閥的運動規律,通過仔細調節這兩個量孔的流量系數,可以產生理想的噴油規律。

                                    由于高壓共軌噴射系統的噴射壓力非常高,因此其噴油嘴的噴孔截面積很小,如 BOSCH 公司的噴油嘴的噴孔直徑為0.169mm×6,在如此小的噴孔直徑和如此高的噴射壓力下,燃油流動處于不穩定狀態,油束的噴霧錐角變大,燃油霧化更好,但貫穿距離變小,因此應改變原柴油機進氣的渦流強度、燃燒室結構形狀以確保較佳的燃燒過程。

                                    對于噴油器電磁閥,由于共軌系統要求它有足夠的開啟速度,考慮到預噴射是改善柴油機性能的重要噴射方式,控制電磁閥的響應時間更應縮短。關于電磁閥的研究已由較多的文獻報道,本文不再對此進行分析。

                                    4 、高壓油管

                                    高壓油管是連接共軌管和電控噴油器的通道,它應有足夠的燃油流量減小燃油流動時的壓降,并使高壓管路系統中的壓力波動較小,能承受高壓燃油的沖擊作用,且起動時共軌中的壓力能很快建立。

                                    各缸高壓油管的長度應盡量相等,使柴油機每一個噴油器有相同的噴油壓力,從而減少發動機各缸之間噴油量的偏差。各高壓油管應盡可能短,使從共軌到噴油嘴的壓力損失較小。

                                    BOSCH公司的高壓油管的外經為6mm,內徑為2.4mm,日本電裝公司的高壓油管的外經為8mm,內徑為3mm。

                                    由于高壓共軌式燃油噴射系統具有可以對噴油定時、噴油持續期、噴油壓力、噴油規律進行柔性調節的特點,該系統的采用可以使柴油機的經濟性、動力性和排放性能都會有進一步的提高。這就需要我們加大對高壓共軌系統的研究力度,使我國的柴油機水平跨上一個新的臺階。