浅谈柴油机高压共轨电控燃油喷射技术

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浅谈柴油机高压共轨电控燃油喷射技术郭建樑大昌汽修专业学校摘要：柴油机电控高压共轨技术是一种燃油喷射压力与发动机转速无关的供油系统，是在高压泵、压力传感器和电子控制单元（ECU）组成的闭环系统中，将喷油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公共供油管，ECU控制喷油器的喷油量，而喷油量的大小取决于公共供油管压力和电磁阀开启时间的长短。关键词：柴油机共轨喷油压力控制前言：共轨式电控燃油喷射技术通过共轨形成恒定的高压燃油，再将燃油分送到每个喷油器，并借助与集成在每个喷油器上的高速电磁阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时刻、足够的点火能量和最少的污染排放。共轨系统将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器，共轨内燃油压力由压力调节阀控制，可在一定范围内自由设定。1、柴油机高压共轨电控技术1.1电控喷射技术11 电控柴油喷射系统由传感器、ECU（计算机）和执行机构三部分组成，其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与已储存的参数值进行比较，经过处理计算，按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统使柴油机运行状态达到最佳。该柴油机喷油控制是由发动机转速和加速踏板位置（油门拉杆位置）来决定的。因此，其基本原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信息，首先计算出基本喷油量，然后根据水温、进气压力等传感器的信号进行修正，再与来自控制位置传感器的信号进行反馈修正，从而确定最佳喷油量。1.2高压共轨技术在柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的11 压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷，现代柴油机采用了一种称为共轨的技术。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公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于公共供油管压力和电磁阀开启时间的长短。共轨式喷油系统于二十世纪90年代中后期才正式进入实用化阶段。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有：a、共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。b、可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120Mpa～200MPa），可同时控制NOx和微粒物（PM）在较小的数值内，以满足排放要求。c、柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机NOx，又能保证优良的动力性和经济性。d、由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。11 由于高压共轨系统具有以上的优点，现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有：德国博世、日本电装、美国康明斯的高压共轨系统等。2、高压共轨电控燃油系统基本组成2.1控制系统控制系统包含了传感器、控制器（发动机电脑）和执行器。电脑是电控共轨燃油系统的核心部分，它根据各传感器的信息进行综合计算，完成各种处理后，求出最佳喷油时间和最合适的喷油量，并且计算出在什么时刻、在多长的时间范围内向喷油器电磁阀发出开启或关闭的指令，从而精确控制发动机的工作过程。图1所示为共轨系统电子控制框图。2.1.1传感器11 在高压共轨电控系统中，除了测定发动机实时运行状态的转速传感器（曲轴位置）、凸轮轴位置传感器、空气流量传感器（进气压力传感器）、水温传感器、进气温度传感器、燃油温度传感器、油门踏板位置传感器外，还装有共轨压力传感器，用以实时监测共轨管内燃油压力，其测量范围是20Mpa—180Mpa，测量精度±2﹪—3﹪，而且在各种运行工况下都应有较高的可靠性。2.1.2控制器电控系统的控制器（ECU）是喷射系统的核心机构，它一般由输入模块、微机控制模块、输出模块和通信模块4个部分组成。ECU通过各个传感器实时采集柴油机运行过程中的数据并对数据进行处理，将实时运行参数与预存在ECU内的MAP图比较，计算确定喷油定时、喷油脉宽，驱动喷油器电磁阀完成喷油压力和规律的控制。此外，电控单元还能完成在线故障诊断和应急处理，与监控系统进行实时通信、记录并存储重要的状态参数。2.1.3执行器在高压共轨电控系统中，最为重要的两个执行器，一个是喷油器电磁阀；另一个是燃油计量阀，它是调节、保障共轨管内高压燃油压力的关键部件。除此之外，还有故障指示灯、预热塞控制，有些车型中还有排气制动阀控制、起动机控制、巡航控制等执行机构。2.2燃油系统燃油系统主要包含了高压供油泵、共轨和喷油器。高压供油泵将燃油加压成高压输入共轨内，储存在共轨内的燃油在适当的时刻通过喷油器喷入发动机汽缸内。电控共轨系统中的喷油器是一种非常精密的电磁阀，11 它的开启和关闭由发动机电脑控制。图2所示为典型的柴油机高压共轨燃油系统示意图。2.2.1高压泵高压油泵供油量的设计准则是必须保证在任何情况下柴油机的喷油量与控制油量之和以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生与燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。目前大部分公司多采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达135Mpa的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的1/9，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，11 在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。2.2.2共轨管共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用，它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在5Mpa之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。电装公司ECD-U2系统的高压泵的最大循环供油量为600毫升，共轨管容积为94000毫升。高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向ECU提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油泄漏故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。2.2.3喷油器电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。11 为了实现预定的喷油形状，需对喷油器进行合理的优化设计。控制室容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。控制量孔的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如BOSCH公司的喷油嘴的喷孔直径为0.169mm×611 ，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。2.2.4高压油管高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。BOSCH公司的高压油管的外经为6mm，内径为2.4mm，日本电装公司的高压油管的外经为8mm，内径为3mm。3、电控高压共轨燃油系统工作原理3.1燃油系统工作过程燃油从油箱被输油泵（电动输油泵）吸出后，经油水分离器滤清后，被送入高压油泵，这时燃油压力为0.2Mpa。进入高压泵的燃油一部分通过高压油泵上的安全阀进入油泵的润滑和冷却油路，流回油箱；一部分进入高压泵中的燃油被加压到135Mpa后，被输送到蓄压器（共轨管）。燃油进入蓄压器后，由轨压力传感器对轨道燃油压力进行检测、监控并实时反馈，由控制器（ECU）通过燃油计量11 阀把轨道燃油压力始终控制在所需范围内，并由轨道内出口回油处设置的压力限制阀把轨道内燃油压力进行调节限制在正常范围内，然后经流量限制阀，把合适流量的燃油通过高压油管压入喷油器内。在控制器（ECU）的控制下通过电磁阀或压电晶体执行器，把共轨轨道压力的高压柴油定时、定压、定量喷入气缸燃烧室。在电控高压共轨系统中，由各种传感器及时检测出发动机的实际运行状态，由ECU根据预置的程序进行运算后，确定适合于该工况下的最佳喷油量、喷油时刻、喷油速率、模型参数等，ECU发出指令使发动机始终处在最优工作状态，使发动机的动力性、经济性得到有效的发挥，并且可使排放得到最低。3.2喷油量的控制过程柴油机在运行过程中，对喷油量的需求，主要取决于驾驶员的操纵意图，由油门踏板位置传感器采集踏板（加速）信号，并将它传输给控制器（ECU），通过油门踏板设定的函数，实时提供合适的喷油参数。当发动机内部条件和外部环境发生变化时，常需变更喷油始点和喷射压力等，其变化的依据是根据相应的传感器，把相关信息反馈给ECU，与共轨轨道内的存储期望值比较后发出修正指令，由对应的执行器包括高压泵燃油计量阀、喷油器内电磁阀或压电晶体等去执行。4、结束语11 高压共轨电控燃油喷射技术的出现，使得车用柴油机获得了新生，它不仅保留了传统柴油机卓越的燃油经济性能，还进一步降低了NOx、颗粒物（PM）和碳烟的排放，使其更节能，排放更环保，在性能上已远远超过了传统汽油机，同时，该技术还具备了很大的发展潜力。越来越多的中国本土汽车厂商已经开始积极采用，自主品牌阵营日趋壮大，如奇瑞、威麟、长城哈弗、风骏、先锋、江淮瑞鹰、江铃陆风、荣威550、东风风行、一汽自由风和长安CM8等车型。先进柴油机技术的研发，尤其是智能高压共轨柴油机的上市，标志着中国发动机技术日趋完善并逐步达到国际水平。云内公司采用高压共轨、增压中冷、电控喷射等柴油机技术，生产了部分轿车高压共轨柴油机，得到德国FEV公司的大力支持，形成年产商用车30万台、乘用车40万台柴油发动机的能力。华泰汽车自主研发并应用电控高压共轨技术，生产了达到欧V水平、碳排放量下降16％的共轨系统柴油机，生产设备分别由意大利、德国、日本、美国等工业发达国家提供，生产出节能低排放水平的轿车发动机，为我国加速实现低碳社会做出了重大贡献。参考文献：1、徐家龙柴油机电控喷油技术人民交通出版社2、邓东密邓萍柴油机喷油系统机械工业出版社3、黄靖雄赖瑞海电控柴油机结构与原理人民交通出版社4、高宗英朱剑明柴油机燃料供给与调节机械工业出版社11