柴油高压共轨

柴油高压共轨 笨重、噪音大、喷黑烟，令许多人对柴油机的直观印象不佳，加上柴油机的构造比较复 杂，不少人对柴油机缺乏了解，尤其对现代先进的柴油机缺乏了解，因此柴油机汽车在一些城 市成了“被限制的对象”，受到种种歧视。其实经过多年的研究和新技术应用，现代柴油机的 现状已与往日不可同喻。现代先进的汽车柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技 术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。目前国外轻型汽车用 柴油机日益普遍，奔驰、大众、宝马、雷诺、沃尔沃等欧洲名牌车都有采用柴油发动机的车 型。 在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比 （汽油与空气的比例），柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出的大小，而 柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置（油门拉杆位置）来决定的。因此，基本工 作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号，首先计算出基本喷油量，然后 根据水温、进气温度、进气压力等传感器的信号进行修正，再与来自控制套位置传感器的信号 进行反馈修正，确定最佳喷油量的。 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，与巳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 作状态达到最佳。 什么是共轨技术,为什么要采用共轨技术呢? 在汽车柴油机中，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，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。 柴油机的涡轮增压器已作过介绍。至于增压中冷技术就是当涡轮增压器将新鲜空气压缩经 中段冷却器冷却，然后经进气歧管、进气门流至汽缸燃烧室。有效的中冷技术可使增压温度下 降到50?以下，有助于减少废气的排放和提高燃油经济性。 高压共轨 前言 2003年5月bosch公司推出了第三代轿车用压电直接控制式喷油器共轨喷油系统，这是 柴油共轨喷射技术领域内的一次技术飞跃，其显著特点是集成在喷油器体中的压电执行嚣使喷 油器能迅速开闭．与迄今最好的电磁或压电式控制的喷油系统相比，该第三代轿车用压电直接 控制式喷油器共轨喷油系统能降低柴油机排气有害物高达20%，而且其新颖的调节功能有助于提高喷油量的计量精度。 1 Bosch轿车用共轨喷油系统的发展 1997年，Bosch公司首次推出轿车用共轨喷油系统，2000年开始批量生产第二代喷油系统，最大系统压力提高160MPa，并开始使用具有油量调节功能的高压泵、经改进的电磁阀喷 油器和多次喷射。 2002年10月，Bosch公司已生产1000万套共轨喷油系统，现在月产约400万套轿车用共轨喷油系统。 2003年5月，Bosch公司开始批量生产第三代紧凑型压电直接控制式喷油器(图1)共轨喷 油系统，这是柴油共轨喷射技术领域的重大举措。该系统在160MPa系统压力和无排气后处理的情况下用于重型汽车时，排放值可达到欧4排放标准。Bosch公司第三代共轨喷油系统可降低柴油机废气排放高达20％，此外还能提高功率5％，或降低燃油耗3％，或降低噪声3dB(A)，这要视发动机开发目标而定。下文介绍第三代共轨喷油系统及其部件和发动机试验 结果。 图1 轿车用压电共轨喷油器结构图 2 第三代共轨喷油系统 图2 V6柴油机用Bosch第三代共轨喷油系统布置图 燃油由低压电动燃油泵输送给具有泵油量调节功能的高压油泵，分配单元将进入的燃油分成 两路：一路供给泵油元件，另一路用以冷却传动机构和润滑轴承。高压油泵将燃油压缩至最高 压力达160MPa，并将其输入油轨。拧紧在油轨上的油轨压力传感器采集实时压力，并通过集 成在高压油泵上的分配单元进行燃油压力调节，而拧紧在油轨上的压力调节阀则用于在汽车加 速行驶时快速泄压。 高压燃油经油轨到压电喷油器，它由电控单元根据运行工况来控制，能精确地调节喷油始点 和喷油持续期，并且可柔性塑造喷油曲线(喷油相位、喷油次数和喷油量)形状。 2．1 泵油量可调式高压油泵 第三代共轨喷油系统采用的CP3．x型泵油量可调式高压柴油泵是一种径向柱塞泵，它具有 3个柱塞和安装在钢壳体中的多边凸轮轴(图3)。油泵转速达到4000r／mln时能提供高达160MPa的喷油压力。 图3 CP3.x型泵油量可调式高压油泵 通过向油轨精确供应燃油量来调节油轨压力，以此维持系统的喷油压力，这样能减少被压缩 至高压的燃油量，从而减少油泵消耗的功率。 CP3．x型高压油泵有各种不同的结构尺寸，能满足从小排量轿车至大型卡车发动机的需要。 供货目录通过各种不同壳体尺寸、柱塞直径和行程的分级来改变泵油量。此外，供货目录中还 将电动燃油泵或集成式齿轮泵规定为初级输油泵，以及可选用爪式、锥型或十字型联轴节。 2．2 高压油管、调压阀和油轨总成 高强度模块式激光焊接油轨(LWR)的结构基本上能满足未来的要求，其面涂层不含 Cr6+，已满足2007年起实施的法规要求。为了调节油轨压力，在油轨两端轴向装有最新一 代的压力传感器和调压阀(图4)。 图4 带压力传感器和调压阀的激光焊接油轨总成 电磁调压阀由供电电流占空比来控制，通过优化电磁回路和减小磁滞回线能迅速和精确地调 节油轨压力，这样就有可能在各种不同的容积流量下保持油轨压力恒定。 油轨容积必须足够大，以便补偿压力波动，将其对喷射的影响减至最小程度；另一方面油轨 容积又必须足够小，以便确保起动时迅速建立起油压。为使其最佳化，在设计阶段运用 AMESIM程序进行了模拟计算。 柴油机共轨喷油技术的进展 作者：钱人一 同济大学 本文将介绍日本电装公司的ECD-U2共轨喷油系统和博世公司的共轨喷油系统，并阐述共轨喷 油技术的发展趋势。 柴油机共轨喷油系统有一个共同的特点，就是有一个共同的高压燃油蓄势器，称为共轨。高压 供油泵只负责向这个蓄势器提供高压燃油，不负责控制燃油定量和喷油定时。管理燃油压力和 向各个气缸输送燃油的任务通过共轨完成。这样，燃油喷射过程可以不受压力产生和燃油输送 过程的牵制；燃油定量控制和喷油定时控制可以更为灵活和自由。 相对于其他燃油喷射系统，共轨燃油喷射系统有如下特点：在燃油定量和喷油定时方面实行全 电子的和柔性的控制；喷油规律曲线形状可以比较自由地调整；优化的、已可达到1800bar 的喷油压力（仅次于博世公司的泵喷嘴和泵管嘴）控制；能实现每个工作循环多达七次的燃油 喷射；高度的紧凑性和较低的高压油泵驱动扭矩。 日本电装公司的ECD-U2共轨喷油系统 日本电装（Denso）公司率先在上世纪九十年代初推出了名为ECD-U2的共轨燃油喷射系统。ECD-U2共轨喷油系统由高压供油泵、共轨、喷油器以及控制这些部件的电子控制单元和 各种传感器等组成（如图1）。系统利用泵控制阀改变高压供油泵的燃油出油量来控制共轨压 力，共轨压根据发动机负荷和转速确定的数值而调节。泵控制阀与燃油压力传感器相结合进行 共轨压力的闭环控制。 喷油器的工作原理 共轨压力长期施加在喷油器针阀的底面上。只有在喷油器不通电时才施加在针阀的背面上。当 喷油器不通电的时候，三通阀使单向孔板上面的空腔与共轨连通，高压燃油通过单向孔板流入 控制腔（液压柱塞的上方），通过液压柱塞对针阀施加向下的压力，跟回位弹簧的作用力一起 克服针阀下方燃油压力，使针阀关闭。在这个过程中，单向孔板没有节流作用。 当ECU发出喷油脉冲时，三通阀使单向孔板上面的空腔与回油管连通，燃油流到回油管去， 充满在这个空腔里的高压燃油压力立刻下降到大气压力。由于单向孔板节流，其下面控制腔中 的压力只能缓慢地下降，喷油器针阀逐渐地升起，造成所谓的德尔塔型（三角型）喷油规律， 这种喷油规律对气缸内的燃烧十分有利。 当由电子控制单元控制的喷油持续时间过去之后，喷油器断电，三通阀恢复到它的初始状态。 此时，来自共轨的高压燃油通过三通阀和单向孔板流入控制腔，使控制腔迅速地达到共轨压力,令针阀很快关闭，喷油很快被切断。 由此可见，喷油嘴的开启和关闭完全由喷油器控制腔中的压力和共轨压力的差值决定。改变施 加在三通阀上的电脉冲宽度，可以控制喷油量；改变施加在三通阀上的电脉冲发生的时刻，可 以控制喷油定时。因为ECD-U2共轨喷射系统是一个全电子控制的、完善的压力-时间燃油定量控制系统，所以没有传统燃油喷射系统固有的问题，如：由于喷油系统内的压力传播而产生 难以控制的或者不能控制的工况区域；由于调速器控制能力不足而引起低速下控制效能不良。 三种形状的喷油规律 ECD-U2共轨喷射系统的喷油规律可以控制成三种的形状，即德尔塔型（三角型）、靴型和预 喷型： • 德尔塔型（三角型）喷油率型式：喷油率逐渐上升并迅速截止的型式 • 预喷型式：在主喷之前实施一次小油量的预喷的型式 • 靴型喷油率型式：预喷跟主喷连在一起，形成一种靴子形状的喷油率型式 其中最有意义的是预喷。预喷是通过在主喷脉冲之前提供一个小小的预喷脉冲，因此三通阀在 每次喷油中都开启两次。预喷量小到1立方毫米/冲程。预喷和主喷的间隔时间已经可以缩小 到0.1毫秒。预喷可以减少在滞燃期内形成的可燃混合气，进而有效地降低柴油机的燃烧噪 声。 高压供油泵的控制策略 高压供油泵的功能是控制出油量以产生高压燃油。它采用便于产生高压的凸轮驱动机构（见图 1）。泵控制阀关闭后柱塞的升程当量决定了出油量。通过对泵控制阀关闭时刻的控制，或者 通过对凸轮预升程的控制来控制出油量，燃油在没有经过压缩的状况下进行回油并定量，从而 减少了高压回油。因此，泵驱动扭矩明显地下降了。最大驱动扭矩只有直列泵的三分之一。 博世（BOSCH）公司的共轨喷油系统 世界性大公司研究开发和生产的共轨喷油系统，其基本原理大同小异，但在一些关键零部件的 设计上则各有特色。BOSCH公司对共轨喷油技术的研究与开发1997年才起步，但是发展迅速，现在已经发展到了第四代，累计已经生产出了大约1500万套共轨燃油喷射系统。 图2所示为BOSCH公司共轨喷油系统的高压部分。这个系统的特点是，增加了限压阀和限流 器。其中：1）压力控制阀使燃油压力保持恒定，压力控制有两条控制环路：一条慢响应的电 气控制环路，用于设定共轨中变动着的平均压力；一条快响应的机械控制环路，用于补偿高频 压力脉动。2）共轨压力传感器的特点是，产生的信号由安装在传感器内部的运算电路放大后 送往ECU。如果共轨压力传感器发生故障，那幺压力控制阀就被触发成“关闭”状态，同时起 动紧急（跛行回家）功能，采用固定值。3）限压阀起泄压作用，它将最大共轨压力限制在一 个确定的数值，例如1500bar。4）共轨通往每一个喷油器的出口处都装设了一个限流器，限 流器的另一头拧入喷油管。在某一个喷油器中发生永久开启的非常不寻常的情况下，限流器可 防止连续地喷油。 喷油器与日本电装公司共轨喷油器的设计原理差不多，也是以电控制液，用液控制喷油嘴针 阀，但是具体构造有所不同（见图3）。该喷油器可以分成若干个功能模块：孔式喷油嘴；液 压伺服系统；电磁阀。 控制腔(8)通过一个由喷油器的电磁阀开启的泄油孔(6)与回油管(1)相连通。当电磁阀不通电，泄油孔封闭，在阀控制柱塞(9)上的液压力超过施加在喷油嘴针阀压力台肩(11)上的液压 力，针阀被压到针阀座上，使高压通道保持对燃烧室的密封。当电磁阀被触发时，泄油孔开 启，控制腔内的压力降低，柱塞上的液压力也降低。一旦这个液压力降低到低于作用在喷油嘴 针阀台肩上的力，喷油嘴针阀就将开启。 共轨喷油技术的发展趋势 随着排放法规和燃油经济性的要求不断提高，对柴油机的要求也越来越高，首当其冲的是柴油 喷射技术。首先，为了降低燃烧噪声，要求预喷；为了使燃油燃烧充分、从气缸内降低排放和 使微粒物捕集器得到再生，要求在主喷之后进行补喷。为了使燃油雾化得好，就要增加喷油孔 的数目，缩小喷油孔的直径，但这会导致喷油速率的下降。如要保证足够的喷油速率，就要提 高喷油压力。而为了实现多次喷射，就要改善喷油系统的响应特性。这些要求决定了共轨喷油 技术的发展方向。 1)提高喷油压力 早期的共轨喷油压力不超过800至1000bar。BOSCH公司第一代共轨系统的喷油压力只有1350bar，第二代达到1600bar，第三代已经达到1800bar，第四代将增大到2200bar的 喷油压力。因为泵喷嘴和泵管嘴系统2050bar的喷油压力收到了良好的效果。一般认为，柴油机喷油压力越高，则燃油经济性和排放越好。 2)压电式喷油器 在中低转速范围内，喷射的机动灵活性特别重要，最理想的情况是，在2500r/min以下的转 速范围每个工作循环喷射达5次，在中等转速范围内每个工作循环喷射两次或者三次，在标定 转速每个工作循环喷射一次。前面介绍过的电磁阀共轨喷油器无法满足这样的要求。西门子 VDO公司开发了能够非常机动灵活地实现多重喷射的、机电一体化的压电式共轨喷油器，并且 已经实现了商品化，见图4。 压电式执行元件像一个在电压下立即就能充电的电容器，其关键元件是陶瓷压电薄膜，它在加 上电压以后的0.1ms以内就会发生晶体晶格的畸变。为了使执行器达到足够的位移（行 程），必须将许多层陶瓷薄膜烧结成一块长方六面体。喷油器内30mm长的执行器由300多 层薄膜组成，每层的厚度只有80μm。压电元件加上电压后会膨胀大约40μm，通过杠杆比 为1:1.5的杠杆，使得控制腔回油通道中的阀开启。于是，控制腔内的压力下降，喷油嘴针阀 开启。 与电磁阀相比，压电执行器具有：没有滞后时间；切换十分迅速而且精确；可重现性非常好； 没有因设计造成的、以气隙之类的形式出现的偏差；寿命长，工作非常稳定等优点。压电式共 轨喷油器推出之后，立即受到各大公司的推崇。奥迪A8柴油轿车已经采用了这一系统。 德国汉诺威大学的燃烧研究所不久前研究开发了采用压电喷油器的柔性喷射系统，见图 5。该系统的喷油器通过对针阀实施直接控制而为喷油规律曲线形状的优化提供了更大的自由 度。这种喷油器具有决定性意义的优点是，喷油嘴针阀的升程和速度可以自由地选择。 3)多孔式喷油嘴 BOSCH公司第一代共轨喷油嘴的直径为0.2mm，第二代为0.14mm，第三代则为0.11-0.13mm。孔数则相应地分别为第一代4个，第二代以上至少6个。 特别值得一提的是，喷油孔做成内端大、外端小的锥形，可提高出口的喷射速度。而且普遍借 助液体磨蚀（HE）工艺将喷油孔的入口边倒圆，其目的是：事先消除燃油中的磨粒对喷油孔棱 边进行磨蚀的机会，和/或缩小流量公差。 共轨技术在中国发展的两点建议 泵喷嘴/泵管嘴系统的最大优点在于喷油压力高，对燃油经济性和排放有积极影响，但是价格过 高，而且气缸盖的设计改动比较大。中国可以跨过直列泵和分配泵的柴油机电子控制时代，直 接进入共轨时代。这样可以避免投资的大量浪费。 在此，就共轨喷射系统在中国的发展提出两点建议。第一，国家必须在制定环保法规的同时， 制定针对燃油质量的强制性法规。以目前质量低劣的柴油，根本无法适应电子控制共轨喷射系 统的要求。第二，国家应当引导、组织和扶植国内企业对共轨燃油喷射系统的研究和开发。共 轨系统所需之关键零部件或许可以进口，但是共轨系统成套供应，特别是研究、开发、生产和 销售电子控制单元及一些传感器和执行器的机会千万不要拱手让给外人。 HEUI共轨燃油喷射系统： HEUI系统特点; 1. 中压共轨电控液压式喷射系统，共轨中油压在4～23MPa，机油泵输出低压油300KPa至 高压机油泵（斜盘式轴向柱塞泵），由ECU控制共轨中的压力调节阀达到最佳性能值； 2. 系统共轨中不用燃油而用柴油机润滑油，有润滑油和燃油两套油路； 3.采用机油共轨油道油压驱动燃油增压活塞，对燃油增压，实现高压喷油，增压活塞的大小活 塞面积比为7：1，喷射压力可达150MPa； 4.利用高速开关电磁阀控制共轨油道中机油进出增压活塞，实现燃油压力的上升与下降，从而 实现喷油的定时控制； 5.通过采用预喷射量孔控制初期喷油率来实现预喷； 6.喷油压力与柴油机转速和负荷无关。 转载： 柴油机电子控系统组成［连载８２－１］ 与汽油机一样仍然有信号输入装置、电控单元、执行器三部分。 一、传感器信号输入 1、油门踏板位置传感器反应发动机的负荷信号及怠速确认，主控信号。 2、转速传感器、曲轴位置传感器主控信号与加速踏板位置传感器共同决定喷油量和喷油提前 角。 3、泵角传感器检测泵转角与曲轴位置传感器共同控制喷油量保证喷油正时改变时不影响喷油 量 4、着火正时传感器 检测燃烧室开始燃烧时刻修正喷油正时 5、冷却液温度传感器 控制发动机工作温度，修正喷油量与喷油正时。 6、进气温度传感器 检测进气温度、修正喷油量与喷油正时。 7、进气压力传感器 检测进气压力、修正喷油量与喷油正时。 8、溢流环位置传感器 检测溢流控制电磁铁的电枢位置，以反馈控制溢流环位置 9、正时活塞位置传感器 检测电子控制定时器正时活塞位置，将喷油正时提前量信号输入ECU。 10、控制杆位置传感器 检测电子控制柱塞式喷油泵调速器中控制杆位置将喷射量的增减信号反馈给ECU 11、控制套筒位置传感器 检测电控分配式喷油泵调整器中控制筒位置将喷油量增减信号反馈给ECU 12、发动机点火开关信号、空调信号、动力转向油压开关信号、空挡起动开关信号 电子控制系统类型结构及工作原理［连载８２－２｝ 1、电子控制柱塞式喷油泵 传感器： 加速踏板位置传感器 水温传感器 N-TDC传感器（转速-凸轮轴位置传感器） 起动开关、空调开关 2、实际动作反馈信号： 时间传感器 控制杆位置传感器（电动调速器内） ３.喷油提前角控制 ECU控制电磁阀来控制发动机机油泵进入时间控制器的油压，使时间控制器动作改变喷油泵凸 轮轴与油泵驱动轴曲轴相对位置来实现的电磁阀结构双组式 P孔道发动机主油道进入电磁阀 R孔道回流通道，一部分机油流回发动机油底壳。 A孔道控制油压流入时间控制器。 ECU控制电磁阀调节R孔 的回流量从而控制控制A通往 时间控制器的油压控制调节活 塞位置来实现喷油提前调节时间控制器结构 组成：缸筒、活塞、大小凸轮、法兰园盘 受电磁阀控制的油压大小、活塞位置发生改变通过活塞上的销带动 凸轮偏转带动法兰偏转一定 角度实现喷油提前调节 2、电子控制分配式喷油泵 组成： 输入信号：加速踏板位置传感器、转速传感器、 水温感器、燃油温度传感器、起动开关 反馈信号：套筒位置传感器 电控单元分析处理计算发出喷油量及喷油提前角参数命令。 执行元件电动调速器时间控制器接受ECU指令精确控制喷油量和喷油提前角。 此主题相关图片如下： 柴油机电子控系统组成｛连载８２－３｝ 1、喷油量控制 是由ECU控制电动 调速器中的控制套筒的 位置来实现增减喷油量。 转子式电磁执行器和油 量控制机构组成 工作原理： 非对称磁极芯上绕有线圈ECU根据有关输入信号可通过改变占空比的方法控制流入线圈电流大小使转子在0-60%范围内旋转，通过转子轴端偏心安装的滚珠改变控制套筒的位置来实现 喷油量的增减控制，转子上端有控制套筒位置传感器用以向ECU反馈喷油量的变化情况2、喷 油提前角的控制 电控分配泵喷油提前角的控制由 时间控制器（定时器）控制 原理迅时控制阀受ECU控制 正时活塞高压室和低压室的中间 通路，控制通往正时活塞高压室 的油压来实现对喷油提前角的控制。 当正时控制阀线圈通电时高低压室相通正时活塞两端压力差消失，回位弹簧作用正时活塞回位 使喷油时间推迟，反之正时控制阀断电，使喷油时间提前 此主题相关图片如下： 喷油器式电控系统｛连载８２－４｝ 喷油泵—喷油器式电控系统 用高速电磁阀来 控制喷油泵—喷油器泵喷嘴必须安装到位。若泵喷嘴与缸盖不垂直，禁固螺栓会松动，引起泵 喷嘴或缸盖的损坏。 1、通过高速电磁阀开闭控制高压燃油回油通路的开闭时刻从而控制喷油开始及停止的时刻来 实现对喷油提前角及喷油量控制 2、高速电磁阀受ECU控制 ECU根据发动机转速加速踏板位置水温进气温度及压力传感器输入信号分析处理计算出相应的 最佳控制参数值控制电磁阀线圈电流导通与关断的时刻及通电时间长短，实现对喷油提前角及 喷油量的实时控制 电控EUI喷油泵—喷油器系统 此主题相关图片如下： ECU根据柴油机转速，加速踏板位置水温增压压力等传感器信号控制喷油泵—喷油器上的电磁 阀实现对提前角及喷油量控制