性能特點(diǎn)和作用說明

柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的組成和工作原理

 

摘要：柴油機(jī)高壓共軌（DCR）電噴技術(shù)是一個(gè)閉環(huán)燃油控制系統(tǒng)，由低壓油泵、高壓油泵、共軌、燃油壓力傳感器、電子控制單元（ECU）、油路壓力控制閥、噴油器電磁閥和噴油器組成。噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程被完全分開。其控制內(nèi)容由燃油壓力控制、噴油正時(shí)控制、噴射率控制和噴油量控制組成。

 

一、高壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)勢

 

1、共軌系統(tǒng)優(yōu)勢

      高壓共軌噴射壓力的大小不受發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速影響，這樣避免柴油機(jī)供油壓力隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的不足。與其他燃油系統(tǒng)相比，其具有以下優(yōu)勢：

（1）獨(dú)立控制噴射壓力。

（2）獨(dú)立控制燃油噴油正時(shí)。

（3）能實(shí)現(xiàn)很高的噴油壓力有效消除壓力波動。

（4）實(shí)現(xiàn)了預(yù)噴射、分段噴射和控制噴射率。

（5）實(shí)現(xiàn)了控制最小油量噴射和控制快速斷油。

      高壓油泵將高壓燃油輸送到公共供油管道，供油管內(nèi)的油壓通過電壓力傳感器和ECU對實(shí)現(xiàn)精確控制，不因發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化使柴油機(jī)供油壓力大幅度減小。

2、電控噴射控制方式

      經(jīng)多年研究及實(shí)用，電控噴射技術(shù)在柴油機(jī)應(yīng)用非常成熟，形成了各種電控高壓噴射系統(tǒng)。柴油機(jī)電控噴射有兩類控制方式：

（1）位移控制。

      它的特點(diǎn)是在原機(jī)械控制循環(huán)噴油量和噴油正時(shí)原理的基礎(chǔ)上，對機(jī)構(gòu)功能改進(jìn)更新，油量的控制通過線位移或角位移的電磁液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)（齒桿或拉桿位移，撥叉位移）和提前器運(yùn)動裝置，使噴油正時(shí)和循環(huán)噴油量實(shí)現(xiàn)電控。此外，與機(jī)械控制不同，用柱塞預(yù)行程改變的辦法，實(shí)現(xiàn)可變供油速率的電控，滿足高壓噴射中大負(fù)載、高速和低怠速噴油過程控制的綜合優(yōu)化。其典型產(chǎn)品有轉(zhuǎn)子分配泵電控系統(tǒng)或直列柱塞泵電控系統(tǒng)，電控調(diào)速器，單體泵或泵噴嘴的電控系統(tǒng)等等。

（2）時(shí)間控制

      時(shí)間控制其電控高壓噴射裝置的工作原理與傳統(tǒng)機(jī)械式的完全不同，是在高壓油路中利用一個(gè)或兩個(gè)高速電磁閥控制噴油泵和噴油器的啟閉的噴油過程。控制噴油量由噴油器的開啟時(shí)間長短和噴油壓力大小決定，由控制電磁閥的開啟時(shí)刻確定噴油正時(shí)，可實(shí)現(xiàn)噴油量、噴油正時(shí)和噴油速率的柔性控制和一體控制。時(shí)間控制方法是柴油機(jī)噴射系統(tǒng)的發(fā)展方向，更加先進(jìn)，共軌噴射系統(tǒng)是其典型產(chǎn)品。

 

二、電控共軌噴油系統(tǒng)的工作原理

 

1、工作原理

      電控共軌噴油系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。它是一種新型的時(shí)間控制方式，利用電磁式油泵控制閥進(jìn)行調(diào)整噴油泵供油量，改變共軌油道中的油壓，而不是改變循環(huán)噴油量的大小。因此，噴油泵中柱塞偶件不起油量調(diào)節(jié)作用，不需要每個(gè)發(fā)動機(jī)氣缸配備一組泵油元件。根據(jù)發(fā)動機(jī)工況要求調(diào)節(jié)共軌中的油壓大小，電控裝置由油壓傳感器得到壓力值，比較發(fā)動機(jī)工況所設(shè)置的最佳壓力值與所測壓力，電磁式油泵控制閥啟閉由電控裝置輸出信號控制，使油壓達(dá)到最佳，該壓力值就是噴油嘴的噴射壓力。油嘴頂部液壓活塞控制室中的油壓決定噴油嘴的啟閉。此油壓大小取決于共軌中壓力和三通電磁閥啟閉的共同作用。當(dāng)三通閥通電時(shí)，高壓燃油從控制室流出，壓力室內(nèi)的高壓作用使噴油嘴針閥上升，于是開始噴油。當(dāng)三通閥斷電時(shí)，液壓活塞頂部控制室進(jìn)入高壓油，針閥下落，停止噴油。因此，接通三通閥的始點(diǎn)來控制噴油正時(shí)，由三通閥接通的持續(xù)時(shí)間來控制噴油量。圖中控制針閥上升的速度通過精細(xì)調(diào)節(jié)節(jié)流孔的孔徑大小，從而改變初期的供油速率，達(dá)到低氮氧化物排放、低噪聲的目的。

      由此可見，電子控制系統(tǒng)（如圖2所示）是對一個(gè)油泵控制閥和每個(gè)氣缸一個(gè)噴油三通閥的啟閉時(shí)刻和持續(xù)期進(jìn)行控制，控制噴油壓力和針閥開啟的時(shí)間，柔性控制循環(huán)噴油量、噴油正時(shí)、噴油速率。

      從上面的分析可知，采用時(shí)間控制方式的共軌系統(tǒng)其特點(diǎn)是噴射壓力、噴油正時(shí)和噴油量的變化用電磁閥控制，調(diào)節(jié)的自由度和控制精度大大提高。

2、功能

      共軌系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)上無法實(shí)現(xiàn)的功能，主要功率如下：

（1）共軌系統(tǒng)中的噴油壓力柔性可調(diào)，最佳噴射壓力由不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載確定，柴油機(jī)綜合性能得到優(yōu)化，如噴射壓力可不隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化，有利于柴油機(jī)低速時(shí)的扭矩增大和低速煙度改善。

（2）可獨(dú)立地對噴油正時(shí)柔性控制，配合高的噴射壓力（140～180MPa），可同時(shí)在較小的數(shù)值內(nèi)控制Knox和微粒（PM），滿足排放要求。

（3）噴油速率變化柔性控制，實(shí)現(xiàn)理想的噴油規(guī)律形狀（預(yù)噴型、臺階形噴油或三角形規(guī)律），既可降低柴油機(jī)氮氧化物排放和調(diào)節(jié)高壓共軌壓力，優(yōu)良的動力性、經(jīng)濟(jì)性得到保證。

（4）電磁閥控制噴油，控制精度高，高壓油路中不會出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象，因此在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，噴油量循環(huán)變動小，改善了各缸不均勻程度，柴油機(jī)的振動得到改善，排放減少。

 

圖1  電控柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)原理圖

圖2  柴油機(jī)電子控制器模塊原理框圖

 

三、共軌系統(tǒng)的工作原理

 

1、高壓供油泵

      高壓油泵的功能是對供油速率的控制保證共軌管中要求的壓力Pc，圖2所示是高壓油泵的工作原理。常規(guī)供油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想不同，常規(guī)系統(tǒng)是直接控制高壓燃油量，在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)能量的損失和浪費(fèi)，供油泵控制低壓燃油量。當(dāng)共軌中壓力低于目標(biāo)值時(shí)，ECU控制高壓油泵PCV（Positive Crankcase Ventilation，曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置）閥提早關(guān)閉，柱塞提前供油，由于供油終點(diǎn)為凸輪升程最高點(diǎn)是始終不變的，因此提早供油使高壓供油泵供油量增加，如圖3所示。當(dāng)共軌中壓力低于目標(biāo)值時(shí)，PCV閥推遲關(guān)閉，供油量減少，共軌中壓力降低。

      高壓供油泵的設(shè)計(jì)采用小柱塞直徑、長沖程和低凸輪軸轉(zhuǎn)速，能減少燃油泄漏、運(yùn)動阻力及驅(qū)動力矩高峰值。采用2缸直列泵的功能相當(dāng)于6缸常規(guī)直列泵，從而顯著減小高壓供油泵的尺寸。

 

圖3  共軌系統(tǒng)高壓油泵的控制原理

圖4 共軌系統(tǒng)高壓油泵的供油原理

 

2、三通閥（TWV）

      電控三通閥是DCR系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件，也是技術(shù)難度最高的部件，電控TWV（Three-Way Valve，三通調(diào)節(jié)閥）閥安裝在每個(gè)噴油器總成的上方，其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。三通閥包括內(nèi)閥和外閥，外閥和電磁閥線圈的銜鐵做成一個(gè)整體，由線圈的通電指令來控制外閥的運(yùn)動，外閥由閥體支撐。3個(gè)元件精密地裝配在一起，分別形成密封錐面A，和外錐座B，隨著外閥的運(yùn)動，A、B錐座交替關(guān)閉，三個(gè)油道（共軌管、回油管和液壓活塞上腔）兩兩交替接通，此外要注意到，閥錐座直徑分別為φd₁和φd₂，內(nèi)直徑為φd，Φd ＞ φd_1；  Φd ＞ φd_{2 ；}   Φd ≈ φd₁  ≈φd_2；三通閥本身不控制噴油量僅起壓力開關(guān)閥作用。

（1）當(dāng)線圈沒有通電時(shí)：

      在彈簧作用下外閥下落，在油道①的油壓的作用下內(nèi)閥上升，此時(shí)開啟密封內(nèi)錐座A，油道①、②相通，高壓油從①進(jìn)入液壓活塞上腔②中。

（2）當(dāng)線圈通電時(shí)：

      在電磁力的吸引下外閥向上運(yùn)動，密封內(nèi)錐座A關(guān)閉，此時(shí)內(nèi)閥仍停留在上方，開啟外錐座B，油道②、③相通，液壓活塞上腔向回油室放油，這時(shí)噴油器噴油。

3、噴油定時(shí)的控制

      在ECD（Electronic Control Diese-lengine）系統(tǒng)中可以自由獨(dú)立地控制噴油定時(shí)，方法是控制定時(shí)脈沖送達(dá)TWV的時(shí)間，其控制框圖如圖6所示。在ECU中要進(jìn)運(yùn)算兩次，即“0m計(jì)算”在各種傳感器送來信號的基礎(chǔ)上算出最終的噴油開始時(shí)間0n“Tcu的計(jì)算”，為實(shí)現(xiàn)0m的目標(biāo)決定激勵(lì)脈沖送到TWV的時(shí)間Tcu，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載決定基礎(chǔ)噴油定時(shí)，然后根據(jù)進(jìn)氣管水溫、壓力等對Obase進(jìn)行修正得0r再根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成時(shí)間Tatto，DCR系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器每隔15°CA產(chǎn)生一個(gè)脈沖在30°CA的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)噴油提前角，Tcu＝T30-T1向TWV輸出脈沖時(shí)間。

 

圖5  共軌系統(tǒng)三通閥的工作原理

圖6  共軌系統(tǒng)噴油定時(shí)的控制框圖

 

4、噴油率的控制

      DCR系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)三種噴油率：三角形，預(yù)噴射和靴形。

（1）三角形噴油率

      如圖7所示，為了降低初始噴油量的目的，使噴油器針閥升起的速度不要太快，專門設(shè)計(jì)了一個(gè)單向閥和一個(gè)節(jié)流小孔在動力活塞上方。單向閥阻止動力活塞上方通過燃油，只有通過小孔泄出燃油，造成動力活塞上方燃油壓力下降速度放慢，針閥緩慢上升。當(dāng)噴油終止時(shí)，三通閥斷電，外閥在彈簧力作用下向下運(yùn)動，座B關(guān)閉，關(guān)閉泄油道，而座A打開，動力活塞的通道燃油進(jìn)入。通過單向閥共軌高壓燃油迅速加壓到動力活塞上方使活塞下行。由于活塞的直徑比針閥直徑大得多，針閥在很大的油壓力下迅速關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)噴射快速停止，柴油機(jī)要求得到滿足。噴油始點(diǎn)由三通閥通電時(shí)刻決定，噴油量大小由通電持續(xù)時(shí)間決定。根據(jù)柴油機(jī)工況要求進(jìn)行調(diào)節(jié)噴油壓力，低速負(fù)載工況時(shí)，可實(shí)現(xiàn)需要高壓的某種程度，噴油壓力的調(diào)節(jié)可完全獨(dú)立于轉(zhuǎn)速負(fù)載工況。三通閥開啟響應(yīng)時(shí)間為0.35ms，關(guān)閉時(shí)間為0.4ms，三通閥全負(fù)載耗能為50W。

      由于DCR是一個(gè)電子控制的精確壓力-油量控制系統(tǒng)，共軌中壓力波動很小，它沒有常規(guī)電控噴油系統(tǒng)中存在的一些問題，如沒有由壓力波而產(chǎn)生的失控區(qū)、難控區(qū)，也沒有調(diào)速器能力不夠的問題，柴油機(jī)所需的理想油量控制特性得到實(shí)現(xiàn)。

（2）預(yù)噴射

      在主噴射前給三通閥一個(gè)小寬度的電脈沖信號，就可在DCR上實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射。ECD-U2系統(tǒng)為每循環(huán)1mm³最小預(yù)噴油量，預(yù)噴射和主噴射之間最小為0.1ms的時(shí)間間隔（見圖8）。

 

圖7  電控柴油機(jī)共軌系統(tǒng)三角形噴油率

圖8  共軌系統(tǒng)預(yù)噴射系統(tǒng)

 

（3）靴形噴油率

      針閥有一個(gè)小的預(yù)行程停留才能實(shí)現(xiàn)靴形噴油率圖形。為此需要變動噴油器總成結(jié)構(gòu)，在液壓活塞與三通閥之間的節(jié)流孔處改為一個(gè)靴形閥，如圖9所示?？烧{(diào)的預(yù)行程是靴形閥和液壓活塞間的間隙。當(dāng)三通閥通電時(shí)，靴形閥中的高壓燃油被釋放到泄油道，打開噴油嘴到相當(dāng)于預(yù)行程的高度，針閥停留在該處，一直維持到靴形閥節(jié)流孔下降到一定程度后，針閥才繼續(xù)升高到最大升程，噴油速率達(dá)到最大（針閥外觀和結(jié)構(gòu)如圖10所示）。依靠預(yù)行程量和靴形閥節(jié)流孔的直徑的合理組合，得到各種形式的靴形噴油率。由于初期靴形噴油率較低，可獲得較低的NO_x。

      DCR系統(tǒng)速度啟動較快，由于高壓輸油泵每個(gè)凸輪有三個(gè)凸起，共軌中油壓在啟動時(shí)升高很快。當(dāng)高壓輸油泵供油量U_p為600mm³時(shí)，共軌以及其他高壓油管路容積V為94000mm³，燃油容積彈性模量E為1100MPa/m㎡，則共軌壓力升高值為ΔP＝EQ_p/V＝7MPa/r，即高壓輸油泵每旋轉(zhuǎn)一次，共軌中壓力提高為7MPa。如噴油嘴開啟壓力為20MPa，輸油泵只要旋轉(zhuǎn)3次，共軌壓力就可以超過噴油嘴開啟壓力，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，只要啟動0.5s，可達(dá)20MPa共軌壓力，柴油機(jī)0.6s后就達(dá)到怠速轉(zhuǎn)速。

      此外，電控系統(tǒng)內(nèi)還有一個(gè)自診斷和故障安全系統(tǒng)，電控單元都具有自檢功能，用來監(jiān)測控制系統(tǒng)各部狀態(tài)。出現(xiàn)故障時(shí)，可用指示燈（在儀表板上）顯示故障碼，以便維護(hù)修理及時(shí)。

 

圖9  共軌系統(tǒng)靴形噴油率的產(chǎn)生

圖10  噴油器針閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)外形

 

總結(jié)：

      共軌電噴系統(tǒng)是通過微機(jī)控制柴油發(fā)電機(jī)使它工作在最佳條件下，共軌電噴系統(tǒng)通過各種傳感器獲得柴油發(fā)電機(jī)的各種工作參數(shù)(包括柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速踏板操作情況、冷卻水溫度等),全面控制循環(huán)噴油量、噴油正時(shí)、噴油壓力等。微機(jī)控制系統(tǒng)具有診斷功能、失效保險(xiǎn)功能和報(bào)警功能，它能提供主要柴油發(fā)電機(jī)電器部件的自診斷，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)向操作員發(fā)出警報(bào)，保護(hù)功能在微機(jī)檢測到嚴(yán)重故障時(shí)能自動停機(jī)，失效保險(xiǎn)功能在微機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)能保證切換到備用系統(tǒng)保證柴油發(fā)電機(jī)繼續(xù)工作。

 

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