性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

柴油機高壓共軌系統的組成和工作原理

 

摘要：柴油機高壓共軌（DCR）電噴技術(shù)是一個(gè)閉環(huán)燃油控制系統，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(guò)程被完全分開(kāi)。其控制內容由燃油壓力控制、噴油正時(shí)控制、噴射率控制和噴油量控制組成。

 

一、高壓共軌系統的優(yōu)勢

 

1、共軌系統優(yōu)勢

      高壓共軌噴射壓力的大小不受發(fā)動(dòng)機的轉速影響，這樣避免柴油機供油壓力隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機轉速變化的不足。與其他燃油系統相比，其具有以下優(yōu)勢：

（1）獨立控制噴射壓力。

（2）獨立控制燃油噴油正時(shí)。

（3）能實(shí)現很高的噴油壓力有效消除壓力波動(dòng)。

（4）實(shí)現了預噴射、分段噴射和控制噴射率。

（5）實(shí)現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，供油管內的油壓通過(guò)電壓力傳感器和ECU對實(shí)現精確控制，不因發(fā)動(dòng)機轉速的變化使柴油機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)在柴油機應用非常成熟，形成了各種電控高壓噴射系統。柴油機電控噴射有兩類(lèi)控制方式：

（1）位移控制。

      它的特點(diǎn)是在原機械控制循環(huán)噴油量和噴油正時(shí)原理的基礎上，對機構功能改進(jìn)更新，油量的控制通過(guò)線(xiàn)位移或角位移的電磁液壓執行機構或電磁執行機構調節（齒桿或拉桿位移，撥叉位移）和提前器運動(dòng)裝置，使噴油正時(shí)和循環(huán)噴油量實(shí)現電控。此外，與機械控制不同，用柱塞預行程改變的辦法，實(shí)現可變供油速率的電控，滿(mǎn)足高壓噴射中大負載、高速和低怠速?lài)娪瓦^(guò)程控制的綜合優(yōu)化。其典型產(chǎn)品有轉子分配泵電控系統或直列柱塞泵電控系統，電控調速器，單體泵或泵噴嘴的電控系統等等。

（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機械式的完全不同，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(guò)程?？刂茋娪土坑蓢娪推鞯拈_(kāi)啟時(shí)間長(cháng)短和噴油壓力大小決定，由控制電磁閥的開(kāi)啟時(shí)刻確定噴油正時(shí)，可實(shí)現噴油量、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噴射系統的發(fā)展方向，更加先進(jìn)，共軌噴射系統是其典型產(chǎn)品。

 

二、電控共軌噴油系統的工作原理

 

1、工作原理

      電控共軌噴油系統的工作原理如圖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節作用，不需要每個(gè)發(fā)動(dòng)機氣缸配備一組泵油元件。根據發(fā)動(dòng)機工況要求調節共軌中的油壓大小，電控裝置由油壓傳感器得到壓力值，比較發(fā)動(dòng)機工況所設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。當三通閥通電時(shí)，高壓燃油從控制室流出，壓力室內的高壓作用使噴油嘴針閥上升，于是開(kāi)始噴油。當三通閥斷電時(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(lái)控制噴油正時(shí)，由三通閥接通的持續時(shí)間來(lái)控制噴油量。圖中控制針閥上升的速度通過(guò)精細調節節流孔的孔徑大小，從而改變初期的供油速率，達到低氮氧化物排放、低噪聲的目的。

      由此可見(jiàn)，電子控制系統（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)刻和持續期進(jìn)行控制，控制噴油壓力和針閥開(kāi)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，調節的自由度和控制精度大大提高。

2、功能

      共軌系統可以實(shí)現傳統噴油系統上無(wú)法實(shí)現的功能，主要功率如下：

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

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

（3）噴油速率變化柔性控制，實(shí)現理想的噴油規律形狀（預噴型、臺階形噴油或三角形規律），既可降低柴油機氮氧化物排放和調節高壓共軌壓力，優(yōu)良的動(dòng)力性、經(jīng)濟性得到保證。

（4）電磁閥控制噴油，控制精度高，高壓油路中不會(huì )出現氣泡和殘壓為零的現象，因此在柴油機運轉范圍內，噴油量循環(huán)變動(dòng)小，改善了各缸不均勻程度，柴油機的振動(dòng)得到改善，排放減少。

 

圖1  電控柴油機燃油噴射系統原理圖

圖2  柴油機電子控制器模塊原理框圖

 

三、共軌系統的工作原理

 

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。常規供油系統的設計思想不同，常規系統是直接控制高壓燃油量，在實(shí)際應用中出現能量的損失和浪費，供油泵控制低壓燃油量。當共軌中壓力低于目標值時(shí)，ECU控制高壓油泵PCV（Positive Crankcase Ventilation，曲軸箱強制通風(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。當共軌中壓力低于目標值時(shí)，PCV閥推遲關(guān)閉，供油量減少，共軌中壓力降低。

      高壓供油泵的設計采用小柱塞直徑、長(cháng)沖程和低凸輪軸轉速，能減少燃油泄漏、運動(dòng)阻力及驅動(dòng)力矩高峰值。采用2缸直列泵的功能相當于6缸常規直列泵，從而顯著(zhù)減小高壓供油泵的尺寸。

 

圖3  共軌系統高壓油泵的控制原理

圖4 共軌系統高壓油泵的供油原理

 

2、三通閥（TWV）

      電控三通閥是DCR系統中最為關(guān)鍵的部件，也是技術(shù)難度最高的部件，電控TWV（Three-Way Valve，三通調節閥）閥安裝在每個(gè)噴油器總成的上方，其結構原理如圖5所示。三通閥包括內閥和外閥，外閥和電磁閥線(xiàn)圈的銜鐵做成一個(gè)整體，由線(xiàn)圈的通電指令來(lái)控制外閥的運動(dòng)，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(zhù)外閥的運動(dòng)，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?jì)H起壓力開(kāi)關(guān)閥作用。

（1）當線(xiàn)圈沒(méi)有通電時(shí)：

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

（2）當線(xiàn)圈通電時(shí)：

      在電磁力的吸引下外閥向上運動(dòng)，密封內錐座A關(guān)閉，此時(shí)內閥仍停留在上方，開(kāi)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）系統中可以自由獨立地控制噴油定時(shí)，方法是控制定時(shí)脈沖送達TWV的時(shí)間，其控制框圖如圖6所示。在ECU中要進(jìn)運算兩次，即“0m計算”在各種傳感器送來(lái)信號的基礎上算出最終的噴油開(kāi)始時(shí)間0n“Tcu的計算”，為實(shí)現0m的目標決定激勵脈沖送到TWV的時(shí)間Tcu，發(fā)動(dòng)機轉速和負載決定基礎噴油定時(shí)，然后根據進(jìn)氣管水溫、壓力等對Obase進(jìn)行修正得0r再根據發(fā)動(dòng)機轉速轉換成時(shí)間Tatto，DCR系統由發(fā)動(dòng)機轉速傳感器每隔15°CA產(chǎn)生一個(gè)脈沖在30°CA的范圍內調節噴油提前角，Tcu＝T30-T1向TWV輸出脈沖時(shí)間。

 

圖5  共軌系統三通閥的工作原理

圖6  共軌系統噴油定時(shí)的控制框圖

 

4、噴油率的控制

      DCR系統可以實(shí)現三種噴油率：三角形，預噴射和靴形。

（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(zhuān)門(mén)設計了一個(gè)單向閥和一個(gè)節流小孔在動(dòng)力活塞上方。單向閥阻止動(dòng)力活塞上方通過(guò)燃油，只有通過(guò)小孔泄出燃油，造成動(dòng)力活塞上方燃油壓力下降速度放慢，針閥緩慢上升。當噴油終止時(shí)，三通閥斷電，外閥在彈簧力作用下向下運動(dòng)，座B關(guān)閉，關(guān)閉泄油道，而座A打開(kāi)，動(dòng)力活塞的通道燃油進(jìn)入。通過(guò)單向閥共軌高壓燃油迅速加壓到動(dòng)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)現噴射快速停止，柴油機要求得到滿(mǎn)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時(shí)間決定。根據柴油機工況要求進(jìn)行調節噴油壓力，低速負載工況時(shí)，可實(shí)現需要高壓的某種程度，噴油壓力的調節可完全獨立于轉速負載工況。三通閥開(kāi)啟響應時(shí)間為0.35ms，關(guān)閉時(shí)間為0.4ms，三通閥全負載耗能為50W。

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

（2）預噴射

      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)現預噴射。ECD-U2系統為每循環(huán)1mm³最小預噴油量，預噴射和主噴射之間最小為0.1ms的時(shí)間間隔（見(jiàn)圖8）。

 

圖7  電控柴油機共軌系統三角形噴油率

圖8  共軌系統預噴射系統

 

（3）靴形噴油率

      針閥有一個(gè)小的預行程停留才能實(shí)現靴形噴油率圖形。為此需要變動(dòng)噴油器總成結構，在液壓活塞與三通閥之間的節流孔處改為一個(gè)靴形閥，如圖9所示?？烧{的預行程是靴形閥和液壓活塞間的間隙。當三通閥通電時(shí)，靴形閥中的高壓燃油被釋放到泄油道，打開(kāi)噴油嘴到相當于預行程的高度，針閥停留在該處，一直維持到靴形閥節流孔下降到一定程度后，針閥才繼續升高到最大升程，噴油速率達到最大（針閥外觀(guān)和結構如圖10所示）。依靠預行程量和靴形閥節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系統速度啟動(dòng)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(dòng)時(shí)升高很快。當高壓輸油泵供油量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一次，共軌中壓力提高為7MPa。如噴油嘴開(kāi)啟壓力為20MPa，輸油泵只要旋轉3次，共軌壓力就可以超過(guò)噴油嘴開(kāi)啟壓力，經(jīng)實(shí)驗表明，只要啟動(dòng)0.5s，可達20MPa共軌壓力，柴油機0.6s后就達到怠速轉速。

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

 

圖9  共軌系統靴形噴油率的產(chǎn)生

圖10  噴油器針閥內部結構外形

 

總結：

      共軌電噴系統是通過(guò)微機控制柴油發(fā)電機使它工作在最佳條件下，共軌電噴系統通過(guò)各種傳感器獲得柴油發(fā)電機的各種工作參數(包括柴油發(fā)電機轉速、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。微機控制系統具有診斷功能、失效保險功能和報警功能，它能提供主要柴油發(fā)電機電器部件的自診斷，發(fā)現異常及時(shí)向操作員發(fā)出警報，保護功能在微機檢測到嚴重故障時(shí)能自動(dòng)停機，失效保險功能在微機出現故障時(shí)能保證切換到備用系統保證柴油發(fā)電機繼續工作。

 

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