国三柴油机燃油系统结构原理1.ppt

国三柴油机燃油系统结构原理 欧曼营销服务管理部2008年7月 第二部分 一 重卡车型应对国三主要技术措施 1 柴油发动机排气污染物特点 1 柴油机主要污染物分类 氮氧化物 NOx 燃烧过程中氮氧反应的产物 氮氧化物和碳氢在光照作用下形成一种基态臭氧 它是烟雾的一种主要成份 一氧化碳 CO 矿物燃料燃烧所致 柴油完全燃烧后这种产物较少 碳氢化合物 HC 燃油的不完全燃烧和润滑油的燃烧产物 颗粒 PM 未燃或部分燃烧的润滑油 燃油以及硫氧化物的产物 2 柴油机排放物生成机理 氮氧化物在内燃机排放的氮氧化物中占压倒多数的是NO 柴油本身含氮很少 不足以产生显著的NOX排放 NO的主要来源是供给发动机的空气中的分子状的氮 NO的生成速度与温度有密切关系 在高温和富氧条件下 NO的生成速度高 与NO的生成量相比 NO2的生成量较少 在柴油机的排放中NO2与NO之比为10 30 NO生成机理可由下面三个反应式来表示 O N2 NO N 1 1 N O2 NO O 1 2 N OH H NO 1 3 颗粒 柴油机颗粒由碳烟 Soot 和有机可溶成分 SOF 组成 当排气温度超过500 时 排气微粒基本是很多碳质微粒的聚集体 称为碳烟 当排气温度低于500 时 碳烟会吸附和凝聚多种有机物 称为有机可溶成分 SOF 一般来说 SOF占PM质量的15 30 降低柴油机微粒排放问题的关键是碳烟排放 碳烟生成的重要条件是高温下燃料严重缺氧 实验证明 过量空气系数小于0 5的混合气 燃烧以后必定产生碳烟 改善燃烧室内混合气的均匀性 是降低碳烟排放的根本 其他 一氧化碳 CO 在缸内缺氧的情况下产生 柴油不完全燃烧的产物 碳氢化合物 HC 燃油的不完全燃烧和润滑油的燃烧产物 3 柴油机排放特点 由于柴油机使用的混合气的平均空燃比比理论空燃比大 故其CO及HC排放明显低于汽油机 柴油机燃烧方式 为压燃式 由于燃烧室内可燃混合气混合不均匀 局部区域出现过量空气系数小于0 6的现象 导致碳烟大量生成 因此颗粒物的排放远高于汽油机 NOX的排放二者相当 因此柴油机排放控制主要侧重于PM和NOX排放量的降低上 2 主要技术路线优劣势比较 二 电控高压喷油系统 1 柴油机电控系统发展历史 2 电控喷射系统特点 国二 机械位置控制系统由喷油泵 调速器 齿条 柱塞 旋槽 齿圈 滑套 油门拉杆 停油拉杆 高 低压油管 喷油嘴等组成 由油门拉杆 停油拉杆控制喷油泵机械调速器输出油量 喷油定时为固定值 国三 电路时间控制系统取消了传统喷油泵的调速器 油门拉杆 停油拉杆 齿条 齿圈 滑套 柱塞旋槽 喷油定时和喷油量由有ECU精确控制电磁阀所决定 喷油定时 由电磁阀通电 关闭 的时刻所决定 喷油量 由电磁阀通电 断电 关闭 开启 的时间长短所决定 3 电控喷射系统分类 电控单体泵 中冷后压力温度传感器 水温 油温 传感器 凸轮轴 曲轴转速相位传感器 电子油门踏板 线束总成 ECU电控单元 EUP泵体单元 零部件 4 单体泵系统工作原理 曲轴位置传感器凸轮位置传感器增压压力传感器进气温度传感器水温传感器燃油温度传感器 ECU 电控组合泵 高压油管 喷油器 电子油门踏板 传感器 喷油指令 工作原理图 左图为欧曼潍柴国三发动机外形图 其配套产品型号有WP10和WP12两种型号 供油系统采用BOSCH公司技术电控高压共轨系统 排放标准达到国三标准 1 潍柴国三发动机外形图 5 1 共轨系统发动机外形及机型 5 高压共轨系统工作原理 左图为欧曼上柴国三发动机外形图 其配套产品型号有SC8DK SC9DK和SC9DF三种型号 供油系统采用日本电装公司电控高压共轨系统 排放标准达到国三标准 2 上柴国三发动机外形图 5 2 电控高压共轨系统优点 喷油压力产生的过程和喷射的过程相互独立 喷油压力和转速无关 喷油始点和燃油喷射量的控制各自独立 可以实现精确控制 最小稳定燃油喷射量极小 可以达到1mm 次 并具有合适的控制角度 喷油系统响应灵敏 能灵活方便的进行多次喷射 高压喷射改善了进气和燃烧的混合及燃烧过程 降低了柴油机的排放 高压泵的驱动扭矩峰值小 机械噪音 系统结构适应范围宽 均能与目前的小型 中型及重型柴油机很好匹配 5 3 电控高压共轨系统组成 5 4 电子控制系统组成及工作原理 工作原理 通过安装在发动机上的各个传感器对发动机各种运行状态的监测 将信号传输给ECU电子控制单元 通过ECU的判断和逻辑运算等 计算精确的喷油正时和喷油量 并将信号发送给执行单元 从而达到最精确的喷射控制 柴油机电子控制系统主要由传感器 ECU和执行器组成 低压部分 燃油箱 输油泵 低压油管 燃油滤清器 粗滤 精滤 回油管 ECU低压部分作用是为高压部分提供足够的燃油高压部分 燃油计量阀 高压油泵 高压油管 共轨管 喷油器高压部分作用是产生高压 保证燃油喷射压力 燃油计量 5 5 共轨供油系统组成及工作原理 输入信号调理 将输入信号限制在允许的电压水平 放大 滤波 电平匹配 EPROM FLASH 程序存储器 MAP表 发动机特性曲线 EEPROM 在线匹配数据 停车装置数据 矫正及制造数据 运行过程中的错误和不正常工作数据 故障码 RAM 运算变量输出级 功率放大 带有诊断和保护 过流 短路 断路 过热 过压 欠压 5 6 ECU结构及原理介绍 ECU主要功能 以潍柴为例 5 7 1油量计量单元 潍柴 油量计量单元 通过对ECU的数据分析 决定每次往共轨管中输入多少的油量 油量计量单元出现故障时 发动机转速将会维持1500r min 电阻值为2 6 3 4 5 7 执行器结构及原理介绍 安装位置 上柴PCV阀安装在高压油泵上端 5 7 2PCV阀 上柴 PCV阀 PCV 泵控制阀 调节输油泵的燃油输送量 以便调节油轨压力 输油泵输送到油轨的燃油量取决于向PCV施加电流的正时 进气行程在柱塞下降行程中 PCV打开 同时低压燃油通过PCV被吸入到柱塞室中 PCV泵控制阀的工作原理 预行程就在柱塞进入上升行程时 PCV不通电并保持开启 此时 通过PCV吸入的燃油没经过加压 预行程 而通过PCV返回 抽吸行程在获得所需排放量的最佳时机 提供电力使PCV关闭 则返回通道关闭 同时柱塞室中的压力上升 因此 燃油流经出油阀 反向切断阀 然后被抽吸到油轨 具体情况是 PCV关闭之后柱塞升程部分变成排放量 而且通过改变PCV关闭正时 柱塞预行程的终点 排放量得到改变 从而使油轨压力得到控制 进气行程当凸轮超过最大升程时 柱塞进入下降行程 同时柱塞室中的压力下降 此时 出油阀关闭 燃油抽吸停止 此外 PCV由于被断电而打开 低压燃油被吸入到柱塞室 具体情况是 系统进入A状态 PCV执行电路如图所示为PCV的执行电路 点火开关接通或关断PCV继电器 以向PCV施加电流 ECU对PCV的打开 关闭进行控制 它根据每个传感器发出的信号 确定提供最佳油轨压力所需的目标供油量 并控制PCV的打开 关闭正时 从而达到目标供油量 潍柴喷油器 5 7 3喷油器结构及原理介绍 工作原理1 电磁阀断电 球阀关闭控制腔压力 针阀弹簧压力 针阀腔压力针阀关闭 不喷射2 电磁阀通电 球阀开启 泻油孔泻油控制腔压力 针阀弹簧压力 针阀腔压力针阀抬起 喷射针阀抬起速度取决于泻油孔与进油孔的流量差针阀关闭速度取决于进油孔流量喷射响应 电磁阀响应 液力系统响应一般应为0 1ms 0 3ms 喷油速率控制的要求 喷油器根据ECU发出的信号 将油轨中的加压燃油以最佳的喷射正时 喷射量 喷射率和喷射方式喷射到发动机燃烧室中 使用TWV 双向阀 和量孔对喷射进行控制 TWV对控制室中的压力进行控制 从而对喷射的开始和结束进行控制 量孔可通过限制喷嘴打开的速度来控制喷射率 控制活塞通过将控制室压力传递到喷嘴针来将阀打开和关闭 当喷嘴针阀打开时 喷嘴将燃油雾化并进行喷射 上柴喷油器 上柴喷油器实物剖切图 备注 大量孔径0 3mm 小量孔0 2mm 喷孔6X0 19mm 喷孔容易出现堵塞故障 TWV通过对控制室中的燃油泄漏进行控制 从而对控制室的燃油压力进行控制 上柴喷油器工作原理 a 无喷射当TWV未通电时 它切断控制室的溢流通道 因此控制室中的燃油压力和施加到喷嘴针的燃油压力为同一油轨压力 从而 喷嘴针阀由于控制活塞的承压面和喷嘴弹簧力之间的差别而关闭 燃油未喷射 b 喷射当TWV通电开始时 TWV阀被拉起 从而打开控制室的溢流通道 当溢流通道打开时 控制室中的燃油流出 压力下降 由于控制室中的压力下降 喷嘴针处的压力克服向下压的力 喷嘴针被向上推 喷射开始 当燃油从控制室泄漏时 流量受到量孔的限制 因此喷嘴逐渐打开 随着喷嘴打开 喷射率升高 随着电流被继续施加到TWV 喷嘴针最终达到最大升程 从而实现最大喷射率 多余燃油通过如图所示的路径返回到燃油箱 c 喷射结束TWV通电结束时 阀下降 从而关闭控制室的溢流通道 当溢流通道关闭时 控制室中的燃油压力立即返回油轨压力 喷嘴突然关闭 喷射停止 为了改善喷油器的敏感度 将驱动电压变为高电压 从而加速电磁线圈磁化和TWV响应 ECU中的充电电路将各自蓄电池电压提高到大约100V 维持电压12 8V 它通过ECU发出的驱动喷油器的信号而施加到喷油器上 喷油器驱动电路 带QR代码的喷油器 上柴 QR 快速响应 代码被用来提高校正精度 QR代码包含喷油器中的校正数据 它被写入发动机控制器中 QR代码致使燃油喷射量校正点的数目大大增加 从而极大地改善了喷射量精度 实物喷油器上QR代码 ID代码 操作带QR代码的喷油器 参考 带QR代码的喷油器使发动机控制器能够识别和校正喷油器 因此当喷油器或发动机控制器被更换时 必须在发动机控制器中登记喷油器的ID代码 A 更换喷油器必须将更换了的喷油器的ID代码登记到发动机控制器中 B 更换发动机控制器 ECU 必须将所有车辆喷油器的ID代码登记到发动机控制器中 5 8 传感器结构及原理介绍 各传感器安装位置及功能 油轨压力传感器安装在油轨上 它检测油轨的燃油压力 然后发送信号给发动机ECU 这是一个半导体传感器 它利用了压力施加到硅元件上时电阻发生变化的压电效应 上柴电阻为11k 潍柴电阻为23 2K 电压为1 5 4 3V 油轨压力传感器 一旦损坏 必须起用应急备份功能 进入颇行回家模式 按设定值替代 发动机转速为1500r min 油轨压力传感器 原理 电磁感应功能 1 曲轴 发动机 转速2 曲轴上止点位置 安装位置 潍柴 上柴均安装在飞轮壳上 曲轴位置传感器 曲轴位置传感器安装在靠近曲轴正时齿轮或飞轮的位置 传感器是电磁感应型 当曲轴上安装的发动机转速脉冲齿轮通过传感器时 传感器内线圈的磁场发生变化 从而产生AC电压 曲轴位置传感器工作原理 当脉冲通过气缸识别传感器 G传感器 时 磁阻发生变化 而且通过传感器的电压发生变化 内部IC电路使电压的变化放大 并且输出到发动机控制器 在输油泵凸轮轴的中心有一个盘形齿轮 其上每隔60 就有一个缺口 以及一个额外缺口 因此 发动机每转两转 对于六缸发动机 该齿轮输出七个脉冲 通过将发动机侧的发动机转速脉冲和气缸识别传感器脉冲相结合 可将额外切口脉冲之后的脉冲辨认为1号气缸 气缸识别传感器 G 传感器 上柴 凸轮轴相位传感器 潍柴 原理 霍尔效应相位确定 采用 n 1 齿定位 凸轮轴上安装着一个用铁磁性材料制成的齿 它随着凸轮轴旋转 当这个齿经过凸轮轴传感器半导体膜的时候 它的磁场就会使半导体膜中的电子偏转 产生一个短促的电压信号 这个电压告诉ECU 那1缸已经进入了压缩上止点 信号丢失时 启动困难 当同步信号出错时 发动机将会出现跛行回家 发动机转速为 1500r min 当同步信号同时丢失时 发动机无法工作 安装位置 潍柴 上柴均安装在高压油泵上 凸轮轴相位传感器安装位置 油门踏板位置传感器将加速踏板开度转换为电子信号 并将其输出到发动机控制器 另外 有两个系统可在一旦发生故障时提供备用功能 出现故障后发动机将维持1000r min 这是滑线变阻器传感器 有连杆与加速踏板一起转动 输出端子电压根据连杆转动角度而变化 油门踏板位置传感器 上柴油门踏板传感器电压值为0 85 4 15V 其中一个信号损坏时 另外一个信号可单独工作 潍柴油门踏板传感器电压值为APP1 0 75V 3 84V APP2 0 375 1 92V 信号1与信号2为2比1关系 如任意一个信号损坏 不为2 1关系 时 发动机将维持1000r min 上柴加速踏板信号潍柴加速踏板信号 冷却液温度传感器安装在发动机出水管上 可以检测冷却液温度 该传感器为热敏电阻 原理 高灵敏度NTC 负温度系数热敏电阻 电阻阻值随温度增加电阻下降 见下图 冷却液温度传感器 冷却液温度传感器安装位置 安装位置 潍柴 上柴均安装在发动机出水管上 不同水温下温度传感器的电阻值 电压值 发动机水温过高时 发动机将会出现跛行回家模式 发动机转速为1500r min 燃油温度传感器这是一个热敏电阻型传感器 可以检测燃油温度 在HP0系统中 上柴 它安装在喷油器的回油管上 燃油温度传感器 电阻为1 66k 30oc 进气温度传感器安装在发动机进气道上 检测进气通过涡轮增压器及中冷器后的温度 检测温度的传感器部分包含一个热敏电阻 该热敏电阻有一个随温度的变化而变化的电阻 热敏电阻用来检测进气温度 进气温度传感器 上柴 电阻为2 43k 20oc 进气压力传感器安装在发动机进气道上 该传感器为半导体型 它利用了传感器中硅元件上压力发生变化时电阻发生变化的压电效应 进气压力传感器 上柴 电阻为10k 25 电压为1 4 2V 进气压力温度传感器 潍柴 进气压力传感器可以同时检测进气的压力和温度 四根针脚接线 进气压力温度传感器安装位置 进气压力传感器安装在发动机进气道上 机油压力传感器 潍柴 机油压力传感器可以同时检测机油压力和机油温度 针脚接线为四根 机油温度过高时 发动机将会出现跛行回家模式 发动机转速为1500r min 机油压力传感器安装位置 机油压力传感器安装在机油主油道上 5 9 共轨供油系统重要部件结构及原理介绍 5 9 1输油泵结构及工作原理 上柴输油泵外形图 潍柴输油泵外形图 上柴输油泵 日本电装 结构与原理 HP0型输油泵 HP0型结构和特性HP0输油泵主要由传统型直列泵 两气缸 中的压送系统 控制燃油排放量的PCV 泵控制阀 气缸识别传感器 TDC 上止点 G 传感器 和进油泵组成 进油泵进油泵 集成在输油泵中 从燃油箱吸入燃油 然后通过燃油滤清器供给泵室 进油泵有两种类型 次摆线型和叶轮型 次摆线型进油泵的功能如下所示 凸轮轴驱动进油泵的外部 内部转子 使其开始转动 根据外部 内部转子的运动产生的空间 进油泵将燃油抽吸到吸入口 然后压送到排放口 压送机构凸轮轴由发动机驱动 凸轮通过挺柱体驱动柱塞以压送进油泵提供的燃油 PCV对供油量进行控制 燃油从进油泵压送到气缸 然后到出油阀 它通过改变凸轮的齿数来控制发动机缸数 输油泵以发动机一半的转速旋转 发动机缸数与输油泵的压送次数之间的关系如表所示 通过增加凸轮齿的个数来控制发动机缸数 使用一个小型 两缸的泵单元可以实现 此外 由于此泵的压送行程数与喷射次数相同 所以油轨压力会保持平稳 机油进口 可选 潍柴输油泵 博世系统 结构与原理 外部构成 内部构成 说明 潍柴输油泵的进油泵采用ZP5齿轮泵 控制油量排放使用流量计量单元 其余部件构造及工作原理与上柴HP0泵基本相同 不再赘述 共轨管的作用 向各缸气缸喷油器分配由输油泵加压的燃油 存储高压 抑止因油泵供油和喷油而产生的波动 5 9 2共轨管结构及工作原理 轨压传感器 压力限制阀 进油口 流动阻尼缓冲器 出油口 潍柴共轨管 上柴共轨管 出油口 零部件结构和工作原理 流动缓冲器可降低加压管中的压力脉动 并以稳定的压力向喷油器提供燃油 流动缓冲器也可在出现燃油过度排放时 例如喷射管道或喷油器出现燃油泄漏的情况 切断燃油通道 从而防止燃油异常排放 5 9 3流动缓冲器结构及工作原理 当高压管中出现压力脉动时 它穿过量孔产生的阻力破坏了油轨侧和喷油器侧的压力平衡 因此活塞将移到喷油器一侧 从而吸收压力脉动 正常压力脉动情况下 喷射因燃油流量降低而停止 随着通过量孔的燃油量增加 油轨和喷油器之间的压力得到平衡 结果 由于弹簧压力 活塞被推回油轨侧 但是 如果由于喷油器侧燃油泄漏等而发生异常流量状态 通过量孔的燃油就会失去平衡 这将使活塞被推动抵住底座而导致燃油通道封闭 流动缓冲器工作原理 作用 确保共轨中的压力失控后不会超压原理 机械溢流阀原理 5 9 4压力限制阀结构及工作原理 如果油轨中压力异常高 则压力限制器打开以释放压力 它在压力降低到一定水平之后恢复 关闭 由压力限制器释放的燃油返回到油箱 压力限制器的操作压力取决于车辆型号 用于阀开启的压力大约为140 230MP