BOSCH电控高压共轨系统的工作原理和特点.doc

Bosch电控高压共轨系统的工作原理和特点 Bosch电控高压共轨系统的工作原理和特点/唐永华，张恬 综述 Bosch电控高压共轨系统的工作原理和特点 唐永华，张 恬 （博世汽车柴油系统股份有限公司技术中心，无锡214028） 摘要：阐述了Bosch柴油喷射系统的发展历程，并介绍了Bosch电控高压共轨系统的组成和工作原理，分析了Bosch电控高压共轨系统的主要特点。同时指出以Bosch为代表的电控高压共轨技术是当前实现国3及更高排放标准，同时提高柴油机动力输出、降低油耗和噪音的最佳技术方案，是今后国内柴油机应用和发展的必然趋势。关键词：Bosch；柴油机；电控；共轨系统：U46748 文献标志码：A ：10052550（xx）05000905 WorkingPrincipleandKeyCharacteristicsofBoschDieselCommonRailSystem TANGYonghua，ZHANGTian （BoschAutomotiveDieselSystemCoLtd，Wuxi214028，China） Abstract：ThisarticleintroducestheevolutionofBoschdieselfuelinjectionsystem，workingprincipleandkeycharac-teristicsofBoschmonrailsystemBasedontheanalysisofitsmaincharacteristics，itpointsoutthatBoschmonrailsystemisthestateoftheartdieselinjectiontechnologytomeetChina3andfutureemissionstandards，andmean-whilehelpstoraisepoweroutput，lowerfuelconsumptionandreducenoiseemissionfordieselengine，therefore，itisaninevitabletendencyofChinesedieselengineapplicationanddevelopmentKeywords：Bosch；diesel；electroniontrolled；monrailsystem 1柴油喷射系统的发展历程 一直以来，博世都是柴油机燃油喷射技术的先 驱和领导者，早在1927年就设计和生产了第一台直列泵及油嘴，为柴油喷射技术的发展奠定了坚实基础。此后，经历了轴向分配泵、电控分配泵和电控直列泵等发展过程，尤其是直列泵技术在几十年后的今天仍在各个领域广泛应用。1994年，生产了第一台商用车电控泵喷嘴系统（UIS），自此柴油喷射系统从位置控制系统发展为时间控制系统，用高速电磁阀直接控制高压柴油喷射，使原来复杂的机械结构大大简化。随后，第一台单体泵系统（UPS）和第一台电控径向分配泵相继问世。代表着当今最先进的柴油喷射系统电控高压共轨系统于1997年和1999年分别在乘用车和商用车领域实现批量生产，它使喷射压力的产生完全独立于发动机的转速和喷射过程，并由高速电磁阀直接控制高压柴油喷射，实现了从时间控制系统到时间压力控制系统的飞跃（见图1）。 ：xx-06-12 图1Bosch柴油喷射系统的发展历程 2Bosch电控高压共轨系统的工作原理 21 高压共轨系统简介 高压共轨燃油喷射技术是通过高压油泵压缩燃油至共轨管内形成高压，再由高压油管分配到每个喷油器，并通过控制喷油器上的高速电磁阀的开启与关闭定时定量地将高压燃油喷射至柴油机燃烧室内，以保证最佳的雾化和燃烧效果，从而使发动机获 9 综述 汽车科技第5期xx年9月 得最佳的性能。 高压共轨系统主要由低压回路和高压回路两部分组成。低压回路包括低压油管、燃油滤清器和齿轮泵等，高压回路包括高压油泵、共轨管、高压油管和喷油器等部件，如图2所示。发动机工作时，高压油泵上自带的齿轮泵通过负压从油箱中吸油，并以一定的压力（约57bar）将过滤后燃油送入高压油泵。燃油进入高压柱塞腔后被压缩，通过高压油管进入共轨管形成高压，每缸喷油器通过高压油管与共轨管相连，以实现高压喷射。 便于欧2发动机升级。其润滑方式为机油润滑，润滑油路与发动机润滑油路直接相连。齿轮泵的任务是向高压油泵供给足够的低压燃油，安装在高压油泵泵体后端，依靠位于高压油泵凸轮轴末端的齿轮来驱动，它的转速是高压油泵285倍。当燃油进入高压部分后，一路经过油量计量单元进入高压柱塞腔，经压缩后进入油轨，同时多余的燃油通过溢油阀回到油箱中。油量计量单元的主要作用是调节进入高压柱塞腔的油量，以控制共轨管内的燃油压力的大小。 23共轨管（Rail） 共轨管是电控高压共轨系统中所特有的零部 件，主要包括高压接头、节流孔、轨压传感器和压力限制阀，如图4所示。共轨管的主要作用是蓄压和分配燃油，阻尼燃油压力波动同时还限制最高燃油压力，使之不超过安全限值。轨压传感器向ECU提供共轨管内的实时压力信号，做为轨压闭环控制的输入。油轨进出口处的节流孔设计可减小共轨管和高压油管中的压力波动。压力限制阀是一个机械阀，当压力超过一定限值时即开启，以保证共轨管在出现 图2Bosch商用车共轨系统示意图 22高压油泵（Highpressurepump） 高压油泵是高压共轨系统中的关键部件之一， 压力异常时，将压力迅速释放从而确保系统安全。当压力限制阀打开后，它仍能将轨压维持在一个正常范围（如700800bar），让车辆在故障情况下仍能继续运行至维修站点，即跛行回家。 它的主要作用是将低压燃油加压成为高压燃油，储存在油轨内等待ECU的喷射指令。高压油泵由齿轮泵、油量计量单元、溢流阀、进出油阀和高压柱塞等部分组成。以Bosch目前广泛应用于中国商用车市场并已开始本地化生产的CPN22BL为例，其结构如图3所示。 图4Bosch共轨管 24喷油器（Injector） 喷油器是电控高压共轨系统中最关键和最复杂 的部件，它的作用是根据ECU发出的电信号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时刻、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室内。 喷油器主要由喷油器体、电磁阀、油嘴、针阀组 图3 Bosch高压油泵CPN22BL 件和弹簧等部分组成，图5所示为Bosch的第二代商用车喷油器CRIN2。在电磁阀不通电时，电枢将球阀紧紧压在阀座上，此时控制室和压力室内压力平衡，油嘴针阀被弹簧预紧力紧紧压在油嘴座面上不抬起，即喷油器不喷油；当电磁阀通电时，电磁阀通过吸力将电枢抬起，此时控制室内燃油经球阀量 高压油泵供油量的设计准则是：在整个寿命范围内和任何工况下都必须保证高压油泵的供油量能满足发动机在一定轨压下的喷油量要求，即油量平衡。CPN22BL采用2个直列柱塞设计，通过发动机凸轮轴驱动，传动比为12，与传统的机械泵类似，以 Bosch电控高压共轨系统的工作原理和特点/唐永华，张恬 综 述 孔泄漏，控制室压力迅速下降，而压力室压力没有变化，从而油嘴针阀被抬起，即喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，油嘴针阀两端压力再次平衡，在弹簧预紧力的作用下油嘴针阀落座，从而关闭喷油器完成喷油过程。 模块负责驱动和控制执行器工作，并检测各个执行器的电信号错误，如短路、断路和信号不可信等； CAN通讯模块用于跟其他整车控制器交换信息，如ABS和ESP；诊断和报警系统用于监控系统故障并 触发报警装置工作。 在Bosch电控高压共轨系统中，有很多用于测定发动机实时运行状态的传感器，如轨压传感器、加速踏板位置传感器、增压压力传感器、水温传感器、进气温度传感器、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、车速传感器和机油压力温度传感器等。主要执行器包括喷油器电磁阀、油量计量单元、增压压力控制器、EGR阀、辅助加热装置、空调和风扇控制器 图5Bosch第二代喷油器CRIN2 等。 25电控单元ECU、传感器和执行器 电控单元ECU、传感器和执行器是电控燃油喷 射系统的三个基本要素。传感器主要用于采集发动机及整车的相关信号，并输入ECU。ECU接收传感器信号并进行计算和处理，然后驱动执行器完成控制过程。BoschECU的功能示意图如图6所示，主要包括模数转换器、CPU、RAM、FlashEPROM、 3Bosch电控高压共轨系统的主要特点 众所周知，提高柴油机动力性、经济性和降低排放的中心任务是改善柴油机的燃烧过程。而只有通过灵活的燃油喷射控制才能实现最佳的缸内燃烧。电控高压共轨系统，是柴油机电控技术发展过程中的一个重大飞跃，是迄今为止针对柴油机的最佳解决方案。因为它改变了传统的机械式喷油系统的组成结构，使喷射压力的产生完全独立于发动机的转速和喷射过程，真正的实现了喷油压力、喷油时刻、喷油量和多次喷射的独立及柔性控制，从而实现与发动机的完美匹配，大大提升了柴油机的动力性、经济性、排放及噪声方面的综合性能。 EPROM、功率驱动诊断模块和CAN通讯模块等部 2 分。模数转换器将传感器的模拟信号转换为数字信号以便CPU对其进行直接处理和计算；随机存储器 RAM用于对ECU数据进行在线实时修改；FlashE-PROM主要用于存储电控系统的各种标定参数，如MAP图、曲线和常量等，可重复擦写；E2PROM则用于存储系统错误及故障代码等信息；功率驱动诊断 Bosch电控高压共轨系统是共轨 技术中的典型代表，具有其自身显著的优点，主要包括：1）高压喷射；2）独立柔性的喷射压力控制；3）精确柔性的喷油时刻控制；4）精确柔性的喷油量控制；5）多次喷射。其主要特点及参数如图7所示。 31高压喷射 为了进一步改善柴油机的燃烧 过程以及满足更为严格的排放法规要求，柴油机的喷射压力在不断的提高。试验证明，高的喷射压力将明显改善柴油和空气的雾化效果，缩短着火延迟期，使燃烧更迅速、更彻底，并有利于提高燃油经济性。 Bosch目前应用于中国商用车市 11 综述 汽车科技第5期xx年9月 场的主要是其第二代高压共轨系统CRSN2（最大喷射压力为1600ar）和第三代高压共轨系统 着气缸的峰值爆发压力和最高燃烧温度。高的爆发压力和燃烧温度可以改善燃油经济性，但会导致 CRSN3（最大喷射压力可达1800bar），可满足国3和国4的排放要求。 NOx排放增加。而电控高压共轨系统不依赖于转速 和负荷的喷射时刻控制能力，将是在燃油消耗率和排放之间实现最佳平衡的关键技术。 Bosch电控高压共轨系统中，最佳的喷油时刻 不仅可根据发动机的转速和喷油量等工况要求预先标定在ECU内，还可根据冷却水温度、环境温度和大气压力对其进行实时修正，以实现在各种环境下喷油时刻的最优化。此外，ECU可通过曲轴位置和凸轮轴位置传感器来准确快速地识别当前柴油机的曲轴转角和上止点位置，并以电信号指令迅速给喷油器高速电磁阀加电以实现精确喷射。Bosch电控高压共轨系统不仅能精确计算和控制喷油时刻，其喷射时刻还可在4030的曲轴转角范围自由选 图7 BoschCRS主要特点和参数 取。配合高的喷射压力，可有效降低燃油消耗率并同时减少NOx和颗粒物（PM）的生成，以满足排放要求。 32独立柔性的喷射压力控制 由于传统的柴油机燃油喷射系统的喷射压力 与柴油机的转速和负荷相关，这种特性对于低转速、部分负荷条件下的燃油经济性和废气排放非常不利1。而电控高压共轨系统的喷射压力与柴油机的转速和负荷相独立，因此成功解决了这一难题。对于应用Bosch电控高压共轨系统的柴油机，不仅在低转速和小负荷工况下能轻松实现高压喷射，还可根据性能和排放的要求对各种不同的工况自由设定其所需的最佳喷射压力，使柴油机在各种工况下的废气排放最低、经济性最好、动力性最强，在优化柴油机的综合性能上具有很大的自由度。 34精确柔性的喷油量控制 电控高压共轨系统中，其喷油量的大小主要取 决于当前的喷射压力和喷油器电磁阀的加电时间。一般，喷油器在某一压力下和一定加电时间下能喷出的油量需在油泵试验台上事先测定，即喷油器的喷油特性MAP测量，然后将此值存入ECU中。柴油机在正常工作时，ECU根据当前的转速和负荷需求计算出当前所需的喷油量大小，然后通过反查喷油器的喷油特性MAP，计算出当前轨压下所需的加电时间，再通过控制喷油器的电磁阀的加电时间来精确控制喷油量。 Bosch电控高压共轨系统除了可以自由设定喷 射压力，而且还可以根据发动机温度、环境温度和大气压力等环境参数对设定值进行实时修正，真正实现了喷射压力在各种环境下的最优化。此外，ECU采用PID控制策略对轨压实行闭环控制，通过接收共轨管上轨压传感器的信号，并与ECU内的轨压设定值相比较，PID控制器根据两者偏差实时调节高压油泵上油量计量单元的开度来实现轨压的精确控制，具有动态响应速度快、超调和波动小等特点。一般，轨压波动和轨压在动态过程中的超调量可控制在非常小的范围内。 Bosch电控高压共轨系统中，喷油器电磁阀的 加电时间以微秒为单位，可使每循环喷油量精确到毫克，而预喷油量可因此控制在12mg之间。同时，喷油器的良好一致性保证各缸间及每次喷射间的偏差最小化。此外，ECU的相关自学习软件功能还可补偿喷油器的喷油特性在使用寿命内的细微漂移。因此，对于匹配Bosch高压共轨系统的柴油机，其循环喷油量变动小，各缸喷射均匀，可大大减轻柴油机的噪声和振动并降低有害物的排放。 35多次喷射（Multiinjections） 由于传统的机械式燃油喷射系统不能实现多次 33精确柔性的喷油时刻控制 在柴油机高速工况下，柴油的喷射过程只有千 喷射，这对降低发动机噪声、排放和改善冷起动方面很不利。而电控高压共轨系统则能轻易实现多次喷射功能，大大提高了柴油机的综合性能。多次喷射可 分之几秒。如何控制燃油在最佳的时刻喷射，将直接影响到柴油机活塞上止点前喷入气缸的油量，决定 Bosch电控高压共轨系统的工作原理和特点/唐永华，张恬 综 述 分为预喷（PI）、主喷（MI）和后喷（PoI）。预喷，即在主喷之前喷入少量的柴油到燃烧室（约12mg），燃烧后可使主喷时的缸内温度升高，从而缩短主喷的着火延迟期和降低缸内压力上升速度，使燃烧更为高效而柔和，是降低燃烧噪音、HC和CO排放非常有效的途径。此外，预喷还有助于改善柴油机的冷起动性能，降低冷态工况下白烟的排放以及改善发动机低速扭矩等2。主喷主要用于产生扭矩，其喷油量大小取决于发动机的性能要求。后喷可分为早后喷（PoI2）和迟后喷（PoI1）。早后喷非常靠近主喷，可燃烧并能产生扭矩，主要用于燃掉燃烧室中残余的炭烟颗粒，炭烟排放可因此进一步减少2070。迟后喷则相对远离主喷，一般在上止点后200曲轴转角范围内喷射，喷出的燃油不燃烧（即不产生扭矩），但会被排气余热蒸发，主要用于为柴油机氧化催化器提供HC，被氧化后发生放热反应以增加排温，亦可用于后处理系统中的再生反应，如颗粒捕集器（DPF）和NOx储存催化器（NSC）。 由于主喷与预喷以及后喷之间的时间间隔因工况要求而不同，如何实现灵活的多次喷射控制能力对改善柴油机的综合性能和排放将非常关键。Bosch目前广泛应用于中国商用车市场的第二代电控高压共轨系统（CRSN2）可实现每循环5次喷射，即2次预喷，1次主喷，2次后喷。其中，预喷与主喷、主喷与后喷之间的最小喷射间隔（即上一次喷射结束到下一次喷射开始的时间）如图8所示。而更