解读柴油机高压共轨电控喷射系统.doc

柴油机高压共轨电控喷射系统 一、柴油机基本知识柴油发动机与汽油发动机具有基本相同的结构，都有气缸体、气缸盖、活塞、气门、曲柄、曲轴、凸轮轴、飞轮等。但前者用压燃柴油作功，后者用点燃汽油作功，一个压燃一个点燃，就是两者的根本区别点。汽油机的燃料是在进气行程中与空气混合后进入气缸，然后被火花塞点燃作功；柴油机的燃料则是在压缩行程接近终了时直接喷注入气缸，在压缩空气中被压燃作功。这个区别造成了柴油机在燃料供给系统的结构有其自己的特点。柴油机的燃料喷射系统是由喷油泵、喷油器、高压油管及一些附属辅助件组成。柴油机燃料输送的简单过程是：输油泵将柴油送到滤清器，过滤后进入喷油泵（为了保证充足的燃料并保持一定的压力，要求输油泵的供油量比喷油泵的需要量要大得多，多余的柴油就经低压管回到油箱，其它部分柴油被喷油泵压缩至高压）经过高压油管进入喷油器直接喷入气缸燃烧室中压燃。（示意图是柴油机燃料供给系统，4是高压输油管、1、2、3是低压输油管、5、6、7、8是回油管）。二、高压共轨电控柴油喷射系统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，而且相比汽油机更环保。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，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。这类电控系统可分为：蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。以下就介绍一下高压共轨电控柴油喷射系统：（一）共轨技术在汽车柴油机中，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。共轨式喷油系统于二十世纪 90 年代中后期才正式进入实用化阶段。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有：a、共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。b、可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（ 120Mpa200MPa ），可同时控制 NOx 和微粒（ PM ）在较小的数值内，以满足排放要求。c、柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机 NOx ，又能保证优良的动力性和经济性。d、由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。由于高压共轨系统具有以上的优点，现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有：德国 ROBERT BOSCH 公司的 CR 系统、日本电装公司的 ECD-U2 系统、意大利的 FIAT 集团的 unijet 系统、英国的 DELPHI DIESEL SYSTEMS 公司的 LDCR 系统等。（二）高压共轨电控燃油喷射系统及基本单元图 1 为高压共轨电控燃油喷射系统的基本组成图。它主要由电控单元、高压油泵、蓄压器(共轨管)、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨(蓄压器)，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。1、高压油泵高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。bosch 公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135Mpa 的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。日本电装公司的ECD-U2高压油泵采用了一个三作用凸轮的直列泵来产生高压。该高压油泵对油量的控制采用了控制低压燃油有效进油量的方法，该方法使高压油泵不产生额外的功率消耗，但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与高压油泵凸轮的相位关系，控制系统比较复杂。其基本原理如图 3 所示。a、柱塞下行，控制阀开启，低压燃油经控制阀流入柱塞腔；b、柱塞上行，但控制阀中尚未通电，处于开启状态，低压燃油经控制阀流回低压腔；c、在达到供油量定时时，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的燃油被压缩，燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制进入高压油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的；d、凸轮经过最大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭，停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态，低压燃油进入柱塞腔进入下一个循环。2、高压油轨（共轨管）共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用， ECD-U2 系统的共轨管如图 4 所示。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 ECD-U2 系统的高压泵的最大循环供油量为 600毫升，共轨管容积为 94000毫升。高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。从上述分析可见，精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油机是非常关键的。3、电控喷油器电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据 ECU 发出的控制信号，通过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定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。BOSCH 和 ECD-U2 的电控喷油器的结构基本相似，都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成，图 5 为 BOSCH 的电控喷油器结构图。在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔 A ，高压油轨的燃油压力通过量孔 Z 作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔 A 被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。为了实现预定的喷油形状，需对喷油器进行合理的优化设计。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。控制量孔 A 、 Z 的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为 0.169mm 6 ，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。4、高压油管高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。 BOSCH 公司的高压油管的外经为 6mm ，内径为 2.4mm ，日本电装公司的高压油管的外经为 8mm ，内径为 3mm 。三、结束语由于高压共轨式燃油喷射系统具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节的特点，该系统的采用可以使柴油机的经济性、动力性和排放性能都会有进一步的提高，随着共轨技术的进一步发展和完善，柴油机的应用水平必将跨上一个新的台阶。共轨管共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用， ECD-U2 系统的供轨管如图 4 所示。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 ECD-U2 系统的高压泵的最大循环供油量为 600mm3 ，共轨管容积为 94000mm3 。高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。从上述分析可见，精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油机是并不容易的。3 、电控喷油器电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据 ECU 发出的控制信号，通过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定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。BOSCH 和 ECD-U2 的电控喷油器的结构基本相似，都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成，图 5 为 BOSCH 的电控喷油器结构图。在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔 A ，高压油轨的燃油压力通过量孔 Z 作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔 A 被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。控制了喷油率的形状，需对其进行合理的优化设计，实现预定的喷油形状。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。控制量孔 A 、 Z 的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷油嘴喷油量的影响更小。但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为 0.169mm 6 ，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。关于电磁阀的研究已由较多的文献报道，本文不再对此进行分析。4 、高压油管 高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。 BOSCH 公司的高压油管的外经为 6mm ，内径为 2.4mm ，日本电装公司的高压油管的外经为 8mm ，内径为 3mm 。三、结束语 由于高压共轨式燃油喷射系统具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节的特点，该系统的采用可以使柴油机的经济性、动力性和排放性能都会有进一步的提高。这就需要我们加大对高压共轨系统的研究力度，使我国的柴油机水平跨上一个新的台阶。一、技术概述 排气净化与节能是汽车产品急需解决的两大难题，现代车用柴油机工作压力高，燃烧充分，油耗比汽油机约低两成，排放物中除微粒物外均低于汽油机，因此在世界范围内应用不断扩大，除中重型商用车外，轻型车和轿车也越来越多地应用。传统的柴油机存在着供油不精确的问题，解决的办法是采用电子控制燃油喷射的技术。与汽油机相比柴油机的电子控制燃油喷射系统有很多相同之处，在整机电脑管理方面两者基本相同，但因柴油机的喷射系统形式多样，电控系统的硬件也呈多样形式，同时柴油机需要对油量、定时、喷油压力、喷油路等多参数进行综合控制，其软件的难度也大于汽油机。第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统，它用电子伺服机构代替调速器控制供油滑套位置以实现供油量的调整，这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的 TICS 系统。第二代系统也称时间控制系统，其特点是供油仍维持传统的脉动式柱塞泵油方式，但油量和定时的调节则由电脑控制的强力快速响应电磁阀的开闭时刻所决定。第三代也称为直接数控系统，它完全脱开了传统的油泵分缸燃油供应方式，通过共轨压力和喷油压力时间的综合控制，实现各种复杂的供油规路和特性。强力快速线形响应电磁阀是各种系统共同的技术难点。 二、现状及国内外发展趋势 因柴油机的喷射系统形式多样，国外柴油机的电控系统也形式多样，有直列泵和分配泵的可变预行程 TICS 系统，有基于时间控制泵喷嘴系统，有蓄压共轨系统和高压共轨系统等。各种技术方案都在原有的基础上发展，但高压共轨系统是总的发展方向。根据国内到 2000 年实行欧洲 I 号排放法规， 2005 年实行欧洲 II 号排放法规， 2010 年实行欧洲 III 号法规的进度要求，对主要国产喷油泵进行电控系统的开发，包括硬件和软件的开发，并尽快实现产业化，同时要专门组织力量，对主要在中、重型车上使用的高压共轨系统和在轻、轿车上使用的时间控制式 VE 分配泵系统进行联合开发、攻关，到 2005 年前后实现产业化。 柴油机共轨式电控燃油喷射技术随着世界各国城市交通运输车辆、船舶的急剧增加，柴油机排放的尾气已经成为对地球环境的主要污染源。世界各国业已开始寻找和采取有效的技术措施主动地减少和控制污染物的排放。柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一项较为成功的控制污染排放的新技术。一、共轨式电控燃油喷射技术的原理 共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。现在该项新技术已开始在国外以柴油机提供动力的汽车上投入使用。这是世界汽车工业为满足日益严格的废气排放标准的必然趋势。二、共轨式电控燃油喷射技术的特点与现状 柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，因为它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。该技术的主要特点是：1. 采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀；2. 采用共轨方式供油；3. 高速电磁开关阀频响高，控制灵活；4. 系统结构移植方便，适应范围宽。这一技术的研究与开发热点在于：（ 1 ）如何解决高压共轨系统的恒高压密封问题；（ 2 ）如何解决高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题；（ 3 ）如何解决高压共轨系统的多 MAP （三维控制数据表）优化问题；（ 4 ）如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。三、共轨式电控燃油喷射技术对环境保护的促进作用 共轨式燃油喷射技术有助于减少柴油机的尾气排放量，以及改善噪声、燃油消耗等方面的综合性能；它在有利于地球环境保护的同时，也必将促进柴油机工业、汽车工业及与之相关工业的发展。 大功率柴油机电控高压喷油系统一、电控高压喷油系统总体情况简介 目前，国际上新型的电控高压喷油系统主要分为两大类：（ 1 ）电控脉动泵式高压喷油系统；（ 2 ）电控共轨式高压喷油系统。电控脉动泵式高压喷油系统的主要特点是：用凸轮驱动的喷油泵来实现燃油高压建立过程和燃油喷射过程，这两个过程在时序上不能完全分开；用高速电磁阀旁通泄流控制代替传统的机械式泄流控制，燃油计量采用时间控制方式。主要包括两种类型：（ 1 ）电控泵喷嘴式高压喷油系统；（ 2 ）电控单体泵式高压喷油系统。目前，这两种喷油系统的最高喷油压力都可达到 150MPa 以上。电控脉动泵式高压喷油系统虽然有不少优点，但也继承了传统喷油系统的一些缺陷，主要在于：喷油压力要受到柴油机转速的限制，在低转速时，喷油压力较低。电控共轨式高压喷油系统的主要特点是：将燃油高压建立过程和燃油喷射过程在时序上完全分开；燃油计量采用压力时间控制方式，又可分为两种类型：（ 1 ）电控高压共轨式喷油系统；（ 2 ）电控中压共轨式喷油系统。电控高压共轨式喷油系统的共轨油道内为高压燃油，喷油压力仅取决于共轨油道内的燃油压力，采用高速电磁阀可实现喷油量、喷油压力、喷油定时和喷油速率的柔性控制。其典型代表有：（ 1 ）日本电装公司开发的 ECD U2 电控高压共轨式喷油系统，当时最高喷油压力已达到 120MPa ，并且具备了达到 150MPa 的潜力，采用一个两位三通高速电磁阀（ TWV ）。（ 2 ）德国 BOSCH 公司在九十年代所开发的电控高压共轨式喷油系统，当时最大喷油压力可达 140MPa ，后来又达到 160MPa 甚至 170MPa ，采用一个两位两通高速电磁阀。电控中压共轨式喷油系统的共轨油道内为中压燃油（或机油），喷油压力要取决于共轨燃油（或机油）压力和控制电磁阀的通电时间。采用高速电磁阀可实现喷油量、喷油压力、喷油定时的柔性控制，不足之处在于：用电控方式难以实现喷油速率形状控制和预喷射，而通常通过机械控制方式来实现。其典型代表有：（ 1 ）美国卡特匹勒公司开发的 HEUI 型电控喷油系统，用共轨油道内的中压机油来驱动燃油增压机构。最大喷油压力可达到 150MPa 。（ 2 ）美国 BKM 公司开发的 Servojet 型电控喷油系统，用共轨油道内的中压燃油来驱动燃油增压机构。最大喷油压力超过 150MPa ， Servojet 型电控喷油系统又可分为 SSI 1 系统和 SSI 2 系统，区别在于： SSI 1 系统采用蓄压式喷嘴，而 SSI 2 系统则采用传统结构喷嘴。高压共轨燃油系统主要部件介绍韩波组稿/东贸教育培训中心一、前言 共轨式喷油系统于二十世纪 90 年代中后期才正式进入实用化阶段。这类电控系统可分为：蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有：a. 共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。b. 可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（ 120MPa200MPa ），可同时控制 NOx 和微粒（ PM ）在较小的数值内，以满足排放要求。c. 柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机 NOx ，又能保证优良的动力性和经济性。d. 由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。由于高压共轨系统具有以上的优点，现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有：德国 ROBERTBOSCH 公司的 CR 系统、日本电装公司的 ECD-U2 系统、意大利的 FIAT 集团的 unijet 系统、英国的 DELPHIDIESELSYSTEMS 公司的 LDCR 系统等。二、高压共轨燃油喷射系统主要部件介绍 图 1 为高压共轨电控燃油喷射系统的基本组成图。它主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。1 、高压油泵高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。bosch 公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135Mpa 的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。日电装公司采用了一个三作用凸轮的直列泵来产生高压，如图 2 所示。该高压油泵对油量的控制采用了控制低压燃油有效进油量的方法，其基本原理如图 3 所示。a 柱塞下行，控制阀开启，低压燃油经控制阀流入柱塞腔；b 柱塞上行，但控制阀中尚未通电，处于开启状态，低压燃油经控制阀流回低压腔；c 在达到供油量定时时，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的燃油被压缩，燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制进入高压油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的；d 凸轮经过最大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭，停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态，低压燃油进入柱塞腔进入下一个循环。该方法使高压油泵不产生额外的功率消耗，但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与高压油泵凸轮的相位关系，控制系统比较复杂。2 、共轨管共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用， ECD-U2 系统的供轨管如图 4 所示。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 ECD-U2 系统的高压泵的最大循环供油量为 600mm3 ，共轨管容积为 94000mm3 。高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。从上述分析可见，精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油机是并不容易的。3 、电控喷油器电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据 ECU 发出的控制信号，通过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定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。BOSCH 和 ECD-U2 的电控喷油器的结构基本相似，都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成，图 5 为 BOSCH 的电控喷油器结构图。在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔 A ，高压油轨的燃油压力通过量孔 Z 作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔 A 被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。控制了喷油率的形状，需对其进行合理的优化设计，实现预定的喷油形状。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。控制量孔 A 、 Z 的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷油嘴喷油量的影响更小。但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为 0.169mm 6 ，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。关于电磁阀的研究已由较多的文献报道，本文不再对此进行分析。4 、高压油管高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。 BOSCH 公司的高压油管的外经为 6mm ，内径为 2.4mm ，日本电装公司的高压油管的外经为 8mm ，内径为 3mm 。三、结束语 由于高压共轨式燃油喷射系统具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节的特点，该系统的采用可以使柴油机的经济性、动力性和排放性能都会有进一步的提高。这就需要我们加大对高压共轨系统的研究力度，使我国的柴油机水平跨上一个新的台阶。汽车控制技术 24 柴油机控制 241 柴油机电子控制系统功能242 柴油机控制系统的执行机构 25 变速控制 251 自动变速控制252 无级变速器（CVT） 26 电子节气门控制 2 4 柴油机控制 柴油机电子控制系统主要用来提高柴油机的动力性能及净化排放。采用电子控制系统后也有助于减少柴油机排烟中的未燃烬的碳微粒，降低柴油机运行时的振动和噪声，因为这些问题对柴油机而言尤为重要。采用电子控制系统后还能稳定柴油机的怠速工况。在柴油机的控制系统中，采用各种传感器检测柴油机的运行状态，并作出相应的控制。从各传感器输出的各种信号被输入柴油机的电子控制单元，由电子控制单元计算出的最佳燃油喷射量和喷油时间信号输出给一台专门研制的喷油泵，控制柴油的喷射过程。2 4 1 柴油机电子控制系统功能柴油机电子控制系统框图如图 2 54 所示，在控制系统中采用了一台分配式喷油泵。 图 2 54 柴油机电子控制系统框图1 柴油机喷油量控制在柴油机喷油控制系统中，电子控制单元依据柴油机的实际转速及加速踏板所处的位置计算出喷入柴油机各气缸内的基本油量。然后再与进气温度传感器、进气压力传感器及冷却水温度传感器送来的信号进行比较分析，以确定是否要对基本油量进行补偿，并计算出所需补偿的喷油量。采用这种方法可以得到柴油机实际运行时的最佳的喷油量。采用电磁溢流阀控制柴油机燃油喷射量的控制原理及控制时序如图 2 55 所示。图 2 55 柴油机燃油喷射量控制时序1 脉冲发生器； 2 驱动轴； 3 油泵转角传感器；4 电磁溢流阀； 5 高压腔； 6 喷油器； 7 柱塞当脉冲发生齿轮随油泵驱动轴一起旋转时，通过油泵转角传感器将产生一系列电磁脉冲信号。脉冲发生齿轮上有一部分无齿区，对应柱塞凸轮的凹面，该轮的有齿区对应于柱塞的升程段，即有燃油压力建立。在脉冲发生齿轮由无齿区转到有齿区时，标志供油开始，但此时喷油器并不立即喷油，只有在驱动轴转过某一角度使柱塞上升至高压室的压力达到喷油器的开启压力时，喷油器开始喷油，这一角度称之为喷油滞后角。喷油滞后角理论上是一个定值。但发动机转速变化时，柱塞的线速度将会发生变化，柱塞的泄漏也将会有微弱的变化，这一点控制单元会按转速予以相应的补偿。一旦喷油量达到与发动机运行工况相适应的目标时，控制单元将开启溢流阀，使高压室的燃油泄压，此时喷油器停止喷射而与柱塞是否继续上升无关。2 柴油机喷油正时（喷油提前角）控制柴油机喷油正时控制（又称喷油提前角控制）方法如图 2 56 所示。电子控制单元根据来自于柴油机转速、加速踏板位置及进气压力、温度等有关传感器的信号，计算出实时柴油机运行状态下的最佳喷油时刻，并用正时执行器来控制喷油起始时刻。安装在柴油机曲轴和油泵驱动轴之间的正时执行器用来调整两轴之间的相位。电子控制单元检测来自输入转角传感器和相位转角传感器的两个脉冲信号到达电子控制单元的时间差来测定两轴的相位差，并驱动设在正时执行器中的正时控制阀，完成喷油起始时刻即喷油提前角的反馈控制。图 2 56 柴油机喷油正时控制方法（丰田车）1 转角传感器； 2 输入转角脉冲轮； 3 发动机转矩输入端； 4 计时执行器； 5 供油提前机构； 6 油泵凸轮轴； 7 一提前角相位脉冲轮； 8 提前角相位传感器3 柴油机进气切断阀控制安装在柴油机进气管空气流道中的进气切断阀类似于汽油机中所使用的节气挡板。该进气切断阀的开度控制是由电子控制单元作出，主要用于降低柴油机怠速运行或停车时的振动。当柴油机喷油控制系统发生故障时，该进气切断阀只是部分开启，以减少空气进入量，防止柴油机飞车。4 柴油机怠速运行控制柴油机怠速运行控制是根据控制系统中的传感器输出的信号，由电子控制单元计算出柴油机最佳的怠速转速，并对怠速运转时的喷油时刻进行反馈控制，使怠速运行得以稳定，达到最佳的水平。5 气缸头内电热塞的控制当柴油机启动时，考虑到冷却水温度等因素，需要对设在气缸头内的电热塞的预热电流进行控制。除了缩短预热时间外，在柴油机启动后还要使电热塞表面维持一固定的温度，这样可以有效地稳定柴油机转速并减少排烟中的未燃尽的碳微粒。2 4 2 柴油机控制系统的执行机构1 电磁溢流阀电磁溢流阀安装在喷油泵柱塞油量分配器头部，根据电子控制单元发出的信号，通过开闭在柱塞供油油路中燃油溢流回路进行喷油量的控制。电磁溢流阀的结构如图 2 57 所示。通过对柱塞抬起高度的增减和溢流回路的通断时间来控制喷油量。2 正时（提前角）执行器正时（提前角）执行器安装在柴油机曲轴和油泵凸轮轴之间，通过调整两轴的相位来控制喷油时间。正时执行器的结构如图 2 58 所示。相位的调整所需的动力是由喷油泵驱动扭矩提供。因为柴油机喷油泵需要消耗较大的扭矩力，故大多数柴油机电子喷油控制系统中的正时执行器采用液压来传递扭矩。通过电磁阀调整作用在液压活塞上的液压驱动力，电子控制单元就可改变转矩输入轴与喷油泵凸轮轴之间的相位，即改变了喷油提前角。图 2 58 正时执行器结构 1 偏心凸轮； 2 喷油泵转矩输入端； 3 变换器销轴； 4 供油提前角变换器； 5 电磁阀； 6 油泵凸轮轴； 7 液压油腔； 8 液压活塞3 电子控制单元柴油机电子喷油控制系统中的 ECU 工作电路原理框图如图 2 59 所示，其 ECU 的基本结构与汽油机燃油喷射控制中所阐述的电子控制单元（ ECU ）相同。 图 2 59 柴油机控制中所用的 ECU 工作电路原理框图2 5 变速控制 2 5 1 自动变速控制汽车发动机采用电子控制后会产生一系列的经济效果，如油耗的降低、发动机输出功率的增加、排气净化及动力性能的提高。但是导致汽车行驶油耗明显降低、驾驶性能显著提高的一个主要因素是采用电子变速控制。本节将详细介绍汽车自动变速控制及其变速离合器的电子离合控制。自动变速控制的目的是为了提高汽车行驶过程的经济性和驾驶性能。通过有效地传递汽车发动机的功率，使汽车的动力性能和经济性能两者均有提高是完全可能的。变速控制系统根据车速传感器、节气门位置传感器以及检测汽车行驶状态的各种信号的输入，电子控制单元计算出变速器的挂挡位置、在该挂档位置上离合器动作点以及离合器动作的液压压力值。采用电磁阀通断变速器中的液压回路就可做出最佳的变速挂档和离合动作。为了达到汽车平稳地换档并使行驶的平稳性提高的目的，当前汽车自动换档的电子控制是由发动机电子控制单元和变速器电子控制单元相结合的动力牵引整体控制系统进行控制。1 自动变速控制系统功能图 2 60 表示了一个典型的发动机和变速器整体控制系统的例子。其中发动机电子控制方法与 2 2 节汽油机控制中所叙述的方法相同。电子控制的变速系统介绍如下。（ 1 ）变速方式对于不同的车型和发动机的组合，其自动变速方式是不同的。变速方式的选择应经过对汽车的动力性能和经济性能两者仔细地权衡作出。但是选择变速方式主要是取决于汽车的动力性能而不考虑汽车的最佳经济性能，因为两者不可能同时达到最佳值。当前汽车的自动变速方法仅仅是让司机通过按动“ ECONOMY （经济性）”，“ POWER （动力性）”和“ MANUAL （手动）”按钮来选择。依此顺序，汽车行驶的经济性放在首位，其次是动力性，最后是类似于采用操纵杆变速的手动挂档方式。（ 2 ）变速控制变速控制系统根据车速及节气门位置传感器信号来控制电磁阀动作，选择变速档位置。为了达到变速目的采用两个电磁阀，通过这两个电磁阀的组合开闭，控制变速器液压回路的通断，去选择 4 个变速档（ 1 档、 2 档、 3 档和倒车档）中的一档。（ 3 ）离合器离合控制电子控制单元根据从各传感器送来的信号判断变速离合器进行离合操作的条件，并将判断所得出的结果送到控制离合器动作的离合电磁阀操作电路。为了平稳地合上离合器，通过控制流经离合器电磁阀的输入电流来调节离合器的液压压力。在更换变速档期间，离合器暂时与发动机的输出端脱开会使传给汽车驱动轮的扭矩降至最低值。图 2 61 显示了汽车变速控制的时序图线。（ 4 ）离合器液压控制在变速器换档期间，换档电磁阀输出通断信号后，由速度传感器检测变速器的输入轴转速，换档过程由离合器的液压压力的变化来调整，以便使离合器能平稳地合上，减少所引起的冲击力。图 2 62 显示了离合器液压压力控制的时序图线。需要变速的信号送到换档电磁阀时，开始对离合器液压压力进行调整，直到变速器输入轴的转速达到所要求的转速为止。通过控制离合器电磁阀的输入电流来控制离合器的液压压力。（ 5 ）发动机输出转矩的控制为了减少变速器换档过程中所产生的冲击，需要对发动机变速传动系统进行控制，使发动机的输出转矩在变速器换档过程中同步暂时降低，待变速结束后离合器合上时，发动机的输出转矩恢复到原值。图 2 63 显示了发动机输出转矩控制的时序图线。在变速器换档期间，根据变速器输入轴转速的变化，电子控制单元可准确地检测并计算出换档的起始时间。电子控制单元通过接收来自节气门位置及其它传感器的信号，确认发动机转矩控制的执行状态。根据变速器换档过程的进行情况，控制发动机气缸内燃油着火时间，即通过延迟着火时间使发动机的输出转矩下降。（ 6 ）抗变速过程中的冲击控制当汽车从停止状态开始起步时，变速器从空档挂到行驶档过程中，抗变速冲击控制能保证在挂到第一档之前，从动齿轮被迅速啮合，这意味着在从动齿轮上的转矩在变速过程中不致于急速增加，以减少汽车起步时汽车车身后蹲及换档冲击等现象。2 自动变速控制系统中的传感器（ 1 ）变速器输入轴转速传感器变速器输入轴转速传感器是由安装在变速器内的超速锁止档离合器外表面上的转子和在其内腔中的磁性测头所组成，用来检测变速器输入轴的转速。（ 2 ）车速传感器车速传感器用来检测汽车行驶的速度，它由变速器输出轴上每旋转一周能发出 4 个脉冲信号的转子和脉冲测头所组成。3 自动变速控制系统中的执行器（ 1 ）变速器换档电磁阀采用两个或者更多些的电磁阀，在变速器换档过程中，响应控制变速器液压回路的导向液压压力信号。变速器换档电磁阀的基本结构如图 2 60 所示，采用两个电磁阀的变速换档控制系统如图 2 67 所示。（ 2 ）离合动作及离合器液压控制电磁阀当液压控制电磁阀内的控制电路接收到电子控制单元发出的以二进制数表示通断状态的变速器换档信号时，根据由电子控制单元计算出的电流值，离合动作和离合器液压控制电磁阀按输