汽车柴油机电控高压共轨喷油系统(一)(图)

现代小型乘用车柴油机对进一步降低燃油耗 减少废气排放和降低噪声的要求越来越高 满足这些条件 都需要喷油系统具有很高的喷油压力 非常灵活的控制柔性 极准确的喷油过程和计量极精确的喷油量 因此 那些机械调节式喷油系统或喷油压力较低而控制功能有限的电子控制式分配泵已无法满足这些要求 在这种情况下 电控高压共轨喷油系统就有了 用武之地 本文将为您系统 详细地介绍小型乘用车柴 油机用第一代电磁阀控制高压共轨喷油系统的组成部件 结构 工作原理及其各种功能 一 一 柴油机喷油系统概述柴油机喷油系统概述 柴油机的种类十分繁多 与其配套的喷油系统也多种多样 详情如图 1 和表 1 所示 由于柴油机的负荷和转速调节是在没有进气节流的情况下直接通过改变喷油量来达到的 因此喷油 系统必须以 35 200MPa 之间的压力将燃油喷入柴油机汽缸内 并形成均匀的可燃混合气 其间喷油量的 计量必须尽可能精确 对喷油过程中的喷油压力 喷油时刻和喷油次数的控制必须非常灵活 而且必须能 够随运转工况而任意变化 因此 继续沿用机械调节式喷油系统或喷油压力较低而控制功能有限的电子控 制式分配泵已无法满足这些要求 新型的电控高压共轨喷油系统则是最佳选择 因此近几年来 电控高压 共轨喷油系统在车用柴油机上得到了迅速的推广 二 共轨喷油系统二 共轨喷油系统 1 主要特点 电控高压共轨喷油系统与传统的凸轮驱动的机械调节式喷油系统相比 其与柴油机匹配的灵活性要 大得多 主要表现在以下几个方面 宽广的应用领域 用于小型乘用车和轻型载重车 每缸功率可达 30 kW 用于重型载重车 内燃 机车和船舶 每缸功率可达 200 kW 左右 喷油压力可达 135MPa 甚至更高 喷油始点可变 可实现预喷射 主喷射和后喷射 喷油压力可随柴油机运转工况而变化 2 功能 在共轨喷油系统中 喷油压力的建立与喷油量互不相关 喷油压力不取决于柴油机的转速和喷油量 在高压燃油存储器 即 共轨 中 始终充满着高压燃油 而喷油量 喷油正时和喷油压力由电控单元 ECU 根据其中存储的特性曲线 脉谱图 和传感器采集的柴油机运转工况信息算出 然后控制每缸喷 油器的高速电磁阀开闭来实现 共轨喷油系统的控制部分和传感器部分包括 ECU 曲轴转速传感器 凸轮轴相位传感器 加速踏板 传感器 增压压力传感器 空气质量流量计 共轨压力传感器及冷却水温度传感器 ECU 借助于传感器得知驾驶员的要求 加速踏板位置 以及柴油机和车辆的实时工作状态 它处理 由传感器产生并经数据导线输入的信号 对柴油机进行控制和调节 曲轴转速传感器测定柴油机的转速 凸轮轴相位传感器确定发火顺序和相位 加速踏板传感器是一种电位计 它通过电压信号告知 ECU 关于驾 驶员对扭矩的要求 空气质量流量计告知 ECU 柴油机实时的进气空气质量流量 以根据排放法规的要求来 匹配相应的基本喷油量 在带有增压压力调节的增压柴油机上 增压压力传感器用以测定增压压力 在低 温和柴油机处于冷态时 ECU 可根据冷却水温度传感器和进气空气温度传感器的信号值确定合适的喷油始 点 预喷射油量和其他参数的额定值 作为一个实例 图 2 示出了一种四缸柴油机所用电控共轨喷油系统的主要组件 基本功能 其基本功能是在正确时刻以精确的数量和合适的压力控制燃油的喷射 从而保证柴油机的平稳运行 并获得低燃油消耗 废气排放和运转噪声 附加功能 附加的控制和调节功能用于减少废气排放和燃油消耗 或提高安全性和舒适性 例如用来实现废气 再循环 EGR 增压压力调节 车速控制和电子防盗锁等 CAN 总线系统可与车辆的其他电子系统 例如 ABS 系统 变速器电子控制系统 进行数据交换 诊 断接口可在车辆检修时输出系统存储的运行数据和故障代码 三 喷油特性三 喷油特性 1 普通喷油系统的喷油特性 在普通的喷油系统 例如分配泵和直列泵中 只有主喷射而没有预喷射和后喷射 如图 3 所示 而在电磁阀控制的分配泵中仅可实现预喷射 普通喷油系统中压力的产生和喷油量的计量是通过凸轮和供 油柱塞来实现的 这种方法对喷油特性来讲 会产生下列现象 喷油压力随转速和喷油量的增加而升高 喷油过程中喷油压力上升 但到喷油终了时又降低到喷油嘴关闭压力 因此 会产生下列结果 小喷油量时的喷油压力较低 峰值喷油压力是平均喷油压力的两倍以上 喷油过程曲线近似于三角形 这有利于燃烧完善 峰值喷油压力对喷油泵及其驱动装置构件承受的负荷具有决定性的影响 对普通喷油系统而言 它 是燃烧室中混合气形成质量好坏的评价尺度 2 共轨喷油系统的喷油特性 对理想的喷油特性 除了普通喷油特性的要求之外 还有下列要求 对发动机的任何一个工况点 喷油压力和喷油量的确定都可以是互为独立的 喷油开始初期 即在喷油开始到燃烧开始之间的点火延迟期内 的喷油量应尽可能小 带有预喷射和主喷射的共轨喷油系统可满足上述要求 如图 4 图 6 所示 共轨喷油系统采用模块式结构 喷油特性主要决定于下列组件 电磁阀控制的喷油器 用螺纹拧装在汽缸盖上 压力存储器 共轨 高压泵 ECU 曲轴转速传感器 凸轮轴相位传感器 在小型乘用车上用的共轨喷油系统中 产生喷油压力的高压泵采用径向柱塞泵 其转速以固定的传 动比与发动机转速相关 而压力的建立与喷油量无关 由于近乎连续的供油 高压泵可设计得比普通喷油 系统中用的高压泵小得多 设计时考虑的峰值驱动扭矩也较小 喷油器通过高压油管与共轨相连 它主要由一个喷油嘴和一个电磁阀构成 ECU 使电磁阀通电 就 开始喷油 在一定压力下 喷入的燃油量与电磁阀的接通时间成正比 而与发动机或泵的转速无关 时间 控制的喷油方式 喷油量可通过电磁阀控制的相应设计 并在 ECU 中采用高电压和大电流来控制 以提 高电磁阀的响应特性 喷油正时是通过电控系统中的角度 时间系统来控制的 为此在曲轴上装有一个转速传感器 并且为 了识别缸序或相位 在凸轮轴上也装有一个相位传感器 燃油喷射主要有以下几种 预喷射 预喷射可在上止点前 90 内进行 如果预喷射的喷油始点早于上止点前 40 曲轴转角 则燃油可能 喷到活塞顶面和汽缸壁上使润滑油稀释到不允许的程度 预喷射时 少量燃油 1 4 mm3 喷入汽缸 促 使燃烧室产生 预调节 从而改善燃烧效率 压缩压力由于预反应或局部燃烧而略有提高 因此缩短了 主喷油量的着火延迟期 降低了燃烧压力上升幅度和燃烧压力峰值 燃烧较为柔和 这种效果减小了燃烧 噪声和燃油耗 许多情况下还降低了排放 在无预喷射时的压力特性曲线 如图 5 所示 中 在上止点前的范围内 压力上升尚较平缓 但随 着燃烧的开始压力迅速上升 达到压力最大值时 形成一个较陡的尖峰 压力上升幅度的增加和尖峰导致 柴油机的燃烧噪声明显提高 而在有预喷射的压力特性曲线 如图 6 所示 中 在上止点前范围内 压力 值略高 但燃烧压力的上升变缓 预喷射间接地通过缩短着火延迟期而有助于发动机扭矩的增加 根据主喷射始点和预喷射与主喷射 之间的时间间隔的不同 燃油耗降低或增加 主喷射 主喷射提供了发动机输出功率所需的能量 从而基本上决定了发动机的扭矩 在共轨喷油系统中 整个喷油过程的喷油压力近似恒定不变 后喷射 对于那些催化 NOx 的催化器而言 后喷射的燃油充当还原剂 用于还原 NOx 它在主喷射之后的