第8章--柴油机电控燃油系统.ppt

第8章柴油机电控燃油系统,8.1柴油机电控燃油系统的类型与组成,8.1.2柴油机电控燃油系统的类型柴油机电控燃料系统在多年的发展过程中产生了多种结构类型，按照产生高压燃油的机构不同，可以分为电控喷油泵系统（包括电控直列泵系统和电控分配泵系统）和电控单缸泵系统（包括电控泵喷嘴系统和电控单体泵系统），以及目前广泛应用的电控高压共轨喷射系统。,根据控制方式的不同，柴油机电控燃油系统又可分为位置控制方式、时间控制方式和时间压力控制方式等。,8.1.3柴油机电控燃油系统的组成,柴油机电控燃油系统不论其类型如何，均由传感器、电控单元（ECU）与执行器三部分组成。,1传感器,常见的传感器主要有以下几种。（1）燃油温度传感器（2）冷却液温度传感器（3）机油温度传感器（4）空气温度传感器,（5）空气流量计（6）加速踏板位置传感器（7）针阀升程传感器（8）冷却液位传感器（9）曲轴位置传感器,（10）凸轮轴位置传感器（11）共轨压力传感器（12）燃油压力传感器（13）机油压力传感器（14）进气歧管压力传感器（15）大气压力传感器（16）氧传感器,8.2电控直列泵系统,8.2.1电控直列泵系统的组成电控直列泵系统属于电控柴油机的早期产品，主要用在载货汽车柴油机上，比较典型的是电控滑套式直列泵，其组成如图8.1所示。,图8.1电控直列泵系统的组成1油箱2输油泵3燃油滤清器4直列式喷油泵5电子停油装置6燃油温度传感器7油量调节齿杆位置传感器8线性电磁执行机构9转速传感器10喷油器11冷却液温度传感器12加速踏板位置传感器13离合器、制动和排气制动开关14操纵板15警告灯和故障诊断座16车速表17ECU18进气温度传感器19增压压力传感器20涡轮增压器21电门开关22蓄电池,这种系统是对传统的机械式喷油泵进行的改进，在喷油泵中增设了控制油量拉杆的电控调速机构，以及控制柱塞滑套的电控供油正时调节机构。,各种传感器将柴油机的运行参数和驾驶员的操作意图传给ECU，ECU根据上述信息进行计算后，控制喷油泵中相关执行机构的工作，使发动机获得最佳的供油正时和供油量。,8.2.2电控直列泵系统主要部件的构造与工作原理,1电控供油正时调节机构电控直列泵的滑套式电控供油正时调节机构由柱塞、滑套、油量调节齿杆、滑套调节轴、供油正时调节器等组成（见图8.2）。,滑套由供油正时调节器控制作上下移动，从而达到改变柱塞预行程和供油始点的目的。滑套上移，预行程增加，供油推迟；反之，预行程减小，供油提前。,图8.2滑套式电控供油正时调节机构1柱塞套2滑套3油量调节齿杆4柱塞5喷油泵凸轮轴6供油正时调节器7滑套调节轴8电子调速器9齿杆位移传感器10回油孔,图8.3滑套控制供油正时示意图1出油阀2柱塞顶部空间3柱塞套4滑套5控制斜槽6柱塞上的进油孔7柱塞8柱塞弹簧9挺柱滚轮10凸轮11回油孔,2电控调速机构,在电控直列泵中，油量调节齿杆是由ECU通过电控调速机构来控制。图8.4是一个电磁式电控调速器，ECU根据加速踏板位置传感器的信号，控制油量调节齿杆的位置。,ECU除了通过电控调速器实现供油量的控制外，还要实现调速器的功能，在发动机转速因外界影响而变化时，及时调整供油量，以保证发动机的稳定运转。,图8.4电控调速机构1油量调节齿杆2回位弹簧3油量调节齿杆4电磁线圈5转速传感器6转速传感器脉冲轮7喷油泵凸轮轴,8.3电控分配泵系统,8.3.1位置控制式电控分配泵系统图8.5所示为位置控制式电控分配泵的结构图。它主要包括调节轴角位移传感器、油量调节电磁阀、电子停油装置、分配泵柱塞、供油正时控制电磁阀和油量调节套等。,图8.5位置控制式电控分配泵的结构1调节轴角位移传感器2油量调节电磁阀3电子停油装置4分配泵柱塞5供油正时控制电磁阀6油量调节套,图8.6所示为位置控制式分配泵的工作原理。油量调节电磁阀控制调节轴旋转，拉动油量调节套使其沿分配泵柱塞左右移动（见图8.5），以改变分配泵的供油量；供油正时控制电磁阀接在分配泵液压提前器的旁通油路中，在ECU控制下改变开度，控制作用在提前器柱塞上的压力，以改变供油正时。,图8.6位置控制式分配泵的工作原理1分配泵2供油正时调节电磁阀3油量调节电磁阀4电子停油装置5ECU,8.3.2时间控制式电控分配泵系统,1时间控制式轴向柱塞分配泵系统图8.7所示为日本电装（Nippon-Denso）公司开发的ECD-V3型时间控制式轴向柱塞分配泵系统。供油量的改变采用时间控制方式。,当油量调节电磁阀关闭时，柱塞顶部空间与低压腔隔绝，因而在柱塞上行时产生高压，喷油泵即通过出油阀向喷油器供油；当ECU控制该油量调节电磁阀开启时，高压油腔卸压，供油过程即终止。,由此可见，供油量取决于油泵开始供油到油量调节电磁阀开启之间的持续时间，ECU通过控制这个时间的长短达到控制供油量的目的。,图8.7ECD-V3型电控分配泵系统1供油量控制电磁阀2柱塞3柱塞顶部空间4出油阀5供油正时控制电磁阀6曲轴位置传感器7阀芯8低压油路9旁通油路,2时间控制式径向柱塞分配泵系统,图8.8所示为时间控制式径向柱塞分配泵的结构图。其主要特点是采用径向柱塞取代轴向柱塞，同样采用时间控制方式。由于各柱塞在圆周上均匀分布，凸轮环受力均匀且作用力相互平衡，因此可以产生较高的供油压力（达170MPa）。,图8.8时间控制式径向柱塞分配泵系统1ECU2ECU3滑片式输油泵4转角信号传感器5径向柱塞高压部分6供油量控制电磁阀7供油调节装置8供油正时电磁阀9喷油器,8.4电控单缸泵系统,电控单缸泵系统有电控泵喷嘴系统和电控单体泵系统两种。这类系统每个气缸都有1个单独的喷油泵，并将喷油泵布置在气缸盖上，可采用较短的高压油管，甚至取消了高压油管，具有机械结构刚性较好的特点，燃油喷射压力高，最高可达200MPa以上，可以满足日益严格的排放法规要求。,8.4.1电控泵喷嘴系统,1电控泵喷嘴系统的组成电控泵喷嘴系统核心部件是泵喷嘴。通常安装在气缸盖上，每缸一个泵喷嘴，由顶置式凸轮机构直接驱动。,2电控泵喷嘴的工作原理,（1）高压腔进油阶段泵活塞在活塞弹簧压力作用下向上移动，高压腔内容积增大。喷嘴电磁阀不动作，电磁阀针阀处于初始的开启状态，供油管到高压腔的通道打开，使柴油进入高压腔（见图8.10）。,图8.9电控泵喷嘴1滚柱式摇臂2球销3泵活塞4活塞弹簧5电磁阀针阀6喷嘴电磁阀7回油管8收缩活塞9供油管10喷嘴弹簧11针阀缓冲元件12缸盖13针阀14隔热密封垫15O形环16高压腔17喷射凸轮,图8.10电控泵喷嘴高压腔进油阶段1滚柱式摇臂2泵活塞3活塞弹簧4电磁阀针阀5高速电磁阀6供油管7高压腔,（2）预喷射阶段,预喷射的目的就是在主喷射开始前，让少量的燃油在低压下喷入燃烧室。使燃烧室内的温度和压力上升，可以减少点火延迟的时间，降低燃烧噪声，减小氮氧化合物的排放。,喷油凸轮通过摇臂驱动泵活塞向下移动。高速电磁阀关闭，高压腔内压力上升。当压力达到18MPa时，预喷射开始，如图8.11所示。高压腔达到一定油压时，收缩活塞向下运动，高压腔的容积突然增大，燃油压力瞬间下降，喷嘴针阀关闭喷油孔，预喷射结束。,图8.11电控泵喷嘴预喷射阶段1泵活塞2电磁阀座3电磁阀针阀4供油管5喷油针阀6高压腔7喷油凸轮,图8.12收缩活塞的作用过程1高压腔2收缩活塞,（3）主喷射阶段,预喷射结束后，随着泵活塞继续压油，高压腔内的压力重新上升。当油压上升到约30MPa时，燃油压力高于喷嘴弹簧的作用力，喷嘴针阀再次上升，主喷射开始（见图8.13）。,当喷油量达到目标值后，ECU切断喷油电磁阀的电路，打开电磁阀针阀，高压腔内压力急剧下降，关闭喷油针阀，主喷射结束。,图8.13电控泵喷嘴主喷射阶段1泵活塞2高速电磁阀3喷嘴弹簧4喷嘴针阀5高压腔,8.4.2电控单体泵系统,1电控单体泵系统的组成电控单体泵机械液力系统的结构如图8.14所示。,图8.14电控单体泵系统示意图1喷油器2高压油管接头3高压油管4螺纹接头5行程限止器6针阀7盖板8泵体9柱塞顶部高压腔10柱塞11柴油机体12滚轮挺柱销13凸轮14弹簧座15电磁阀弹簧16高速电磁阀17衔铁板18中间板19密封圈20进油口21回油口22柱塞导向套23挺柱弹簧24挺柱体25弹簧座26滚轮挺柱27滚轮,2电控单体泵系统的工作原理,电控单体泵系统的供油量与供油正时均由高速电磁阀根据ECU的指令来控制，高速电磁阀通过针阀来控制柱塞顶部空间中的燃油压力。电磁阀断电时，将旁通油路打开（同时将高压油路关闭），柱塞顶部空间与油泵体内的回油道相通，这时即使柱塞处于上升阶段，也不能建立高压。,反之，若电磁阀通电，其针阀将旁通油路关闭，使柱塞高压腔与出油口相通，则柱塞顶部空间的油压迅速升高，并通过高压油路流向喷油器，使之喷油。此后电磁阀再断电，高压油路卸压，喷油终止。,由此可知，在电控单体泵系统中，供油量和供油正时取决于高速电磁阀关闭和开启旁通油路的时刻（供油始点）以及开启持续时间的长短（供油量）。,8.5电控共轨喷射系统,电控高压共轨喷射的工作方式与传统柴油机的机械燃油系统和电控燃油系统都有着本质的不同，其主要特点是喷油压力不受柴油机转速和负荷的影响，可以独立控制，从而实现喷油量和喷油正时的时间压力控制，而且控制精度高。其优点可归纳如下。,宽广的应用领域。小型乘用车、重型载重车、内燃机车和船用柴油机，都可以采用电控高压共轨喷射系统。,极高的喷油压力，最高可达200MPa。喷油始点和喷油终点可以根据工况而改变。容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机排放污染，又能保证优良的动力性和经济性。,共轨系统中的喷油压力柔性可调，可根据不同工况实现最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。由电控喷油器控制喷油，其控制精度较高，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。,8.5.1电控共轨喷射系统的组成与原理,1电控共轨喷射系统的组成电控共轨喷射系统包括电控系统和燃油供给系统两大部分，其组成部件如图8.15所示。,图8.15电控共轨喷射系统的组成1高压油泵2燃油切断阀3调压阀4柴油滤清器5油箱（内有输油泵和粗滤器）6ECU7蓄电池8高压共轨9共轨压力传感器10燃油温度传感器11喷油器12冷却液温度传感器13曲轴位置传感器14加速踏板位置传感器15凸轮轴位置传感器16空气流量计17增压压力传感器18进气温度传感器19涡轮增压器,（1）电控系统,电控系统由各种传感器、ECU和执行器组成。其主要的功能是根据传感器的信号，由ECU计算出最佳喷油时间和最合适的喷油量，并且计算出在什么时刻、在多长的时间范围内喷油，并据此向喷油器发出开启或关闭电磁阀的指令，从而精确控制柴油机的喷射过程（见图8.16）。,图8.16电控共轨喷射系统的控制框图,（2）燃油供给系统,燃油供给系统的组成如图8.17所示，其主要部件是高压油泵、高压共轨和喷油器。低压燃油由输油泵从油箱中抽出后经柴油滤清器输送到高压油泵，高压油泵将燃油加压至高压，然后送入高压共轨内。高压共轨内的燃油经高压油管接至各缸喷油器，并在适当的时刻通过喷油器喷入柴油机气缸。,图8.17电控共轨喷射系统中的燃油供给系统1燃油滤清器2高压油泵3共轨压力传感器4高压共轨5限压阀6喷油器7ECU8油箱9调压阀10输油泵,2电控共轨喷射系统的工作原理,燃油被输油泵从油箱中抽出后，经滤清器过滤后送入高压油泵，被加压至高压后输送到高压共轨。高压共轨中的高压柴油经流量限制阀、高压油管进入喷油器，在喷油器针阀开启时直接喷入燃烧室。高压油泵、喷油器的回油经回油管流回油箱（见图8.15）。,此外，ECU还通过压力传感器对高压共轨内的油压进行监测，并通过控制调压阀，使共轨内的油压保持为预定的压力，实现对共轨压力的控制。,8.5.2电控共轨喷射系统的主要部件及其结构,1输油泵输油泵的作用是向高压油泵提供充足的燃油。输油泵有2种类型，即电动输油泵和机械驱动的齿轮泵，目前常用的是电动输油泵。,2高压油泵,高压油泵的作用是向共轨持续提供符合系统压力要求的高压燃油，并在起动过程中以及共轨压力迅速升高时保证高压燃油的供给。,图8.18所示为转子式高压油泵。燃油是由高压油泵内3个相互呈120径向布置的柱塞压缩而产生的。,图8.18转子式高压油泵1驱动轴2偏心凸轮3带油泵柱塞的泵油元件（3组）4高压腔5进油阀6停油电磁阀7出油阀8密封件9高压油管接头10调压阀11球阀12回油口13进油口14带节流孔的安全阀15通向泵油元件的低压油道,3调压阀,调压阀的作用是根据发动机的负荷状况调整和保持共轨中燃油的压力，它可以安装在高压油泵上，也可以安装在共轨上，其结构如图8.20所示。,图8.19转子式高压油泵的工作原理1驱动轴2偏心凸轮3带油泵柱塞的泵油元件（3组）4进油阀5出油阀6进油口,图8.20调压阀1球阀2衔铁销3电磁铁4弹簧5电气接头,4高压共轨,高压共轨安装在发动机气缸盖周围，通过高压油管与高压油泵及各缸的喷油嘴连接（见图8.21），其作用是存储高压燃油，并使高压油泵的供油和喷油嘴的喷油所产生的压力波动得到缓冲，以保持油压稳定，并将高压燃油分配给各缸的电控喷油器。,图8.21高压共轨1共轨2高压油泵端的进油口3共轨压力传感器4调压阀5油箱端的出油口6流量限制器7喷油器端的油管,5共轨压力传感器,共轨压力传感器的作用是及时、准确地测出高压共轨中燃油的压力，并转换成电压信号，实时提供给ECU。共轨压力传感器由传感元件膜片和放大电路组成（见图8.22）。,图8.22共轨压力传感器1线束接头2放大电路3传感元件膜片4高压接头5固定螺纹,6限压阀,限压阀通常安装在高压共轨上，相当于安全阀。其作用是限制共轨中的压力，在压力超过最高允许值以后开启泄压，防止系统内部零部件的损坏。,图8.23限压阀的结构1高压接头2锥形阀门3通道4活塞5压力弹簧6限位件7阀体8回油孔,7流量限制器,流量限制器安装在高压共轨的每个出油口上，与喷油器的高压油管连接，其作用是减小流向喷油器的高压燃油的压力波动，同时在喷油器高压油管中出现过大的流量或持续的泄漏（如喷油器针阀过度磨损、卡死、高压油管破裂等），导致共轨中流出的燃油量超过最大设计流量时，自动将流向该喷油器的燃油管路关闭，起隔离保护作用。,图8.24流量限制阀1共轨端接头2限位件3活塞4压力弹簧5外壳6喷油器端接头7阀座面8节流孔,8喷油器,柴油机高压共轨系统中所用的喷油器有电磁式和压电式两种。（1）电磁式喷油器电磁式喷油器是用高速电磁阀控制喷油器喷油的开始时刻和喷油持续时间。,它由孔式喷油嘴、液压伺服系统、电磁阀组件构成。发动机工作时，燃油经高压油管进入喷油器，并经进油节流孔进入控制室。,图8.25电磁式喷油器1控制室2泄油孔3进油节流孔4大弹簧5阀芯6电磁阀7小弹簧8回油9柱塞10针阀承压面11喷孔12针阀,电磁阀通电时阀芯上移，打开泄油孔，使控制室经由泄油孔与回油管相通。由于进油节流孔的节流作用，控制室内的压力因泄油而下降，因此作用在柱塞上方的压力小于作用在喷油嘴针阀锥面上的力，喷油嘴针阀立即打开，燃油经过喷孔喷入燃烧室。,（2）压电式喷油器,第2代高压共轨系统开始采用压电式喷油器，以压电晶体作为控制喷油器工作的执行元件，极大地提高了响应速度，能够在极短的时间内完成更多次的切换，控制精度高，能控制的最小供油量足够小，使得多次喷射成为可能。,柴油机的多次喷射是指把原来的一次喷射分为先导喷射、预喷射、主喷射、后喷射和次后喷射等过程。,先导喷射是为了在燃烧室内预先形成混合气，以达到防止柴油机工作粗暴和减少噪声的目的。,预喷射是在主喷射之前先向燃烧室内喷入少量燃油（约12mg），燃烧后可使主喷时的缸内温度升高，从而缩短主喷射的点火延迟期，降低缸内压力上升速度，使燃烧更为高效和柔和，是降低燃烧噪声、HC和CO排放非常有效的途径。,此外，预喷射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，改善发动机低速扭矩等。,主喷射主要用于产生扭矩，其喷油量大小取决于发动机的工况要求。后喷射非常靠近主喷射，喷射的燃油可在气缸内燃烧并产生扭矩，但其主要作用是燃掉燃烧室中残余的炭烟微粒，炭烟排放可因此进一步减少20%70%。,次后喷射一般在上止点后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，如微粒捕集器（DPF）和NOx储存催化器（NSC），可以提高废气处理装置的温度，提高废气处理的效率。,压电式喷油器按照其控制针阀的方式不同，可分为伺服驱动方式和直接驱动方式两种。,压电式伺服驱动喷油器：（见图8.26）。高压燃油从高压共轨进入喷油器后，分成两路，一路由通道进入喷油嘴的油道，作用在针阀锥面上，另一路通过节流孔进入活塞顶部的油腔。,图8.26压电式伺服驱动喷油器1共轨2小活塞3油腔24压电晶体5大活塞6