车辆电子控制报告技术第二次作业-柴油机高压共轨的发展现状及前景-北京理工大学

1、车辆电子控制技术报告(2) 柴油机高压共轨的发展现状及前景姓名：XXX学号：XXX（北京理工大学机械与车辆学院车辆工程，北京100081）摘要：介绍柴油机高压共轨喷射系统的原理和结构，对当今国外典型的高压共轨喷射系统进行介绍和分析，总结各种系统的最新进展，最后提出未来的研究目标和发展趋势。随着社会对发动机性能和排放要求的日渐严格，柴油机行业遇到了前所未有的挑战。但随着全球微电子技术和计算机技术的迅猛发展，在汽油机成功实现了成熟的电控技术的基础上，电控技术在柴油机上的应用也正方兴未艾。喷油系统是柴油机的心脏，故柴油机电控技术的核心是电控喷油系统。柴油机喷油系统电控技术经历了三个阶段：位置控制阶段

2、、时间控制阶段、压力一一时间控制阶段，目前正处于第三阶段的发展与成熟期，如图0.1所示高!5共轨堆制系统（第三代或共轨系统；!畜崖天电拒燃油喷粧力皓压龙电性燃丄曽压武I中系塔按貞产图0.1电控柴油机控制系统分类柴油机采用电控共轨喷油系统，不仅使柴油机改造容易，且可在柴油机全负荷范围内实现喷油规律、喷油压力等的最优控制。这类系统是全新一代的喷油系统，在21世纪将会发挥巨大的作用，特别是在降低柴油机排放、保护地球环境方面将会起到不可替代的作用。柴油机电控共轨喷油系统将喷油量和喷油时间的控制融为一体，使燃油的升压机构独立，即燃油压力与柴油机转速、负荷无关，具有可独立控制压力的部件共轨。这样，就可自由

3、控制燃油喷射压力。喷油量、喷油时间等参数则直接由装在各个气缸上的喷油器的高速开关电磁阀来控制。柴油机高压共轨喷射系统原理和结构与前两代喷油系统相比，电控共轨燃油喷射系统克服了燃油压力受柴油机转速的影响，不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理，而采用了公共控制油道一一共轨管，高压油泵只是向公共油道供油以保持所需的共轨压力，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，使其达到与工况相适应的最优数值，而且还使得喷油压力和喷油速率的控制成为可能，且系统的控制自由度及精度得到了大幅度提高。高压共轨喷油系统的结构见图1.1,为典型的电控高压共轨喷射系统，主要由高压泵、带调压阀的共轨管、带电磁阀的喷油器、各种传感器和电控

4、单元(ECU)组成。袖箱轨道爪力传感躊-tDH-H：H水温传感器曲轴传!翩喘位置训施置机;III传!脚空气温度紧急信号其他传感器图1.1高压共轨喷射系统结构高压共轨喷油系统的特点是：喷油压力的建立与喷油过程无关喷油压力、喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响喷油定时与燃油计量完全分开，可以自由调整每缸的喷油和喷油始点：能实现预喷射、喷射、靴型喷射、快速停喷、后喷射、多段喷射。国内外很多内燃机方面的专家学者都在研究开发电控高压共轨喷射系统。德国Bosch公司、意大利菲亚特集团、英国LUCAS、日本电装公司、美国德尔福公司等世界著名油泵油嘴制造商相继开发了高压共轨系统，下面就部分公司的电控高压共

5、轨喷射系统进行介绍和分析。柴油机高压共轨喷射系统的发展状况2.1美国BKM的Servojet项据L送自侵舗裁描专堆还压力下tr力T降电特魚元1L話电牺通吒空压力JUL压为僅号司机菟壓盘譽it气空r砸如图2.1和图2.2，该系统主要由输油泵、压力调节器、燃油供油轨、高速电磁阀、油压增压器、蓄压式喷油器、电控单元（ECU）、传感器等组成。图2.2Servojet喷油器图2.1Servojet柴油机电控蓄压共轨喷油系统车辆电子控制技术报告（2）车辆电子控制技术报告（2） 该系统工作原理是：输油泵向共轨提供中压燃油，利用喷油器中的增压活塞使中压燃油的压力进一步提高。通过调节共轨压力可控制最高喷射压力和

6、喷油量。当电磁阀通电时，回油通道关闭，共轨燃油进入增压活塞上方，活塞下行。油压增压器的增压比可达1015，10MPa的共轨燃油压力在增压柱塞下方可被增压至100160MPa。高压燃油通过蓄压腔单向阀进入蓄压腔及喷油嘴储油槽和针阀上部。此时，针阀由于受到针阀尾部的燃油压力和喷油嘴弹簧的预紧力作用不会开启喷油。当电磁阀断电而打开回油通道时，增压活塞上方燃油卸压。增压活塞和增压柱塞上行，使增压柱塞下方和针阀尾部处的油压也降低。蓄压室中高压燃油通过喷油嘴储油槽作用在针阀上，使针阀开启，实现高压喷射。喷油始点决定于电磁阀断电时刻，喷油终点决定于共轨压力和针阀弹簧预紧力。同时,最高喷射压力、喷油量、喷油速

7、率均受共轨油压控制。Servojet系统在天然气一柴油双燃料发动机上已得到应用，以控制柴油喷射。2.2日本电装ECD-U2该系统主要由高压输油泵、共轨油道、喷油器、电控单元（ECU）、传感器等组成。唱控装遗附加信息燃油压力EG贞缎共用管髙压供油至油泉控制脈冲炖缸发动机检测仪转速曲泵控制阀fPCV）LJ二逋阀（TWV）i一燃油箱节灰孔控割室喷油器液压活塞图2.3ECD-U2高压共轨喷油系统该系统的工作原理是：通过油泵控制阀（PCV）调节高压供油泵的泄油量来控制共轨油道中的燃油压力。燃油压力由装于共轨油道上的传感器检测，通过燃油压力反馈控制来控制共轨油压，使实际燃油压力按发动机转速和负荷要求的压力

8、值得到控制，来自共轨油道的燃油送到喷嘴和液压活塞上油腔两处。喷油量、喷油正时、喷油率的控制由二位三通高速开关电磁阀（TWV）的开关对液压腔活塞上油腔压力的控制来实现。TWV开启时，上油腔中的高压油泄出，此时由于喷嘴侧高压油的作用，开启喷嘴针阀，开始喷油。TWV关闭时，高压油再次作用在液压活塞上方，关闭喷嘴针阀。这样，通过控制TWV的开关定时，就可控制喷油量和喷油定时。在TWV和液压活塞腔之间装有单向阀和节流阀，用于限制活塞腔油压释放时的燃油流动，抑制针阀的抬起速率，从而形成合理的喷油速率。另外，在一个工作循环内，可多次控制TWV的开关，从而可实现预喷射和分段喷射。1995年，日野公司在其中型卡

9、车用J08C型柴油机上采用了本系统。2.3德国Bosch的高压共轨系统目前为止，Bosch公司总共规划和设计了3代高压共轨系统。如图2.4所示为Bosch公司的高压共轨喷射系统。第一代已经于1997年7月批量投放市场，主要应用于轿车，喷射压力达135MPa。第二代于2000年开始批量生产，开始使用具有油量调节功能的高压泵和经改进的电磁阀喷油器，喷射循环由预喷射、主喷射和多级喷射等多次喷射组成，最大系统压力提高至160MPa，采用降噪新技术，主要适用于功率在55kW/L以下的发动机。油4XJI力世站HS共轨就压P艮制器狂:星卩9制器隘麼ilA度V2电磁阀=袖门P.Kk/jf左饰器快嘛掘住磁醴p.

10、WfR/j/*v捉油二级谑活器JgggT1图2.4Bosch公司的高压共轨喷射系统图2.5是高压共轨系统电磁控制喷油器的喷油过程原理示意图。当电磁线圈断电、无电流通过时，球座电磁阀关闭，控制活塞腔的泄流通道切断，控制活塞腔压力和针阀压力室压力相等，由于控制活塞面积大于压力室面积，所以两个受力面合力向下将针阀关闭，喷油器不喷油；当电磁线圈通电时，球座电磁阀打开，由于进油节流孔的节流作用，控制活塞顶部油压下降，针阀压力室截面产生的向上推力大于针阀弹簧的预紧力，针阀抬起、喷油器喷油；当电磁线圈再次断电时，控制活塞腔的泄流通道切断，控制活塞腔内的压力因共轨管内的燃油不断进入而升高，直至与共轨压力相等，

11、在此过程中，喷油器控制活塞和针阀因活塞上部不断增加的向下压力而向下移动、关闭针阀、喷油器停止喷油。电蛊阀回应理琏电同线匿.针阔压舞轨道质力徑制梧塞腔出油节流孔无电滾件用伏芒播逞量加按曲谧韋静漏超肓距战悴吗状芒无电筑作西扶営图2.5电磁控制喷油器的喷油过程原理示意图图2.6电控喷油器剖面图Bosch公司第三代高压共轨喷射系统的开发重心转移到系统的技术复杂度和精密度上。高压油泵前端的齿轮泵将燃油从油箱抽出，通过滤清器送入具有泵油量调节功能的高压油泵升压，分配单元将进入的燃油分成两路：一路供给泵油元件，另一路用以冷却。高压油泵将燃油压缩至最高压力160MPa，并将其输入共轨。共轨上安装的压力传感器、

12、压力调节器和电控装置形成闭环的压力控制回路。高压燃油经油轨到喷油器。第三代高压共轨喷射系统最大的特点在于采用了一个快速开关的压电直列喷油器，压电执行器内置于喷油器轴体上，相比于传统喷油器减少了约75%的运动件及75%的质量，开关速度也得到很大提高。第三代高压共轨燃油喷射系统能满足严格的欧W标准。图2.7为压电式喷油器。图2.7压电共轨喷油器图2.8激光焊接油轨高强度模块式激光焊接油轨为一铸造管，是连接高压油泵和喷油器的桥梁，也是一个蓄压器，见图2.8。共轨中压力波动是设计所要考虑的重要参数，为使共轨压力波动和启动油压的建立几乎不受喷油器、高压油泵和调节阀工作的影响，共轨的长度、内径和容积应有一

13、合理的数值。为使其最佳化，Bosch在设计阶段运用AMESIM程序进行了模拟计算。与迄今最好的电磁或压电控制的喷油系统相比，Bosch第三代高压共轨喷射系统排放物控制效果和燃油的计量精度有明显的提高。Bosch公司第四代高压共轨喷射系统将会采用最新研制的同轴可变喷嘴及压力扩大器技术，最高喷射压力将会超过200MPa。柴油机高压共轨喷射系统的前景就原理而言，各种电控共轨喷油系统基本上是一致的，短期内不会有大的变化。未来的柴油机燃油喷射系统将向着高喷射压力、喷油量及喷油定时可灵活控制、最佳喷油速率控制的方向发展，全电子控制的燃油喷射系统是实现燃油喷射过程柔性控制的必然趋势。综合分析柴油机电控燃油喷

14、射系统的研究历史和现状，柴油机喷射系统应将以下几点作为研究目标：1）.进一步高压化。为解决尾气排放达标问题，最根本还是提高共轨压力。电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是喷射压力达180200MPa，甚至出现了“超高压喷射”的概念。当然，喷射压力也不是越高越好，相关研究指出，在保证油束贯穿距离足够大、压力提高值对燃烧改善效果较明显的前提下，最高喷射压力取180MPa为宜。.更小的喷孔直径、更短的响应时间和更低的功率消耗，提高关键部件的可靠性和寿命。随着喷射压力的提高，对电磁阀、喷油器的要求相应提高，要求其响应速度高，高压稳定性好，同时可靠性好，寿命长，这将依赖于零部件制造技术的发展。关键技术如采

15、用压电晶体喷油器代替原有的电磁阀进行控制。柴油机高压共轨喷射系统的研究方向为：.新型智能型传感器的研制，更高精度和响应速度的传感器的生产和应用。.新型电磁阀的研究。未来的电磁阀要求有更快的响应能力、工作精确性、重复、可靠性以及良好的流通能力。如采用压电陶瓷驱动器研制高响应电磁阀。.共轨燃油压力波动的控制和计算的研究，持续恒压反馈控制的进一步深入研究和完善。.最佳控制策略的研究，即多次喷射的控制技术以及通过控制压力调节喷油规律等。.安全保护与提高故障诊断及紧急运行能力的研究。.研究整个喷射系统优化匹配。.提高整个喷油系统的可靠性，降低制造成本。.研究应用新材料和新的表面处理技术，提高喷油系统的耐

16、久性。参考文献杜建华，蒋公见，蒋海牙。国内外柴油机电控喷油技术的发展现状及前景。自动化技术与应用，2010年29卷第8期。郭修其。高压共轨ECU硬件系统及关键控制策略开发。浙江大学，2011.2。BOSCH:EDCAerIntroduetiontothecommonrailsystem,2003张晓力，王尚勇，张幽彤。柴油机电控共轨喷油系统发展现状。内燃机，2002年第2期。MamoruOki,ShuichiMatsumoto,etal.180MPaPiezocommonrailsystem.SAE2006-01-0274胡祝昌，苏铁熊，李鹏，赵开敏。柴油发动机高压共轨技术研究。机械管理开发，2011.0&MasahikoMlyaki,etal.DevelopmentofnewelectronicallycontrolledfuelinjectionSystemECD-U2fordieselengines.SAE1991-01-0252刘斌彬，李国岫，郑亚银。柴油机高压共轨燃油喷射系统现状