《汽车新技术》课件-4.柴油机共轨直喷技术

第四讲柴油机共轨直喷技术1、柴油机电控技术的产生背景

公路运输是当今世界上最主要的运输方式。据统计世界客运总量的80％和货运总量的42％是由公路来承担的。在世界能源消耗中，公路运输要占石油消耗的42％，约占人类能源消耗的16％。所以车用发动机能源消耗的大户。在当今能源紧缺的情况下，提高车用发动机的效率，降低油耗，是发动机发展的一个长期目标之一。

一、简述全球环境状况的持续恶化，内燃机也是环境污染的罪魁祸首之一。发动机产生的废气中包含大量的CO2，NOX，HC化合物和没有完全燃烧的炭烟（ParticleMetal），给大气和生活环境造成极大污染。所以控制发动机的废气排放也是目前面临的紧迫任务之一。要降低发动机的燃油消耗和减少废气排放中的有害成分，单靠传统的机械控制技术发动机已经不足以解决问题，随着电子控制技术的飞速发展，把发动机和电子控制技术紧密结合起来，是造就发动机技术进一步提升的必然选择。所以电控发动机技术就应运而生。2、发动机电控技术的发展历程早在70年代，人们就开始研究发动机电子控制技术来替代机械控制，到目前为止，已经研究并生产出许多功能各异的柴油机电子控制技术，大部分已经产品化并投放市场。这期间经历了三代：第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统。位置控制系统的特点是保留了大部分传统的燃油系统部件，如喷油泵－高压油管－喷油嘴系统和喷油泵中齿条、齿圈、滑套、柱塞上的螺旋槽等零件，只是用电子伺服机构代替机械式调速器来控制供油滑套或燃油齿条的位置，使得供油量的调整更为灵敏和精确。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。这种系统可以是保留原来的喷油泵－高压油管－喷油器系统，也可以采用新型的产生高压的燃油系统。但喷油量和喷油定时是由电脑控制的强力高速电磁阀的开闭时刻所决定，电磁阀关闭，执行喷油；电磁阀打开，喷油结束。即喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭时间的长短，因此可以同时控制喷油量和喷油定时。第三代系统为时间－压力控制系统，也称电控共轨式喷油系统。其中包括了高压共轨和中压共轨系统。这是20世纪90年代国外最新推出的新型柴油机电控喷油技术。该系统摈弃了传统的泵－管－喷嘴的脉动供油方式，代之用一个高压油泵在柴油机的驱动下，连续将高压燃油输送到共轨管内，高压燃油再由共轨送入各缸喷油器。3、高压共轨喷油系统的优点

发动机采用共轨系统后可在全部的工作范围内均可以实现高压喷射，喷射压力比一般直列泵高出一倍，最高可达200Mpa。所以采用此系统后会带来更高的功率输出和更低的尾气排放。燃油喷射压力完全独立于发动机转速，在低速低负荷工况下同样可以实现高压喷射，改善了发动机低速低负荷时的性能。系统通过对燃油喷射速率的控制，可以实现预喷射或多次预喷射，调节喷油速率形状，实现理想的喷油规律，对降低油耗和整机的噪声改善排放都由好处。自由的调节喷油定时和喷油量，可进一步提高发动机性能具有良好的喷射特性，可以优化燃烧过程，使发动机油耗、噪声、烟度和排放等性能指标得到明显改善，同时有利于改进发动机的扭矩特性，实现低速时的大扭矩。系统针对不同的发动机转速和负荷，可独立地控制喷射压力结构简单，可靠性好，适应性强，可在所有新老发动机上应用。

系统软件中通过预先设定的四张表，即通过各种传感器采集地信号，经过ECU按照预定公式进行计算后，发出指令给各执行器，精确地计算出实时的喷油量，喷油时刻，喷油速率及喷油压力。4、目前世界比较典型的共轨系统德国ROBERTBOSCH的高压共轨喷油系统（潍柴）日本NIPPONDENSO的ECD-U2高压共轨喷油系统（日野、锡柴、上柴）美国DELPHI高压共轨系统（玉柴）与传统供油系统的比较系统直列泵系统共轨系统喷油压力波动稳定喷油量控制油泵（调速器）ECU，喷油器（TWV）喷油时刻控制油泵（提前器）ECU，喷油器（TWV）压力产生油泵供给泵油量分配油泵共轨管喷油压力控制根据转速和喷射量供给泵（PCV）PCV：压力控制阀TWV：二位二通阀该系统主要硬件是由高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器。供油泵从燃油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再有电磁阀控制各岗喷油器在相应时刻喷油。二、电控共轨系统的组成电控共轨系统的组成3.1供给泵（高压油泵）结构：三作用型凸轮直列柱塞式油泵功用：产生高压油和控制向共轨的供油量。安装方式：由柴油机通过齿轮传动，二者之间有一初始相位要求，供给泵在工作时利用其本身的柴油来进行润滑和冷却。工作原理：当柱塞在吸油行程时，低压燃油通过打开的PCV阀进入柱塞顶部的泵油室内，柱塞在压油行程时，当PCV阀未通电时，阀门打开，泵油室内燃油被挤出，当PCV阀通电后，阀门关闭，泵油室内燃油压力迅速升高，经出油阀进入共轨。供油量由PCV阀关闭的持续时间来控制。注：供给泵的驱动力仅为原直列泵的1/3左右。图2ECD-U2高压油泵结构示意图三、供油系统简介高压油泵的工作过程示图

3.1供给泵（高压油泵）高压油泵的工作过程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。

3.1供给泵（高压油泵）3.2PCV压力控制阀

结构：电磁阀。功用：调整供油泵供入共轨管内的燃油量，控制从供给泵到共轨管内的燃油量，从而调整共轨管内的燃油压力。工作原理：点火开关打开，PCV继电器开始工作，2个PCV阀相继开始工作。当PCV阀开关处于关的状态，阀杆下降，活塞下移，吸入燃油；当PCV阀开关处于开的状态，线圈通电，阀杆上升，活塞上移，推动燃油打开单向阀进入共轨管。向控制阀通电和断电时刻就决定了供油泵向共轨管内的供油量。3.3输油泵

功用：用于把油箱内的燃油供应给供给泵。3，4共轨管结构：由6个流量限制器，1个燃油压力传感器及1个燃油压力限制器组成。功用：共轨管将供油泵提供的高压燃油经稳压、滤波后，分配到各喷油器中，起蓄压器的作用。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。安装：利用两螺栓固定在机体上。3.5油量限制器（液流缓冲器）功用：液流缓冲器和高压油管相连，将高压燃油送入喷油器中，并在非常规状态下用于保护发动机。安装：安装于共轨管上。工作原理：平常状态下，从共轨管出来的燃油通过活塞推动钢球，但不会密封出油通道，燃油可正常到达喷油器；在非常规状态下，如压力过大时而油压限制器又损坏的情况下，钢球将会密封出油的截面而停止向缸内供油。3.6燃油压力限制阀（高压溢流阀）功用：用于保证共轨管内的压力恒定。安装位置：安装于回油管路内，位置在气缸盖前端回油孔处。工作原理：当共轨管内的压力一旦超出设定压力，则从此阀处泄掉一部分油到回油管内，从而保证共轨管内压力的恒定。3.7电控喷油器结构：以电磁阀与各种油压伺服机构组成的电/液控制执行器。功用：根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压共轨管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。。安装方式：喷油器安装在气缸盖内，接线从气缸盖罩壳引出。工作原理：电控喷油器是由与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。该控制电磁阀是二位二通式的高速电磁阀（TWV），在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔A，高压共轨管中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。

工作原理：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。

工作原理：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，喷孔直径可以达到0.2mm以下，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。为此P11C柴油机采用了独有的HMMS燃烧室。

3.8高压油管高压油管是连接共