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高压共轨柴油机剖析图

发表时间:2024-03-06 07:48:25 来源:案例展示

  高压油泵的供油量的设计准则是一定要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和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根据峰值扭矩最低、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。

  高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元、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有必要进行调节,高压油轨内的燃油经过高压油管,根据机器的运作时的状态,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。

  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,其基础原理如图3所示。

  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,进而达到控制高压油轨压力的目的;

  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。

  高压共轨(Common Rail)电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(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。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管(Rail),通过公共供油管内的油压实现精确控制,使高压油管压力(Pressure)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变化的程度。

  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,控制管理系统很复杂。

  笨重、噪音大、喷黑烟,令许多人对柴油机的直观印象不佳,加上柴油机的构造比较复杂,不少人对柴油机缺乏了解,尤其对现代先进的柴油机缺乏了解,因此柴油机汽车在一些城市成了“被限制的对象”,受到种种歧视。其实经过多年的研究和新技术应用,现代柴油机的现状已与往日不可同喻。现代先进的汽车柴油机一般都会采用电控喷射、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。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。

  按照喷油高压形成的不同,共轨式电控燃油喷射系统有两种基本型式,即高压共轨式和中压共轨式。

  (1)高压共轨系统。高压输油泵(压力在120MPa以上)直接产生高压燃油后,输送至共轨中消除压力的脉动,再分送到各喷油器;当电子控制装置按需要发出指令信号后,高速电磁阀(响应在200s左右)迅速打开或关闭,进而控制喷油器工作,即按设定的要求喷出或停喷高压燃油。

  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。很成熟的系统有: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。

  共轨式电控燃油喷射技术有助于减少柴油机的尾气排放量,并具有改善噪声、降低燃油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、汽车农业及与之相关工业的向前发展。

  一般认为,柴油机喷油技术经历了传统的纯机械操纵式喷油和现代的电控操纵式喷油两个发展阶段。而现代电控喷油技术的崛起,则是计算机技术和传感检测技术迅猛发展的结果。目前,电控喷油技术已从初期的位置控制型发展到时间控制型。共轨式电控燃油喷射设技术正是属于后者。

  共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制装置(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。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管,通过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变化的程度,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,其大小取决于燃油轨道(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。该技术不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理,而是通过供轨直接或间接的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启闭,定时定量的控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量,来保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化,以及最佳的发火时间、足够的能量和最少的污染排放。柴油机供轨式电控燃油系统的原理如附图所示。

  (4)系结构移植方便,适应范围广,不像其他的击中电喷油系统,对柴油机的结构及形式有专门要求;尤其是高压共轨系统,与目前的小、中型及重性柴油机均能很好匹配,因而未来市场发展的潜力看好。

  正是由于共轨式电控燃油喷射技术具有上述特点,所以该技术一经问世,就得到世界上大多数柴油机制造厂商的青睐,其中,高压共轨系统被认为是20世纪内燃机技术的3大突破之一。现在国外许多内燃机方面的专家学者都在致力于该项新技术的研究。并着手开发新一代的高压共轨系统产品及其与之配套的产品。目前,这一项技术的研究特点有:

  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(汽油与空气的比例),柴油机的电控喷射系统则是经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。

  柴油机高速运转时,柴油喷射过程的时间只有千分之几秒。实验证明,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。柴油的可压缩性质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喷射时之后,使高压油管内的压力再次上升,达到令喷油器针阀开启的压力,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,并使油耗增加。此外,每次喷射循环后高压油管内的残压都可能会发生变化,随之引起不稳定的喷射,尤其在低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。为了解决柴油机燃油压力变化所造成的缺陷,现代柴油机采用了一种称之为“共轨”的电喷技术。

  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。

  (1)采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀,使得喷油过程的控制十分方便,并且可控参数多,利于柴油机燃烧过程的全程优化。

  (2)采用共轨方式供油,喷油系统压力波动小,各喷油器间相互影响小,喷射压力控制精度较高,喷油量控制较准确。

  (3)高速电测开关阀频率高,控制灵活,使得喷油系统的喷射压力可调范围大,并且能方便的实现预喷射、后喷等功能,为优化柴油机喷油规律、改善其性能和降低废气排放提供了有效手段。

  b.可独立地柔性控制喷油正时,配合高的喷射压力(120MPa~200MPa),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。

  高压共轨系统与中压共轨系统的主要判别在于,高压燃油的获得方式不同;前者由高压燃油泵直接提供,而后Hale Waihona Puke Baidu则借助于增压柱塞增压后获得。

  柴油机共轨式电控燃油喷射技术集计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油器结构于一身。它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制,而且还能实现预喷射和后喷,从而优化喷油特性、减低柴油机噪声和大大减少废气的排放量,其特点为:

  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明显的变化,随之引起不稳定的喷射,尤其在低转速区域易产生上述现象,严重时不仅喷油不均匀,而且会发生间歇性不喷射现象。未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。

  共轨式喷油系统于二十世纪90年代中后期才郑重进入实用化阶段。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没办法实现的功能,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。

  随着世界各国工程机械、运输车辆等数量增加,柴油机排放的尾气慢慢的变成了对地球环境的主要污染原因之一,如何采取一定的措施保护人类赖以生存的地球环境已是当务之急。我国从80年代起相应制订了有关的标准,将环境保护作为大事来抓。与此同时,世界各国也已开始寻找和探究其他方法和采取其他有效的技术措施主动地减少和控制污染物的排放。共轨式电控燃油喷射技术正是从众多方法和措施中脱颖而出的一项较为成功的控制柴油机污染排放的新技术。

  (2)中压共轨系统。中压输油泵(压力为10-13MPa)将中压燃油输送到共轨中消除压力的脉动,再分送至带有增压柱塞的喷油器中;当高速电磁阀开关阀接收到电子控制装置发送的指令信号后,就迅速开启或关闭,从而控制燃油器工作,迅即通过高压柱塞的增压作用,将从共轨中来的中压燃油加压至高压(120-150MPa)后喷出或停喷。


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