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柴油车高压共轨详细讲解

发表时间:2023-08-23 00:10:47 来源:产品中心

  高压共轨技术是指在由高压油泵、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。

  奔驰推出的E320上安装了第二代共轨发动机,上限功率150kW/1000rpm时输出扭矩250Nm,在1400rpm时即可得到峰值扭矩的85%,在1800~2600rpm的广阔区域内实现500Nm的峰值扭矩。0~100km/h的加速时间只有7.7秒,最高车速243km/h。综合油耗是6.9L/100km,80L的油箱使续航能力达到了1000km。而配有汽油机的E320的综合油耗是9.9L/100km。

  在柴油机中,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可能会发生变化,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。

  高压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。

  高压共轨系统主要由电控单元、高压油泵、蓄压器(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(蓄压器),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汽缸。

  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。

  大部分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。

  高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器(限流器)和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号;液流缓冲器(限流器)保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油,并可减小共轨和高压油管中的压力波动;压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时,迅速将高压油轨中的压力进行放泄。

  为了实现预定的喷油形状,需对喷油器做到合理的优化设计。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度,控制室的容积太大,针阀在喷油结束时不能够实现快速的断油,使后期的燃油雾化不良;控制室容积太小,不能给针阀提供足够的有效行程,使喷射过程的流动阻力加大,因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。

  此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后,就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程,同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快,使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。

  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,如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为0.169mm×6,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。

  高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道,它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降,并使高压管路系统中的压力波动较小,能承受高压燃油的冲击作用,且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等,使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力,由此减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短,使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。BOSCH公司的高压油管的外经为6mm,内径为2.4mm,日本电装公司的高压油管的外经为8mm,内径为3mm 。

  柴油共轨系统已开发了3代,它有着强大的技术潜力。第一代共轨高压泵总是保持在最高压力,导致能量的浪费和很高的燃油温度。第二代可根据发动机需求而改变输出压力,并具有预喷射和后喷射功能。预喷射降低了发动机噪音:在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了气缸压燃,预加热燃烧室。预热后的气缸使主喷射后的压燃更容易,缸内的压力和温度不再是突然地增加,有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射,产生二次燃烧,将缸内温度增加200~250℃,降低了排气中的碳氢化合物。

  由于其强大的技术潜力,今天各制造商已经把目光定在了共轨系统第3代—压电式(piezo)共轨系统,压电执行器代替了电磁阀,于是得到了更加精确的喷射控制。没有了回油管,在结构上更简单。压力从200~2000巴弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3,减小了烟度和NOX的排放。


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