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性能特点和作用说明

柴油机高压共轨系统的组成和工作原理

 

摘要：柴油机高压共轨（DCR）电喷技术是一个闭环燃油控制系统，由低压油泵、高压油泵、共轨、燃油压力传感器、电子控制单元（ECU）、油路压力控制阀、喷油器电磁阀和喷油器组成。喷射压力的产生和喷射过程被完全分开。其控制内容由燃油压力控制、喷油正时控制、喷射率控制和喷油量控制组成。

 

一、高压共轨系统的优势

 

1、共轨系统优势

      高压共轨喷射压力的大小不受发动机的转速影响，这样避免柴油机供油压力随着发动机转速变化的不足。与其他燃油系统相比，其具有以下优势：

（1）独立控制喷射压力。

（2）独立控制燃油喷油正时。

（3）能实现很高的喷油压力有效消除压力波动。

（4）实现了预喷射、分段喷射和控制喷射率。

（5）实现了控制最小油量喷射和控制快速断油。

      高压油泵将高压燃油输送到公共供油管道，供油管内的油压通过电压力传感器和ECU对实现精确控制，不因发动机转速的变化使柴油机供油压力大幅度减小。

2、电控喷射控制方式

      经多年研究及实用，电控喷射技术在柴油机应用非常成熟，形成了各种电控高压喷射系统。柴油机电控喷射有两类控制方式：

（1）位移控制。

      它的特点是在原机械控制循环喷油量和喷油正时原理的基础上，对机构功能改进更新，油量的控制通过线位移或角位移的电磁液压执行机构或电磁执行机构调节（齿杆或拉杆位移，拨叉位移）和提前器运动装置，使喷油正时和循环喷油量实现电控。此外，与机械控制不同，用柱塞预行程改变的办法，实现可变供油速率的电控，满足高压喷射中大负载、高速和低怠速喷油过程控制的综合优化。其典型产品有转子分配泵电控系统或直列柱塞泵电控系统，电控调速器，单体泵或泵喷嘴的电控系统等等。

（2）时间控制

      时间控制其电控高压喷射装置的工作原理与传统机械式的完全不同，是在高压油路中利用一个或两个高速电磁阀控制喷油泵和喷油器的启闭的喷油过程。控制喷油量由喷油器的开启时间长短和喷油压力大小决定，由控制电磁阀的开启时刻确定喷油正时，可实现喷油量、喷油正时和喷油速率的柔性控制和一体控制。时间控制方法是柴油机喷射系统的发展方向，更加先进，共轨喷射系统是其典型产品。

 

二、电控共轨喷油系统的工作原理

 

1、工作原理

      电控共轨喷油系统的工作原理如图1所示。它是一种新型的时间控制方式，利用电磁式油泵控制阀进行调整喷油泵供油量，改变共轨油道中的油压，而不是改变循环喷油量的大小。因此，喷油泵中柱塞偶件不起油量调节作用，不需要每个发动机气缸配备一组泵油元件。根据发动机工况要求调节共轨中的油压大小，电控装置由油压传感器得到压力值，比较发动机工况所设置的最佳压力值与所测压力，电磁式油泵控制阀启闭由电控装置输出信号控制，使油压达到最佳，该压力值就是喷油嘴的喷射压力。油嘴顶部液压活塞控制室中的油压决定喷油嘴的启闭。此油压大小取决于共轨中压力和三通电磁阀启闭的共同作用。当三通阀通电时，高压燃油从控制室流出，压力室内的高压作用使喷油嘴针阀上升，于是开始喷油。当三通阀断电时，液压活塞顶部控制室进入高压油，针阀下落，停止喷油。因此，接通三通阀的始点来控制喷油正时，由三通阀接通的持续时间来控制喷油量。图中控制针阀上升的速度通过精细调节节流孔的孔径大小，从而改变初期的供油速率，达到低氮氧化物排放、低噪声的目的。

      由此可见，电子控制系统（如图2所示）是对一个油泵控制阀和每个气缸一个喷油三通阀的启闭时刻和持续期进行控制，控制喷油压力和针阀开启的时间，柔性控制循环喷油量、喷油正时、喷油速率。

      从上面的分析可知，采用时间控制方式的共轨系统其特点是喷射压力、喷油正时和喷油量的变化用电磁阀控制，调节的自由度和控制精度大大提高。

2、功能

      共轨系统可以实现传统喷油系统上无法实现的功能，主要功率如下：

（1）共轨系统中的喷油压力柔性可调，最佳喷射压力由不同转速和负载确定，柴油机综合性能得到优化，如喷射压力可不随柴油机转速变化，有利于柴油机低速时的扭矩增大和低速烟度改善。

（2）可独立地对喷油正时柔性控制，配合高的喷射压力（140～180MPa），可同时在较小的数值内控制Knox和微粒（PM），满足排放要求。

（3）喷油速率变化柔性控制，实现理想的喷油规律形状（预喷型、台阶形喷油或三角形规律），既可降低柴油机氮氧化物排放和调节高压共轨压力，优良的动力性、经济性得到保证。

（4）电磁阀控制喷油，控制精度高，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，喷油量循环变动小，改善了各缸不均匀程度，柴油机的振动得到改善，排放减少。

 

图1  电控柴油机燃油喷射系统原理图

图2  柴油机电子控制器模块原理框图

 

三、共轨系统的工作原理

 

1、高压供油泵

      高压油泵的功能是对供油速率的控制保证共轨管中要求的压力Pc，图2所示是高压油泵的工作原理。常规供油系统的设计思想不同，常规系统是直接控制高压燃油量，在实际应用中出现能量的损失和浪费，供油泵控制低压燃油量。当共轨中压力低于目标值时，ECU控制高压油泵PCV（Positive Crankcase Ventilation，曲轴箱强制通风装置）阀提早关闭，柱塞提前供油，由于供油终点为凸轮升程最高点是始终不变的，因此提早供油使高压供油泵供油量增加，如图3所示。当共轨中压力低于目标值时，PCV阀推迟关闭，供油量减少，共轨中压力降低。

      高压供油泵的设计采用小柱塞直径、长冲程和低凸轮轴转速，能减少燃油泄漏、运动阻力及驱动力矩高峰值。采用2缸直列泵的功能相当于6缸常规直列泵，从而显著减小高压供油泵的尺寸。

 

图3  共轨系统高压油泵的控制原理

图4 共轨系统高压油泵的供油原理

 

2、三通阀（TWV）

      电控三通阀是DCR系统中最为关键的部件，也是技术难度最高的部件，电控TWV（Three-Way Valve，三通调节阀）阀安装在每个喷油器总成的上方，其结构原理如图5所示。三通阀包括内阀和外阀，外阀和电磁阀线圈的衔铁做成一个整体，由线圈的通电指令来控制外阀的运动，外阀由阀体支撑。3个元件精密地装配在一起，分别形成密封锥面A，和外锥座B，随着外阀的运动，A、B锥座交替关闭，三个油道（共轨管、回油管和液压活塞上腔）两两交替接通，此外要注意到，阀锥座直径分别为φd₁和φd₂，内直径为φd，Φd ＞ φd_1；  Φd ＞ φd_{2 ；}   Φd ≈ φd₁  ≈φd_2；三通阀本身不控制喷油量仅起压力开关阀作用。

（1）当线圈没有通电时：

      在弹簧作用下外阀下落，在油道①的油压的作用下内阀上升，此时开启密封内锥座A，油道①、②相通，高压油从①进入液压活塞上腔②中。

（2）当线圈通电时：

      在电磁力的吸引下外阀向上运动，密封内锥座A关闭，此时内阀仍停留在上方，开启外锥座B，油道②、③相通，液压活塞上腔向回油室放油，这时喷油器喷油。

3、喷油定时的控制

      在ECD（Electronic Control Diese-lengine）系统中可以自由独立地控制喷油定时，方法是控制定时脉冲送达TWV的时间，其控制框图如图6所示。在ECU中要进运算两次，即“0m计算”在各种传感器送来信号的基础上算出最终的喷油开始时间0n“Tcu的计算”，为实现0m的目标决定激励脉冲送到TWV的时间Tcu，发动机转速和负载决定基础喷油定时，然后根据进气管水温、压力等对Obase进行修正得0r再根据发动机转速转换成时间Tatto，DCR系统由发动机转速传感器每隔15°CA产生一个脉冲在30°CA的范围内调节喷油提前角，Tcu＝T30-T1向TWV输出脉冲时间。

 

图5  共轨系统三通阀的工作原理

图6  共轨系统喷油定时的控制框图

 

4、喷油率的控制

      DCR系统可以实现三种喷油率：三角形，预喷射和靴形。

（1）三角形喷油率

      如图7所示，为了降低初始喷油量的目的，使喷油器针阀升起的速度不要太快，专门设计了一个单向阀和一个节流小孔在动力活塞上方。单向阀阻止动力活塞上方通过燃油，只有通过小孔泄出燃油，造成动力活塞上方燃油压力下降速度放慢，针阀缓慢上升。当喷油终止时，三通阀断电，外阀在弹簧力作用下向下运动，座B关闭，关闭泄油道，而座A打开，动力活塞的通道燃油进入。通过单向阀共轨高压燃油迅速加压到动力活塞上方使活塞下行。由于活塞的直径比针阀直径大得多，针阀在很大的油压力下迅速关闭，实现喷射快速停止，柴油机要求得到满足。喷油始点由三通阀通电时刻决定，喷油量大小由通电持续时间决定。根据柴油机工况要求进行调节喷油压力，低速负载工况时，可实现需要高压的某种程度，喷油压力的调节可完全独立于转速负载工况。三通阀开启响应时间为0.35ms，关闭时间为0.4ms，三通阀全负载耗能为50W。

      由于DCR是一个电子控制的精确压力-油量控制系统，共轨中压力波动很小，它没有常规电控喷油系统中存在的一些问题，如没有由压力波而产生的失控区、难控区，也没有调速器能力不够的问题，柴油机所需的理想油量控制特性得到实现。

（2）预喷射

      在主喷射前给三通阀一个小宽度的电脉冲信号，就可在DCR上实现预喷射。ECD-U2系统为每循环1mm³最小预喷油量，预喷射和主喷射之间最小为0.1ms的时间间隔（见图8）。

 

图7  电控柴油机共轨系统三角形喷油率

图8  共轨系统预喷射系统

 

（3）靴形喷油率

      针阀有一个小的预行程停留才能实现靴形喷油率图形。为此需要变动喷油器总成结构，在液压活塞与三通阀之间的节流孔处改为一个靴形阀，如图9所示。可调的预行程是靴形阀和液压活塞间的间隙。当三通阀通电时，靴形阀中的高压燃油被释放到泄油道，打开喷油嘴到相当于预行程的高度，针阀停留在该处，一直维持到靴形阀节流孔下降到一定程度后，针阀才继续升高到最大升程，喷油速率达到最大（针阀外观和结构如图10所示）。依靠预行程量和靴形阀节流孔的直径的合理组合，得到各种形式的靴形喷油率。由于初期靴形喷油率较低，可获得较低的NO_x。

      DCR系统速度启动较快，由于高压输油泵每个凸轮有三个凸起，共轨中油压在启动时升高很快。当高压输油泵供油量U_p为600mm³时，共轨以及其他高压油管路容积V为94000mm³，燃油容积弹性模量E为1100MPa/m㎡，则共轨压力升高值为ΔP＝EQ_p/V＝7MPa/r，即高压输油泵每旋转一次，共轨中压力提高为7MPa。如喷油嘴开启压力为20MPa，输油泵只要旋转3次，共轨压力就可以超过喷油嘴开启压力，经实验表明，只要启动0.5s，可达20MPa共轨压力，柴油机0.6s后就达到怠速转速。

      此外，电控系统内还有一个自诊断和故障安全系统，电控单元都具有自检功能，用来监测控制系统各部状态。出现故障时，可用指示灯（在仪表板上）显示故障码，以便维护修理及时。

 

图9  共轨系统靴形喷油率的产生

图10  喷油器针阀内部结构外形

 

总结：

      共轨电喷系统是通过微机控制柴油发电机使它工作在最佳条件下，共轨电喷系统通过各种传感器获得柴油发电机的各种工作参数(包括柴油发电机转速、加速踏板操作情况、冷却水温度等),全面控制循环喷油量、喷油正时、喷油压力等。微机控制系统具有诊断功能、失效保险功能和报警功能，它能提供主要柴油发电机电器部件的自诊断，发现异常及时向操作员发出警报，保护功能在微机检测到严重故障时能自动停机，失效保险功能在微机出现故障时能保证切换到备用系统保证柴油发电机继续工作。

 

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