汽车柴油机电控高压共轨喷油系统.docx

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汽车柴油机电控高压共轨喷油系统

汽车柴油机电控高压共轨喷油系统

（一）（图）

现代小型乘用车柴油机对进一步降低燃油耗、减少废气排放和降低噪声的要求越来越高。

满足这些条件都需要喷油系统具有很高的喷油压力、非常灵活的控制柔性、极准确的喷油过程和计量极精确的喷油量。

因此，那些机械调节式喷油系统或喷油压力较低而控制功能有限的电子控制式分配泵已无法满足这些要求。

在这种情况下，电控高压共轨喷油系统就有了“用武之地”。

本文将为您系统、详细地介绍小型乘用车柴油机用第一代电磁阀控制高压共轨喷油系统的组成部件、结构、工作原理及其各种功能。

一、柴油机喷油系统概述

    柴油机的种类十分繁多，与其配套的喷油系统也多种多样，详情如图1和表1所示。

由于柴油机的负荷和转速调节是在没有进气节流的情况下直接通过改变喷油量来达到的，因此喷油系统必须以35～200MPa之间的压力将燃油喷入柴油机汽缸内，并形成均匀的可燃混合气。

其间喷油量的计量必须尽可能精确，对喷油过程中的喷油压力、喷油时刻和喷油次数的控制必须非常灵活，而且必须能够随运转工况而任意变化。

因此，继续沿用机械调节式喷油系统或喷油压力较低而控制功能有限的电子控制式分配泵已无法满足这些要求，新型的电控高压共轨喷油系统则是最佳选择。

因此近几年来，电控高压共轨喷油系统在车用柴油机上得到了迅速的推广。

二、共轨喷油系统

1.主要特点

    电控高压共轨喷油系统与传统的凸轮驱动的机械调节式喷油系统相比，其与柴油机匹配的灵活性要大得多，主要表现在以下几个方面。

    ⑴宽广的应用领域（用于小型乘用车和轻型载重车，每缸功率可达30kW；用于重型载重车、内燃机车和船舶，每缸功率可达200kW左右）。

    ⑵喷油压力可达135MPa，甚至更高。

    ⑶喷油始点可变。

    ⑷可实现预喷射、主喷射和后喷射。

    ⑸喷油压力可随柴油机运转工况而变化。

2.功能

    在共轨喷油系统中，喷油压力的建立与喷油量互不相关，喷油压力不取决于柴油机的转速和喷油量。

在高压燃油存储器（即“共轨”）中，始终充满着高压燃油。

而喷油量、喷油正时和喷油压力由电控单元（ECU）根据其中存储的特性曲线（脉谱图）和传感器采集的柴油机运转工况信息算出，然后控制每缸喷油器的高速电磁阀开闭来实现。

    共轨喷油系统的控制部分和传感器部分包括：

ECU、曲轴转速传感器、凸轮轴相位传感器、加速踏板传感器、增压压力传感器、空气质量流量计、共轨压力传感器及冷却水温度传感器。

    ECU借助于传感器得知驾驶员的要求（加速踏板位置）以及柴油机和车辆的实时工作状态。

它处理由传感器产生并经数据导线输入的信号，对柴油机进行控制和调节。

曲轴转速传感器测定柴油机的转速，凸轮轴相位传感器确定发火顺序和相位。

加速踏板传感器是一种电位计，它通过电压信号告知ECU关于驾驶员对扭矩的要求。

空气质量流量计告知ECU柴油机实时的进气空气质量流量，以根据排放法规的要求来匹配相应的基本喷油量。

在带有增压压力调节的增压柴油机上，增压压力传感器用以测定增压压力。

在低温和柴油机处于冷态时，ECU可根据冷却水温度传感器和进气空气温度传感器的信号值确定合适的喷油始点、预喷射油量和其他参数的额定值。

    作为一个实例，图2示出了一种四缸柴油机所用电控共轨喷油系统的主要组件。

⑴基本功能

    其基本功能是在正确时刻以精确的数量和合适的压力控制燃油的喷射，从而保证柴油机的平稳运行，并获得低燃油消耗、废气排放和运转噪声。

⑵附加功能

    附加的控制和调节功能用于减少废气排放和燃油消耗，或提高安全性和舒适性。

例如用来实现废气再循环（EGR）、增压压力调节、车速控制和电子防盗锁等。

    CAN总线系统可与车辆的其他电子系统（例如ABS系统、变速器电子控制系统）进行数据交换。

诊断接口可在车辆检修时输出系统存储的运行数据和故障代码。

三、喷油特性

1.普通喷油系统的喷油特性

    在普通的喷油系统，例如分配泵和直列泵中，只有主喷射而没有预喷射和后喷射（如图3所示），而在电磁阀控制的分配泵中仅可实现预喷射。

普通喷油系统中压力的产生和喷油量的计量是通过凸轮和供油柱塞来实现的。

这种方法对喷油特性来讲，会产生下列现象：

     ⑴喷油压力随转速和喷油量的增加而升高；

    ⑵喷油过程中喷油压力上升，但到喷油终了时又降低到喷油嘴关闭压力。

    因此，会产生下列结果：

     ⑴小喷油量时的喷油压力较低；

    ⑵峰值喷油压力是平均喷油压力的两倍以上；

    ⑶喷油过程曲线近似于三角形，这有利于燃烧完善。

    峰值喷油压力对喷油泵及其驱动装置构件承受的负荷具有决定性的影响。

对普通喷油系统而言，它是燃烧室中混合气形成质量好坏的评价尺度。

2.共轨喷油系统的喷油特性

    对理想的喷油特性，除了普通喷油特性的要求之外，还有下列要求：

    ⑴对发动机的任何一个工况点，喷油压力和喷油量的确定都可以是互为独立的。

    ⑵喷油开始初期（即在喷油开始到燃烧开始之间的点火延迟期内）的喷油量应尽可能小。

    带有预喷射和主喷射的共轨喷油系统可满足上述要求（如图4～图6所示）。

共轨喷油系统采用模块式结构，喷油特性主要决定于下列组件：

    ⑴电磁阀控制的喷油器，用螺纹拧装在汽缸盖上；

    ⑵压力存储器（共轨）；

    ⑶高压泵；

    ⑷ECU；

    ⑸曲轴转速传感器；

    ⑹凸轮轴相位传感器。

    在小型乘用车上用的共轨喷油系统中，产生喷油压力的高压泵采用径向柱塞泵，其转速以固定的传动比与发动机转速相关，而压力的建立与喷油量无关。

由于近乎连续的供油，高压泵可设计得比普通喷油系统中用的高压泵小得多，设计时考虑的峰值驱动扭矩也较小。

    喷油器通过高压油管与共轨相连，它主要由一个喷油嘴和一个电磁阀构成。

ECU使电磁阀通电，就开始喷油。

在一定压力下，喷入的燃油量与电磁阀的接通时间成正比，而与发动机或泵的转速无关（时间控制的喷油方式）。

喷油量可通过电磁阀控制的相应设计，并在ECU中采用高电压和大电流来控制，以提高电磁阀的响应特性。

    喷油正时是通过电控系统中的角度-时间系统来控制的。

为此在曲轴上装有一个转速传感器，并且为了识别缸序或相位，在凸轮轴上也装有一个相位传感器。

    燃油喷射主要有以下几种：

⑴预喷射

    预喷射可在上止点前90°内进行。

如果预喷射的喷油始点早于上止点前40°曲轴转角，则燃油可能喷到活塞顶面和汽缸壁上使润滑油稀释到不允许的程度。

预喷射时，少量燃油（1～4mm3）喷入汽缸，促使燃烧室产生“预调节”，从而改善燃烧效率。

压缩压力由于预反应或局部燃烧而略有提高，因此缩短了主喷油量的着火延迟期，降低了燃烧压力上升幅度和燃烧压力峰值，燃烧较为柔和。

这种效果减小了燃烧噪声和燃油耗，许多情况下还降低了排放。

    在无预喷射时的压力特性曲线（如图5所示）中，在上止点前的范围内，压力上升尚较平缓，但随着燃烧的开始压力迅速上升，达到压力最大值时，形成一个较陡的尖峰。

压力上升幅度的增加和尖峰导致柴油机的燃烧噪声明显提高。

而在有预喷射的压力特性曲线（如图6所示）中，在上止点前范围内，压力值略高，但燃烧压力的上升变缓。

     预喷射间接地通过缩短着火延迟期而有助于发动机扭矩的增加。

根据主喷射始点和预喷射与主喷射之间的时间间隔的不同，燃油耗降低或增加。

⑵主喷射

    主喷射提供了发动机输出功率所需的能量，从而基本上决定了发动机的扭矩。

在共轨喷油系统中，整个喷油过程的喷油压力近似恒定不变。

⑶后喷射

    对于那些催化NOx的催化器而言，后喷射的燃油充当还原剂，用于还原NOx。

它在主喷射之后的做功行程或排气行程中进行，其范围一般在上止点后200°内。

    与预喷射和主喷射不同，后喷射的燃油在汽缸中不会燃烧，而是在废气中剩余热量的作用下蒸发，带入NOx催化器中作为NOx的还原剂，以降低废气中NOx的含量。

    过迟的后喷射会导致燃油稀释发动机的润滑油，其喷射范围要由发动机制造厂家通过试验来确定。

汽车柴油机电控高压共轨喷油系统

（二）（图）

四、燃油系统

   汽车柴油机电控高压共轨喷油系统（图7）由低压供油部分和高压供油部分组成。

1.低压供油部分

   共轨喷油系统的低压供油部分包括:

燃油箱（带有滤网）、输油泵、燃油滤清器及低压油管。

⑴燃油箱

   燃油箱必须抗腐蚀,且至少能承受2倍的实际工作油压，并在不低于0.03MPa压力的情况下仍保持密封。

如果油箱出现超压，需经过适当的通道和安全阀自动卸压。

即使车辆发生倾斜，或在弯道行驶，甚至发生碰撞时，燃油不会从加油口或压力平衡装置中流出。

同时，燃油箱必须要远离发动机，如果车辆发生交通事故时,可减小发生火灾的危险。

⑵低压油管

   低压供油部分,除采用钢管外还可使用阻燃的包有钢丝编织层的柔性管。

油管的布置必须能够避免机械损伤，并且在其上滴落的燃油既不能聚积，也不会被引燃。

⑶输油泵

   输油泵是一种带有滤网的电动泵或齿轮泵,它将燃油从燃油箱中吸出,将所需的燃油连续供给高压泵。

⑷滤清器

   燃油滤清器将进入高压泵前的燃油滤清净化,从而防止高压泵、出油阀和喷油器等精密件过早磨损和损坏。

2.高压供油部分

 共轨喷油系统的高压供油部分包括：

带调压阀的高压泵、高压油管、作为高压存储器的共轨（带有共轨压力传感器）、限压阀和流量限制器、喷油器、回油管。

⑴高压泵

   高压泵将燃油压送到共轨的压力为135MPa,高压燃油经高压油管进入类似管状的共轨中。

⑵共轨

   在共轨中燃油仍保持其压力,即使喷油器喷油时,由于燃油的弹性而产生蓄压作用，燃油压力基本保持不便。

燃油压力由共轨压力传感器测定，通过调压阀调节到规定数值。

限压阀的任务是将共轨中的燃油压力限制在150MPa以内。

⑶喷油器

   当高压燃油在喷油器中被电子控制的电磁阀释放时，喷油嘴开启，将燃油直接喷入发动机燃烧室。

⑷高压油管

   高压燃油油管必须能够经受喷油系统的最大压力和喷油间歇时的局部高频压力波动。

该油管是由钢管制成,通常外径为6mm，内径为2.4mm。

   各缸的高压油管长度是完全相同的，共轨与各缸喷油器之间的不同间距是通过各缸高压油管的弯曲程度进行长度补偿的，但油管长度应尽可能短一些。

五、组件结构和功能

1.低压部分

   低压部分向高压部分提供足够的燃油,其主要组成部件如图8所示。

⑴输油泵

    输油泵的任务是在任何工况下，为燃油提供所需的压力，并在整个使用寿命期内，向高压泵提供足够的燃油。

   目前输油泵有2种类型，即电动输油泵（滚子叶片泵）和机械驱动的齿轮泵。

   a.电动输油泵

   电动输油泵（图9、图10）用于乘用车和轻型商用车。

除了向高压泵输送燃油外，电动输油泵在监控系统中还起到了在必要时中断燃油输送的作用。

    发动机启动过程开始时，电动输油泵就开始运行，且不受发动机转速影响。

电动输油泵持续从油箱中抽出燃油，经燃油滤清器送往高压泵，多余的燃油经溢流阀流回油箱。

其具有安全电路，可防止在停机时向发动机输送燃油。

   电动输油泵有油管安装式和油箱安装式2种。

油管安装式输油泵安装在车辆底盘上油箱与燃油滤清器之间的油管上。

而油箱安装式输油泵则安装在油箱内的专用支架上，其总成通常还包括吸油端的吸油滤网、油位显示器、储油罐以及与外部连接的电气和液压接头。

电动输油泵由泵油元件、电动机和连接盖3个功能部分组成。

泵油元件的工作原理取决于电动输油泵的应用领域，有多种型号。

乘用车共轨喷油系统采用的滚子叶片泵（容积式泵）由偏心布置的内腔和在其中转动的开槽圆盘构成，每个槽内有可活动的滚子。

利用开槽圆盘转动的离心力和燃油压力的作用，滚子紧压在外侧的滚子滚道上和槽的驱动侧面上。

在这种情况下，滚子的作用就好比是做圆周运动的密封件。

开槽圆盘的每2个滚子与滚道之间构成了1个腔室，当进油口关闭，腔室容积不断缩小时，便产生泵油作用。

燃油在出油口打开以后从电动机流过，并经压油端的连接盖输出。

   电动机由永久磁铁和电枢组成，其设计取决于在一定系统压力之下所要求的供油量。

电动机和泵油元件装在共用的外壳中，燃油不间断地流过，从而使其得到冷却，因此无需在泵油元件与电动机之间设置复杂的密封件便可获得较高的电动机功率。

   连接盖包含电气接头和压油端的液压接头，另外还可以在连接盖中设置防干扰装置。

   b.齿轮输油泵

   齿轮输油泵（图11）用于乘用车和轻型商用车的共轨喷油系统中，向高压泵输送燃油。

其装在高压泵中与高压泵共用驱动装置，或装在发动机旁配有单独的驱动装置。

驱动装置一般为联轴节、齿轮或齿带。

    齿轮输油泵的基本构件是2个互相啮合反向转动的齿轮，它们将齿隙中的燃油从吸油端送往压油端。

齿轮的接触线将吸油端和压油端互相密封以防止燃油倒流。

其输油量与发动机转速成正比，因此输油量的调节借助于吸油端的节流调节阀或压油端的溢流阀进行。

   齿轮泵在工作期间无需保养。

为了在第一次启动时或燃油箱放空后排空燃油系统中的空气，可在齿轮泵或低压管路上装配手动泵。

⑵燃油滤清器

   燃油中的杂质可能使泵油元件、出油阀和喷油嘴损坏，因此使用满足喷油系统要求的燃油滤清器是保证发动机正常工作和延长使用寿命的前提条件。

通常燃油中会含有化合形态（乳浊液）或非化合形态（温度变化引起的冷凝水）的水。

如果这些水进入喷油系统，会对其产生腐蚀并造成损坏，因此与其他喷油系统一样，共轨喷油系统也需要带有集水槽的燃油滤清器（图12），每隔适当时间必须将水放掉。

随着乘用车采用柴油机数量的增加，自动水报警装置的使用也在不断增加。

当系统必须将水排出时，该装置的报警灯就会闪亮。

对于那些燃油中含水量较高的国家，装用这种装置应该是必须的。

2.高压部分

   高压部分除了产生高压力的组件外,还有燃油分配和计量组件（图13）。

⑴高压泵

   a.任务

   高压泵（图14）位于低压部分和高压部分之间，它的任务是在车辆所有工作范围和整个使用寿命期间，在共轨中持续产生符合系统压力要求的高压燃油，以及快速启动过程和共轨中压力迅速升高时所需的燃油储备。

    b.结构

   高压泵通常像普通分配泵那样装在柴油机上，以齿轮、链条或齿形皮带连接在发动机上，最高转速为3000r/min，依靠燃油润滑。

因为安装空间大小的不同，调压阀通常直接装在高压泵旁，或固定在共轨上。

   燃油是由高压泵内3个相互呈120°径向布置的柱塞压缩的。

由于每转1圈有3个供油行程，因此驱动峰值扭矩小，泵驱动装置受载均匀。

驱动扭矩为16N·m，仅为同等级分配泵所需驱动扭矩的1/9左右，所以共轨喷油系统对泵驱动装置的驱动要求比普通喷油系统低，泵驱动装置所需的动力随共轨压力和泵转速（供油量）的增加而增加。

排量为2L的柴油机，额定转速下共轨压力为135MPa时，高压泵（机械效率约为90%）所消耗功率为3.8kW。

喷油嘴中的泄漏和所需的喷油量，及调压阀的回油，使其实际功消耗率要更高些。

   c.工作方式

   燃油通过输油泵加压经带水分离器的滤清器送往安全阀（图14），通过安全阀上的节流孔将燃油压到高压泵的润滑和冷却回路中。

带偏心凸轮的驱动轴或弹簧根据凸轮形状相位的变化而将泵柱塞推上或压下（图15）。

如果供油压力超过了安全阀的开启压力（0.05～0.15MPa），则输油泵可通过高压泵的进油阀将燃油压入柱塞腔（吸油行程）。

当柱塞达到下止点后而上行时，则进油阀被关闭，柱塞腔内的燃油被压缩，只要达到共轨压力就立即打开排油阀，被压缩的燃油进入高压回路。

到上止点前，柱塞一直泵送燃油（供油行程）。

达到上止点后，压力下降，排油阀关闭。

柱塞向下运动时，剩下的燃油降压，直到柱塞腔中的压力低于输油泵的供油压力时，吸油阀再次被打开，重复进入下一工作循环。

   d.供油效率

   由于高压泵是按高供油量设计的，在怠速和部分低负荷工作状态下，被压缩的燃油会有冗余。

通常这部分冗余的燃油经调压阀流回油箱，但由于被压缩的燃油在调压阀出口处压力降低，压缩的能量损失而转变成热能，使燃油温度升高，从而降低了总效率。

若泵油量过多，使柱塞泵空，切断供应高压燃油可使供油效率适应燃油的需要量，可部分补偿上述损失。

   如图14所示，柱塞被切断供油时，送到共轨中的燃油量减少。

因为在柱塞偶件切断电磁阀时，装在其中的衔铁销将吸油阀打开，从而使供油行程中吸入柱塞腔中的燃油不受压缩，又流回到低压油路，柱塞腔内不增加压力。

柱塞被切断供油后，高压泵不再连续供油，而是处于供油间歇阶段，因此减少了功率消耗。

   高压泵的供油量与其转速成正比，而高压泵的转速取决于发动机转速。

喷油系统装配在发动机上时，其传动比的设计一方面要减少多余的供油量，另一方面又要满足发动机全负荷时对燃油的需要。

可选取的传动比通常为1:

2和2:

3，具体视曲轴而定。