电控燃油喷射柴油机（精选7篇）
电控燃油喷射柴油机 篇1
1 柴油发动机产生故障的常见原因
传感器是电喷柴油发动机的常见故障部位, 发动机微机控制系统工作受传感器问题的影响较大, 其中, 电控系统的元件性能发生变化是产生问题的主要原因。电控单元是电控柴油发动机中控制各种工况下供油量的主要部件, 同时发动机工况的需油量必须能够通过电控单元控制得到满足。也就是说, 电控系统状况要与发动机实际状况相符。发动机负荷状态的参数必须与发动机达到的工况相吻合, 发动机转速在某一项参数不符合实际要求的情况下不能提升到对应的速度。
另外, 电控单元在空置发动机工作时接收人们给定范围内的各种传感信号, 而电控系统的自诊断功能可以判断这些传感器的信号是否超出了这个范围。自诊断系统只有信号不在规定范围内时才不将该信号用于控制操作, 这样系统中的故障才能被自诊断系统确定, 进而产生故障记忆和故障代码。当信号在给定范围内, 但与实际情况的偏差较大时, 电控单元会在该不准确信号的作用下控制发动机工作, 这样就产生了发动机故障。此时, 故障代码从自诊断系统中无法获得。
2 电喷柴油机燃料系统的检测和诊断
喷油提前角、喷油器、喷油泵的运行状况在很大程度上决定了电喷柴油机的工作性能, 通常采用以下几种方法进行检测。
2.1 波形检测
通常情况下, 喷油泵和喷油器能够通过高压油管中的压力变化情况和喷油器针阀的升程情况反映出其工作状况。喷油泵凸轮轴转角与喷油器针阀升程之间的变化关系、喷油泵凸轮轴转角与高压油管中压力之间的变化关系能够通过示波器被观测到, 以此判断柴油机燃料系统的技术状况。
2.2 示波器检测
柴油燃料系统的以下几个项目可以通过示波器进行检测: (1) 各缸高压油管的压力变化波形; (2) 喷油泵凸轮轴转角与喷油器针阀升程的关系; (3) 高压油管中压力变化与针阀升程的关系; (4) 喷油器开启和关闭压力、高压油管内的残余压力和高压油管内最高瞬间压力。此外, 还可通过示波器检测喷油正时、油间隔、喷油器异常喷射故障, 进而判断供油均匀性。在各缸高压油管压力波形面积的比较过程中, 可先了解各缸供油量的一致性, 然后对供油量过小或过大的缸进行判断。
2.3 检测喷油压力波形
压力检测需要通过压力传感器实现, 压力传感器包括外卡式和串联式两种。接于高压油管与喷油器之间的传感器是串联式传感器, 卡装于高压有油管外表面的传感器是外卡式传感器。在实践中, 应当在发动机预热达到正常工作温度, 并完成示波器的调试、自校、预热后再检测喷油压力的波形。检测示波器的波形通常有四种形式, 包括多缸重叠波、多缸并列波、多缸平列波和全周期单缸波。
3 车用电控燃油喷射柴油机的诊断与维修
3.1 电喷柴油机电控系统的功能
提高柴油机的动力性能和净化排放性能是柴油机电子控制系统的主要作用。在控制系统中, 柴油机的运行状态通过各种传感器来检测, 根据检测结果, 传感器会做出相应的控制动作。柴油机的电子控制单元从各传感器获得输出的信号, 最佳燃油喷射量和喷油时间通过电子控制单元计算获得, 然后一台专门研制的喷油泵会接收到相应信号, 进而控制柴油的喷射过程。通过应用电子控制系统, 可有效减少柴油机排烟中未燃尽的碳微粒, 并大幅降低柴油机运行时的噪声和振动, 进而实现柴油机整体性能的提升。此外, 柴油机怠速工况的问题可在电子系统的控制下得到解决。
3.2 电喷柴油机喷油量的控制
柴油机的实际转速和加速踏板所处的位置是电子控制单元计算所需喷入气缸内的基本油量和比较、分析进气温度传感器、进气压力传感器、冷却水温度传感器送出信号的重要依据, 以此判断是否需要修正基本油量, 最终获得修正喷油量和补偿喷油量。另外, 柴油实际运行的最佳喷油量也能够通过这种方法准确获得。
3.3 喷油柴油机喷油正时的控制
喷油提前角控制是喷油正时的另一种名称。由于柴油喷入气缸到开始燃烧之间有一定时间间隔, 因此应当在活塞压缩冲程结束之前提前喷油, 其中, 喷油提前角就是曲轴位置与气缸中心线之间的夹角。影响发动机工作状况的重要因素就是提前角。在喷油提前角过大的情况下, 气缸温度在开始喷油时会较低, 进而延长了着火落后期, 使得发动机处于粗暴的工作状态;在喷油提前角过小的情况下, 燃烧所达到的最高压力会降低, 进而使热效率降低, 最终影响发动机的经济性和动力性。而在转速和供油量确定的情况下, 最佳喷油提前角为最大功率和最小耗油率的喷油提前角, 其本质是以发动机结构、供油量、瞬时输出功率、发动机转速为基本变量的函数。也就是说, 最佳提前角会随着供油量和转速的增加而增加。
3.4 怠速转速的控制
以电控系统中的传感器输出信号为依据, 通过电子控制单元获得柴油机最佳的怠速转速, 进而反馈控制怠速运转时的喷油时刻是柴油机怠速运行的基本过程。这样能够实现稳定的怠速运行, 最终达到最佳状态。
3.5 电喷柴油机进气节流控制
与汽油机中所使用的节气门相似, 进气节流控制通常安装于柴油机进气管道的空气流道中, 所以也被称为“进气切断阀”。通常情况下, 通过电子控制执行单元控制该进气切断阀的开度, 进而降低柴油机怠速运行或停车造成的振动影响。此外, 在柴油机喷油控制系统发生故障的情况下, 进气切断阀会通过开启部分角度, 降低空气进入量来有效控制柴油机飞车。
3.6 电喷柴油机启动预热塞的控制
启动电喷柴油机时, 为了避免冷却水温度造成的影响, 需要自动控制气缸燃烧室内预热塞的预热电波。除了缩短预热时间外, 柴油机启动后, 电热塞的表面需要保持一定的温度, 以达到稳定柴油机转速和减少排烟中未燃尽的碳颗粒的目的。
3.7 自诊断和安全保护功能
故障自诊断和安全保护是微机控制的柴油发动机的重要功能, 当系统出现故障时, 其故障指示灯就会自动点亮, 进而根据相应程序获取故障代码。例如喷油正时器位置传感器、发动机转速传感器、加速踏板位置传感器、溢油位置传感器、溢油传感器、车速传感器、水温传感器、进气压力传感器等能够通过丰田车系柴油机的氧气传感器检查故障, 其中, 喷油正时控制阀、启动开关、自动变速器空挡开关、空调开关是主要的开关。微机系统在柴油机转速超过5 700 r/min或发动机调速控制失灵的条件下能够通过停止发动机运转保证设备安全。
4 结束语
本文分析了车用电控燃油喷射柴油机的故障诊断和维修方法, 但本文还存在一定局限性, 希望同行人员能够对该柴油机的检修方法予以重视, 通过正确、有效的维修检测手段保证车用电控燃油喷射柴油机的稳定运行, 进而保证车辆的运行安全。
摘要：柴油机是当前很多车辆的重要组成部分, 其安全、稳定运行直接关系到车辆的正常使用。当前, 电控燃油喷射柴油机是车辆中应用较为广泛的柴油机种类, 与传统柴油机相比, 其设备检测维修技术含量更高, 检测变得更加困难。分析了车用电控燃油喷射柴油机的故障原因, 并探讨了电喷柴油机燃料系统的检测和诊断。
关键词：电控燃油喷射柴油机,传感器,电控系统,发动机
参考文献
[1]杨忠敏.现代车用柴油机电控共轨喷射技术综述[J].柴油机设计与制造, 2005 (01) :5-6, 38.
[2]徐生明.柴油机共轨电控喷射系统故障诊断与分析[J].小型内燃机与车辆技术, 2015 (10) :69-71, 76.
电控燃油喷射柴油机 篇2
一、高压共轨燃油喷射系统的基本组成
高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元 (ECU) 、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成 (见图1) 。输油泵 (低压油泵) 将燃油输入高压油泵, 高压油泵将燃油加压后送入高压油轨 (高压油轨中的压力由ECU根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及预设值进行调节) , 高压油轨内的燃油经过高压油管进入喷油器;ECU根据柴油机的运行状态, 由预设程序确定合适的喷油定时和喷油量, 以控制喷油器的喷油起始时刻和持续时间, 操纵电液控制的喷油器将燃油喷入气缸内。
柴油机高压共轨燃油喷射系统的构成和工作方式与汽油机电控燃油喷射系统相似, 主要由燃油供给系统和电子控制系统两大部分组成。
1. 燃油供给系统
柴油机电控高压共轨喷油系统的燃油供给系统又分为低压供油和高压供油两部分。
1) 低压供油部分
低压供油部分的功用是向高压油泵供应足够的燃油。低压供油部分主要由燃油箱、输油泵、燃油滤清器、低压油管等部件组成 (见图1) 。
①输油泵:在高压共轨燃油喷射系统中, 目前使用的输油泵有电动滚子 (或叶片) 输油泵和机械驱动的齿轮泵两种。
电动滚子输油泵的结构和工作原理如图2所示, 它由泵油元件、电动机和连接端盖3个功能部分组成。
泵油元件为滚子泵 (容积式) , 泵出的柴油从电动机流过, 使其得到冷却。输油泵的设计泵油量大于柴油机的用油量, 在泵油元件的出口侧和吸油口之间设有限压阀, 当低压油管内的压力超过规定值时, 多余的柴油经限压阀泄回到油箱, 额定泵油压力在0.05~0.15MPa之间。
电动机为永磁式直流电动机, 电动机的供电由ECU通过继电器控制, 发动机起动时即开始工作, 其转速 (泵油量) 不受发动机转速的影响。
连接端盖上设有电气接头和低压油管接头。输油泵控制电路中设有安全电路, 可在停机时使输油泵立即停止泵油, 以保证安全。
电动输油泵的安装方式有油管安装式和油箱安装式两种。油管安装式输油泵串联在油箱与燃油滤清器之间的低压管路中;油箱安装式输油泵安装在油箱底部的专用支架上, 其总成通常还包括吸油滤网、油位传感器以及与外部连接的电气和液压接头。
齿轮输油泵由发动机通过机械装置驱动, 为了在发动机第一次起动或燃油箱放空后排除燃油系统中的空气, 需在齿轮泵或低压管路上配备手动油泵。
②燃油滤清器:燃油中的杂质可能使泵油元件、出油阀和喷油器损坏;水进入喷油系统会产生腐蚀。燃油滤清器有过滤燃油中的水分的功能, 并带有集水槽, 每隔适当的时间必须将积水放掉。有的燃油滤清器还装有自动水位报警装置, 当集水槽中的水位过高时, 报警灯会闪亮报警。
1-低压油泵2-柱塞泵切断电磁阀3-调压电磁阀4-燃油滤清器5-燃油箱6-ECU7-蓄电池8-共轨管9-共轨压力传感器10-油温传感器11-电控喷油器12-水温传感器13-曲轴位置与转速传感器14-加速踏板位置传感器15-凸轮轴位置传感器16-空气流量计17-增压传感器18-进气温度传感器19-涡轮增压器
2) 高压供油部分
高压供油部分除了设有产生高压燃油的组件外, 还设有高压燃油存储、分配和计量组件, 主要包括:带调压阀的高压油泵, 作为高压存储器的共轨管 (带有共轨压力传感器) , 限压阀和限流缓冲器、喷油器、高压油管和回油管等 (见图1) 。
1-电动机电枢2-滚子泵3-限压阀A-泵油元件B-电动机C-连接端盖
1-调压电磁阀2-出油阀3-柱塞泵切断电磁阀4-吸油阀柱塞泵腔5-柱塞腔6-柱塞7-凸轮8-驱动轴9-低压油道10-单向阀
①高压油泵:高压油泵的作用是保证柴油机在各种工况下对高压燃油的需求。由于共轨系统中燃油的喷射过程与油压的产生过程无关, 喷油正时和喷油过程不需由高压油泵凸轮来保证, 高压油泵是一个纯粹的液压泵, 常采用多作用凸轮结构, 即凸轮在360°转角范围内有多个凸起, 凸轮转动一周可使泵油单元完成多个泵油循环, 其泵油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的原则设计, 因此共轨系统的高压油泵比普通喷油系统中的高压油泵小得多, 其峰值驱动扭矩也较小, 可实现近乎连续的供油。目前, 共轨系统采用的高压油泵有径向柱塞泵和直列泵两种类型。
BOSCH公司采用3缸径向柱塞泵 (见图3) , 可产生高达135MPa的燃油压力。该高压油泵采用了多作用凸轮, 使其峰值驱动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。油轨压力控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的。为了减少功率损耗, 在发动机用油量较小的情况下, ECU通过柱塞泵切断电磁阀阻止吸油阀关闭的方式关断其中的一个泵油单元, 使供油量和功率消耗减少。ECU根据发动机不同工况的要求, 通过调压电磁阀对油轨中的油压进行柔性调节。
日本电装公司的ECD-U2共轨系统采用三作用凸轮直列式高压油泵。ECU通过电磁阀调节进油阀的关闭时刻来调节泵腔的有效进油量, 对泵油量进行控制, 以保持共轨内的燃油压力。这种调节方法可以使高压油泵不产生额外的泵油量和功率消耗, 但控制系统需要根据共轨油压的变化确定进油电磁阀控制脉冲的宽度, 并精确控制脉冲与高压油泵凸轮的相位关系, 其控制系统比较复杂。
②共轨管:共轨管又称油轨, 起蓄压作用, 并将高压燃油分配到各喷油器中, 其结构如图4所示。共轨管的容积应能满足削减高压油泵的供油压力波动和喷油器喷油引起的压力振荡, 将油轨中的压力波动控制在5MPa以下的要求, 但其容积又不能太大, 以保证有足够的压力响应速度, 以快速跟踪柴油机工况的变化。ECD-U2系统高压油泵的最大循环供油量为600mm3, 共轨管的容积为94000mm3。共轨管上还安装有压力传感器、限压阀和限流缓冲器等部件。
压力传感器用于测定高压油轨内的燃油压力, ECU根据油轨压力信号调整向调压电磁阀输出脉冲信号的占空比, 使油轨内的压力保持在规定值。
1-压力传感器2-限压阀3-限流缓冲器
限压阀的作用是, 当油轨中出现压力异常升高时 (如在135MPa系统中, 油轨内的压力超过150MPa时) , 能迅速将高压油轨中的压力放泄, 使多余的燃油经回油管流回油箱。
限流缓冲器与高压油管接头制成一体, 可以保证在喷油器高压油管出现燃油漏泄故障时, 切断向泄漏喷油器的供油, 并可在正常工作时减小共轨和高压油管中的压力波动。
由此可见, 共轨管是该系统中经过精确设计的重要部件。
③电控喷油器:电控喷油器是高压共轨燃油系统中最关键和最复杂的部件, 它通过高压油管与共轨管相连, 主要由一个喷油器和一个电磁阀构成。ECU使电磁阀通电后喷油器就开始喷油, 在一定压力下, 喷入的燃油量与电磁阀的通电时间成正比, 而与发动机或油泵的转速无关 (即采用时间控制的喷油方式) 。
BOSCH和ECD-U2的电控喷油器结构基本相似, 都是由与传统喷油器相似的喷油嘴和控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成。图5为电控喷油器的结构。
1-回油孔2-电气接头3-电磁阀线圈4-进油孔5-球阀6-控制室回油量孔7-控制室进油量孔8-控制室9-针阀控制柱塞10-至喷嘴的油道11-喷油嘴针阀
在系统尚未建立油压或油压很低时, 喷油嘴针阀11在其上部弹簧的压力下保持关闭状态, 以防止气缸内的压缩气体倒流进喷油器。在系统建立压力后, 进入喷油器的高压燃油分为两路:一路向下经喷油通道进入喷嘴处, 做好喷射准备;另一路经控制室进油量孔7进入控制室, 操纵针阀的启闭。在电磁阀不通电时, 电磁阀球阀5关闭控制室顶部的回油量孔6, 高压油轨的燃油压力通过量孔7作用在针阀控制柱塞9上, 使喷嘴关闭;电磁阀通电时, 量孔6被打开, 控制室内的压力迅速降低, 控制柱塞升起, 喷油器开始喷油;当电磁阀断电后, 控制室的压力迅速上升, 控制柱塞下行, 关闭喷油器, 完成一次喷油过程。
控制室和进油量孔7、回油量孔6的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔6与进油量孔7的流量率之差及控制室的容积决定了喷油器针阀的开启速度, 而喷油器针阀的关闭速度由进油量孔7的流量率和控制室的容积决定。进油量孔7的设计应使喷油器针阀有足够的关闭速度, 以减少喷油器喷射后期雾化不良的部分。控制柱塞上部的控制室容积太大, 针阀在喷油结束时不能实现快速断油, 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, 喷油率减小。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力, 从而决定了针阀的运动规律。通过仔细调节这两个量孔的流量系数, 可以形成理想的喷油规律。
在确定了进油量孔7、回油量孔6和控制室的结构尺寸后, 就确定了喷油器针阀完全开启的稳定的最短喷油过程, 同时也就确定了喷油器的稳定最小喷油量 (对实现预喷射和后喷射非常重要) 。
喷嘴控制着喷油率和喷油形状, 是经过精心设计和优化的。高压共轨燃油喷射系统的喷射压力非常高, 而其喷油器的喷孔截面积很小, 如BOSCH公司的喷油器, 6个喷孔的直径为"0.169mm, 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, 因此燃烧室的结构形状、进气涡流应与之很好配合, 以确保获得最佳的燃烧过程。
对于喷油器电磁阀, 共轨系统要求它有很高的响应速度, 特别是预喷射和后喷射的采用, 要求控制电磁阀的响应时间更短。在ECU中采用高电压和大电流控制, 可以提高电磁阀的响应特性。保证喷油器很高的响应速度和理想的喷油规律, 是共轨系统的关键技术。
④高压油管:高压油管应有足够的燃油流量, 减小燃油流动时的压降, 使高压管路系统中的压力波动较小, 并能承受高压燃油的冲击作用, 且在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一致, 使柴油机每个喷油器有相同的喷油压力, 从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能较短, 使从共轨管到喷油器的压力损失最小。BOSCH公司的高压油管外径为Φ6mm, 内径为Φ2.4mm;日本电装公司的高压油管外径为Φ8mm, 内径为Φ3mm。
电控燃油喷射柴油机 篇3
在实际工作中,绝大部分驾驶员对EFI系统这个名词并不陌生,但相当一部分人对其进气系统、燃油系统、电子控制系统等整个系统的控制过程和原理还是比较生疏的,真正了解和熟知EFI系统控制过程和原理的人并不多。
过去使用的老式化油器发动机结构简单,工作可靠,成本低廉,主要包括油路和电路两个部分。油路由汽油箱、油箱开关、汽油滤清器、油泵、化油器、管路等组成;电路由电瓶、点火开关、电流表、点火线圈、分电器、火花塞等组成。因此,发动机出点小故障驾驶员自己都能排除。汽车工业的高速发展的趋势,要求汽车发动机向高转速、高压缩比、大功率、低油耗和低排放污染发展。而化油器式发动机存在着许多缺点。比如高温状况下,油路容易产生气阻。低温起动困难,预热慢,排放污染物增多;次级电压的最大值随发动机转速的升高和气缸数的增加而下降;触点打开时,容易产生火花易烧蚀;初级电流大小受触点允许电流强度的限制(一般不超过5A)限制了点火能量的进一步提高,一般只有15~50mj;点火系次级电压上升速率低,对火花塞积碳和污染很敏感,而火花塞稍有积碳次级电压就会明显降低。这些缺点使其越来越不适应上述要求,越来越跟不上汽车工业的高速发展的趋势。老式化油器被电控燃油喷射(EFI)系统取代也就顺理成章、自是情理之中了。
电控燃油喷射(EFI)系统一般由三个子系统——进气系统、燃油系统、电子控制系统组成,三个系统共同作用的效果就是通过测取发动机的进气量和传速工况下的基本喷油量。基本喷油量=K(进气量/转速),并根据发动机的运转条件(冷却水温度,进气温度,节气门位置传感器,氧传感器等)求出修正喷油量。
1 进气系统
进气系统的作用是测量和控制汽油燃烧时所需要的空气量。目前在汽车上运用的EFI系统有MONO型、D型、L型。L型EFI是多点喷射系统的一种型式,它用空气流量计直接测量发动机吸入的空气量,其测量准确程度高,能更精确的控制空燃比,所以我们以L型系统为例来说明。空气经空气滤清器过滤后,用空气流量计(分叶片式、卡门涡旋式、热膜(线)式)测量,通过节气门体进入进气总管,再分配到各进气歧管。在进气歧管内从喷油器喷出的汽油与空气混合后被吸入气缸后燃烧。在冷却水温度较低时,为加快发动机暖机过程,设置了快怠速装置,由空气阀来控制快怠速所需要的空气量。这时经空气流量计计量后的空气,绕过节气门体经空气阀直接进入进气总管,可以通过怠速调整螺钉调节怠速转速,用空气阀控制快怠速转速。
2 燃油系统
燃油系统的作用是向汽缸内供给燃烧所需的汽油,主要由燃油箱、燃油泵、燃油滤清器、回油管、压力调节器、喷油器、低温启动喷油器、脉动阻尼器等组成。油泵抽吸油箱内的燃油经滤清器过滤后,由压力调节器调压,然后经输油管配送给各个喷油管和冷起动喷油器,喷油器根据ECU发动的指令将适量的喷油喷入各进气歧管内。为了改善发动机的低温起动性能,在发动机进气总管处安装了冷起动喷油器,其喷油时间由定时开关或由定时开关和ECU同时控制,正常工况下的喷油量由安装在进气门附近的多点喷射系统或位于节气门位置的单点喷射系统提供,喷油量的大小由喷油器的通电时间长短来决定。
3 控制系统
控制系统的作用是根据发动机运转状态和车辆运行状况确定汽油的最佳喷射量。该系统由传感器(水温传感器、进气温度传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、车速传感器、氧传感器、爆震传感器等)、电控单元ECU和执行器组成。传感器监测发动机的实际工况,感知各种信号并传输给ECU。ECU把这些信号进行判别、分析、放大、计算、测量后指令执行器去执行任务。
另外,计算机控制型EFI系统不仅具有控制燃油喷射量的EFI系统,而且还有控制点火正时的ESA系统和控制怠速速度的ISC系统以及自我诊断和故障自动保险功能、喷油脉宽控制、仪表显示等。
随着汽车行驶里程的增加,车辆的技术状况逐渐下降,因技术故障而修理的次数增多。在电喷发动机中有些故障是错综复杂的,没有明显的异常症状,经仪器检测、车载自诊断、一般的维修经验是不能顺利确定的。在故障排除中,只要细心按程序操作也不难。它与普通汽油机维修一样,要按规定进行。首先要弄清发动机或汽车本身是否出现机械故障。如果确定没有机械故障,方能对电子控制系统进行检查。在检查电子控制系统时,用自检系统检查报警显示其故障码,然后根据故障码判断可能发生的部位,并用专用设备仪器读取故障代码。对某子系统或部件进行具体检查之前,应先拆蓄电池搭铁线,要尽量用专用工具和专用仪器设备。如果用普通仪表检测,一定要注意所用的电源电压,以防损坏电子器件。其中电子控制单元ECU一般故障很少,如必须检查时,要用专用仪器设备,一般不允许在修理作业时拆检。
摘要：本文针对化油器系统的缺点,着重阐述EFI系统的组成及特点,让广大驾驶员真正了解和熟知EFI系统控制过程和原理,从而在具体实践中正确维修、排除故障。
电控燃油喷射柴油机 篇4
一、柴油机燃油的喷射过程
在柴油机燃油供给系统工作时, 从柱塞经高压油管到喷油嘴的针阀构成一个连通的空间, 称为喷射系统。从柱塞开始压油到喷油嘴喷油、油管压力恢复, 是一个喷射过程。燃油的喷射过程时间很短, 压力很高, 供油量又很少, 燃料的可压缩性不可忽视, 例如燃油压力升高到303.975×105Pa时, 柴油体积缩小1.2%~1.5%, 压力下降时, 柴油就会膨胀。柴油在高速流动中也要表现出摩擦阻力和运动惯性。
喷油泵柱塞压缩燃油, 压力将以声速从柱塞端向针阀端传播, 这是一种压力波。在压力还不足以打开针阀时, 压力波又反射回来成为反射波, 反射波到达柱塞端又与新的压力波叠加, 再向针阀端传播。在压力高于针阀开启压力时, 针阀升起, 燃油高速喷入气缸。燃油向喷油嘴流动时, 系统中流动速度的变化是一种速度波。由于压力波和速度波的传播和反射, 再加上燃油的可压缩性、运动惯性和摩擦阻力, 使系统中各处的压力与流速是不同的、随时变化的。
柴油机燃油的喷射过程有时被称为三个阶段, 即喷油 (始点) 延迟阶段、主要喷油阶段和自由膨胀阶段 (或渗漏阶段) 。
二、影响喷射过程的几个因素
1. 喷射延迟
喷射过程的喷油始点延迟于供油始点, 这是由于从油泵供油到针阀开启, 压力波在油管中传播需要时间, 针阀升起也有延迟。当供油速度加大、油管较短、油管剩余压力较高和针阀开启压力较小的情况, 延迟就会缩短;但当转速升高时, 喷射延迟将延长。一般柴油机在安装调整时检验的是供油提前角, 而喷油延迟可以达到10°左右 (曲轴转角) , 所以还必须通过发动机台架试验才能判断提前角是否合适。
2. 喷油规律
喷油规律是喷射过程中油泵凸轮每度的喷油量随凸轮转角 (或曲轴转角) 的变化关系d (Δg) /dφ=f (φ) (Δg—气缸中累积的喷油量;φ—曲轴转角) 。在喷油规律曲线上, 反映出喷油过程的起止点和过程中的喷油速率变化 (凸轮单位转角喷油量的变化) 。为避免速燃期压力增长率过高, 要适当控制前一段的喷油量, 在中间一段应该加速喷入, 喷油最后应该尽快结束, 以求不渗漏滴油。喷射延续也不应太长以免增加过后燃烧。
3. 供油速度特性
喷油泵供油量随油泵转速的变化关系为供油速度特性, 随油泵调节供油量的方法不同, 特性的历程也不同。一般柱塞式喷油泵的速度特性曲线是随着转速升高, 进油孔处和回油孔处的节流作用加强了, 使得实际的供油始点提前、供油终点延后, 因而供油延续加大, 供油量加多。
供油速度特性极大影响到柴油机速度特性的扭矩曲线和转速是否稳定, 因而往往采用校正装置和调速器来补救。
4. 剩余压力
在喷射过程终了出油阀减压凸缘使高压油管压力降到剩余压力, 剩余压力一般在几十个大气压以下。随着转速和负荷加大, 喷射系统的最高压力和平均压力也将增大, 而出油阀的减压作用是一定的, 所以就使剩余压力变大。如果出油阀减压凸缘磨损, 减压作用变小, 剩余压力增高, 就会使二次喷射和喷油嘴渗漏的可能性加大;如果减压作用过大, 使剩余压力过低, 则会使喷射延迟加大, 低负荷和怠速时可能发生不规则喷射, 所以也是不好的。
5. 喷油嘴特性
电控燃油喷射柴油机 篇5
1 现代柴油机对燃油喷射系统的要求
目前,参数可调的电子控制研究己经涉及到柴油机的各个子系统,而燃油喷射系统、配气系统和增压系统的电子控制是目前研究比较集中的几个方向。其中作为柴油机“心脏”的燃油喷射系统则成为国内外研究开发的首选和重点[1,2]。因为要使柴油机同时达到低排放、低油耗以及高动力性能的要求,不仅要使柴油机的喷油量和喷油正时随转速及负荷的变化而变化,而且还要对柴油机冷却水温度、进气压力等因素加以补偿,而传统的机械式燃油喷射系统因其固有结构和原理上的先天不足已无法满足这些要求。高的喷射压力,对喷油规律准确、灵活的电子控制是改善排放、降低油耗和提高动力性能的主要途径,柴油机电控燃油喷射系统的应用已成为必然趋势[3]。概括起来,现代柴油机对燃油喷射系统的要求有以下几个方面:
1.1 高的喷射压力,并在发动机的全工况范围内实时可调
随着各种形式喷油系统的发展,喷射压力越来越高,如图1所示。高压喷射是柴油机功率强化和降低排放的关键技术之一。从降低排放的观点看,难以降低的柴油机排放物主要是NOX和颗粒(PM)。要降低柴油机NOX排放,就要减小缸内的最高压力和最高温度,常用措施是推迟喷油和废气再循环(EGR),而推迟喷油会引起PM排放上升、经济性和动力性下降。EGR对PM排放与NOX排放具有相互制约的关系,要实现两者同时降低难度很大[4]。矛盾统一的解决方案除了通过电控方式寻求最优化喷油正时之外,主要是提高喷射压力和喷射速率、缩短喷射持续时间,这是使PM和NOX同时降低的主要技术。采用高压喷射,燃油滴更加细化,混合气质量得以提高,从而对碳烟的形成有显著的抑制效果[5]。一般来说,对于某种燃烧系统,不同工况时的最佳喷射压力值有所不同,因此未来喷油系统的喷油压力必须随工况能进行实时灵活的控制。
1.2 灵活而精确的喷油速率控制
喷油速率是控制柴油机燃烧过程的重要参数之一。随着电控喷射技术的不断发展,近年来围绕不同形状的喷油速率,如斜坡形、△形、矩形、分段型、预喷、后喷及多次预喷型对燃烧性能的影响进行了广泛的试验研究和理论分析,结果表明最佳的喷油规律是在喷油初期采用较低的喷油速率或少量预喷射,以控制NOX的排放,在喷油中期采用较高的喷油速率以控制PM排放,在喷射后期快速断油以改善燃油经济性,减少PM排放。而且预喷射量、预喷射与主喷射之间的间隔都能根据不同运行工况有所变化,这些显然只有柴油机电控的某些系统(如共轨系统)才能实现。
1.3 精确的喷油正时
精确的喷油始点对混合气的形成和燃烧过程有着决定性的作用。喷油提前,会使着火滞燃期延长,预混合燃烧的比例增加,燃烧温度升高导致NOX增加,但排气中碳的氧化时间延长,有利于降低PM。喷油推迟,可降低初始放热率和最高燃烧温度,从而有利于减少NOX排放,但由于燃烧过程推迟,降低了最高爆发压力,使经济性变坏,并产生后燃,导致排气温度增高,功率下降。有资料表明,喷油始点偏离期望值1℃A,NOX排放增加5%。提前2℃A会使气缸爆发压力升高1 MPa,滞后1℃A会使排气温度升高20℃。又有资料表明喷油始点变化1℃A,油耗增加2%,HC排放增大16%,NOX增加6%。对于不同转速和负荷,其喷油定时期望值是不同的,需要进行精确的喷油正时。因此不依赖于转速和负荷的喷油提前角控制是在燃油消耗率和排放之间实现最佳结合的关键措施。
1.4 高精度的喷油量控制
包括预喷、主喷和后喷的喷油量控制和时间间隔控制。精确计量的喷油量能够提高功率密度和燃油经济性,减小振动。
要满足喷油系统这些特性要求,传统机械式喷油系统已很难达到,只能通过电子控制的喷油系统实现。
2 柴油机电控燃油喷射系统产品及技术关键
经过20多年的研究,柴油机电控燃油喷射技术目前己趋于成熟,先后推出了位置控制式,时间控制式和共轨式三代产品[6]。其中共轨式电控喷射系统当前已在国外柴油机版轿车和中型卡车上批量应用。
2.1 位置控制式系统
位置控制式系统是对原来的机械系统进行初步的电控化改造。在直列泵上是通过电控供油齿杆位移控制喷油量,通过控制液压提前器实现喷油正时;在分配泵上是通过电控滑套位移控制喷油量,控制VE泵上的提前器或改变凸轮相位实现喷油正时。如此不仅保留了传统的泵-管-嘴系统,还保留了原喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽等油量控制机构,只是用线位移或角位移的电磁执行机构控制油量调节机构和提前器的位移,也实现了循环喷油量和喷油正时粗糙电控,较机械式控制其控制精度和响应速度得以提高。但由于原有机械喷油系统工作原理和调节方式的先天不足,不可能调节喷油速率和喷油压力,再加上位置调节并非对油量和定时的直接调节,响应特性相对较慢,且不能分缸独立控制,存在一定的局限。
2.2 时间控制式系统
时间控制式系统主要包括电控泵-喷嘴系统、电控单体泵系统,主要是将原有的机械式喷油器改为脉冲信号控制的电磁阀喷油器。一般情况下,电磁阀关闭,开始喷油;电磁阀打开,喷油结束。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的持续时间。此类系统中,传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽和提前器全部取消,机械结构简单,响应速度快,喷射定时和喷射油量控制自由度较位置控制式系统更大,但电磁阀的动作响应时间对喷油过程的影响较大,特别是高速时,电磁阀的响应相对迟缓,且其脉动喷油的原理使其仍然无法控制喷油压力和喷油速率。这两代产品都是基于脉动喷油的原理。
2.3 共轨式电控燃油喷射系统
共轨式系统不再采用脉动喷油原理,该类系统具有一个或两个共轨管,高压油泵并不控制喷油器,而是向共轨供油以保持所需的共轨压力,通过连续调节共轨压力来控制喷射压力,采用了压力-时间式燃油计量[7,8,9,10],用电磁阀控制喷射过程。其最大的特点是压力形成和油量传输基本上与喷油过程无关,根据不同的运行工况,不仅可以适时控制喷油量与喷油正时,使其达到与工况相适应的最优数值,而且还使前两代难以实现的喷油速率和喷油压力控制成为可能,控制自由度及精度得到了大幅度提高。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,被认为是20世纪内燃机技术的三大突破之一(其它两项是汽油直喷和DME技术)。
由于共轨式喷油系统中供油压力与喷油压力互不相关,在一定限度内的喷油压力的选择不受发动机转速和喷油量的影响,为系统设计和应用提供了额外的灵活性。同时其喷油压力的提高及预喷射、复合喷射的引入大大降低了燃烧噪声。正是由于共轨式系统具有以上特点,显示出了具备满足未来排放法规的巨大潜力,共轨式系统已经成为目前及今后柴油机燃油喷射电控技术中重要的研究方向和发展趋势。
共轨式系统有蓄压共轨式、液力增压共轨式和高压共轨式系统三种。前两种属于中压共轨系统,结构较为复杂,控制精度达不到车用柴油机要求,这里不再赘述。高压共轨式系统是将共轨管中的油压直接控制在高压水平(100 MPa以上),通过电磁阀控制喷嘴背压变化以改变喷油量和喷油正时。典型产品有Fiat集团的Unijet系统[11]、DENSO公司的ECD-U2系统[12]、Robert BOSCH公司的CR系统[13]等。
采用压电石英作为执行器替代高速电磁阀是高压共轨系统在喷油器控制技术方面的一个亮点,如BOSCH在Piezo直列压电式喷油器。压电喷油器与先前的电磁阀相比有许多优势,如喷射压力高达180 MPa,喷嘴针上75%的活动组件被取消,质量只有4 g,大大轻于过去的16 g,这样有利于精确传送微量燃油,大大加快了针阀运动速度,达到1.3 m/s,使每个喷射循环可由预喷射、主喷射和多级后喷射等4~5次喷射组成。如对于奥迪3.0V6,在低速时采用双先导喷射及主喷射行程,预喷油量可控制在1 mm3之内,在发动机中速时使用单先导喷射,达到大约2 500 r/min以及高负荷时,使用单主喷射行程,而普通高压共轨系统只允许预喷射和主喷射。
基于上述优势,高压共轨系统代表了目前柴油机电喷技术的最新水平和今后的发展方向。
3 国内外高压共轨式系统的研究现状
高压共轨系统作为一种高度柔性的燃油喷射系统,给柴油机的结构设计和性能优化带来了广阔的自由空间,但系统中大量参数的可变性也增加了废气排放、噪声水平、经济性和动力性之间折衷优化匹配的困难。研究热点有:
a.高压共轨系统的恒高压密封问题。
b.共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题。
c.高压共轨系统三维控制数据的优化问题。
d.微结构、高频响电磁阀所涉及的制造过程中的关键技术问题。
Delphi、BOSCH、Denso、Siemens公司则分别走在其它公司前面,代表了当今高压共轨燃油喷射技术的最高水平,尽管它们的高压共轨系统的结构与外观各具特色,但系统基本原理和零部件基本结构大同小异,关键性部件结构和技术更是如出一辙,随着高压共轨系统的发展和完善,该类系统的具体结构有逐渐趋于一致的趋势。
3.1 国外高压共轨系统的研究状况
3.1.1 硬件部分
在机械方面,国外开发商正在着眼于提高燃油喷射压力(最高可达260 MPa)和精确性,以使燃油更充分燃烧。对高压油泵、油路,喷嘴的材料和加工过程进行改进,主要措施有:对泵轴及驱动系统进行专门设计以增强其刚度和硬度;减小喷油孔直径(小于0.2 mm,最小可达0.12 mm)和增加油孔数目;减小喷油提前角,增大燃烧室直径和提高压缩比;进一步减少零部件,因为较少的零部件意味着较少的管路、接头和振动。
在电气硬件方面,重点在于执行器和ECU的设计。在ECU方面,国外己经形成一种比较成熟的“V”字形设计模式[14,15],见图2,即由“功能设计”(Function Design)到“快速控制原型”(Rapid Control Prototyping),再到“目标代码生成”(Target Code Generation)、“硬件在环仿真”(Hardware-in-the-loop),最后为“实机测试”Laboratory Test)。在实机测试中,如果发现其功能与要求不符,则可以回到其中任何一步加以修改和完善。在整个电控单元的开发过程中,除了最后的一步,其它的每一步都是围绕计算机的数字仿真来实现,此后再用软件将控制算法编译为目标代码,下载到微处理器上进行硬件在环仿真,直至最终电控单元硬件实现。这种模式为很多国外著名厂商如Audi,AVL,BMW,BOSCH,Ricardo Engineering,Siemens,Ford等普遍采用。
3.1.2 软件部分
软件部分主要是控制模型的建立和控制策略的设计。目前的控制模型主要分为三类:基于物理原型的数学模型(Model based Model)[16]、参数模型(Parametric Model)[17]和辩识模型(Black-Box Model)[18],第一种模型建立在喷油系统的物理模型基础上,一般将高压共轨系统分为若干子系统,将每一个子系统所遵循的物理过程用数学方程描述,由于系统状态变量在模拟计算过程中被揭示,因此可以较详细地了解高压共轨系统的动态过程。参数模型指的则是由物理学定律所导出的,包含很少参数的简单线形模型,这种模型可以用一个算式得出喷油量与发动机转速变化之间的关系,这一点类似于经典控制中的传递函数形式。辩识模型,也称黑匣子模型,指的是首先选定某种结构形式,再利用获取的系统参数进行辩识,来获得选定结构中的待定参数。用该种方法所获得的模型往往在辩识工况下能获得满意的精度。但高压共轨系统是一种变化范围很大的系统,辩识算法不可能在每个工况下得到很好的收敛,从而导致辩识出的模型不能正确反映高压共轨系统特性。在控制策略上,以经典控制理论和现代控制理论为基础的开环控制和闭环控制在高压共轨系统中得到了广泛应用。最优控制、自适应控制、预测控制、自学习控制等控制理论的最新研究成果也不断应用到高压共轨系统的电子控制中。控制策略的发展趋势是:模糊控制、基于辩识模型的自适应控制、基于非线形理论的滑模控制和人工神经网络。
3.2 国内柴油机电控燃油喷射系统的研究状况
国内对柴油机电控燃油喷射系统的研究起步较晚,在20世纪90年代才开始有几家单位研究,但呈后起直追之势,在控制理论、系统组成、关键零部件研究等方面取得了一些进展。初期的工作主要集中在第一代电控调速器及电控提前器上,20世纪末已涉及到第二代电控泵-管-阀-嘴系统、电控泵-喷嘴系统。在原有机型基础上的位置控制式研究已达到了实用化水平,受限于执行器(电磁阀)和传感器技术,时间控制式还处于研究阶段。20世纪末才开始研究共轨技术,一开始中压共轨(蓄压式和液力增压式)发展较好,各校所瞄准其在喷油器中有液力放大机构而实现高压喷射,原因是Servojet系统对电磁阀响应时间的要求很低,国内有产品供应。但由于中压共轨系统自身的问题(对喷油速率的柔性控制比较困难)和电磁阀技术的发展,现在基本都在进行高压共轨系统的研究。
3.2.1 硬件部分
国内在高压共轨系统及匹配技术方面目前正处于研制阶段。其中天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室推出一种高压共轨系统FIRCRI,与BOSCH公司CR系统的不同点在于采用液力平衡式快速响应电磁阀[19],其它方面与BOSCH类同,目前正在对该系统进行硬件在环仿真和实机测试。上海交通大学正在开发GD-1高压共轨系统,准备匹配到玉柴6110柴油机上。北京理工大学、华中理工大学也正准备开发自己的高压共轨系统。从公开发表资料来看,上述单位取得了阶段性丰硕成果,但大都处于系统研制或台架实验阶段,总的来说处于起步阶段。国内在自主开发的同时积极引进国外先进技术,2004年底威孚集团和BOSCH公司联合组建了博世汽车柴油系统股份有限公司,该公司以BOSCH公司技术为依托在无锡生产高压共轨系统。
3.2.2 软件部分
国内目前以PID为核心的控制方法居多[20],因为该方法具有控制原理简单,实现容易,稳定性好等特点。但存在着参数因子费时费力,在发动机不同工况下需反复调节和不能在线调节等因素[21],国内开始转向其他的控制方法如模糊控制[22,23]、基于辩识模型的自适应控制[5]、基于非线形理论的滑模控制、神经网络控制等方法[24,25,26]。随着研究工作的不断深入和硬件水平的不断提高,更智能化、具有更高精度的控制算法将会应用在柴油机电喷控制中。
4 结语
柴油机共轨式电控高压喷射技术 篇6
1 共轨式电控高压喷射技术特点
1) 喷油压力可柔性调节, 根据柴油机不同工况确定对应的最佳喷油压力, 从而优化柴油机综合性能。
2) 可独立控制喷油正时, 控制范围宽, 配合喷油压力 (120～200 MPa) 柔性控制喷油时间, 有利于降低NOX和微粒 (PM) 排放。
3) 喷油速率的柔性控制, 可实现理想喷油规律, 容易实现预喷油和多次喷油, 提高柴油机的动力性和经济性, 有效控制排放。
4) 电磁阀控制喷油, 控制精度较高, 高压油路中不会出现气泡和残压为零等现象, 循环喷油量变动小, 各缸供油均匀, 可减轻柴油机振动, 降低排放。
2 共轨式电控高压喷射技术类型
随着排放法规的不断严格, 高压共轨喷射系统在国内外车用柴油机上逐渐得得到广泛应用, 如日本电装公司开发的ECD-U2系统、德国BOSCH公司开发的CR系统、美国Caterpillar公司开发的HEUI系统和意大利Fiat集团开发的Unijet系统等。
3 ECD-U2型高压共轨喷射系统
3.1 系统组成
ECD-U2系统主要由传感器、ECU、直列式多山凸轮式高压输油泵、共轨、与三向电磁阀一体的喷油器等组成, 见图1。
3.2 控制技术
发动机工作时, 高压输油泵输送的高压燃料, 不断地储存在共轨 (蓄压室) 中。共轨上安装的压力传感器检测共轨中的燃油压力, 并将压力信号送至ECU, ECU根据发动机工况, 通过由试验确定的目标控制量脉谱图, 控制喷油器上三向电磁阀的开关时刻, 由此控制液压活塞顶上的油压, 以控制喷油量和喷油时间。ECU通过高压输油泵的PCV控制阀对共轨压力进行反馈控制, 保证共轨中的压力稳定。
1) 共轨, 见图2。共轨将高压输油泵提供的高压燃油进行蓄压后分配到各缸喷油器。其容积应削减高压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, 使高压共轨中的压力波动控制在5 MPa以下。
高压共轨上安装了压力传感器、液流缓冲器 (限流器) 和压力限制器。压力传感器向ECU提供高压共轨中的油压信号;液流缓冲器在喷油器出现燃油漏泄故障时, 切断向喷油器的供油, 同时减小共轨和高压油管中的压力波动;压力限制器在高压共轨压力出现异常时, 迅速将高压共轨中的压力泄掉。
2) 高压输油泵, 见图3。高压输油泵产生和控制共轨压力, 以控制输油泵的供油量。直列式高压输油泵主要由凸轮、挺柱、柱塞以及用于控制供油量的外开式压力控制 (PCV) 电磁阀等组成, 高压输油泵每缸都设置了一个PCV电磁阀, 凸轮采用多山凸轮, 即在一个凸轮平面上设有三个凸起, 凸轮轴每转一圈, 凸轮工作三次, 由此提高每缸输油泵的供油频率, 对一定的泵油量可减少输油泵的工作缸数。为了获得平缓而稳定的共轨压力, 需要高压输油泵的供油频率与发动机喷射频率相同。
当喷油泵柱塞下行时, PCV电磁阀打开, 燃油经PCV电磁阀进入泵室, 完成吸油过程。当柱塞上行时, 如果此时PCV电磁阀尚未通电, 则PCV电磁阀始终处于开启状态。因此, 被吸入的燃油在柱塞的压缩作用下, 经PCV阀回流, 而没有升压。当需要供油时, 接通PCV电磁阀, 回油通路被关闭, 泵室内的燃油受压而压力升高, 推开出油阀将燃油压送至共轨。输油泵的供油量主要取决于PCV电磁阀关闭以后的柱塞升程 (供油有效行程) , 通过改变PCV电磁阀的关闭时刻, 即通过改变输油泵柱塞的有效行程可改变输油泵的供油量, 由此控制共轨压力。
3) 喷油器由针阀偶件、液压活塞、节流阀和三向电磁阀 (TWV) 等组成。喷油器的喷油量和喷油时间通过ECU根据发动机的不同工况控制三向电磁阀, 从而调节液压活塞顶部控制室内的油压进行控制。三向电磁阀的通电时刻决定喷油时刻, 而通电持续时间决定喷油量的大小。
三向电磁阀主要包括内阀、外阀和阀体, 见图4。内阀是一个自由活塞。外阀与电磁线圈的衔铁做成一体, 由线圈通电方式控制其上下运动。阀体用于支承外阀。这3个部件相互配合精度很高, 分别形成A、B两个密封面。A密封面控制液压活塞顶部的控制室与高压共轨的连通, B密封面控制液压活塞顶部的控制室与泄油孔连通。在ECU控制下, 随着外阀的运动, A、B两个密封面交替关闭或开启, 使液压活塞顶部的控制室或与高压共轨入口接通, 或与泄油孔接通, 控制室的入口和泄油孔不能同时接通。当三向电磁阀接通时, 在线圈中产生的磁场力的作用下外阀上移, 密封面A被关闭, 阻止共轨高压燃油进入液压活塞顶部的控制室, 而密封面B打开, 使液压活塞顶部控制室内的高压油, 经密封面B (泄油孔) 向油箱回油, 使液压活塞顶部油压降低, 喷油器针阀在其承压锥面上的高压燃油的作用下, 克服液压活塞及其弹簧力而升起, 喷油开始。当三向电磁阀断电时, 磁场消失, 外阀在弹簧力作用下下移, 此时密封面B关闭, 密封面A打开。因此, 来自共轨的高压燃油进入喷油器针阀的承压锥面室和液压活塞顶部的控制室。液压活塞在共轨高压燃油和弹簧力作用下, 推动针阀落座, 使针阀关闭, 停止喷油, 完成高压喷油过程。
喷油结束时, 三向电磁阀断电, 外阀向下移动, 密封面B关闭, 停止回油, 密封面A打开, 共轨的高压燃油通过单向阀迅速进入液压活塞顶部的控制室, 与弹簧力一起推动液压活塞下行。由于液压活塞直径比针阀直径大, 使针阀快速关闭, 故断油迅速。
4 结束语
共轨式电控高压喷射系统改变了传统的柱塞泵脉动供油原理, 采用新型的高压燃油系统, 例如通过油锤响应、液力增压、共轨蓄压或高压共轨等形式形成高压。采用压力时间式燃油计量原理, 用电磁阀控制喷射过程, 可实现对喷油量和喷油正时的灵活控制。德国Bosch公司、日本Denso公司和英国LLICas公司都研制出了共轨式电控高压喷射系统, 并得到具体应用。德国戴姆勒-奔驰公司利用Bosch技术, 在世界范围内推出了采用新型高压共轨燃油喷射系统的4气门直喷式柴油机。共轨式电控高压喷射系统已经成为21世纪柴油机新技术发展的方向。
参考文献
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电控燃油喷射柴油机 篇7
关键词：柴油机,燃油喷射系统,高压共轨,研究进展
0 引言
面对世界各国日益严格的排放法规和环保节能要求, 柴油机除了应降低机油消耗、优化涡轮增压系统和发展先进的废气后处理系统外, 更重要的是需要进一步改善其燃烧过程[1,2,3]。柴油机燃烧过程中效率的高低取决于燃油喷射系统性能的优劣, 为了显著地提升柴油机燃油经济性, 改善柴油机的动力性能, 燃油喷射系统必须具备较高的喷油压力和燃油喷射控制[4,5]。高压共轨燃油喷射技术应运而生, 高压共轨燃油喷射柴油机凭借其低油耗、低噪声和较低的NOx、PM颗粒排放等特点得到了国际普遍认可, 实现了柴油机发展史上的一大飞跃[1]。本文阐述了高压共轨燃油喷射系统的工作原理, 并综述了相应领域的研究现状, 以期为进一步改善高压共轨燃油喷射系统的性能提供参考。
1 高压共轨燃油喷射系统的组成
高压共轨燃油喷射系统的结构如图1所示。它是一种全新概念的燃油喷射系统, 以直喷技术、预喷射技术和电控技术为建立基础。该系统主要由ECU、高压油泵、电控喷油器、喷油管、公共蓄压油管 (共轨) 、传感器、电控单元及执行器等部分组成[6]。
2 高压共轨燃油喷射系统的工作原理和特点
2.1 高压共轨燃油喷射系统的工作原理
高压共轨燃油喷射系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理, 而是采用公共控制油道-共轨管。高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统对共轨管的油压进行调控。高压共轨喷射系统通过设置在喷油泵和喷油器之间的一个具有较大容积的公共供油管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并有效的平抑压力波动, 而后通过对公共供油管内的油压实现精确控制, 把燃油输送到每一个喷油器上。在整个过程中, 高压油泵只是向公共控制油道供油以保持燃油喷射所需的共轨压力, 通过调压阀连续调节共轨压力来控制喷射压力[7,8]。
2.2 高压共轨燃油喷射系统的特点
与传统燃油喷射系统相比, 高压共轨燃油喷射系统具有以下特点:
1) 高压共轨燃油喷射系统中共轨腔内的持续高压直接用于喷射, 省去了传统喷油器内的增压机构, 高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。同时, 高压共轨燃油喷射系统中喷油压力的建立与喷油过程无关, 可以利用共轨压力传感器和压力调节器, 根据不同工况确定所需要的最佳喷射压力, 调整供油泵的供油量和共轨压力, 实现对喷油压力的精确控制, 大大优化了柴油机的综合性能[9]。
2) 高压共轨燃油喷射系统可独立地柔性控制喷油定时, 具有良好的喷油特性, ECU根据接受的发动机转速、进气压力等参数, 计算并确定最佳喷油时间, 然后控制电控喷油器适时开启和关闭, 从而精确控制喷油时间, 将共轨管内的高压燃油以最佳的喷油定时、喷油量、喷油速率和喷雾状态喷入发动机燃烧室, 配合高的喷射压力 (120~200 MPa) , 优化燃烧过程, 使发动机燃油耗、噪声和NOx、PM颗粒的排放等综合性能指标得到明显改善[10,11]。
3) 高压共轨燃油喷射系统喷油定时与燃油计量完全分开, 精确计量的喷油量可以提高发动机的功率密度和燃油经济性, 系统以发动机的转速和油门开度信号为基础, 通过ECU计算出最佳喷油量, 并控制喷油器电磁阀的通、断电时间, 从而精确控制预喷射、主喷射和后喷射的喷油量与时间间隔, 容易实现预喷射、靴型喷射、快速停喷、后喷射、多段喷射和多次喷射, 即可降低柴油机NOx, 又能保证优良的动力性和经济性[1,4,9]。
4) 高压共轨燃油喷射系统由电磁阀控制喷油, 通过油泵上的压力调节电磁阀, 可以根据发动机负荷状况、经济性和排放性的要求对共轨油腔内的油压进行灵活地调节, 控制精度较高, 调节过程中在高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象, 使得柴油机在运转范围内, 循环喷油量变动较小, 改善各缸供油不均匀的现象, 从而减轻柴油机的振动、优化发动机的低速性能[10,12]。
5) 高压共轨燃油喷射系统结构简单、可靠性好、实用性强。
3 高压共轨燃油喷射系统的国内外研究现状
高压共轨燃油喷射技术一经问世, 就备受世界各国柴油机生产厂家的青睐。目前, 国外在柴油机高压共轨燃油喷射系统方面的研究进展很快, 国际上有多种高压共轨燃油喷射系统设计并投产, 并已经形成了很多技术成熟的产品[4,10]。比如意大利菲亚特 (Fiat) 集团的Unijet系统、美国德尔福公司的Multec DCR系统和德国博世 (Bosch) 公司的CR系统、日本电装 (Nippondenso) 公司开发的ECD-UZ系统、英国Lueas Varity公司的LDCR系统等。其中, Bosch公司以压电石英作为执行器代替高速电磁阀, 并采用最新研制的同轴可变喷嘴及压力扩大器技术, 喷射压力高达200 MPa, 针阀运动速度达到1.3 m/s, 预喷射油量可控制在1 mm3之内。在控制策略上, 以经典控制理论和现代控制理论为基础的开环控制和闭环控制在电控高压共轨系统中得到了广泛应用[13]。日本电装公司的ECD-UZ系统喷油泵采用三“桃尖”凸轮, 起动时, 共轨管中油压迅速上升。按油泵启动供油量600 mm3/s (3倍于标定油) , 油泵工作3个行程 (启动时间为0.55 s) 后, 共轨压力就超过喷嘴开启压力 (20 MPa) 了, 发动机在0.6 s内达到怠速。当发动机转速降至500 r/min时, 共轨管内压力仍可达100 MPa, 即ECD-UZ在任何转速和任何工况下均可实现高压喷射[1,14,15]。
国内在柴油机高压共轨燃油喷射技术方面的研究起步较晚, 自21世纪90年代初期开始进行有关柴油机电控技术的初步研究, 经过20多年的发展, 在相关控制理论、系统、关键零部件等方面取得了进展, 并着手进行自主研发。其中, 清华大学欧阳明高等研制出了适合我国直列泵应用广泛的国情, 并且具有结构兼容性好、硬件简单等特点的PPVI系统 (泵-管-阀-嘴系统) 。天津大学与山东龙口油泵油嘴股份有限公司合作开发出高压共轨燃油喷射系统, 该系统能实现预喷射功能, 并且喷射压力可高达110 Mpa;但是, 系统喷油量不是采用改变电磁阀的通电时间来调节, 而是通过改变公共蓄压管的压力来调节的, 因此难于实现喷油量的精确调节。北京理工大学发动机实验室研制成功的柴油机电控蓄压共轨喷油系统, 最高喷射压力可达129 MPa。无锡威孚集团与博世公司已经联合组建了无锡博世汽车柴油机系统股份有限公司, 开始了高压共轨系统的生产。在控制策略上, 目前国内主要采用经典PID控制方法, 这种方法原理简单, 易于实现, 稳定性好, 但存在需要在不同工况下反复调节和不能在线调节等缺点[5,16]。
4 高压共轨燃油喷射系统的研究目标
随着电控技术、材料技术、加工制造技术以及控制理论等的不断发展, 高压共轨燃油喷射技术必将呈现出更好的发展前景。综合分析国内外对柴油机高压共轨燃油喷射系统的研究历史和现状, 柴油机喷射系统应将以下几点作为后续的重点研究目标:
1) 进一步提升共轨燃油喷射系统内的喷油压力。为达到未来更加苛刻的环保排放标准, 最根本还是要提高共轨压力。高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是喷射压力达180~200 MPa, 甚至出现了“超高压喷射”的概念。当然, 在喷射压力也不是越高越好, 业已研究表明:在保证油束喷射距离足够大以及压力提高值对燃烧改善效果较明显的前提下, 最高喷射压力取180~200 MPa效果最为理想。
2) 更小的喷孔直径、更短的响应时间和更低的功率消耗, 提高关键部件的可靠性和寿命。由于喷射压力的提高, 对电磁阀、喷油器适应能力的要求更加苛刻, 不仅要求其响应速度高, 而且高压稳定性好, 同时要兼具可靠性好, 寿命长等优点, 这将依赖于零部件制造技术的发展。
3) 解决高压共轨系统的多MAP优化问题。高压共轨燃油喷射系统中, ECU根据其内部存储的MAP控制喷射过程。高压共轨燃油系统中电控泵ECU控制数据较多, 如喷油压力MAP、预喷射MAP、喷油量MAP和喷油定时MAP等。系统内的电控泵ECU要根据排放和燃油耗进行优化, 工作量很大。因此需要研究统计学方法、神经网络模型映射MAP数据、自学习优化方法等很多关键技术, 以解决多MAP优化问题。
5 结语