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汽车柴油机电控高压共轨喷油系统

 

发布时间:[2011/2/22 9:50:51]    浏览次数:[16678]   来源:泰安永泰机械设备有限公司

 

汽车柴油机电控高压共轨喷油系统(一)()

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**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**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35200MPa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**,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**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。

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30 kW;用于重型载重车、内燃机车和船舶,每缸功率可达200 kW左右)。

喷油压力可达135MPa,甚至更高。

喷油始点可变。

可实现预喷射、主喷射和后喷射。

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(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。

基本功能

其基本功能是在正确时刻以**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。

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****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:

喷油压力随转速和喷油量的增加而升高;

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:

小喷油量时的喷油压力较低;

峰值喷油压力是平均喷油压力的两倍以上;

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:

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。

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:

电磁阀控制的喷油器,用螺纹拧装在汽缸盖上;

压力存储器(共轨);

高压泵;

ECU

曲轴转速传感器;

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**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:

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(14 mm3)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**,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**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**。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。

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。

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)()

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。

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**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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

高压油管

高压燃油油管必须能够经受喷油系统的**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。

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(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**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(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**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。

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)。

高压泵

a.任务

高压泵(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,**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135 MPa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**阀(图14),通过**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**阀的开启压力(0.050.15 MPa),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1:22:3,具体视曲轴而定。(未完待续) 

汽车柴油机电控高压共轨喷油系统(三)()

调压阀

a.任务

调压阀的任务是根据发动机的负荷状况调整和保持共轨中的压力:共轨压力过高时,调压阀打开,一部分燃油经回油管返回油箱;共轨压力过低时,调压阀关闭,高压端对回油管封闭。

b.结构

调压阀(图16)有安装法兰,用以固定在高压泵或共轨上。衔铁销将钢球压在密封座上,以使高压端对低压端密封。一方面弹簧将衔铁销往下压,另一方面电磁线圈还对衔铁销有作用力。为进行润滑和散热,整个电磁阀周围都有燃油流过。

c.工作方式

调压阀有2个调节回路:低速电调节回路,用于调整共轨中可变化的平均压力值;高速机械液压调节回路,用于补偿高频压力波动。

共轨或高压泵出口处的高压燃油通过高压油进口作用在调压阀上。由于无电流的电磁线圈不产生作用力,燃油的高压力大于弹簧力,调压阀打开。根据供油量的大小,调压阀调整打开的开度。该弹簧是按**大压力约10MPa设计的。

如果要**高压回路中的压力,就必须在弹簧力的基础上再建立电磁力。当电磁力和弹簧力与燃油高压力达到平衡时,调压阀停留在某个开启位置,燃油压力保持不变。泵油量的变化和燃油从喷油器中喷出时,调压阀通过不同的开度予以补偿。电磁阀的电磁力与控制电流成正比,而控制电流的变化通过脉宽调制来实现。脉宽的调制频率为1kHz,可避免衔铁销的运动干扰共轨中的压力波动。

共轨

a.任务

共轨的任务是存储高压燃油,高压泵的供油和喷油所产生的压力波动由共轨的容积进行缓冲。在输出较大燃油量时,所有汽缸共用的共轨压力也应保持恒定,从而确保喷油器打开时喷油压力不变。

b.结构

由于发动机的安装条件不同,带流量限制器(选装件)、共轨压力传感器、调压阀和限压阀的共轨(图17、图18)可进行不同的设计。


c.工作方式

共轨中通常注满了高压燃油,充分利用高压对燃油的压缩来保持存储压力,并用高压泵来补偿脉动供油所产生的压力波动,因此即使从共轨中喷射出燃油,共轨中的压力也近似为恒定值。

共轨压力传感器

a.任务

共轨压力传感器的任务是以足够的精度、在较短的时间内测定共轨中燃油的实时压力,并向ECU提供相应的电压信号。

b.结构

共轨压力传感器(图19)包括传感器元件,它焊接在压力接头上;带有求值电路的分析电路板;带电气接头的传感器外壳。

燃油经共轨中的一个孔流向共轨压力传感器,传感器膜片将孔末端封住。在压力作用下的燃油经压力室孔流向膜片。在此膜片上装有传感元件,用以将压力转换成电信号。通过一根连接导线将产生的信号传输到向ECU提供放大测量信号的求值电路。

c.工作方式

共轨压力传感器的工作原理:当由共轨燃油压力引起膜片形状发生变化(150 MPa时约为1mm)时,其上的电阻值会随之变化,并在用5V供电的电阻电桥中产生电压变化。根据燃油压力的不同,电压在070mV之间变化,并由求值电路放大到0.54.5V

**测量共轨中的燃油压力是喷油系统正常工作所必需的。为此,压力传感器在测量压力时的允许偏差很小,在主要工作范围内测量精度约为**大值的±2%。一旦共轨压力传感器失效,具有应急行驶功能的ECU以某个固定的预定值来控制调压阀的开度。

限压阀

a.任务

限压阀的任务相当于**阀,它限制共轨中的压力,当压力过高时打开放油孔卸压。共轨内允许的短时**高压力为150MPa

b.结构和功能

限压阀是按机械原理工作的(图20),它包括具有便于拧在共轨上的外螺纹的外壳、通往油箱的回油管接头、可活动的活塞、压力弹簧。

外壳在通往共轨的连接端有一个孔,此孔被外壳内部密封面上的锥形活塞头部关闭。在标准工作压力(135MPa)下,弹簧将活塞紧压在座面上,共轨呈关闭状态。只有当超过系统**大压力时,活塞才受共轨中压力的作用而压缩,于是处于高压下的燃油流出。燃油经过通道流入活塞中央的孔,然后经回油管流回油箱。随着阀的开启,燃油从共轨中流出,结果降低了共轨中的压力。

流量限制器

a.任务

流量限制器的任务是防止喷油器可能出现的持续喷油现象。为实现此任务,当从共轨中流出的油量超过**大油量时,流量限制器将流向相应喷油器的进油管路关闭。该部件属于选装件,由于结构较复杂,现已大多省略不用。

b.结构

流量限制器(图21)有一个金属外壳,其上有外螺纹,以便拧装在共轨上,另一端的外螺纹用来拧入喷油器的进油管。外壳两端有孔,与共轨或喷油器进油管建立液压连接。

流量限制器内部有一个活塞,弹簧将此活塞向共轨方向压紧。活塞对外壳壁部密封。活塞上的纵向孔连接进油和出油口,其直径在末端是缩小的。这种缩小的作用就像流量**规定的节流孔效果一样。

c.功能

正常工作状态(图22):

活塞处在静止位置,即在共轨端的限位件上。一次喷油后,喷油器端的压力下降,活塞向喷油器方向运动。活塞压下的容积补偿了喷油器喷出的燃油容积。在喷油终止,活塞停止运动,不关闭密封座面,弹簧将活塞推回到静止位置,燃油经节流孔流出。

泄油量过大的故障工作状态:

由于流过的油量大,活塞从静止位置被推向出油端的密封座面,一直到发动机停机时靠到喷油器端的密封座面上,从而关闭通往喷油器的进油口。

泄油量过小的故障工作状态:

由于产生泄油,活塞不再能达到静止位置。经过几次喷油后,活塞向出油处的密封座面移动,并停留在一个位置上,一直到发动机停机时靠到喷油器端的密封座面上,从而关闭通往喷油器的进油口。

喷油器

a.任务

喷油始点和喷油量用电子控制的喷油器调整,它替代了普通喷油系统中的喷油嘴和喷油器总成。

与直喷式柴油机中的喷油器体相似,喷油器用卡夹装在汽缸盖中。共轨喷油器在直喷式柴油机中的安装不需要汽缸盖在结构上有很大改变。

b.结构

喷油器由孔式喷油嘴、液压伺服系统、电磁阀组件构成。

如图23所示,燃油从高压接头经进油通道送往喷油器,并经过进油节流孔进入阀控制室,而阀控制室经由电磁阀控制的回油节流孔与回油孔相通。

出油节流孔在关闭状态时,作用在阀控制活塞上的液压力大于作用在喷油嘴针阀承压面上的力,喷油嘴针阀被压在其座面上,紧紧关闭通往喷油孔的高压通道,因而没有燃油喷入燃烧室。

电磁阀动作时,打开回油节流孔,阀控制室内的压力下降,只要作用在阀控制活塞上的液压力小于作用在喷油嘴针阀承压面上的力,喷油嘴针阀立即打开,燃油经过喷孔喷入燃烧室(图23)。用电磁阀不能直接产生迅速关闭针阀所需的力,因此采用经液力放大系统间接控制喷油嘴针阀。其间除喷入燃烧室的燃油量之外,附加的控制油量经控制室的回油节流孔进入回油通道,此外还有针阀导向和阀活塞导向部分的泄油。这种控制油量和泄油量经集油管(溢流阀、高压泵和调压阀也与集油管接通)的回油通道返回油箱

c.工作方式

在发动机和高压泵工作时,喷油器的功能可分为4个工作状态:喷油器关闭(依靠其中存有的高压)、喷油器打开(喷油开始)、喷油器完全打开、喷油器关闭(喷油结束)。

上述工作状态是通过喷油器构件上力的分配产生的。发动机不工作和共轨中没有压力时,喷油嘴弹簧将喷油器关闭。

喷油器关闭(静止状态):

电磁阀在静止状态不被控制,因此是关闭的(图23a)。回油节流孔关闭时,衔铁的钢球通过阀弹簧压在回油节流孔的座面上。阀控制室内建立起共轨高压,同样的压力也存在于喷油器的内腔容积中。共轨压力在控制柱塞端面上施加的力和喷油嘴弹簧力使针阀克服作用在其承压面上的开启力而处于关闭状态。

喷油器打开(喷油开始):

喷油器处于静止状态时,一旦电磁线圈通入吸动电流,电磁线圈的吸力大于阀弹簧力,衔铁就将回油节流孔打开(图23b)。由于磁路的空隙较小,因此有可能在极短的时间内,急剧升高的吸动电流转换成较小的电磁阀保持电流。随着回油节流孔的打开,燃油从阀控制室流入其上面的空腔,并经回油通道返回油箱,使阀控制室内的压力下降,而进油节流孔可防止压力完全平衡,导致阀控制室内的压力小于喷油嘴内腔容积中的压力,从而针阀被打开,开始喷油。

针阀的开启速度取决于进、回油节流孔之间的流量差。控制柱塞达到其上极限位置,并在该处固定在进、回油节流孔之间的燃油垫上。此时喷油器完全被打开,燃油以近似共轨压力喷入燃烧室。喷油器上的力分布大致等于开启阶段中的力分布。

喷油器关闭(喷油结束):

如果电磁阀控制电流结束,则衔铁在阀弹簧力的作用下向下将钢球压在阀座上,关闭回油节流孔。衔铁被设计成由两部分组合,虽然衔铁盘由衔铁销带着一起向下运动,但它是压着回位弹簧一起向下运动的,因此衔铁和钢球的落座没有较大的向下冲击力。

由于回油节流孔的关闭,进油节流孔的进油又使控制室中建立起与共轨中相同的压力,从而使作用在控制活塞上的力增加,再加上弹簧力,超过了喷油嘴内腔容积中的液压力,于是针阀关闭。

汽车柴油机电控高压共轨喷油系统(四)()

孔式喷油嘴

a.       任务

喷油嘴装在共轨喷油器上,承担着针阀体的功能。喷油嘴必须与柴油机进行很好匹配。

喷油嘴的设计需同时考虑下列因素:喷油计量(喷油持续期和每度曲轴转角的喷油量)、燃油准备(油束数量、油束形状和油束的雾化)及燃油在燃烧室内的分布、对燃烧室密封。

b.       应用

对装用共轨喷油系统的直喷式柴油机,使用针阀直径为4mmP系列孔式喷油嘴。它有两种型式:有压力室式喷油嘴、无压力室式喷油嘴。

c.       结构

喷孔呈喷雾锥角布置(图24),而喷孔数量与直径取决于:喷油量、燃烧室形状、燃烧室中的空气涡流。

无论是对有压力室式喷油嘴还是无压力室式喷油嘴,都可将喷孔内孔边棱倒圆,其目的是:**燃油中有磨刮作用的微粒引起的喷孔内孔边缘磨损、缩小喷油嘴流量偏差。

为了减少HC排放,针阀座下方充满燃油的容积(压力室)应尽可能小,**好使用无压力室式喷油嘴。

d.      型式

有压力室式喷油嘴:

有压力室式喷油嘴(图25)的喷孔布置在压力室中。喷油嘴头部为圆形时,喷孔采用机械钻孔方法或电火花方法加工,具体视设计而定。头部为锥形的有压力室式喷油嘴一般采用电火花方法加工。

目前提供的有压力室式喷油嘴的压力室形状有圆柱形压力室和锥形压力室。

带圆柱形压力室和球形头部的有压力室式喷油嘴

由一个圆柱形部分和一个半球形部分组成的压力室形状,在喷孔数量、喷孔长度和喷孔夹角方面具有高度的设计灵活性。喷油嘴头部也呈半球形,从而保证能得到均匀的喷孔长度。

带圆柱形压力室和锥形头部的有压力室式喷油嘴

这种型式仅用于喷孔长度为0.6mm的喷油嘴。锥形头部形状由于压力室与喷油嘴体座面间的壁厚较大而**了头部强度。

带锥形压力室和锥形头部的有压力室式喷油嘴

与带圆柱形压力室的喷油嘴相比,带锥形压力室喷油嘴的压力室容积较小,其容积处于无压力室式喷油嘴和圆柱形压力室喷油嘴之间。为了得到均匀的头部壁厚,头部相应于压力室也设计成锥形。

无压力室式喷油嘴:

为了使压力室容积**小,从而使HC排放**少,喷孔起端位于针阀体的锥形座面中,并在喷油嘴关闭时被针阀封住。这样,压力室与燃烧室之间没有直接连接(如图26所示),与有压力室式喷油嘴相比,压力室容积要小得多。

无压力室式喷油嘴的**大承载能力比有压力室式喷油嘴明显要低,因此它仅用在P型孔式喷油嘴和喷孔长度为1mm的喷油嘴上。考虑到强度,喷油嘴头部形状作成锥形。喷孔通常用电火花法加工。

六、电控装置

1.电控装置的组成

采用共轨喷油系统的柴油机,其电控装置(27)分为3个分系统:

a.采集运行状况和额定值的传感器和额定值发送器,它们将各种不同的物理参数转变为电信号。

b.ECU,用于根据一定的数学计算过程(调节算法)处理信息,并发出指令电信号。

c.执行器,用于将ECU输出的指令电信号转变为机械参数。

2.传感器

曲轴转速传感器

汽缸内的活塞位置对获得正确的喷油正时极为重要。由于发动机的所有活塞都是由连杆和曲轴连接的,因此曲轴转速传感器能提供所有汽缸内活塞位置的信息(28)。转速是指曲轴每分钟的转数。此重要输入参数由ECU从电感式曲轴转速传感器的信号算出。

a.       信号的产生

在机体上面对曲轴的部位装一个铁磁式传感信号轮,轮上应该有60个齿,去除2个齿,留下的大齿隙相应于**缸活塞上止点位置。曲轴转速传感器按齿序对传感信号轮进行扫描。它由永久磁铁和带铜导线绕组的软铁芯组成。由于齿和齿隙交替地越过传感器,使其内部的磁流发生变化,感应出一个正弦交变电压。该交变电压的振幅随转速的上升而增大。从50r/min的**低转速起就有足够大的振幅。

b.       转速的计算

发动机汽缸的点火次序是互相错开的,曲轴旋转两圈(720°)后,**缸又开始新的工作循环。着火间隔是均匀分布的,适用于下式:

在四缸发动机上,着火间隔为180°,也, 就是说,曲轴转速传感器在两次着火间隔之间扫描30个齿。由该扫描时间内的平均曲轴转数即可算出曲轴的转速。

凸轮轴位置传感器

凸轮轴控制进、排气门,它以曲轴转速的一半转动,其位置确定了向上止点运动的活塞是处于压缩冲程上止点还是排气冲程上止点。在起动过程中,仅从曲轴位置信号是无法区分这两种上止点的。而与此相反,在车辆运行时,由曲轴转速传感器产生的信号已足以确定发动机的状态。这就是说,若凸轮轴位置传感器在车辆运行过程中失效时,ECU仍然能够判别发动机的状态。

凸轮轴位置传感器利用霍尔效应来确定凸轮轴的位置:在凸轮轴上设置一个铁磁材料制成的齿,它随同凸轮轴转动。当该齿经过凸轮轴位置传感器中流过电流的霍尔效应半导体薄片时,传感器的磁场将霍尔效应半导体薄片中的电子流向偏转到与电流方面垂直,从而短时内形成一个电压信号(霍尔电压),此信号告知ECU:此时**缸正好处于压缩冲程上止点。  

温度传感器

温度传感器用在多个地方:用在冷却水回路中,以便从冷却水温度推知发动机的温度(29);用在进气道中,以测定吸入空气的温度;用在机油中,以测定机油温度(可选装);用在燃油回路中,以测定燃油温度(可选装)。

    温度传感器中有一个电阻值随温度而变的负温度系数电阻,它是用5V供电的一个分压器电路的一部分,其电压是温度的尺度,经模拟-数字转换器输入ECU。在ECU的微处理器中存有一条负温度系数电阻特性曲线,对任何一个电压都给出相应的温度(图30)。

汽车柴油机电控高压共轨喷油系统(五)()

热膜空气质量流量计

为了达到法定的废气排放限值,特别是在发动机动态工况下,必须保持应达到的空燃比,需使用能极为**地确定实际吸入空气质量流量的传感器。进气脉动、倒流,废气回窜,凸轮轴控制的改变以及进气温度的变化都不会影响这种负荷传感器的测量精度。

为达到上述目标,在热膜空气质量流量计中,通过一个加热的传感元件对空气质量流进行热传导(图31),由一微型测量系统与一混合电路相配合来测定空气质量流量,包括流动方向。空气质量流量强烈脉动时,能识别出倒流。

传感元件布置在插接式传感器的流动通道中(图31)。这种插接式传感器可装在空气滤清器或空气引导部分的测量管中。测量管有各种不同的尺寸,通常要视发动机**大空气流量而定。

信号电压与空气质量流量的关系曲线可分为反向和正向流动的两个信号范围。为了测定进气温度,可在热膜空气质量流量计内装温度传感器。

增压压力传感器

增压压力传感器与进气管相通,可测定0.050.3MPa的进气管**压力。该传感器分为带两个传感元件的压电晶体和求值电路空间两部分。求值电路放在共用的陶瓷底座上。

传感元件由一个钟形的厚层膜片构成,并将一个具有一定内压力的基准容积封闭起来。根据增压压力的不同,膜片将发生相应的变形。膜片上设置有由压阻式电阻构成的电桥,而这些电阻的电阻值在机械应力下是变化的,使得膜片的变形导致电桥平衡发生变化,从而电桥电压成为增压压力的尺度。

求值电路的任务是将电桥电压放大,补偿温度的影响以及使压力特性曲线线性化。求值电路的输出信号传给ECU,并借助于脉谱图将测定的电压折算成增压压力。

加速踏板传感器

与普通的分配泵或直列式泵不同,在柴油机电控装置中,驾驶者的加速要求不再是通过拉索或杆系传给喷油泵,而是用加速踏板传感器来获知,并传输给ECU。根据加速踏板的位置,经电位计,在加速踏板传感器中形成一个电压。ECU再根据其存储的脉谱图和该电压算出加速踏板的位置。

3.电控单元(ECU)

任务和工作方式

ECU计算外部传感器的信号,并把它们限制在允许的电压电平上。微处理器根据这些输入数据和存储的脉谱图计算出喷油量和喷油正时,并将这些时间量转换成与发动机运行相匹配的随时间变化的电压。由于要求的精度高,发动机的工作是高速变化的,因此计算速度非常高。

用输出电压来控制喷油器驱动末级。驱动末级应对调节共轨压力和切断柱塞供油的电磁阀提供足够大的功率。此外,执行器还具有控制发动机的另外一些功能(例如EGR调节器、增压压力调节器和电动燃油泵继电器等)和其他辅助功能(例如风扇继电器、辅助采暖继电器、预热继电器和空调装置等)。驱动末级具有短路保护和电过载故障保护。这类故障和导线断开都将反馈给微处理器。喷油器驱动末级的诊断功能还能识别有缺陷的信号变化过程。另外,一些输出信号经接口传给车辆的其他系统。为了确保车辆的**运行,ECU还承担着监控整个喷油系统的任务。

驱动喷油器的电流调节装置将通电相位分为吸动电流相位和保持电流相位,它必须**工作,使得在任何一个工作范围内喷油器都能进行可再现的喷油过程。此外,ECU和喷油器中的功率损失必须很小。

使用条件 

ECU提出了严格的要求:环境温度(在正常行车时为-40℃+85℃);对工作介质(机油、燃油等)的抵抗能力;环境湿度;机械应力。
    
对电磁兼容性(EMV)和高频干扰信号辐射限制的要求同样很高。

结构

ECU装在一个金属外壳中,传感器、执行器和电源经一个多针接插件与ECU连接,直接控制执行器的功率器件安置在ECU外壳内,并确保外壳有很好的散热性。ECU外壳有密封的,也有不密封的。

工作状态的调节

为使发动机在任何工况下都能以**佳的燃烧状态运行,要由ECU算出所需的喷油量,其间必须考虑各种参数(32)

a.  启动油量

启动时,根据冷却水温度和转速算出喷油量。从开关接通(图32中开关位于位置A)直至发动机达到**低转速为止,都提供启动油量。驾驶者的操作对启动油量不产生影响。

b.  行驶

正常行驶(图32中开关位于位置B)时,根据加速踏板位置和转速计算基本喷油量,再根据其它运行参数(如冷却水温度、加减速等)予以修正。这些都是根据行驶特性曲线场(脉谱图)来进行调节的,因此使驾驶者的要求与车辆的效能达到**佳的相互协调。

c.  怠速调节

发动机怠速时,主要是效率和怠速转速决定了燃油消耗。在道路交通拥挤时,燃油消耗量中相当一部分是用在这种行驶状态,因此尽量降低怠速转速是有利的。怠速应这样来调节:在诸如车用电网负载、空调接通、带自动变速器和主动助力转向装置的汽车挂上挡等条件下,怠速转速不宜降得太低,以防发动机工作噪声增大甚至停机。怠速调节器为调节怠速转速而改变喷油量,直至测得的实际转速等于预定的怠速额定转速。而怠速额定转速和调节特性受到汽车挂的挡位和发动机温度的影响。除了外部的负载扭矩外,还有内部的摩擦力矩必须由怠速调节予以补偿。但是在发动机整个使用期间,它们会不断发生少量变化,同时受温度的影响也很大。

d.  运转平稳性调节

由于机加工误差和零部件的老化,发动机的所有汽缸并不都产生相同的扭矩,因而特别是在怠速时发动机会产生不稳定运转。为此,由运转平稳性调节器测定每次燃烧后的转速变化,并将它们相互比较,然后根据转速的差别来调节喷油量,使所有的汽缸都产生相同的扭矩。运转平稳性调节器仅在低转速范围工作。

e.  行车速度调节

行车速度调节器使车辆恒速行驶。它将车速调节到所要求的数值,此值可在仪表盘上操纵钮设定,将喷油量**或降低,直至测定的实际车速达到调定的额定车速。如果驾驶者在行车速度调节器接通的情况下,踩下离合器或制动踏板,则调节过程终止。踩下加速踏板时,可加速到超过瞬时额定速度。如果又放松加速踏板,则行车速度调节器重新又调节到**终有效的额定速度。

f.  限制油量调节

不允许喷入驾驶者所要求的或物理条件可能的燃油量的原因:有害物质排放量太高;烟度太高;扭矩过大或超速使机械负荷过大;由于冷却水、机油或涡轮增压器的温度太高使热负荷过大。

限制油量由各种不同的输入参数如吸入的空气质量、转速和冷却水温度所决定。

g.  转速波动阻尼

突然踩下或松开加速踏板时,喷油量急剧变化,因而发动机输出扭矩也急剧发生变化。由于这种突然的负荷变化,发动机弹性支承和传动系统产生振动,从而促使发动机转速波动(图33)。

主动转速波动阻尼功能使喷油量随振动的周期变化而变化:转速上升时喷油量减少,转速下降时喷油量增大,从而大大减少了转速的周期性波动。

h.  停机

柴油机的工作原理是自行压缩着火,因此只有通过切断燃油供应才能停机。在柴油机电控装置中,发动机是由ECU预定喷油量为零而停机的,另外还有一系列附加的停机电路。

汽车柴油机电控高压共轨喷油系统(六)()

4.执行器

喷油器

为了使喷油起始点合适和喷油量**,共轨喷油系统使用了带液压伺服系统和电磁阀的喷油器(图34)。喷油过程开始时,以较高的吸动电流控制电磁阀迅速打开。当针阀达到其**大升程使喷油器全开时,控制电流立即降低到较小的保持电流。喷油量由开启时间和共轨压力决定。当控制电流终止时,电磁阀即关闭,喷油过程也就结束。

调压阀

ECU通过调压阀来控制共轨中的燃油压力。当调压阀受控制电流控制时,电磁线圈的电磁力将衔铁销压在密封座面上,调压阀关闭。此时,高压端对低压端是密封的,共轨压力升高。无控制电流时,电磁线圈无电磁力作用在衔铁销上,调压阀打开,使一部分燃油经集油管流回油箱,共轨压力降低。通过控制电流的脉宽调制,共轨压力可作不同的调整。根据脉冲占空比的不同,调压阀开得大一些或小一些。

预热控制器

电热塞预热时间控制装置用于使冷启动更加顺利,并改善与废气排放有关的暖机阶段。预热时间取决于冷却水温度。在发动机启动和运转时,很多因素,例如喷油量和发动机转速等,都影响预热阶段的长短。预热时间是通过一个功率继电器来控制的。

-气转换器

增压压力、涡流和EGR等调节器的阀或活门是借助于真空膜盒或压力膜盒进行机械操纵的。为此,发动机ECU产生一个电信号,此信号通过电-气转换器将超压或真空切换给上述膜盒执行器。

a.  增压压力调节器

乘用车废气涡轮增压柴油机在低转速时需发出高扭矩,因此涡轮机是针对低废气质量流量设计的。当柴油机转速高而废气质量流量较大时,为使增压压力不至于过高,需将一部分废气绕过涡轮机经一个放气阀旁通到排气管中去。增压压力调节器(图35)根据柴油机转速和喷油量等,通过压力膜盒来改变放气阀处的旁通截面积。也可以采用可变几何截面涡轮(VTG),通过改变废气涡轮的进气角和流道截面来改变增压压力。

b.  涡流调节器

涡流调节器用于调节进气的旋转运动。涡流绝大多数由螺旋进气道产生,它有助于燃烧室中燃油与空气的混合,因此对燃烧质量有重要的影响。通常,在低转速时产生强涡流,高转速时产生弱涡流。涡流可借助于涡流调节器(活门或滑阀)在进气道中进行调节。

c.  EGR调节器

采用EGR时,将一部分废气在进气冲程中引入进气管。在一定程度上,增加汽缸内废气的比例对能量转换起积极作用,从而降低有害物质的排放。视运转工况的不同,废气的比例也不一样,**高可达40%,甚至更高。

ECU进行调节,需测定新鲜空气的实际质量,并将它与每个工况点的空气质量额定值进行比较,根据由此所产生的调节信号,将EGR调节器(阀)打开相应的开度,使适量的废气进入进气道。

节气门调节

在带EGR的增压柴油机上,需要在进气管中再循环废气入口处前设置一个节气门。但此节气门的调节功能与汽油机的完全不同,它仅在低转速范围,利用节流作用适当降低此处的压力,以**EGR率。

5.信息交流

ECU的通信

共轨喷油系统ECU与车辆上其它电控单元之间的通信是通过CAN总线进行的。经过通信来传送运行和出错控制所需的额定值、运行数值和状态信息。

喷油量的外部干预

发动机外部因素需干预喷油量时,由另一个系统(如制动防抱系统、防侧滑调节系统等)电控单元来告知共轨喷油系统ECU是否需改变发动机的扭矩或改变多少,从而相应改变喷油量。

电子防盗锁

为防止车辆被盗,可借助于一个附加的防盗锁控制器切断喷油,使发动机无法启动。而驾驶者可通过遥控装置向防盗锁控制器发出他有权用车的信号,于是共轨喷油系统ECU将恢复喷油功能,使驾驶者能够启动和驾车行驶。

空调装置

在外界环境高温时,为保持车内适宜温度,空调装置可借助制冷压缩机冷却车内空气。空调所需的功率为发动机功率的130%,视发动机和行车状况而定。若为了充分地利用发动机的**大扭矩,可暂停调节车内温度,则驾驶者只要迅速地踩下加速踏板(即希望发出**大扭矩),柴油机电控装置即可短时断开制冷压缩机,使发动机能够发出**大扭矩。

6.集中诊断

传感器监控

在监控传感器时,借助集中诊断来检查这些传感器是否得到足够的管理,它们的信号是否在许可范围(如温度在-40150之间)。必要时重要信号设计成双重的,即在出现故障时,可换接成另一个相似的信号。

监控模块

ECU除提供微处理器功能外,还提供监控模块。ECU与监控模块互相监督,因此识别出故障时,它们可互为独立地切断喷油。

故障识别

仅在传感器的监控范围内才可能识别故障。当某个故障超过了预定的时间时,该信号通路被当作失效,然后此故障包括所处的环境条件(例如冷却水温度,转速等)一起被存在ECU的存储器内。

故障处理

当传感器的容许信号范围被破坏时,可换接到某个预定值。此方法适用于下列信号:蓄电池电压;冷却水、空气和机油温度;增压压力;大气压力和空气量。

此外,在加速踏板传感器和制动器的信号合理性被破坏时,就采用加速踏板传感器代用值。

36为电控共轨喷油系统及其各种系统组件简图,通过它可较完整地了解整个系统的概貌。(全文完)

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