高壓共軌燃油系統主要部件介紹

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高壓共軌燃油系統主要部件介紹簡介
一、前言 共軌式噴油系統於二十世紀 90 年代中後期才正式進入實用化階段。這類電控系統可分為:蓄壓式電控燃油噴射系統、液力增壓式電控燃油噴射系統和高壓共軌式電控燃油噴射系統。高壓共軌系……
高壓共軌燃油系統主要部件介紹正文

一、前言
共軌式噴油系統於二十世紀 90 年代中後期才正式進入實用化階段。這類電控系統可分為:蓄壓式電控燃油噴射系統、液力增壓式電控燃油噴射系統和高壓共軌式電控燃油噴射系統。高壓共軌系統可實現在傳統噴油系統中無法實現的功能,其優點有:
a.  共軌系統中的噴油壓力柔性可調,對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力,從而優化柴油機綜合性能。
b.  可獨立地柔性控制噴油正時,配合高的噴射壓力( 120MPa~200MPa ),可同時控制 NOx   和微粒( PM )在較小的數值內,以滿足排放要求。
c.  柔性控制噴油速率變化,實現理想噴油規律,容易實現預噴射和多次噴射,既可降低柴油機 NOx   ,又能保證優良的動力性和經濟性。
d.  由電磁閥控制噴油,其控制精度較高,高壓油路中不會出現氣泡和殘壓為零的現象,因此在柴油機運轉範圍內,循環噴油量變動小,各缸供油不均勻可得到改善,從而減輕柴油機的振動和降低排放。
由於高壓共軌系統具有以上的優點,現在國內外柴油機的研究機構均投入了很大的精力對其進行研究。比較成熟的系統有:德國 ROBERT BOSCH 公司的 CR 系統、日本電裝公司的 ECD-U2 系統、義大利的 FIAT 集團的 unijet 系統、英國的 DELPHI DIESEL SYSTEMS 公司的 LDCR 系統等。
二、高壓共軌燃油噴射系統主要部件介紹
圖 1 為高壓共軌電控燃油噴射系統的基本組成圖。它主要由電控單元、高壓油泵、共軌管、電控噴油器以及各種感測器等組成。低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵,高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌,高壓油軌中的壓力由電控單元根據油軌壓力感測器測量的油軌壓力以及需要進行調節,高壓油軌內的燃油經過高壓油管,根據機器的運行狀態,由電控單元從預設的 map 圖中確定合適的噴油定時、噴油持續期由電液控制的電子噴油器將燃油噴入氣缸。
 


1 、高壓油泵
高壓油泵的供油量的設計準則是必須保證在任何情況下的柴油機的噴油量與控制油量之和的需求以及起動和加速時的油量變化的需求。由於共軌系統中噴油壓力的產生於燃油噴射過程無關,且噴油正時也不由高壓油泵的凸輪來保證,因此高壓油泵的壓油凸輪可以按照峰值扭矩最低、接觸應力最小和最耐磨的設計原則來設計凸輪。
bosch 公司採用由柴油機驅動的三缸徑向柱塞泵來產生高達 135Mpa 的壓力。該高壓油泵在每個壓油單元中採用了多個壓油凸輪,使其峰值扭矩降低為傳統高壓油泵的 1/9 ,負荷也比較均勻,降低了運行雜訊。該系統中高壓共軌腔中的壓力的控制是通過對共軌腔中燃油的放泄來實現的,為了減小功率損耗,在噴油量較小的情況下,將關閉三缸徑向柱塞泵中的一個壓油單元使供油量減少。
日電裝公司採用了一個三作用凸輪的直列泵來產生高壓,如圖 2 所示。該高壓油泵對油量的控制採用了控制低壓燃油有效進油量的方法,其基本原理如圖 3 所示。
 


 


a  柱塞下行,控制閥開啟,低壓燃油經控制閥流入柱塞腔;
b  柱塞上行,但控制閥中尚未通電,處於開啟狀態,低壓燃油經控制閥流回低壓腔;
c  在達到供油量定

 

時時,控制閥通電,使之關閉,迴流油路被切斷,柱塞腔中的燃油被壓縮,燃油經出油閥進入高壓油軌。利用控制閥關閉時間的不同,控制進入高壓油軌的油量的多少,從而達到控制高壓油軌壓力的目的;
d  凸輪經過最大升程后,柱塞進入下降行程,柱塞腔內的壓力降低,出油閥關閉,停止供油,這時控制閥停止供電,處於開啟狀態,低壓燃油進入柱塞腔進入下一個循環。
該方法使高壓油泵不產生額外的功率消耗,但需要確定控制脈衝的寬度和控制脈衝與高壓油泵凸輪的相位關係,控制系統比較複雜。
2 、共軌管
共軌管將供油泵提供的高壓燃油分配到各噴油器中,起蓄壓器的作用, ECD-U2 系統的供軌管如圖 4 所示。它的容積應削減高壓油泵的供油壓力波動和每個噴油器由噴油過程引起的壓力震蕩,使高壓油軌中的壓力波動控制在 5Mpa 之下。但其容積又不能太大,以保證共軌有足夠的壓力響應速度以快速跟蹤柴油機工況的變化。 ECD-U2 系統的高壓泵的最大循環供油量為 600mm3 ,共軌管容積為 94000mm3
 


高壓共軌管上還安裝了壓力感測器、液流緩衝器(限流器)和壓力限制器。壓力感測器向 ECU 提供高壓油軌的壓力信號;液流緩衝器(限流器)保證在噴油器出現燃油漏泄故障時切斷向噴油器的供油,並可減小共軌和高壓油管中的壓力波動;壓力限制器保證高壓油軌在出現壓力異常時,迅速將高壓油軌中的壓力進行放泄。
從上述分析可見,精確設計高壓共軌管的容積和形狀適合確定的柴油機是並不容易的。
3 、電控噴油器
電控噴油器是共軌式燃油系統中最關鍵和最複雜的部件,它的作用根據 ECU 發出的控制信號,通過控制電磁閥的開啟和關閉,將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率噴入柴油機的燃燒室。
BOSCH 和 ECD-U2 的電控噴油器的結構基本相似,都是由於傳統噴油器相似的噴油嘴、控制活塞、控制量孔、控制電磁閥組成,圖 5 為 BOSCH 的電控噴油器結構圖。在電磁閥不通電時,電磁閥關閉控制活塞頂部的量孔 A ,高壓油軌的燃油壓力通過量孔 Z 作用在控制活塞上,將噴嘴關閉;當電磁閥通電時,量孔 A 被打開,控制室的壓力迅速降低,控制活塞升起,噴油器開始噴油;當電磁閥關閉時,控制室的壓力上升,控制活塞下行關閉噴油器完成噴油過程。
 


控制了噴油率的形狀,需對其進行合理的優化設計,實現預定的噴油形狀。控制室的容積的大小決定了針閥開啟時的靈敏度,控制室的容積太大,針閥在噴油結束時不能實現快速的斷油,使後期的燃油霧化不良;控制室容積太小,不能給針閥提供足夠的有效行程,使噴射過程的流動阻力加大,因此對控制室的容積也應根據機型的最大噴油量合理選擇。
控制量孔 A 、 Z 的大小對噴油嘴的開啟和關閉速度及噴油過程起著決定性的影響。雙量孔閥體的三個關鍵性結構是進油量孔、回油量孔和控制室,它們的結構尺寸對噴油器的噴油性能影響巨大。回油量孔與進油量孔的流量率之差及控制室的容積決定了噴油嘴針閥的開啟速度,而噴油嘴針閥的關閉速度由進油量孔的流量率和控制室的容積決定。進油量孔的設計應使噴油嘴針閥有足夠的關閉速度,以減少噴

 

油嘴噴射後期霧化不良的部分。此外噴油嘴的最小噴油壓力取決於回油量孔和進油量孔的流量率及控制活塞的端面面積。這樣在確定了進油量孔、回油量孔和控制室的結構尺寸后,就確定了噴油嘴針閥完全開啟的穩定、最短噴油過程,同時就確定了噴油嘴的穩定最小噴油量。控制室容積的減少可以使針閥的響應速度更快,使燃油溫度對噴油嘴噴油量的影響更小。但控制室的容積不可能無限制減少,它應能保證噴油嘴針閥的升程以使針閥完全開啟。兩個控制量孔決定了控制室中的動態壓力,從而決定了針閥的運動規律,通過仔細調節這兩個量孔的流量係數,可以產生理想的噴油規律。
由於高壓共軌噴射系統的噴射壓力非常高,因此其噴油嘴的噴孔截面積很小,如 BOSCH 公司的噴油嘴的噴孔直徑為 0.169mm × 6 ,在如此小的噴孔直徑和如此高的噴射壓力下,燃油流動處於極端不穩定狀態,油束的噴霧錐角變大,燃油霧化更好,但貫穿距離變小,因此應改變原柴油機進氣的渦流強度、燃燒室結構形狀以確保最佳的燃燒過程。
對於噴油器電磁閥,由於共軌系統要求它有足夠的開啟速度,考慮到預噴射是改善柴油機性能的重要噴射方式,控制電磁閥的響應時間更應縮短。關於電磁閥的研究已由較多的文獻報道,本文不再對此進行分析。
4 、高壓油管
高壓油管是連接共軌管和電控噴油器的通道,它應有足夠的燃油流量減小燃油流動時的壓降,並使高壓管路系統中的壓力波動較小,能承受高壓燃油的衝擊作用,且起動時共軌中的壓力能很快建立。各缸高壓油管的長度應盡量相等,使柴油機每一個噴油器有相同的噴油壓力,從而減少發動機各缸之間噴油量的偏差。各高壓油管應儘可能短,使從共軌到噴油嘴的壓力損失最小。 BOSCH 公司的高壓油管的外經為 6mm ,內徑為 2.4mm ,日本電裝公司的高壓油管的外經為 8mm ,內徑為 3mm 。
三、結束語
由於高壓共軌式燃油噴射系統具有可以對噴油定時、噴油持續期、噴油壓力、噴油規律進行柔性調節的特點,該系統的採用可以使柴油機的經濟性、動力性和排放性能都會有進一步的提高。這就需要我們加大對高壓共軌系統的研究力度,使我國的柴油機水平跨上一個新的台階。
 

 

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