《汽車新技術》課件-4.柴油機共軌直噴技術

第四講柴油機共軌直噴技術1、柴油機電控技術的產(chǎn)生背景

公路運輸是當今世界上最主要的運輸方式。據(jù)統(tǒng)計世界客運總量的80％和貨運總量的42％是由公路來承擔的。在世界能源消耗中，公路運輸要占石油消耗的42％，約占人類能源消耗的16％。所以車用發(fā)動機能源消耗的大戶。在當今能源緊缺的情況下，提高車用發(fā)動機的效率，降低油耗，是發(fā)動機發(fā)展的一個長期目標之一。

一、簡述全球環(huán)境狀況的持續(xù)惡化，內(nèi)燃機也是環(huán)境污染的罪魁禍首之一。發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣中包含大量的CO2，NOX，HC化合物和沒有完全燃燒的炭煙（ParticleMetal），給大氣和生活環(huán)境造成極大污染。所以控制發(fā)動機的廢氣排放也是目前面臨的緊迫任務之一。要降低發(fā)動機的燃油消耗和減少廢氣排放中的有害成分，單靠傳統(tǒng)的機械控制技術發(fā)動機已經(jīng)不足以解決問題，隨著電子控制技術的飛速發(fā)展，把發(fā)動機和電子控制技術緊密結合起來，是造就發(fā)動機技術進一步提升的必然選擇。所以電控發(fā)動機技術就應運而生。2、發(fā)動機電控技術的發(fā)展歷程早在70年代，人們就開始研究發(fā)動機電子控制技術來替代機械控制，到目前為止，已經(jīng)研究并生產(chǎn)出許多功能各異的柴油機電子控制技術，大部分已經(jīng)產(chǎn)品化并投放市場。這期間經(jīng)歷了三代：第一代柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)也稱位置控制系統(tǒng)。位置控制系統(tǒng)的特點是保留了大部分傳統(tǒng)的燃油系統(tǒng)部件，如噴油泵－高壓油管－噴油嘴系統(tǒng)和噴油泵中齒條、齒圈、滑套、柱塞上的螺旋槽等零件，只是用電子伺服機構代替機械式調(diào)速器來控制供油滑套或燃油齒條的位置，使得供油量的調(diào)整更為靈敏和精確。這類技術已發(fā)展到了可以同時控制定時和預噴射的TICS系統(tǒng)。

第二代系統(tǒng)也稱時間控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以是保留原來的噴油泵－高壓油管－噴油器系統(tǒng)，也可以采用新型的產(chǎn)生高壓的燃油系統(tǒng)。但噴油量和噴油定時是由電腦控制的強力高速電磁閥的開閉時刻所決定，電磁閥關閉，執(zhí)行噴油；電磁閥打開，噴油結束。即噴油始點取決于電磁閥關閉時刻，噴油量取決于電磁閥關閉時間的長短，因此可以同時控制噴油量和噴油定時。第三代系統(tǒng)為時間－壓力控制系統(tǒng)，也稱電控共軌式噴油系統(tǒng)。其中包括了高壓共軌和中壓共軌系統(tǒng)。這是20世紀90年代國外最新推出的新型柴油機電控噴油技術。該系統(tǒng)擯棄了傳統(tǒng)的泵－管－噴嘴的脈動供油方式，代之用一個高壓油泵在柴油機的驅(qū)動下，連續(xù)將高壓燃油輸送到共軌管內(nèi)，高壓燃油再由共軌送入各缸噴油器。3、高壓共軌噴油系統(tǒng)的優(yōu)點

發(fā)動機采用共軌系統(tǒng)后可在全部的工作范圍內(nèi)均可以實現(xiàn)高壓噴射，噴射壓力比一般直列泵高出一倍，最高可達200Mpa。所以采用此系統(tǒng)后會帶來更高的功率輸出和更低的尾氣排放。燃油噴射壓力完全獨立于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，在低速低負荷工況下同樣可以實現(xiàn)高壓噴射，改善了發(fā)動機低速低負荷時的性能。系統(tǒng)通過對燃油噴射速率的控制，可以實現(xiàn)預噴射或多次預噴射，調(diào)節(jié)噴油速率形狀，實現(xiàn)理想的噴油規(guī)律，對降低油耗和整機的噪聲改善排放都由好處。自由的調(diào)節(jié)噴油定時和噴油量，可進一步提高發(fā)動機性能具有良好的噴射特性，可以優(yōu)化燃燒過程，使發(fā)動機油耗、噪聲、煙度和排放等性能指標得到明顯改善，同時有利于改進發(fā)動機的扭矩特性，實現(xiàn)低速時的大扭矩。系統(tǒng)針對不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷，可獨立地控制噴射壓力結構簡單，可靠性好，適應性強，可在所有新老發(fā)動機上應用。

系統(tǒng)軟件中通過預先設定的四張表，即通過各種傳感器采集地信號，經(jīng)過ECU按照預定公式進行計算后，發(fā)出指令給各執(zhí)行器，精確地計算出實時的噴油量，噴油時刻，噴油速率及噴油壓力。4、目前世界比較典型的共軌系統(tǒng)德國ROBERTBOSCH的高壓共軌噴油系統(tǒng)（濰柴）日本NIPPONDENSO的ECD-U2高壓共軌噴油系統(tǒng)（日野、錫柴、上柴）美國DELPHI高壓共軌系統(tǒng)（玉柴）與傳統(tǒng)供油系統(tǒng)的比較系統(tǒng)直列泵系統(tǒng)共軌系統(tǒng)噴油壓力波動穩(wěn)定噴油量控制油泵（調(diào)速器）ECU，噴油器（TWV）噴油時刻控制油泵（提前器）ECU，噴油器（TWV）壓力產(chǎn)生油泵供給泵油量分配油泵共軌管噴油壓力控制根據(jù)轉(zhuǎn)速和噴射量供給泵（PCV）PCV：壓力控制閥TWV：二位二通閥該系統(tǒng)主要硬件是由高壓油泵、共軌腔及高壓油管、噴油器、電控單元、各類傳感器和執(zhí)行器。供油泵從燃油箱將燃油泵入高壓油泵的進油口，由發(fā)動機驅(qū)動的高壓油泵將燃油增壓后送入共軌腔內(nèi)，再有電磁閥控制各崗噴油器在相應時刻噴油。二、電控共軌系統(tǒng)的組成電控共軌系統(tǒng)的組成3.1供給泵（高壓油泵）結構：三作用型凸輪直列柱塞式油泵功用：產(chǎn)生高壓油和控制向共軌的供油量。安裝方式：由柴油機通過齒輪傳動，二者之間有一初始相位要求，供給泵在工作時利用其本身的柴油來進行潤滑和冷卻。工作原理：當柱塞在吸油行程時，低壓燃油通過打開的PCV閥進入柱塞頂部的泵油室內(nèi)，柱塞在壓油行程時，當PCV閥未通電時，閥門打開，泵油室內(nèi)燃油被擠出，當PCV閥通電后，閥門關閉，泵油室內(nèi)燃油壓力迅速升高，經(jīng)出油閥進入共軌。供油量由PCV閥關閉的持續(xù)時間來控制。注：供給泵的驅(qū)動力僅為原直列泵的1/3左右。圖2ECD-U2高壓油泵結構示意圖三、供油系統(tǒng)簡介高壓油泵的工作過程示圖

3.1供給泵（高壓油泵）高壓油泵的工作過程a柱塞下行，控制閥開啟，低壓燃油經(jīng)控制閥流入柱塞腔；b柱塞上行，但控制閥中尚未通電，處于開啟狀態(tài)，低壓燃油經(jīng)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，回流油路被切斷，柱塞腔中的燃油被壓縮，燃油經(jīng)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(jīng)過最大升程后，柱塞進入下降行程，柱塞腔內(nèi)的壓力降低，出油閥關閉，停止供油，這時控制閥停止供電，處于開啟狀態(tài)，低壓燃油進入柱塞腔進入下一個循環(huán)。

3.1供給泵（高壓油泵）3.2PCV壓力控制閥

結構：電磁閥。功用：調(diào)整供油泵供入共軌管內(nèi)的燃油量，控制從供給泵到共軌管內(nèi)的燃油量，從而調(diào)整共軌管內(nèi)的燃油壓力。工作原理：點火開關打開，PCV繼電器開始工作，2個PCV閥相繼開始工作。當PCV閥開關處于關的狀態(tài)，閥桿下降，活塞下移，吸入燃油；當PCV閥開關處于開的狀態(tài)，線圈通電，閥桿上升，活塞上移，推動燃油打開單向閥進入共軌管。向控制閥通電和斷電時刻就決定了供油泵向共軌管內(nèi)的供油量。3.3輸油泵

功用：用于把油箱內(nèi)的燃油供應給供給泵。3，4共軌管結構：由6個流量限制器，1個燃油壓力傳感器及1個燃油壓力限制器組成。功用：共軌管將供油泵提供的高壓燃油經(jīng)穩(wěn)壓、濾波后，分配到各噴油器中，起蓄壓器的作用。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。安裝：利用兩螺栓固定在機體上。3.5油量限制器（液流緩沖器）功用：液流緩沖器和高壓油管相連，將高壓燃油送入噴油器中，并在非常規(guī)狀態(tài)下用于保護發(fā)動機。安裝：安裝于共軌管上。工作原理：平常狀態(tài)下，從共軌管出來的燃油通過活塞推動鋼球，但不會密封出油通道，燃油可正常到達噴油器；在非常規(guī)狀態(tài)下，如壓力過大時而油壓限制器又損壞的情況下，鋼球?qū)芊獬鲇偷慕孛娑Ｖ瓜蚋變?nèi)供油。3.6燃油壓力限制閥（高壓溢流閥）功用：用于保證共軌管內(nèi)的壓力恒定。安裝位置：安裝于回油管路內(nèi)，位置在氣缸蓋前端回油孔處。工作原理：當共軌管內(nèi)的壓力一旦超出設定壓力，則從此閥處泄掉一部分油到回油管內(nèi)，從而保證共軌管內(nèi)壓力的恒定。3.7電控噴油器結構：以電磁閥與各種油壓伺服機構組成的電/液控制執(zhí)行器。功用：根據(jù)ECU發(fā)出的控制信號，通過控制電磁閥的開啟和關閉，將高壓共軌管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。。安裝方式：噴油器安裝在氣缸蓋內(nèi)，接線從氣缸蓋罩殼引出。工作原理：電控噴油器是由與傳統(tǒng)噴油器相似的噴油嘴、控制活塞、控制量孔、控制電磁閥組成。該控制電磁閥是二位二通式的高速電磁閥（TWV），在電磁閥不通電時，電磁閥關閉控制活塞頂部的量孔A，高壓共軌管中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。

工作原理：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?；赜土靠着c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，以減少噴油嘴噴射后期霧化不良的部分。

工作原理：由于高壓共軌噴射系統(tǒng)的噴射壓力非常高，因此其噴油嘴的噴孔截面積很小，噴孔直徑可以達到0.2mm以下，在如此小的噴孔直徑和如此高的噴射壓力下，燃油流動處于極端不穩(wěn)定狀態(tài)，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。為此P11C柴油機采用了獨有的HMMS燃燒室。

3.8高壓油管高壓油管是連接共