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發布日期:2014-12-12 10:38:13

1 引言

隨著世界各國工程機械、運輸車輛等數量增加,柴油機排放的尾氣已經成為對地球環境的主要污染原因之一,如何采取措施保護人類賴以生存的地球環境已是當務之急。我國從八十年代起相應制訂了有關的標準,將環境保護作為大事來抓。與此同時,世界各國也已開始尋找和探究其他方法和采取其他有效的技術措施主動地減少和控制污染物的排放。對于船舶運輸行業,即將于2016年啟動實施的IMO TIER III排放標準,更是將排放提到一個全新的高度,共軌式電控燃油噴射技術正是從眾多方法和措施中脫穎而出的一項較為成功的控制柴油機污染排放的新技術,內燃機行業的新一輪洗牌也正在進行中。

 

2 高壓共軌電控燃油噴射技術發展過程

20世紀40年代電控共軌燃油噴射技術首先在航空發動機上應用,20世紀50年代在賽車發動機上廣泛應用。20世紀90年代,柴油機的電控供油系統開始在實際應用中大量使用。主要有日本電裝公司和豐田汽車公司ECD-U2系統、博世公司和D-C公司電控共軌式燃油噴射系統。

國外在柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統方面的研究開展得較早而且比較深入,有多種共軌系統已經投產,并與整車進行了匹配應用。日本電裝公司的ECD-U2系統是電控高壓共軌燃油噴射系統的典型代表,該系統還能實現預噴射和靴型噴射。

共軌噴射的發展大體經歷了3個階段,如表1所示。

從表1中可以看出:共軌噴射的最高噴射壓力在不斷提高,這樣對于噴射品質的提高有著重要的意義。壓力越高,燃料霧化越好,顆粒越小越均勻,燃燒越充分,經濟性、動力性和排放性均好,但這對噴射系統的要求也越高;噴射的次數不斷增加,可以實現滿足發動機燃燒和排放的多次噴射,可以控制燃燒的不同階段噴油量和噴油速率,使燃燒更充分,熱效率提高;在最小穩定噴射量上,3個階段的每次的噴射量在下降,這說明每次噴射時候可以使噴射更均勻、更細密,噴油和斷油更干脆,反應靈敏,響應特性好,這樣有利于燃燒,減少積炭的產生。

3 高壓共軌電控燃油噴射系統的組成及主要零部件介紹

  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傳感器等組成。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傳感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。

3、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。由于共軌系統中噴油壓力的產生與燃油噴射過程無關,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 公司采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采用了多個壓油凸輪,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,降低了運行噪聲。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。

  日電裝公司采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采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,處于開啟狀態,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,回流油路被切斷,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,處于開啟狀態,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,但需要確定控制脈沖的寬度和控制脈沖與高壓油泵凸輪的相位關系,控制系統比較復雜。

3、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傳感器、液流緩沖器(限流器)和壓力限制器。壓力傳感器向 ECU 提供高壓油軌的壓力信號;液流緩沖器(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,并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并不容易的。

3、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復雜的部件,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,都是由于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??刂剖业娜莘e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,使后期的燃油霧化不良;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?;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。

  此外噴油嘴的最小噴油壓力取決于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??刂剖胰莘e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系數,可以產生理想的噴油規律。

  由于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,燃油流動處于極端不穩定狀態,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。

  對于噴油器電磁閥,由于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。關于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。

3、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,并使高壓管路系統中的壓力波動較小,能承受高壓燃油的沖擊作用,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。各高壓油管應盡可能短,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 。

4 高壓共軌電控燃油噴射系統的工作原理、分類及特點

柴油機高速運轉時,柴油噴射過程的時間只有千分之幾秒。實驗證明,噴射過程中,高壓油管各處的壓力是隨時間和位置的不同而變化的。柴油的可壓縮性質和高壓油管中柴油的壓力波動,使實際的噴油狀態與噴油泵所規定的柱塞供油規律有較大的差異。油管內的壓力波動有時還會在噴射之后,使高壓油管內的壓力再次上升,達到令噴油器針閥開啟的壓力,將已經關閉的針閥又重新打開產生二次噴油現象。由于二次噴油不可能完全燃燒,于是增加了煙度和碳氫化合物(HC)的排放量,并使油耗增加。此外,每次噴射循環后高壓油管內的殘壓都會發生變化,隨之引起不穩定噴射,尤其在低速區域容易產生上述現象。嚴重時不僅噴油不均勻,而且會發生間歇性不噴射現象。為了解決柴油機燃油壓力變化所造成的缺陷,柴油機采用了共軌的電噴技術。

4、1原理

  一般認為,柴油機噴油技術經歷了傳統的純機械操縱式噴油和現代的電控操縱式噴油兩個發展階段?,F代電控燃油噴油技術的崛起,則是計算機技術和傳感檢測技術迅猛發展的結果。目前,電控噴油技術已從初期的位置控制型發展到時間控制型。共軌式電控燃油噴射技術正是屬于后者。

  共軌電噴技術是指在由高壓油泵、壓力傳感器和電子控制裝置(ECU)組成的閉環系統中,將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。它是由高壓油泵將高壓燃油輸送到公共供油管,通過公共供油管內的油壓實現精確控制,使高壓油管壓力大小與發動機的轉速無關,可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發動機轉速變化的程度,因此,也就減少了傳統柴油機的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量,其大小取決于燃油軌道(公共供油管)壓力和電磁閥開啟時間的長短。該技術不再采用傳統的柱塞泵脈動供油的原理,而是通過供軌直接或間接的形成恒定的高壓燃油,分送到每個噴油器,并借助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關閥的啟閉,定時定量的控制噴油器噴射至柴油機燃燒室的油量,從而保證柴油機達到最佳的燃燒比和良好的霧化,以及最佳的發火時間、足夠的能量和最少的污染排放。柴油機供軌式電控燃油系統的原理如圖6所示。

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4、2 分類

  按照噴油高壓形成的不同,共軌式電控燃油噴射系統有兩種基本型式,即高壓共軌式和中壓共軌式。

 ?。ǎ保└邏汗曹壪到y。高壓輸油泵將壓力輸送至共軌中消除壓力的脈動,再分送到各噴油器;當電子控制裝置按需要發出指令信號后,高速電磁閥(響應在200s左右)迅速打開或關閉,進而控制噴油器工作,即按設定的要求噴出或停噴高壓燃油。

(2)中壓共軌系統。中壓輸油泵(壓力為10~13MPa)將中壓燃油輸送到共軌中消除壓力的脈動,再分送至帶有增壓柱塞的噴油器中;當高速電磁閥開關閥接收到電子控制裝置發送的指令信號后,迅速開啟或關閉,從而控制燃油器的工作,迅即通過高壓柱塞的增壓作用,將從共軌中來的中壓燃油加壓至高壓(120~150MPa)后噴出或停噴。高壓共軌系統與中壓共軌系統的主要判別是,高壓燃油的獲得方式不同;前者由高壓燃油泵直接提供,而后者則借助于增壓柱塞增壓后獲得。

4、3 特點

  柴油機共軌式電控燃油噴射技術集計算機控制技術、現代傳感檢測技術以及先進的噴油器結構于一身。它不僅能達到較高的噴射壓力、實現噴射壓力和噴油量的控制,而且還能實現預燃油噴射和后噴,從而優化噴油特性、減低柴油機噪聲和大大減少廢氣的排放量,其特點為:

 ?。ǎ保┎捎昧讼冗M的電子控制裝置及配有高速電磁開關閥,使得對噴油過程的控制十分方便,并且可控參數多,利于柴油機燃燒過程的全程優化。

 ?。ǎ玻┎捎霉曹壏绞焦┯?,噴油系統壓力波動小,各噴油器間相互影響小,噴射壓力控制精度較高,噴油量控制較準確。

 ?。ǎ常└咚匐姕y開關閥頻率高,控制靈活,使得噴油系統的噴射壓力可調范圍大,并且能方便的實現預噴射、后噴等功能,為優化柴油機噴油規律、改善其性能和降低廢氣排放提供了有效手段。

 ?。ǎ矗┫到Y構移植方便,適應范圍廣,不像其他的擊中電噴油系統,對柴油機的結構形式有專門要求;尤其是高壓共軌系統,與目前的小、中型及重性柴油機均能很好匹配,因而市場前景看好。

 

(待續)

 

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