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發布日期:2014-12-12 10:41:13

5 高壓共軌電控燃油噴射系統與機械柴油噴射系統的差異

傳統機械式燃油噴射系統如圖7所示。主要包括:油箱、低壓輸油泵、燃油濾清器、高壓燃油泵、噴油器以及油管等。工作過程是:發動機曲軸通過齒輪帶動噴油泵的凸輪軸轉動,把燃油從油箱送到輸油泵,形成低壓,再經過燃油濾清器,一部分供給高壓的噴油泵,另一部分回到油箱。進入噴油泵的燃油,通過高壓油管輸送到噴油器,當壓力超過噴油器的開啟壓力時,噴油器開啟,進行噴油。

圖7

柴油噴油泵的控制依賴于發動機。主要體現在:發動機給噴油泵提供動力,發動機每旋轉2圈各缸做功1次,噴油泵旋轉1圈,對各缸進行1次燃油噴射。這樣來看,噴油泵噴油的大體時刻就由發動機間接控制,并且柴油機供油壓力隨發動機轉速的變化較大。噴油提前器是在發動機轉數較高的時候使噴油泵的凸輪軸相應地提前一個角度,滿足發動機高速時的要求。調速器是通過感應元件感知發動機的各種工況,對柴油發動機進行控制,主要是滿足怠速時的穩定性和超過標定轉速時的斷油,其余工況依靠感應元件和調速器內的彈簧的平衡來穩定發動機的轉速。

機械柴油噴射與電控共軌柴油噴射的差異主要表現在燃油的供給方式和對噴油時刻的選擇上。

傳統機械式噴油系統高壓油管內的油壓是瞬間脈動高壓,主要是由柱塞連續供油形成的。這種脈動對于噴油器噴油的穩定性有很大的影響,使得噴油器容易產生噴油波動,在高壓油管中使燃油產生壓力波,壓力波在高壓油管中來回振蕩,在下一循環中會產生波動的疊加或減弱效應。由此,噴出的油霧顆粒不均勻,易出現二次噴射或多次噴射,從而燃燒不充分,經濟性變差,動力性下降,熱效率降低,排放物增加。

傳統機械式噴油系統的噴油量主要是受負荷的影響,負荷調整噴油量即通過提前器和調速器對此油量進行修正,但不能實現精確的控制。

2種系統的系統示意圖比較如圖8所示,性能對比與分析如表2所示。

圖8


電控高壓共軌燃油噴射系統高壓油管內的壓力總是保持在比較恒定的范圍內,這是因為供油泵產生的脈動油壓在共軌管內的容積增加時,產生諧振效應,使壓力的波動減小和削弱,當油壓變化時,由壓力調節器起作用,將噴油器的燃油壓力調節到比較恒定。

電控高壓共軌燃油噴射系統的噴油量是由多因素控制的,控制噴油量的基本因素有負荷(油門開度表示)、轉速、水溫、進氣溫度和油溫,以及燃油油壓「和尾氣中含氧量的多少。確定噴油量的同時,由ECU控制電磁閥開啟時間的長短,確定每次噴油量大小。

電控高壓共軌燃油噴射系統的特點是:噴油定時與噴油量的控制相互獨立,噴油壓力和噴油持續期不受發動機負荷和轉速的影響;各缸的噴油壓力、噴油量和噴油始點可自由調整,從而實現對噴油正時、噴油量和噴油速率的最優控制;噴射壓力很高且噴射可靠,能實現多種噴油規律等。這些特點對實現柴油機高效、清潔、低噪聲的燃燒過程起到了顯著的作用。

電控高壓共軌燃油噴射系統的優點是噴油壓力柔性可調,在不同負荷和轉速下都可確定所需的最佳噴油壓力。同時由于實現了對噴油正時、噴油量和噴油速率的最優控制,因而改善了柴油機的燃燒過程,減少了排氣顆粒和NO-X的排放,降低了燃燒噪聲。另外它對燃油經濟性的改善也是十分明顯的。目前電控高壓共軌燃油噴射系統的發展趨勢是更高的噴射壓力(200MPa)、更小的噴孔直41(0.11~0.13mm)、更短的響應時間(0.1ms)、更低的功率消耗(采用壓電晶體噴油器)和功能更完善的軟件。電控高壓共軌燃油噴射系統的不足之處在于系統比較復雜;為了實現精確的控制,對傳感器的精度要求較高;隨著共軌壓力的不斷提高,對共軌系統各部件的性能要求也越來越苛刻。另外,來用電控共軌燃油噴射系統后,需對發動機結構進行相應的改進,尤其是對缸蓋的設計。以上這些決定了電控共軌燃油噴射系統的應用成本相對較高。

6 高壓共軌電控燃油噴射系統的發展

電控燃油共軌技術現在已經是柴油和汽油發動機的主要發展趨勢,但是在新技術的使用過程中,根據不同發動機的使用特點,使得電控燃油共軌技術在不同的使用條件下,在與發動機系統的匹配上還有很大的發展空間,尤其是在共軌技術的研究與開發方向上。

6、1 共軌技術的研究與開發熱點

如何解決高壓共軌系統的恒高壓密封問題。

如何解決高壓共軌系統中共軌壓力的微小波動所造成的噴油量不均勻問題。

如何解決高壓共軌系統的多MAP(三維控制數據表)優化問題。

如何解決微結構、高頻響電磁開關閥設計與制造過程中的關鍵技術問題。

6、2共軌技術對環境保護的促進作用

高壓共軌系統是目前最為先進的燃油噴射系統,被世界內燃機行業公認為20世紀三大突破之一,它能夠在不同工況下都以120MPa的噴射壓力實現穩定可控噴射,使柴油機各工況的燃燒達到最佳狀況,性能大大優化,排放中的有害成分進一步減少。高壓共軌系統是柴油機滿足歐洲Ⅱ號、歐洲Ⅲ號甚至歐洲Ⅳ號排放法規的理想燃油噴射系統。共軌技術有助于減少柴油機的尾氣排放量、降低噪聲、燃油消耗等。它在有利于地球環境保護的同時,也必將促進柴油機工業、汽車工業及相關工業的發展。

7 高壓共軌電控燃油噴射系統的應用現狀及發展前景

  高壓共軌系統在國外已得到普遍應用

  柴油燃油噴射系統從機械控制式發展到電子控制式系統后,電子噴射系統又經歷了三次變革,即位置式燃油噴射系統、時間式燃油噴射系統和時間壓力式燃油噴射系統(共軌系統)。高壓共軌系統實現了壓力建立和噴射過程的分離,從而使控制過程更具有柔性,能更準確地實現小油量的精確控制,更好地實現多次噴射。

  自從1991年日本電裝公司發表ECD-U2高壓共軌系統論文以來,國外燃油系統制造商紛紛投入巨額資金和人力開發共軌系統。博世公司于1995年發表了用于轎車的高壓共軌系統,采用徑向柱塞轉子式供油泵,噴油器電磁閥采用球閥結構。目前博世公司共軌系統在歐洲乘用車和輕型車柴油機上已得到普通應用,如德國戴姆勒-奔馳公司C系列轎車、意大利AlfaRemeo156轎車、德國大眾的奧迪3.3L型V8渦輪增壓柴油機、美國通用公司與日本五十鈴公司合資生產的Duramax6600柴油機及美國康明斯公司的ISBe3.9L和5.9L全電控柴油機等。德爾福與西門子分別在1998年和2000年推出轎車MultecDCR1400共軌系統,采用徑向柱塞轉子式供油泵,德爾福公司的噴油器電磁閥設計在噴油器內,使得噴油器體積更小巧;西門子噴油器采用壓電執行器,響應時間更短;而日本電裝公司在1991年研究開發出的ECD-U2第一代產品,并于1995年匹配Hino的J08C柴油機、五十鈴的6HK1柴油機,經過多年的改進與完善,最新產品已用于轎車的ECD-U2P系統。

  目前,共軌燃油噴射系統應用十分普遍,博世公司已生產出2500萬套共軌系統,并在江蘇無錫投資建設了技術中心和工廠,實現了本地化生產。長城汽車與博世公司開發出了高壓共軌柴油發動機,此外奧迪、奔馳、華泰等品牌也推出了采用共軌系統的汽車。我國部分大學、研究所和企業也通過合作或獨立自主研發,取得了各具特色的研究成果,并有數十項專利公布。因此,我國在電控直噴式柴油機方面已積累了一定的經驗,但總體來說與國外還存在差距,主要體現在制造工藝和批量生產的質量控制。此外,國內共軌系統相關配套體系不健全,部分零部件還依靠進口,如單片機芯片、共軌壓力傳感器等。

  國外公司與中國企業競爭已不占絕對優勢

  相對于汽油機而言,國內在電控柴油機方面與國外差距。

  隨著排放標準的提高,柴油機必須采用電控噴射系統。目前國內柴油電控系統主要有共軌、單體泵等,和國外先進技術比,雖然還不具備對等的實力,但發展勢頭良好。如無錫油泵油嘴研究所研發的共軌系統已在無錫公交使用,同時國內從事電控柴油機研發的企業數量較多,因而國內在電控柴油機市場今后一定會有所作為。而國外公司提供的產品價格相對較高,供貨價格取決于批量,在目前我國電控柴油機批量還不大的前提下,他們很難拿到比較滿意的價位。

  同時,在售后服務及配件供應方面,國內自主品牌系統也存在明顯的優勢,國內自主研發的電控燃油系統競爭力主要體現在價格便宜,還有,對于中重型車輛,在國Ⅲ階段已開始實施共軌、單體泵等技術路線。

當然,國內在電控柴油機系統方面還面臨很多挑戰,如制造工藝不成熟,批量規模較??;燃油品質難以保證;柴油機后處理技術水平不高等。但這些會隨時間推移,不久將逐步得到解決。

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