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柴油機共軌噴油技術的進展

 

發布時間:[2011/2/22 10:02:09]    瀏覽次數:[8279]   來源:泰安永泰機械設備有限公司

 

gdbtaian

2006-09-09 13:53

轉載:柴油機共軌噴油技術的進展


本文將介紹日本電裝公司的ECD-U2共軌噴油系統和博世公司的共軌噴油系統,并闡述共軌噴油技術的發展趨勢。

柴油機共軌噴油系統有一個共同的特點,就是有一個共同的高壓燃油蓄勢器,稱為共軌。高壓供油泵只負責向這個蓄勢器提供高壓燃油,不負責控制燃油定量和噴油定時。管理燃油壓力和向各個氣缸輸送燃油的任務通過共軌完成。這樣,燃油噴射過程可以不受壓力產生和燃油輸送過程的牽制;燃油定量控制和噴油定時控制可以更為靈活和自由。

相對于其他燃油噴射系統,共軌燃油噴射系統有如下特點:在燃油定量和噴油定時方面實行全電子的和柔性的控制;噴油規律曲線形狀可以比較自由地調整;優化的、已可達到1800bar的噴油壓力(僅次于博世公司的泵噴嘴和泵管嘴)控制;能實現每個工作循環多達七次的燃油噴射;高度的緊湊性和較低的高壓油泵驅動扭矩。

日本電裝公司的ECD-U2共軌噴油系統
日本電裝(Denso)公司率先在上世紀九十年代初推出了名為ECD-U2的共軌燃油噴射系統。ECD-U2共軌噴油系統由高壓供油泵、共軌、噴油器以及控制這些部件的電子控制單元和各種傳感器等組成(如圖1)。系統利用泵控制閥改變高壓供油泵的燃油出油量來控制共軌壓力,共軌壓根據發動機負荷和轉速確定的數值而調節。泵控制閥與燃油壓力傳感器相結合進行共軌壓力的閉環控制。
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噴油器的工作原理
共軌壓力長期施加在噴油器針閥的底面上。只有在噴油器不通電時才施加在針閥的背面上。當噴油器不通電的時候,三通閥使單向孔板上面的空腔與共軌連通,高壓燃油通過單向孔板流入控制腔(液壓柱塞的上方),通過液壓柱塞對針閥施加向下的壓力,跟回位彈簧的作用力一起克服針閥下方燃油壓力,使針閥關閉。在這個過程中,單向孔板沒有節流作用。

ECU發出噴油脈沖時,三通閥使單向孔板上面的空腔與回油管連通,燃油流到回油管去,充滿在這個空腔里的高壓燃油壓力立刻下降到大氣壓力。由于單向孔板節流,其下面控制腔中的壓力只能緩慢地下降,噴油器針閥逐漸地升起,造成所謂的德爾塔型(三角型)噴油規律,這種噴油規律對氣缸內的燃燒十分有利。

當由電子控制單元控制的噴油持續時間過去之后,噴油器斷電,三通閥恢復到它的初始狀態。此時,來自共軌的高壓燃油通過三通閥和單向孔板流入控制腔,使控制腔迅速地達到共軌壓力,令針閥很快關閉,噴油很快被切斷。

由此可見,噴油嘴的開啟和關閉完全由噴油器控制腔中的壓力和共軌壓力的差值決定。改變施加在三通閥上的電脈沖寬度,可以控制噴油量;改變施加在三通閥上的電脈沖發生的時刻,可以控制噴油定時。因為ECD-U2共軌噴射系統是一個全電子控制的、完善的壓力-時間燃油定量控制系統,所以沒有傳統燃油噴射系統固有的問題,如:由于噴油系統內的壓力傳播而產生難以控制的或者不能控制的工況區域;由于調速器控制能力不足而引起低速下控制效能不良。

三種形狀的噴油規律
ECD-U2
共軌噴射系統的噴油規律可以控制成三種的形狀,即德爾塔型(三角型)、靴型和預噴型:
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德爾塔型(三角型)噴油率型式:噴油率逐漸上升并迅速截止的型式
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預噴型式:在主噴之前實施一次小油量的預噴的型式
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靴型噴油率型式:預噴跟主噴連在一起,形成一種靴子形狀的噴油率型式

其中**有意義的是預噴。預噴是通過在主噴脈沖之前提供一個小小的預噴脈沖,因此三通閥在每次噴油中都開啟兩次。預噴量小到1立方毫米/沖程。預噴和主噴的間隔時間已經可以縮小到0.1毫秒。預噴可以減少在滯燃期內形成的可燃混合氣,進而有效地降低柴油機的燃燒噪聲。

高壓供油泵的控制策略
高壓供油泵的功能是控制出油量以產生高壓燃油。它采用便于產生高壓的凸輪驅動機構(見圖1)。泵控制閥關閉后柱塞的升程當量決定了出油量。通過對泵控制閥關閉時刻的控制,或者通過對凸輪預升程的控制來控制出油量,燃油在沒有經過壓縮的狀況下進行回油并定量,從而減少了高壓回油。因此,泵驅動扭矩明顯地下降了。**大驅動扭矩只有直列泵的三分之一。


博世(BOSCH)公司的共軌噴油系統
世界性大公司研究開發和生產的共軌噴油系統,其基本原理大同小異,但在一些關鍵零部件的設計上則各有特色。BOSCH公司對共軌噴油技術的研究與開發1997年才起步,但是發展迅速,現在已經發展到了第四代,累計已經生產出了大約1500萬套共軌燃油噴射系統。
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2所示為BOSCH公司共軌噴油系統的高壓部分。這個系統的特點是,增加了限壓閥和限流器。其中:1)壓力控制閥使燃油壓力保持恒定,壓力控制有兩條控制環路:一條慢響應的電氣控制環路,用于設定共軌中變動著的平均壓力;一條快響應的機械控制環路,用于補償高頻壓力脈動。2)共軌壓力傳感器的特點是,產生的信號由安裝在傳感器內部的運算電路放大后送往ECU。如果共軌壓力傳感器發生故障,那幺壓力控制閥就被觸發成關閉狀態,同時起動緊急(跛行回家)功能,采用固定值。3)限壓閥起泄壓作用,它將**大共軌壓力限制在一個確定的數值,例如1500bar。4)共軌通往每一個噴油器的出口處都裝設了一個限流器,限流器的另一頭擰入噴油管。在某一個噴油器中發生永久開啟的非常不尋常的情況下,限流器可防止連續地噴油。

噴油器與日本電裝公司共軌噴油器的設計原理差不多,也是以電控制液,用液控制噴油嘴針閥,但是具體構造有所不同(見圖3)。該噴油器可以分成若干個功能模塊:孔式噴油嘴;液壓伺服系統;電磁閥。

控制腔(8)通過一個由噴油器的電磁閥開啟的泄油孔(6)與回油管(1)相連通。當電磁閥不通電,泄油孔封閉,在閥控制柱塞(9)上的液壓力超過施加在噴油嘴針閥壓力臺肩(11)上的液壓力,針閥被壓到針閥座上,使高壓通道保持對燃燒室的密封。當電磁閥被觸發時,泄油孔開啟,控制腔內的壓力降低,柱塞上的液壓力也降低。一旦這個液壓力降低到低于作用在噴油嘴針閥臺肩上的力,噴油嘴針閥就將開啟。

共軌噴油技術的發展趨勢
隨著排放法規和燃油經濟性的要求不斷**,對柴油機的要求也越來越高,首當其沖的是柴油噴射技術。首先,為了降低燃燒噪聲,要求預噴;為了使燃油燃燒充分、從氣缸內降低排放和使微粒物捕集器得到再生,要求在主噴之后進行補噴。為了使燃油霧化得好,就要增加噴油孔的數目,縮小噴油孔的直徑,但這會導致噴油速率的下降。如要保證足夠的噴油速率,就要**噴油壓力。而為了實現多次噴射,就要改善噴油系統的響應特性。這些要求決定了共軌噴油技術的發展方向。

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1)
**噴油壓力
早期的共軌噴油壓力不超過8001000bar。BOSCH公司**代共軌系統的噴油壓力只有1350bar,第二代達到1600bar,第三代已經達到1800bar,第四代將增大到2200bar的噴油壓力。因為泵噴嘴和泵管嘴系統2050bar的噴油壓力收到了良好的效果。一般認為,柴油機噴油壓力越高,則燃油經濟性和排放越好。

2)
壓電式噴油器
在中低轉速范圍內,噴射的機動靈活性特別重要,**理想的情況是,在2500r/min以下的轉速范圍每個工作循環噴射達5次,在中等轉速范圍內每個工作循環噴射兩次或者三次,在標定轉速每個工作循環噴射一次。前面介紹過的電磁閥共軌噴油器無法滿足這樣的要求。西門子VDO公司開發了能夠非常機動靈活地實現多重噴射的、機電一體化的壓電式共軌噴油器,并且已經實現了商品化,見圖4。

壓電式執行元件像一個在電壓下立即就能充電的電容器,其關鍵元件是陶瓷壓電薄膜,它在加上電壓以后的0.1ms以內就會發生晶體晶格的畸變。為了使執行器達到足夠的位移(行程),必須將許多層陶瓷薄膜燒結成一塊長方六面體。噴油器內30mm長的執行器由300多層薄膜組成,每層的厚度只有80μm。壓電元件加上電壓后會膨脹大約40μm,通過杠桿比為1:1.5的杠桿,使得控制腔回油通道中的閥開啟。于是,控制腔內的壓力下降,噴油嘴針閥開啟。

與電磁閥相比,壓電執行器具有:沒有滯后時間;切換十分迅速而且**;可重現性非常好;沒有因設計造成的、以氣隙之類的形式出現的偏差;壽命長,工作非常穩定等優點。壓電式共軌噴油器推出之后,立即受到各大公司的推崇。奧迪A8柴油轎車已經采用了這一系統。

德國漢諾威大學的工程燃燒研究所不久前研究開發了采用壓電噴油器的柔性噴射系統,見圖5。該系統的噴油器通過對針閥實施直接控制而為噴油規律曲線形狀的優化提供了更大的自由度。這種噴油器具有決定性意義的優點是,噴油嘴針閥的升程和速度可以自由地選擇。

3)
多孔式噴油嘴
BOSCH
公司**代共軌噴油嘴的直徑為0.2mm,第二代為0.14mm,第三代則為0.11-0.13mm?讛祫t相應地分別為**代4個,第二代以上至少6個。

特別值得一提的是,噴油孔做成內端大、外端小的錐形,可**出口的噴射速度。而且普遍借助液體磨蝕(HE)工藝將噴油孔的入口邊倒圓,其目的是:事先**燃油中的磨粒對噴油孔棱邊進行磨蝕的機會,和/或縮小流量公差。

共軌技術在中國發展的兩點建議
泵噴嘴/泵管嘴系統的**大優點在于噴油壓力高,對燃油經濟性和排放有積極影響,但是價格過高,而且氣缸蓋的設計改動比較大。中國可以跨過直列泵和分配泵的柴油機電子控制時代,直接進入共軌時代。這樣可以避免投資的大量浪費。

在此,就共軌噴射系統在中國的發展提出兩點建議。**,國家必須在制定環保法規的同時,制定針對燃油質量的強制性法規。以目前質量低劣的柴油,根本無法適應電子控制共軌噴射系統的要求。第二,國家應當引導、組織和扶植國內企業對共軌燃油噴射系統的研究和開發。共軌系統所需之關鍵零部件或許可以進口,但是共軌系統成套供應,特別是研究、開發、生產和銷售電子控制單元及一些傳感器和執行器的機會千萬不要拱手讓給外人。

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