浅析汽车柴油机电控高压共轨喷油系统
浅析汽车柴油机电控高压共轨喷油系统
湖南省衡阳县职业中专 邹龙军
内容提要：本文主要阐述现代车用柴油机电控高压共轨喷油系统的主要特点和功能，分析电控高压共轨喷油系统喷油特性和共轨喷油系统的组成。希望能给同行一些有益的启发。
关键词：柴油机 电控高压共轨 特点 功能 喷油特性 组成
随着社会经济的发展，国家对节能环保的要求越来越高，柴油机电控系统的研究和相应产品的开发必将成为我国汽车柴油机技术领域中的一个热点，电控高压共轨喷油技术是新一代柴油发动机发展方向。
一、柴油机电控高压共轨喷油系统的含义
“电控”是指喷油系统由电脑控制， ECU(俗称电脑)对每个喷油嘴的喷油量、喷油时刻进行精确控制，能使柴油机的燃油经济性和动力性达到最佳的平衡。
“高压”是指喷油系统压力比传统柴油机要高出1.1倍，最高能达到145MPa(而传统柴油机喷油压力在60—70 MPa)，压力大雾化好燃烧充分，从而提高了动力性，最终达到省油的目的。
“共轨”是通过公共供油管同时供给各个喷油嘴，喷油量经过ECU精确的计算，同时向各个喷油嘴提供同样质量、同样压力的燃油，使发动机运转更加平顺，从而优化柴油机综合性能。
二、共轨喷油系统主要特点
共轨式喷油系统于二十世纪 90 年代中后期才正式进入实用化阶段。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其主要特点有：
1高的喷射压力 为满足排放法规的要求，柴油喷射压力从10MPa提高到200MPa。如此高的喷射压力可明显改善柴油和空气的混合质量，缩短着火延迟期，使燃烧更迅速、更彻底，并且控制燃烧温度，从而降低废气排放
2独立的喷射压力控制 传统柴油机的供油系统的喷射压力与柴油机的转速负荷有关。这种特性对于低转速、部分负荷条件下的燃油经济性和排放不利。若供油系统具有不依赖转速和负荷的喷射压力控制能力，就可选择最合适的喷射压力使喷射持续期、着火延迟期最佳，使柴油机在各种工况下的废气排放最低而经济性最优。 3改善柴油机燃油经济性 用户对柴油机的燃油消耗率非常关注。高喷射压力、独立的喷射压力控制、小喷孔、高平均喷油压力等措施都能降低燃油消耗率，从而提高了柴油机的燃油使用经济性。 4独立的燃油喷射正时控制 喷射正时直接影响到柴油机活塞上止点前喷入汽缸的油量，决定着汽缸的峰值爆发压力和最高温度。高的汽缸压力和温度可以改善燃油使用经济性，但导致NOX增加。而不依赖于转速和负荷的喷射正时控制能力，是在燃油消耗率和排放之间实现最佳平衡的关键措施。 5可变的预喷射控制能力 预喷射可以降低颗粒排放，又不增加NOX排放，还可改善柴油机冷启动性能、降低冷态工况下白烟的排放，降低噪声，改善低速扭矩。但是预喷射量、预喷射与主喷射之间的时间间隔在不同工况下的要求是不一样的。因此具有可变的预喷射控制能力对柴油机的性能和排放十分有利。 6最小油量的控制能力 供油系统具有高喷射压力的能力与柴油机怠速所需要的小油量控制能力发生矛盾。当供油系统具有预喷射能力后将会使控制小油量的能力进一步降低。由于工程机械用柴油机的工况很复杂，怠速工况经常出现，而电喷柴油机容易实现最小油量控制。 7快速断油能力 喷射结束时必须快速断油，如果不能快速断油，在低压力下喷射的柴油就会因燃烧不充分而冒黑烟，增加HC排放。电喷柴油机喷油器上采用的高速电磁开关阀很容易实现快速断油。 8降低驱动扭矩冲击载荷 燃油喷射系统在很高的压力下工作，既增加了驱动系统所需要的平均扭矩，也加大了冲击载荷。燃油喷射系统对驱动系统平稳加载和卸载的能力，是一种衡量喷射系统的标准。而电喷柴油机技术中的高压共轨技术则大大降低了驱动扭矩冲击载荷。
由于高压共轨系统具有以上的特点，现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有：德国 ROBERT BOSCH 公司的 CR 系统、日本电装公司的 ECD-U2 系统、意大利的 FIAT 集团的 unijet 系统、英国的 DELPHI DIESEL SYSTEMS 公司的 LDCR 系统、迪尔公司的高压共轨系统等。
三、共轨喷油系统功能
1、主要功能
在正确时刻以精确的数量和合适的压力控制燃油的喷射，从而保证柴油机的平稳运行，并获得低燃油消耗、废气排放和运转噪声。 2、附加功能
控制和调节功能用于减少废气排放和燃油消耗，或提高安全性和舒适性。例如用来实现废气再循环(EGR)、增压压力调节、车速控制和电子防盗锁等。 CAN总线系统可与车辆的其他电子系统(例如ABS系统、变速器电子控制系统)进行数据交换。诊断接口可在车辆检修时输出系统存储的运行数据和故障代码。
四、共轨喷油系统喷油特性
普通的喷油系统，例如分配泵和直列泵中，只有主喷射而没有预喷射和后喷射，而在电磁阀控制的分配泵中仅可实现预喷射，而共轨喷油系统可以实现多次喷射。
1预喷射：降噪、减排、易启动 预喷射在主喷射之前，上止点前90°内进行。如果预喷射的喷油始点早于上止点前40°曲轴转角，则燃油可能喷到活塞顶面和汽缸壁上使润滑油稀释到不允许的程度。预喷射时，少量燃油(1～4 mm3)喷入汽缸，促使燃烧室产生“预调节”，从而改善燃烧效率。压缩压力由于预反应或局部燃烧而略有提高，因此缩短了主喷油量的着火延迟期，降低了燃烧压力上升幅度和燃烧压力峰值，燃烧较为柔和。这样发动机工作比较缓和，同时，缸内温度降低使得NOx排放减小。预喷射还可以降低失火的可能性，改善了电喷高压共轨喷油系统的冷启动性。 ⑵主喷射：缓喷减排 急喷增压 快断降烟
主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高了输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放。
主喷射提供了发动机输出功率所需的能量，从而基本上决定了发动机的扭矩。在共轨喷油系统中，整个喷油过程的喷油压力近似恒定不变。
⑶后喷射：减排
对于那些催化NOx的催化器而言，后喷射的燃油充当还原剂，用于还原NOx。它在主喷射之后的做功行程或排气行程中进行，其范围一般在上止点后200°内。 与预喷射和主喷射不同，后喷射的燃油在汽缸中不会燃烧，而是在废气中剩余热量的作用下蒸发，带入NOx催化器中作为NOx的还原剂，以降低废气中NOx的含量。 过迟的后喷射会导致燃油稀释发动机的润滑油，其喷射范围要由发动机制造厂家通过试验来确定
五、共轨喷油系统电控装置的组成
采用共轨喷油系统的柴油机，其电控装置分为3个分系统： 1.采集运行状况和额定值的传感器和额定值发送器，它们将各种不同的物理参数转变为电信号。 2.ECU，用于根据一定的数学计算过程(调节算法)处理信息，并发出指令电信号。 3.执行器，用于将ECU输出的指令电信号转变为机械参数
共轨喷油系统的控制部分和传感器部分包括：ECU、曲轴转速传感器、凸轮轴相位传感器、加速踏板传感器、增压压力传感器、空气质量流量计、共轨压力传感器及冷却水温度传感器。
⑴ECU借助于传感器得知驾驶员的要求(加速踏板位置)以及柴油机和车辆的实时工作状态。它处理由传感器产生并经数据导线输入的信号，对柴油机进行控制和调节。
⑵曲轴转速传感器测定柴油机的转速
⑶凸轮轴相位传感器确定发火顺序和相位。
⑷加速踏板传感器是一种电位计，它通过电压信号告知ECU关于驾驶员对扭矩的要求。
⑸空气质量流量计告知ECU柴油机实时的进气空气质量流量，以根据排放法规的要求来匹配相应的基本喷油量。
⑹增压压力传感器用以测定增压压力(带有增压压力调节的增压柴油机上)
⑺冷却水温度传感器和进气空气温度传感器是在低温和柴油机处于冷态时，ECU可根据冷却水温度传感器和进气空气温度传感器的信号值确定合适的喷油始点、预喷射油量和其他参数的额定值。
图1示出了一种四缸柴油机所用电控共轨喷油系统的主要组件。 图1 一台四缸柴油机电控共轨喷油系统组成
在共轨喷油系统中，喷油压力的建立与喷油量互不相关，喷油压力不取决于柴油机的转速和喷油量。电控柴油喷射系统由传感器、ECU(计算机)和执行机构等组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与巳储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。 作者：邹龙军 男 生于1968年3月 大学文化高级技师 工程师
现在湖南省衡阳县职业中专从事汽车修理教学
E-mail:zlj0311@163.com 电话：0734-6730208