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共軌柴油機的原理與結(jié)構(gòu)

發(fā)布者: DTS     發(fā)布時間:2018年07月23日

一、為什么需要共軌技術(shù)

新技術(shù)總是為解決一些實際生活中的實際問題而生的,柴油機的共軌技術(shù)的產(chǎn)生,離不開實際問題對研究人員的困擾,所以,我們首先了解一下沒有使用共軌電噴系統(tǒng)的柴油機的供油系統(tǒng)有何問題。

在非共軌式燃油系統(tǒng)的柴油機的供油系統(tǒng)中,每個噴油器都連接有一根高壓油管和一根回油管,采用高壓油泵來提供高壓油的壓力,在高壓油管中不同的位置不同的時間,油壓都不相同。這種結(jié)構(gòu)柴油機噴油器噴油的規(guī)律在理論上取決于柱塞的運動規(guī)律,并且在調(diào)速器的協(xié)助下自動調(diào)整供油提前角,使柴油機工作情況穩(wěn)定。但是在實際的使用過程中,由于柴油的可壓縮性質(zhì)和高壓油管中柴油壓力的波動,使得實際的噴油狀態(tài)與噴油泵所規(guī)定的柱塞供油規(guī)律有了較大的差異。比如油管內(nèi)的壓力波動有時還會在噴射之后使高壓油管內(nèi)的壓力再次上升,達到令噴油器針閥開啟的壓力,將已經(jīng)關(guān)閉的針閥重新打開,產(chǎn)生二次噴油現(xiàn)象。由于二次噴油不可能完全燃燒,于是就會增加煙度和碳氫化合物的含量,造成尾氣超標和燃油消耗增大。由于每一次的噴射循環(huán)之后高壓油管內(nèi)的殘留壓力都會發(fā)生變化,產(chǎn)生噴油不均勻的信箱,嚴重時發(fā)生間歇性不噴射現(xiàn)象。且這種現(xiàn)象在低速下更容易發(fā)生。因為以上的缺陷,所以誕生了電控共軌技術(shù)。


二、共軌技術(shù)的歷史和基本原理

1. 柴油機的電控燃油噴射技術(shù)的發(fā)展歷程可以分為三代。

第一代柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)被稱為位置控制系統(tǒng),采用電子伺服機構(gòu)(如線性螺線管、線性直流電機等)代替機械式調(diào)速器來控制供油齒桿的位置(直列泵)或控制溢油環(huán)的位置(分配泵)實現(xiàn)噴油量的控制,由EUC控制的電液執(zhí)行機構(gòu)改變發(fā)動機驅(qū)動軸
與噴油泵凸輪軸之間的相位或控制提前器活塞的移動實施噴油時間的控制。
第二代電控燃油噴射系統(tǒng)被稱為時間控制系統(tǒng),和傳統(tǒng)的柱塞泵供油方式相比,它仍然采用傳統(tǒng)方式提供高壓油,但是在燃油的噴射上,則是由ECU控制的安裝在噴油器上的高速電磁閥的動作來控制噴油閥的開啟時機、時間,從而更加精確的控制燃油的噴射量和時機。因為采用了高速電磁閥,其控制精度較第一代產(chǎn)品有了較大的提升。
第三代柴油機電控燃油噴射系統(tǒng),時間-壓力控制系統(tǒng),也稱為高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng),它是20世紀90年代中期研制成功的全新的電控燃油噴射系統(tǒng),打破了傳統(tǒng)的噴油泵、分缸燃油供油方式,可以實現(xiàn)噴油壓力、時間、噴油量、各種復雜噴油特性的綜合控制,比一二代電控燃油噴射系統(tǒng)更加準確優(yōu)秀!
2. 柴油機高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)的基本原理:
共軌技術(shù)是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中,將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此之間完全分開的一種供油方式。由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管,通過對公共油管內(nèi)壓力的精確控制使高壓油管內(nèi)的油壓與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速之間沒有關(guān)系,可以大幅度的減少柴油機供油壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化,因此也就減少了傳統(tǒng)柴油機的缺陷。由ECU控制噴油器的噴油量,噴油量大小取決于公共供油管壓力和電磁閥的開啟時間的共同作用,因此這種電控燃油噴射技術(shù)也叫時間-壓力控制系統(tǒng)。其中,燃油供給系統(tǒng)中的壓力波動在高壓共軌管中得到了消除,從而使整個系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。


三、共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)的分類

按照噴油高壓來源的不同,共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)分為兩類:
A. 高壓共軌系統(tǒng)
高壓輸油泵將燃油輸送到高壓共軌中,燃油脈動壓力變化得以消除,然后再將燃油分配至給各個裝有快速電磁閥的噴油閥;當ECU控制系統(tǒng)按照需求發(fā)出信號之后,高速電磁閥打開或關(guān)閉,從而控制噴油器的工作,即:按設(shè)定的要求噴出或者停止噴出高壓燃油。
B. 中壓共軌系統(tǒng)

中壓共軌系統(tǒng)采用較小的壓力(10-13兆帕)來將燃油輸送到共軌管中,在共軌管中將燃油的脈動壓力消除后,再通過帶有增壓柱塞的噴油器將燃油以高速噴出,在高壓柱塞的作用下,油壓可達120~150兆帕,其噴射時間也是通過ECU發(fā)送的指令來控制的,同樣,高速電磁閥是其不可或缺的部件。


四、共軌柴油機供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在結(jié)構(gòu)上,它主要由電控單元、高壓油泵、高壓共軌管(蓄壓器)、電控噴油器以及各種傳感器組成。
A. 高壓油泵:主要分為柱塞泵和齒輪泵兩種,負責將燃油輸送到高壓共軌管中。
B. 高壓共軌管:如右圖所示,這部分主要由高壓管體、軌壓傳感器、軌壓限制流量限制閥和高壓進油口組成。其中,高壓管體負責將高壓油泵輸送的高壓油儲存在共軌油腔內(nèi),維持ECU設(shè)定的共軌壓力,向個氣缸提供高壓燃料,并在必要的時候打開軌壓限制閥保護系統(tǒng);軌壓限制閥負責保護系統(tǒng),在其打開之后軌壓會下降到30兆帕;流量限制閥的作用是處理某一個氣缸的燃油泄漏事故,在氣缸泄露或者噴油器故障導致了燃油噴射量過多時,該機構(gòu)將會切斷對應(yīng)氣缸的燃油供應(yīng),每一個氣缸都對應(yīng)一個流量限制閥;軌壓傳感器的作用是向ECU提供高壓共軌管內(nèi)燃油的壓力信號。

C. 電控噴油器:噴油器是整個電控系統(tǒng)最關(guān)鍵和最核心的部件,它的作用是在ECU的控制下適時適量的噴射高壓柴油。結(jié)構(gòu)上主要有噴油器體、電磁閥、柱塞閥組件、噴油嘴針閥組件和彈簧組成,其組成外形如右圖所示。負責針閥開閉的電磁閥具有極快的動作速度,其開啟時間不超過110±10μs,關(guān)閉時間不超過30±5μs。其基本動作過程是這樣的:在噴油器的上部,柱塞的閥體上表面有細小回流節(jié)油油道,該油道被一小球密封(小球被電磁閥彈簧通過銜鐵間接壓緊),高壓油可以到達柱塞上腔,所以高壓油在對柱塞閥體施加壓力的同時不會從回流節(jié)油道泄露,這樣就保證了柱塞對噴油嘴針閥有一個較大的向下的壓力,使得噴油嘴針閥緊密的壓在出油口上,雖然針閥下端也受到高壓油的作用而有向上運動的趨勢,但是這個力遠小于柱塞上表面受到的力,所以針閥可以穩(wěn)穩(wěn)地壓緊在噴油口上,從而密封住高壓油。當需要噴油時,電磁閥就受到ECU的控制,線圈在由ECU提供的電壓的作用下,產(chǎn)生磁力克服彈簧的壓緊力,將銜鐵向上吸起,同時,小球也打開了回油通道,柱塞上腔與回油管連通,由于回油管內(nèi)油壓約為大氣壓力,所以柱塞受到的油的壓力迅速減小,而因為回流節(jié)油油道本身很小,故進油壓力不會在柱塞閥體組件上方卸荷,而針閥下方壓力基本為進油壓力,所以針閥受到的合力向上,針閥打開,噴油過程開始,當線圈斷電時,彈簧力使小球重新壓緊,柱塞閥體組件所受高壓重新建立,等待下一次噴射。

D. 高壓油管:高壓油管是聯(lián)通共軌管和電控噴油器的通道。它應(yīng)該有足夠的燃油流量減小
燃油流動時的壓降,并且使高壓管路系統(tǒng)中的的壓力波動較小。能夠承受高壓燃油的沖擊,且啟動時油壓可以盡快建立。每一個氣缸所連接的高壓管應(yīng)該基本等長,以使噴油壓力盡量相同。并且使長度盡量小,以減小壓力的損失。


五、共軌技術(shù)的特點、優(yōu)點與發(fā)展趨勢
1. 特點:
A. 可以自由調(diào)節(jié)噴油壓力
B. 可以自由調(diào)整噴油油量
C. 可以自由調(diào)整噴油時間
D. 可以自由調(diào)整噴油率形狀
2. 高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)的優(yōu)點:
A. 具有多功能的自動調(diào)節(jié)特性
B. 減輕了質(zhì)量、縮小了尺寸、結(jié)構(gòu)更加緊湊。這是因為省去了供油提前角自動調(diào)節(jié)
器和調(diào)速器。
C. 部件安裝方便,維護也方便。
D. 具有故障自診斷的功能,可以通過調(diào)取故障代碼來方便的進行故障診斷和檢測。 E. 有害氣體排放量、震動與噪音顯著下降。
3. 發(fā)展趨勢:
A. 解決高壓共軌系統(tǒng)中共軌壓力的微小波動引起的噴油量不均勻現(xiàn)象。
B. 解決高壓共軌系統(tǒng)的高壓密封問題。
C. 解決微小結(jié)構(gòu)、高頻響電磁開關(guān)閥的設(shè)計與制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

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