汽车柴油机高压共轨电子喷射技术探讨Word文档格式.docx
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目录
摘要…………………………………………………………………………………7
Abstract……………………………………………………………………………1
第一章前言……………………………………………………………………9
第二章柴油机高压共轨电子喷射技术简介………………………………10
2.1柴油机高压共轨技术的发展及类型………………………………………10
2.1.1电控喷油泵型………………………………………………………10
2.1.2电控泵喷嘴型………………………………………………………11
2.1.3高压共轨电控喷射型………………………………………………12
2.2柴油机高压共轨技术的结构及原理………………………………………12
2.2.1燃油压力控制原理…………………………………………………13
2.2.2燃油压力控制过程简述……………………………………………14
2.2.3喷油正时、喷射率和喷油量的控制原理…………………………14
第三章柴油机高压共轨喷射系统的优势及应用…………………………16
3.1柴油机电控燃油喷射系统的优势……………………………………………16
3.2柴油机高压共轨技术系统的应用……………………………………………18
第四章柴油机高压共轨喷射技术的常见故障及检测…………………20
4.1发动机起动困难……………………………………………………………20
4.2发动机功率不足……………………………………………………………21
4.3油门踏板加速无反应………………………………………………………22
4.4油底壳有柴油………………………………………………………………22
4.5油水混合……………………………………………………………………23
第五章柴油机高压共轨技术的发展前景及方向…………………………24
参考文献…………………………………………………………………………………25
致谢………………………………………………………………………………………26
第一章前言
柴油发动机和汽油发动机一样,都是将燃油的化学能转变为机械能的一种装置。
转换的方式也都是将燃油和空气在气缸内燃烧释放热量,使气体膨胀推动活塞做功。
所以柴油发动机和汽油发动机也都叫做内燃机或热机。
在这个过程中,燃油以什么样的方式进入气缸?
怎样才能使燃油和空气充分混合?
充分燃烧?
它直接关系到发动机的动力性能,燃油经济性能和环保性能。
这也是发动机技术不断追求和挖掘的一个十分重要的内容。
高压共轨电喷柴油机的燃油喷射是一个很复杂的机械、液压、电子系统的联合做业。
要适应发动机各种工况下的需求,在进入气缸之前燃油必须经过加压,并在准确的时间以一定的速率分别喷射到每一个气缸内,它是怎样实现的呢?
它有什么样的技术优势呢?
第二章柴油机高压共轨电子喷射技术简介
2.1柴油机高压共轨喷射系统的发展及类型
自从1892年狄塞尔发明了柴油压燃式发动机以后,无数工程技术人员前仆后继,以永远面向未来的高度责任感去发现和探索时代需求,在他们辛勤的探索和追逐下,柴油机的燃油系统得到了不断地开拓创新。
随着计算机技术的发展,柴油机的燃油系统走进了电子时代,使柴油机显示了它强大的生命力。
二十世纪七十年代博世公司把电控汽油机喷射技术应用到柴油机上,从而使柴油机的发展和使用进入了一个新纪元。
从此柴油机进入了电子时代,它们的燃油系统完全在计算机的掌控下进行工作。
计算机技术在不断的发展,柴油发动机电控技术也在不断的发展。
目前按其结构电控柴油发动机可分为三种类型:
即电控喷油泵型、电控泵喷嘴型和高压共轨电喷型。
后两种技术是现在最主要的柴油机电控喷射技术。
2.1.1电控喷油泵型
二十世纪七十年代,博世公司在本公司生产的VE分配式喷油泵(VE-Verteiler Einspritz-德语)上实施了电控技术,于是电控喷油泵型柴油发动机就这样旦生了。
它还是由高压燃油泵向喷油嘴顺序供油,但喷油正时和喷油量就是由ECU控制了。
ECU根据传感器信号操控喷油正时控制阀(TCV)改变正时活塞两边的燃油压力以实现喷油时刻的变化。
喷油量的控制也是ECU根据传感器信号操控油量制阀(SPV)改变注塞的有效行程来实现的。
它曾经一度得到了很大的应用和发展,后来因高压共轨电控喷射技术的出现逐渐处于劣势,目前也没有厂家生产了,处于淘汰的境地。
柴油机电控喷油泵型供油系统结构图
2.1.2电控泵喷嘴型
电控泵喷嘴型是在机械型泵喷嘴柴油机上实现的电控技术。
它的每个气缸都有一个由凸轮轴驱动的小型高压燃油泵,因此每个气缸的燃油喷射是独立完成的。
喷油时刻和喷油量是由ECU操控电磁阀分别控制各缸燃油喷射泵的进油量来实现的。
电控泵喷嘴技术的喷油压力非常高,可以达到205Mpa,并且泵和喷嘴装在一起,所以只需要很短的高压油引导部分,泵喷嘴系统也可以实现很小的预喷量,其喷油特性是三角形的,并采用了分段式预喷射,这很符合发动机的要求(大众公司的TDI发动机就是使用这种技术)。
不足之处是电控泵喷嘴技术的喷油压力受发动机转速影响。
电控泵喷嘴的结构
国内生产的1.9TDI的宝来轿车就是采用的电控泵喷嘴技术,它的最高喷射压力可达到180Mpa。
泵喷嘴供油技术虽好,但燃油压力不能保持恒定,随着排放控制的更加苛刻,就需要既高而又恒定的柴油喷射压力和更完善的电子控制系统,于是众多制造商就把优点更多的高压共轨电喷技术作为柴油发动机的发展方向。
2.1.3高压共轨电控喷射型
1997年,博世公司与奔驰公司联合开发了共轨柴油喷射系统 (Common Rail System)。
使柴油机技术有了飞跃性的发展,掀开柴油动力的新篇章。
它类似于汽油发动机的直喷系统,电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器,只不过油轨内的燃油压力高了10-20倍。
柴油共轨系统已开发了3代。
第一代共轨高压泵总是保持在最高压力,导致能量的浪费和很高的燃油温度。
第二代可根据发动机需求而改变共轨内的柴油压力,并具有预喷射和后喷射功能。
预喷射降低了发动机噪音:
在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了气缸压燃,预加热燃烧室。
预热后的气缸使主喷射后的压燃更加容易,缸内的压力和温度不再是突然增加,有利于降低燃烧噪音。
在膨胀过程中进行后喷射,产生二次燃烧,将缸内温度增加200~250℃,降低了废气中的碳氢化合物。
第3代——压电式(piezo)共轨系统,压电执行器代替了喷嘴电磁阀,没有了回油管,于是得到了更加精确的喷射控制。
这种使用蓄压系统的高压共轨电喷技术的喷油压力完全不受发动机转速的影响。
这是它的优势。
很多公司还看中了它对喷油压力调节范围很宽泛的特点对其广泛采用。
因此高压共轨电控喷射技术得到了快速的发展和应用。
最早使用高压共轨的轿车是阿尔法罗密欧156和奔驰C级别车。
目前国外轻型汽车用柴油机日益普遍。
奔驰、大众、宝马、雷诺、沃尔沃等众多欧洲名牌车都有了采用高压共轨电喷柴油发动机的车型。
2.2高压共轨电喷技术的结构及原理
高压共轨(Common Rail)电喷技术是由低压油泵、高压油泵、共轨、燃油压力传感器、电子控制单元(ECU)、油路压力控制阀、喷油器电磁阀和喷油器组成的闭环燃油控制系统。
它将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开。
其控制内容分为燃油压力控制、喷油正时控制、喷射率控制和喷油量控制。
高压共轨电喷柴油发动机的结构图
2.2.1燃油压力控制原理:
低压油泵将柴油从油箱中吸出,经过过滤后向高压燃油泵供油,高压燃油泵将高压燃油输送到公共供油轨(Rail)中。
电子控制单元(ECU)根据传感器信号(发动机工况)计算出此刻共轨的理想燃油压力;
同时电子控制单元(ECU)又通过油轨中的燃油压力传感器检测到了油轨中的实际燃油压力。
当它们出现差异时,电子控制单元(ECU)操控高压油泵吸入电磁阀的关闭时刻,以改变高压油泵注塞的有效行程来改变泵入高压油轨的油量,使共轨内的燃油压力符合此刻的理想燃油压力。
以实现油轨中燃油压力的精确控制,(共轨压力根据发动机运转条件的不同从20Mpa~180Mpa)
共轨压力控制结构及原理图
2.2.2燃油压力控制过程简述:
(1)、当柱塞下行时,出油阀关闭、PVC打开,低压油经过PVC被吸入柱塞腔。
(2)、当柱塞上升时,如果电子控制单元没有发出电信号,PCV阀保持打开,进入注塞内的燃油被回流,压力不上升。
(3)、当需要加压时,ECU发出电控信号将PCV关闭,燃油的回流通路被切断,柱塞腔中的压力上升,燃油通过出油阀进入油轨中。
柱塞有效行程的大小决定泵出油量的多少,因此只要控制PCV阀的关闭时间,就可以改变油轨中的压力。
(4)、共轨内柴油压力的大小由供油量来决定,而供油量的大小由ECU发出的电控信号来控制PCV的开闭决定,这样就实现了喷油压力的柔性可调。
2.2.3喷油正时、喷射率和喷油量的控制原理:
电子控制单元(ECU)通过控制驱动喷油器电磁阀的时刻、持续的时间和驱动的方式,定时、定量、定次将高压柴油喷射到气缸中,以实现对喷油正时、喷射方式和喷油量的控制。
高压共轨电喷系统工作原理图
共轨内的高压柴油通过高压油管分送到每个喷油器,电子控制单元根据传感器信号采用不同的方式适时、适度分别操控集成在每个喷油器上的高速电磁阀的开启与闭合,定时、定量地控制喷油器喷入燃烧室的油量,从而保证柴油机在各种工况下都处于最佳的燃烧状况。
高压共轨喷射压力的大小与发动机的转速无关,这样就规避了柴油机供油压力随发动机转速变化的缺陷。
这也是它不同于其它燃油系统的优势。
高压共轨电喷技术采用压力——时间式燃油计量原理,用高速电磁阀控制喷射过程中的喷油压力、喷油正时、喷油量及喷油规律。
由电控单元(ECU)根据各传感器的适时信息进行适时控制。
该系统可实现高压喷射,最高已达 200MPa。
喷油定时和喷油量可适时调节,并能实现预喷射,调节喷油速率,实现理想的喷油规律,从而优化燃烧过程,使发动机油耗、烟度、噪声及排放等性能指标明显改善。
如果把单体泵柴油喷射技术比做柴油技术的革命的话,那共轨就可以称作反叛了,因为它背离了传统的柴油系统而近似于顺序汽油喷射系统。
共轨系统开辟了降低柴油发动机排放和噪音的新途径。
第三章柴油机高压共轨喷射系统的优势及应用
3.1柴油机电控燃油喷射系统的优势
1、独立的喷射压力控制
传统柴油机供油系统的喷射压力与柴油机的转速和负荷是相关联的。
这种特性对柴油机在低转速和部分负荷工况下工作时的燃油经济性和排放性能十分不利。
而高压共轨技术的喷射压力是由ECU根据发动机工况(传感器信号)控制的,大小与发动机的转速无关。
ECU可根据发动机工况选择合适0射压力和喷射持续期、从而优化了着火延迟期,使柴油机在各种工况下的废气排放最低而经济性最优。
汽车柴油机的转速是很高的,在高速运转时柴油喷射过程的时间只有千分之几秒。
实验证明,机械柴油机和电控高压泵型柴油机在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。
由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动,使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。
油管内的压力波动有时还会在主喷射之后,使高压油管内的压力再次上升,达到令喷油器的针阀开启的压力,将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象,由于二次喷油不可能完全燃烧,于是增加了烟度和碳氢化合物(HC)的排放量,油耗增加。
此外,每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化,随之引起不稳定的喷射,尤其在低转速区域容易产生上述现象,严重时不仅喷油不均匀,而且会发生间歇性不喷射现象。
高压共轨电喷技术彻底解决了柴油机在工作过程中燃油压力变化的缺陷。
2、独立的燃油喷油正时控制
喷射正时直接影响到柴油喷入汽缸的时刻,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提高燃油的经济性,但也导致了氮氧化合物增加。
而不依赖于转速和负荷的喷射正时控制在燃油消耗率和排放之间实现了最佳的平衡选择。
喷油正时与燃油计量完全分开,同时也使供油过程得到精确的控制。
喷油正时和喷油量均由ECU根据传感器信号适时和适量控制喷油器电磁阀来实现。
喷油正时由喷油信号发出的时刻决定;
喷油量由喷射压力和喷射持续的时间决定。
灵活的电子控制系统对喷油正时、喷射率和喷射量进行控制,无论发动机在何种工况下都能够获得低排放和高效率。
由于压力的形成与喷射过程分离,使发动机设计人员在研究燃烧和喷油过程时获得了更大的自由。
可根据发动机工况的要求调节喷射正时和喷油量,使发动机在低速工况下也能实现完全燃烧,所以既使是在很低的转速也能获得大扭矩。
3、能实现很高的喷油压力而且还消除了压力波动
在发动机所有转速范围内保持高燃油压力喷射,喷射压力可从20MPa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,缩短了着火延迟期,使燃烧更迅速、更彻底。
其次还可以使柴油机在低转速工况下获得良好的燃烧特性。
油轨中的燃油压力由发动机驱动的高压径向柱塞油泵提供。
电子控制单元(ECU)根据发动机的工况需要,通过操控电磁阀控制泵的燃油吸入量,使共轨中的燃油压力可在一定范围内进行连续调节设定。
电控单元(ECU)作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程。
喷油量的大小取决于燃油轨中的油压和电磁阀开启时间的长短,及喷油嘴液体流动特性。
由凸轮盘驱动的轴向柱塞式机械分配油泵(VE泵)的燃油系统压力与发动机转速呈线性关系,致使发动机低转速时燃油压力不足,其低速性能受到了很大的影响,而高压共轨技术解决了这个问题,它能够在发动机的所有转速范围内获得非常高的燃油压力。
4、实现了预喷射、分段喷射和喷射率的控制
除了可实现主喷射外,还可方便地加入一次或多次预喷射或后喷射,使每个气缸在一个循环中的柴油喷射次数达到2致4次。
预喷射和分段喷射优化了喷油特性、从而降低了柴油机噪声、改善了冷启动性能、改善了低速扭矩、大幅度减少了有害气体和颗粒物的排放量,同时又不增加氮氧化合物的生成。
还可、降低冷态工况下白烟的排放。
而且预喷射油量、预喷射与主喷射之间的间隔时间在不同工况下是可变的。
因此具有可变预喷射控制能力的柴油机具有卓越的性能。
柴油机的燃烧是非均质燃烧,混合气形成时间很短,而且混合气形成与燃烧过程交错在一起。
经过研究发现:
柴油机喷油规律、喷入燃料的雾化质量、气缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程以及有害排放物的生成。
除了靠提高喷油压力和柴油雾化效果来改善排放外,使用预喷射也是行之有效的方法。
预喷射就是在主喷射之前的某一时刻精确的喷入约为1-2毫升的预喷油量,从而使燃烧室被加热,缩短了随后进行的主喷射的着火延迟期。
于是温度与压力上升减缓,降低了燃烧噪声水平和NOx的排放。
预喷射技术的应用在降低排放和噪音方面取得了更大的进步。
5、实现了最小油量喷射控制和快速断油控制
喷油器的紧凑结构使得共轨系统即使对小排量4气门发动机也是实用的。
最小排量的柴油轿车在1999年年底诞生了。
它由3缸共轨柴油发动机驱动,其排量只有799mL,最大功率为30kW,在1800~2800rpm时输出最大扭矩为100Nm。
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。
它采用高速电磁阀实现了快速断油。
综上所述,共轨式电控燃油喷射技术有助于减少柴油机的有害尾气排放量,并具有降低噪声、降低燃油耗、提高动力输出等方面的综合性能。
高压共轨电控燃油喷射技术的应用有利于地球环境保护,加速促进柴油机工业、汽车工业,特别是工程机械相关工业的向前发展。
3.2高压共轨电控喷射技术的应用
自从1991年日本电装公司发表ECD-U2高压共轨系统论文以来,国外燃油系统制造商纷纷投入巨额资金和人力开发共轨系统。
博世公司于1995年发表了用于轿车的高压共轨系统,采用径向柱塞转子式供油泵,喷油器电磁阀采用球阀结构。
目前博世公司共轨系统在欧洲乘用车和轻型车柴油机上已得到普通应用,如德国戴姆勒-奔驰公司C系列轿车、意大利AlfaRemeo156轿车、德国大众的奥迪3.3L型V8涡轮增压柴油机、美国通用公司与日本五十铃公司合资生产的Duramax6600柴油机及美国康明斯公司的ISBe3.9L和5.9L全电控柴油机等。
德尔福与西门子分别在1998年和2000年推出轿车MultecDCR1400共轨系统,采用径向柱塞转子式供油泵,德尔福公司的喷油器电磁阀设计在喷油器内,使得喷油器体积更小巧;
西门子喷油器采用压电执行器,响应时间更短;
而日本电装公司在1991年研究开发出的ECD-U2第一代产品,并于1995年匹配Hino的J08C柴油机、五十铃的6HK1柴油机,经过多年的改进与完善,最新产品已用于轿车的ECD-U2P系统。
目前,共轨燃油喷射系统应用十分普遍,博世公司已生产出2500万套共轨系统,并在江苏无锡投资建设了技术中心和工厂,实现了本地化生产。
长城汽车与博世公司开发出了高压共轨柴油发动机,此外奥迪、奔驰、华泰等品牌也推出了采用共轨系统的汽车。
我国部分大学、研究所和企业也通过合作或独立自主研发,取得了各具特色的研究成果,并有数十项专利公布。
因此,我国在电控直喷式柴油机方面已积累了一定的经验,但总体来说与国外还存在差距,主要体现在制造工艺和批量生产的质量控制。
此外,国内共轨系统相关配套体系不健全,部分零部件还依靠进口,如单片机芯片、共轨压力传感器等。
国外公司与中国企业竞争已不占绝对优势相对于汽油机而言,国内在电控柴油机方面与国外差距相对较小。
这得益于两方面原因:
一是我国原有柴油机使用车辆大都具有自主品牌,二是我国柴油机使用车辆的舒适性要求不高,价格低廉,国外公司与中国企业竞争不占优势。
第四章柴油机高压共轨喷射技术的常见故障及检测
4.1发动机起动困难。
案例1
故障症状:
起动机和发动机均有正常起动转速,但不着火;
或者有时经过多次长时间的起动方可着火。
故障原因:
燃油管路有空气。
故障性质:
机械故障。
处理方法:
燃油管路排空气。
故障分析:
国III车采用共轨系统,油路排空气相对困难一些,往往操作人员感觉到空气排除干净的,实际还是没有彻底排干净。
根据实际使用情况来看,应该松开油泵回油螺栓来排空气,必要时可松开高压油管,利用起动机带动发动机空转来排空气;
如果仅仅是松开燃油滤清器的放气螺钉来排空气,可能不容易彻底排除燃油管路的空气,比较费力。
案例2
起动机和发动机均有正常起动转速,但不着火。
柴油管路或油水分离器堵塞。
清理柴油管路或油水分离器、对有水分离器进行放水,必要时更换,最后要对油路进行彻底排空气。
目前,我国的柴油品质还不能完全满足国III系统的柴油机对于柴油品质的要求,因此,国III发动机的柴油滤清器或油水分离器要经常保养,其保养周期要比以前的发动机大大缩短。
(还有一种情况,如果进油软管或回油软管内径太细太长导致进回油进回油不畅,比较严重的也会使发动机启动困难或无法起动。
此时,需要更换符合要求的进回油管,内径最好12毫米以上)。
案例3
ECU存在故障码。
电器故障。
清除故障码。
故障分析:
此车从机械方面检查均正常,用诊断仪诊断发现有“水温传感器”、“轨压传感器”、“油门踏板”等一些故障显示,清除故障码后,发动机顺利起动。
这种情况估计是维修或操作人员对电控系统的接插件进行了带电插拔的操作,这样系统会产生故障码储存在ECU中,系统起保护作用会限制一些功能甚至无法起动。
4.2发动机功率不足。
案例1
高速上不去,油耗高,排气管冒黑烟或篮烟。
进气管路漏气或有异物堵塞。
找出漏气位置,排除漏气故障,或清除堵塞。
此时车在低速状态下一般无明显症状,高速时油门踩到底发动机转速达不到最高转速,如果是堵塞且严重的情况下,高速时排气管产生大量蓝色或黑色浓烟。
车载故障灯低速时不亮,高速时会开始闪,用诊断仪检测有“进气压力传感器电压过低”的故障显示,清除异物后,故障排除;
如果是漏气,故障灯一般不会显示,可能造成进气管路漏气的地方有多处,如进气管垫片损坏,进气压力温度传感器安装不密封,中冷器连接橡胶管漏气,增压器连接橡胶管漏气等。
案例2
发动机无力。
进气温度传感器(压力)故障。
更换进气温度(压力)传感器。
此故障用诊断仪检测有:
“进气温度(压力)传感器电压过低”的显示。
发动机无力,油耗高,有时突然熄火。
燃油管路泄漏或空气有进入。
排除燃油管路泄漏,并排空气。
此故障一般在行驶中,由于燃油管路出现泄漏的地方,有时有空气进