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產品知識

關于高壓共軌技術研究

發布時間:2014-11-21 熱度:1753

高壓共軌(Common Rail)電噴技術是指在高壓油泵、壓力傳感器和電子控制單元(ECU)組成的閉環系統中,將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。它是由高壓油泵將高壓燃油輸送到公共供油管(Rail),通過公共供油管內的油壓實現精確控制,使高壓油管壓力(Pressure)大小與發動機的轉速無關,可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發動機轉速變化的程度。


(一)共軌技術


在柴油機中,高速運轉使柴油噴射過程的時間只有千分之幾秒,實驗證明,在噴射過程中高壓油管各處的壓力是隨時間和位置的不同而變化的。由于柴油的可壓縮性和高壓油管中柴油的壓力波動,使實際的噴油狀態與噴油泵所規定的柱塞供油規律有較大的差異。油管內的壓力波動有時還會在主噴射之后,使高壓油管內的壓力再次上升,達到令噴油器的針閥開啟的壓力,將已經關閉的針閥又重新打開產生二次噴油現象,由于二次噴油不可能完全燃燒,于是增加了煙度和碳氫化合物(HC)的排放量,油耗增加。此外,每次噴射循環后高壓油管內的殘壓都會發生變化,隨之引起不穩定的噴射,尤其在低轉速區域容易產生上述現象,嚴重時不僅噴油不均勻,而且會發生間歇性不噴射現象。為了解決柴油機這個燃油壓力變化的缺陷,現代柴油機采用了一種稱為共軌的技術。


共軌技術是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環系統中,將噴射壓力的產生和噴射過程彼此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,通過對公共供油管內的油壓實現精確控制,使高壓油管壓力大小與發動機的轉速無關,可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發動機轉速的變化,因此也就減少了傳統柴油機的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量,噴油量大小取決于燃油軌(公共供油管)壓力和電磁閥開啟時間的長短。


共軌式噴油系統于二十世紀 90 年代中后期才正式進入實用化階段。高壓共軌系統可實現在傳統噴油系統中無法實現的功能,其優點有:


a、共軌系統中的噴油壓力柔性可調,對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力,從而優化柴油機綜合性能。


b、可獨立地柔性控制噴油正時,配合高的噴射壓力( 120Mpa~200MPa ),可同時控制 NOx 和微粒( PM )在較小的數值內,以滿足排放要求。


c、柔性控制噴油速率變化,實現理想噴油規律,容易實現預噴射和多次噴射,既可降低柴油機 NOx ,又能保證優良的動力性和經濟性。


d、由電磁閥控制噴油,其控制精度較高,高壓油路中不會出現氣泡和殘壓為零的現象,因此在柴油機運轉范圍內,循環噴油量變動小,各缸供油不均勻可得到改善,從而減輕柴油機的振動和降低排放。


由于高壓共軌系統具有以上的優點,現在國內外柴油機的研究機構均投入了很大的精力對其進行研究。比較成熟的系統有:德國 ROBERT BOSCH 公司的 CR 系統、日本電裝公司的 ECD-U2 系統、意大利的 FIAT 集團的 unijet 系統、英國的 DELPHI DIESEL SYSTEMS 公司的 LDCR 系統、迪爾公司的高壓共軌系統等。


(二)高壓共軌電控燃油噴射系統及基本單元


它主要由電控單元、高壓油泵、蓄壓器(共軌管)、電控噴油器以及各種傳感器等組成。低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵,高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌(蓄壓器),高壓油軌中的壓力由電控單元根據油軌壓力傳感器測量的油軌壓力以及需要進行調節,高壓油軌內的燃油經過高壓油管,根據機器的運行狀態,由電控單元從預設的 map 圖中確定合適的噴油定時、噴油持續期由電液控制的電子噴油器將燃油噴入氣缸。


1、高壓油泵


高壓油泵的供油量的設計準則是必須保證在任何情況下的柴油機的噴油量與控制油量之和的需求以及起動和加速時的油量變化的需求。由于共軌系統中噴油壓力的產生于燃油噴射過程無關,且噴油正時也不由高壓油泵的凸輪來保證,因此高壓油泵的壓油凸輪可以按照峰值扭矩最低、接觸應力最小和最耐磨的設計原則來設計凸輪。


大部分公司采用由柴油機驅動的三缸徑向柱塞泵來產生高達 135Mpa 的壓力。該高壓油泵在每個壓油單元中采用了多個壓油凸輪,使其峰值扭矩降低為傳統高壓油泵的 1/9 ,負荷也比較均勻,降低了運行噪聲。該系統中高壓共軌腔中的壓力的控制是通過對共軌腔中燃油的放泄來實現的,為了減小功率損耗,在噴油量較小的情況下,將關閉三缸徑向柱塞泵中的一個壓油單元使供油量減少。


2、高壓油軌(共軌管)


共軌管將供油泵提供的高壓燃油分配到各噴油器中,起蓄壓器的作用, ECD-U2 系統的共軌管如圖 4 所示。它的容積應削減高壓油泵的供油壓力波動和每個噴油器由噴油過程引起的壓力震蕩,使高壓油軌中的壓力波動控制在 5Mpa 之下。但其容積又不能太大,以保證共軌有足夠的壓力響應速度以快速跟蹤柴油機工況的變化。 ECD-U2 系統的高壓泵的最大循環供油量為 600毫升,共軌管容積為 94000毫升。


高壓共軌管上還安裝了壓力傳感器、液流緩沖器(限流器)和壓力限制器。壓力傳感器向 ECU 提供高壓油軌的壓力信號;液流緩沖器(限流器)保證在噴油器出現燃油漏泄故障時切斷向噴油器的供油,并可減小共軌和高壓油管中的壓力波動;壓力限制器保證高壓油軌在出現壓力異常時,迅速將高壓油軌中的壓力進行放泄。


從上述分析可見,精確設計高壓共軌管的容積和形狀適合確定的柴油機是非常關鍵的。


3、電控噴油器


電控噴油器是共軌式燃油系統中最關鍵和最復雜的部件,它的作用根據 ECU 發出的控制信號,通過控制電磁閥的開啟和關閉,將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率噴入柴油機的燃燒室。


為了實現預定的噴油形狀,需對噴油器進行合理的優化設計??刂剖业娜莘e的大小決定了針閥開啟時的靈敏度,控制室的容積太大,針閥在噴油結束時不能實現快速的斷油,使后期的燃油霧化不良;控制室容積太小,不能給針閥提供足夠的有效行程,使噴射過程的流動阻力加大,因此對控制室的容積也應根據機型的最大噴油量合理選擇。


控制量孔 A 、 Z 的大小對噴油嘴的開啟和關閉速度及噴油過程起著決定性的影響。雙量孔閥體的三個關鍵性結構是進油量孔、回油量孔和控制室,它們的結構尺寸對噴油器的噴油性能影響巨大?;赜土靠着c進油量孔的流量率之差及控制室的容積決定了噴油嘴針閥的開啟速度,而噴油嘴針閥的關閉速度由進油量孔的流量率和控制室的容積決定。進油量孔的設計應使噴油嘴針閥有足夠的關閉速度,以減少噴油嘴噴射后期霧化不良的部分。


此外噴油嘴的最小噴油壓力取決于回油量孔和進油量孔的流量率及控制活塞的端面面積。這樣在確定了進油量孔、回油量孔和控制室的結構尺寸后,就確定了噴油嘴針閥完全開啟的穩定、最短噴油過程,同時就確定了噴油嘴的穩定最小噴油量??刂剖胰莘e的減少可以使針閥的響應速度更快,使燃油溫度對噴嘴噴油量的影響更小。


但控制室的容積不可能無限制減少,它應能保證噴油嘴針閥的升程以使針閥完全開啟。兩個控制量孔決定了控制室中的動態壓力,從而決定了針閥的運動規律,通過仔細調節這兩個量孔的流量系數,可以產生理想的噴油規律。


由于高壓共軌噴射系統的噴射壓力非常高,因此其噴油嘴的噴孔截面積很小,如 BOSCH 公司的噴油嘴的噴孔直徑為 0.169mm × 6 ,在如此小的噴孔直徑和如此高的噴射壓力下,燃油流動處于極端不穩定狀態,油束的噴霧錐角變大,燃油霧化更好,但貫穿距離變小,因此應改變原柴油機進氣的渦流強度、燃燒室結構形狀以確保最佳的燃燒過程。


對于噴油器電磁閥,由于共軌系統要求它有足夠的開啟速度,考慮到預噴射是改善柴油機性能的重要噴射方式,控制電磁閥的響應時間更應縮短。


4、高壓油管


高壓油管是連接共軌管和電控噴油器的通道,它應有足夠的燃油流量減小燃油流動時的壓降,并使高壓管路系統中的壓力波動較小,能承受高壓燃油的沖擊作用,且起動時共軌中的壓力能很快建立。各缸高壓油管的長度應盡量相等,使柴油機每一個噴油器有相同的噴油壓力,從而減少發動機各缸之間噴油量的偏差。各高壓油管應盡可能短,使從共軌到噴油嘴的壓力損失最小。 BOSCH 公司的高壓油管的外經為 6mm ,內徑為 2.4mm ,日本電裝公司的高壓油管的外經為 8mm ,內徑為 3mm 。

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