11第二节 柴油机电控共轨技术一、柴油机电控共轨系统简介图 8-44 是博世公司生产的第一代高压电控共轨燃油系统。图 8-4 BOSCH 第一代高压电控共轨燃油系统该系统的主要特点：共轨压力为 135 MPa；2、可实现预喷射；3、可实现闭环控制；4、可用于 3-8 缸轿车柴油机；5、排放可达欧 3 排放标准。 图 8-45 是日本电装公司开发的适用于轿车柴油机的高压电控共轨系统。第一代电控共轨系统基本上是采用高速电磁阀作为执行器，承受的最高油压及系统的效率受到了限制，为了解决这一难题，许多公司正在开发采用压电晶体的电控共轨燃油系统。 图 8-46 是 ECD-U2 共轨系统在汽车上的实际布置图22电控共轨系统的特点可以概括如下：(1)自由调节喷油压力（共轨压力）：利用共轨压力传感器测量共轨内的燃油压力，从而调整供油泵的供油量。(2)自由调节喷油量：以发动机的转速及油门开度信息等为基础，由计算机计算出最佳喷油量，通过控制喷油器电磁阀的通电、断电时刻及通电时间长短，直接控制喷油参数。(3)自由调节喷油率形状：根据发动机用途的需要，设置并控制喷油率形状：预喷射、后喷射、多段喷射等。(4)自由调节喷油时间：根据发动机的转速和负荷等参数，计算出最佳喷油时间，并控制电控喷油器在适当的时刻开启，在适当的时刻关闭等，从而准确控制喷油时间。在电控共轨系统中，由各种传感器发动机转速传感器、油门开度传感器、温度传感器等，实时检测出发动机的实际运行状态，由 ECU 根据预先设计的计算程序进行计算后，定出适合于该运行状态的喷油量、喷油时间、喷油率等参数，使发动机始终都能在最佳状态下工作。德国博世公司和日本电装公司的研究结果均表明：在直喷式柴油机中，采用电控共轨式燃油系统与采用普通凸轮驱动的泵管嘴系统相比，电控共轨系统与发动机匹配时更加方便灵活。其突出优点可以归纳如下：（1）广阔的应用领域（用于轿车和轻型载货车，每缸功率可达 30kW，用于重型载货车以及机车和船舶用柴油机，每缸功率约可达 200kW 左右）。(2)更高的喷油压力，目前可达 140 MPa，不久的将来计划达到 180Mpa。(3)喷油始点、喷油终点可以方便地改变。(4)可以实现预喷射、主喷射和后喷射，可以根据排放等要求实现多段喷射。33(5)喷油压力与实际使用工况相适应。在电控共轨式燃油系统中，喷油压力的建立与燃油喷射之间无相互依存关系，喷油压力不取决于发动机转速和喷油量。在高压燃油存储器即“共轨” 中，始终充满喷射用的具有一定压力的燃油。喷油量由计算机通过计算决定，受到的其他制约条件很少。(6)喷油正时和喷油压力在 ECU 中由存储的特性曲线谱(MAP)算出。然后，电磁阀控制装在每个发动机气缸上的喷油器（喷油单元）予以实现。ECU 借助于传感器得知驾驶员的要求（加速踏板位置）以及发动机和车辆的实时工作状态。ECU 处理由传感器检测到的信号并对车辆，特别是对发动机进行控制和调节。曲轴转速传感器测定发动机转速，凸轮轴转速传感器确定发火顺序（相位）。加速踏板传感器是一种电位计，它通过电信号通知 ECU 关于驾驶员对转矩的要求。空气质量流量计检测空气质量流量。在涡轮增压并带增压压力调节的发动机中，增压压力传感器检测增压压力。在低温和发动机处于冷态时，ECU 可根据冷却水温度传感器和空气温度传感器的数值对喷油始点、预喷油及其他参数进行最佳匹配。根据车辆的不同，还可将其他传感器和数据传输线接到 ECU 上，以适应日益增长的安全性和舒适性要求。计算机具有自我诊断功能，对系统的主要零部件进行技术诊断，如果某个零件产生了故障，诊断系统会向驾驶员发出警报，并根据故障情况自动作出处理；或使发动机停止运行即所谓故障应急功能，或切换控制方法，使车辆继续行驶到安全的地方。在传统的泵管嘴嫌油系统中，喷油压力与发动机的转速、负荷有关，不是独立变量。在高压电控共轨系统中，供油压力与发动机的转速、负荷无关，是可以独立控制的。由共轨压力传感器测出燃油压力，并与设定的目标喷油压力进行比较后进行反馈控制。表 8-2 为轿车柴油机用三种燃油系统的比较二、电控共轨系统的组成电控共轨嫩油系统的主要组成部分是：电控喷油器、供油泵、各种传感器和电控单元ECU 等。1、电控喷油器在电控共轨系统中，设计、工艺难度最大的部件首推电控喷油器。到目前为为止，电控共轨系统中品种最多的部件也是电控喷油器。各种电控喷油器的基本原理相同，结构相似，但外形相差较大。（一）电控喷油器概述44表 8-3 是电装公司和博世公司电控喷油器喷油量的试验数据。各种喷油器性能差不多仅有徽小的差别.表 8-4 是根据一些资料整理的，当今世界上具有一定规模的柴油机燃油系统公司的电控喷油器的基本数据。表 8-4 电控喷油器基本资料各种电控喷油器的基本资料 表 8-4（二）电装公司的电控喷油器电装公司在电控喷油器开发方面从 80 年代中期开始就一直走在世界前列。表 8-5 是电装公司关于电控喷油器的产品开发规划图。551电控喷油器的规划表 8-5 是电装公司关于电控喷油器的产品开发规划图。 1997 年之前是基本产品开发阶段。从 1998 年开始到 2001 年是新型电控喷油器开发的第一阶段，主要是 X1 和 X2 型电控喷油器，2002 年之后是断一代电控喷油器 G2 的开发阶段。关于 G2 型电控喷油器的具体资料还不多见。2三通阀结构和二通阀结构电装公司最初开发的电控喷油器采用三通阀结构。在设计初期阶段，从理论上分析，三通阀结构具有很多优越性，但是实际试验和使用过程中发现，该三通阅结构并不如想像的好，因为燃油泄漏量较大。但是，燃油从何处泄漏，如何减少燃油泄漏等又没有有效的技术措施。因此，使用后不久就废止了，改成了二通阀结构。电装公司三通阀喷油器和二通阀喷油器的结构对比如图 8-47 所示。三通阀式喷油器的工作原理如图 8-48 (b)所示。66当二通阀开启（通电，图 8-48 (a)时，控制腔内的高压燃油经量孔 2 流人低压腔中，控制腔中的燃油压力降低，但是，喷油嘴压力室中的燃油压力仍是高压。压力室中的高压使针阀开启，向气缸内喷射燃油。当二通阀关闭（不通电）时，通过量孔 1，控制腔中的然油压力升高，使针阀下降，喷油结束。这里有一个重要条件：量孔 2 的直径必须小于其左下方的量孔 1 的直径。否则不能进行上述工作。二通阀的通电时刻确定了喷油始点，二通阀的通电时间长短确定喷油量。这些基本喷油参数都是电子脉冲控制的。TWv（二通阀）通过控制喷油器控制腔内的压力来控制喷油的开始和喷油终了。量孔大小既控制喷油嘴针阀的开启速度，也控制喷油率形状。控制活塞的作用是将控制腔内的油压作用力传递到喷油嘴针阀上。三通阀的工作原理如图 8-48（2）所示。在三通阀式喷油器的共轨系统中，共轨中总是高压，压力范围是 15-130Mpa。三通阀有两个阀体：内阀（固定）和外阀（可动）。二阀同轴地、密密地配合在一起。内阀和外阀分别具有各自的密封座面。三通阀电控喷油器的工作过程如下：(1)不喷油状态：电磁线圈处于不通电的状态，外阀在弹簧力和高压油压力的作用下压向下方而关闭。控制腔内是共轨的高压燃油的压力，所以，喷油嘴的针阀关闭不喷油。77(2)喷油开始状态：电磁阀开始通电，由于电磁力的作用，外阀被向上拉起，外阀开启，但是，这时内阀是关闭的；通过固定的节流孔燃油流出，针阀尾部的压力降低，针阀开始上升，喷射开始。如果持续通电，则针阀上升到最大升程，达到最大喷油率的状态。(3)喷油结束状态：通向三通阀的电流一旦切断，在弹赞力和姗油压力的作用下，外阀下降而关闭。这时，共轨内的高压燃油一下子就流人喷油器的控制腔内，针阀快速关闭，喷油迅速结束。喷油始点和喷油延续时间由指令脉冲决定，与转速及负荷无关；因此，可以自由控制喷油时间。在主脉冲之前，有一个脉宽相当小的预喷射脉冲。在 ECD-U2 系统中，可以方便地实现预喷射。根据发动机的实际需要，预喷射形状可以有多种形式。决定预喷射形状的参数有：预喷油量大小及预喷油与主喷油之间的时间间隔。但是，实现该理想的喷油速率图形的具体方法主要是准确而细致地调节脉冲始点、脉冲宽度和脉冲间隔。图 8-49 为喷油器的控制电路。ECD-U2 高压共轨燃油系统是完全的“时间一压力调节系统”。喷油量是由共轨压力和喷油器电磁阀通电脉冲宽度决定的。以共轨压力为参数，改变脉冲宽度，可以得到一条线性的喷油器的喷油量特性。利用这一特性，在发动机全部工作范围内，可以方便地得到如目标设定的调速特性。近来，电控燃油系统的喷油率控制方面取得了新的进展，在一次喷油循环中可以实现 5 段，甚至 7 段喷抽（理论上可以实现更多段喷油）。但其中只有一次是主喷油，其余均为辅助喷射，目的在于改善燃烧质量，改善排放等。在电控共轨燃油系统中，原则上都已经解决了。根据 ECU 送来的电子控制信号，喷油 器将共轨内的高压燃油以最佳的喷油时刻、最适当的喷油量、最合适的喷油率和喷雾状态喷入发动机燃烧室中。电装公司电控喷油器的整体结构如图 8-49 所示。喷油器的主要零件是：喷油嘴，控制喷油率的量孔，控制活塞和二通阀。电控喷油器中由电磁阀直接控制喷油始点、喷油始点、喷油间隔和喷油终点，从而直接控制喷油量、喷油时间和喷油率。电控喷油器实际上完成了传统喷油装置中的喷油器、调速器和提前器的功能。与直喷式柴油机中的机械式喷油器体相似，喷油器可用压板等安装在气缸盖内。设计良好的电控喷油器和传统的机械式喷油器结构相近。因此，共轨式喷油器在直喷式柴油机中的安装不需要显著改变气缸盖结构。对于三通阀式电控喷油器和二通阀式电控喷油器曾进行过认真的对比分析。相对于三通阀喷油器来说，二通阀式电控喷油器具有两项重要改进：（1）电磁阀密封部分减少：由原来的 2 处减少到 1 处。(2)电磁线圈的结构：采用螺旋形磁铁。磁铁直径减小：由原来的 30mm 减小到25mm。驱动能量减少：从原来的 120mj 减小到 70mJ。相对于三通阀来说，二通阀式电控喷油器具有独特的优点：88（1）漏油量减少，燃油耗降低（燃油泄漏量减少：在 1000r/min，120MPa 下，燃油泄漏量从 220mm3/行程减少到 120mm3/行程）。(2)结构紧凑，体积小，安装自由度大，在发动机上布置比较方便。(3)排放改善，可满足高压化要求。(4)ECU-EDU 一体化。(5)控制阀和针阀座面的耐磨性提高，密封面的密封性提高，重要零件的强度增加，工作可靠性提高，共轨压力明显提高等。表 8-6 是二通阀式喷油器的喷油量特性曲线。图中表明脉宽和每循环喷油量的关系；在不同的喷油压力下，脉宽相同，喷油量不同；喷油压力越高，喷油量越大。但是，左图和右图相比，带补偿电阻的喷油器和不带补偿电阻的喷油器的喷油量也有一定的区别。显然，带补偿电阻的电控喷油器喷油量特性的线性度提高了，分散度降低了。表 8-63X2 型和 G2型电控喷油器电装公司 X2型电控喷油器的模型图可参见图 8-50。其主要特点是：(1)加在电磁阀上的油压降低了由于采用了低压沟；密封座面耐磨性提高了；阀可承受的工作压力提高了从 135MPa 提高到 160MPao(2)整体结构更加小型化头部高度降低了。(3)可靠性提高了由于采用 CrN 镀层、采用陶瓷元件(4)可承受的面压提高了；强度方面进行了计算校核。下一代的 G2 型喷油器的主要特点如下：99图 8-50 电装公司 X2 型电控喷油器(1)喷油高压化。设法降低喷油嘴偶件座面的接触压力。例如：将指令活塞的直径从 5.0减小到料 4.3mtn。密封性能提高；耐压强度提高；滑动面之间的耐磨性能提高；针阀座面的耐磨性能提高。 (2)减小喷油量的波动偏差。改进电磁阀的响应特性，增加外部调节机构二通阀的设定负荷、升程大小等。(3)实现多段喷油化、减小多段喷油之间的时间间隔从 0.7ms 降低到 0.4ms（目标值）。改善电磁阀的响应特性，减小控制室的容积。(