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浅析高压共轨技术与基本原理

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  【中国挖掘机网】高压共轨(Common Rail)电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环系统中,将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管(Rail),通过公共供油管内的油压实现精确控制,使高压油管压力(Pressure)大小与发动机的转速无关,可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度。


  (一)共轨技术


  在柴油机中,高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒,实验证明,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。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷,现代柴油机采用了一种称为共轨的技术。


  共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中,将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式,由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管,通过对公共供油管内的油压实现精确控制,使高压油管压力大小与发动机的转速无关,可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化,因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量,喷油量大小取决于燃油轨(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。


  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,其优点有:


  a、共轨系统中的喷油压力柔性可调,对不同工况可确定所需的最佳喷射压力,从而优化柴油机综合性能。


  b、可独立地柔性控制喷油正时,配合高的喷射压力( 120Mpa~200MPa ),可同时控制 NOx 和微粒( PM )在较小的数值内,以满足排放要求。


  c、柔性控制喷油速率变化,实现理想喷油规律,容易实现预喷射和多次喷射,既可降低柴油机 NOx ,又能保证优良的动力性和经济性。


  d、由电磁阀控制喷油,其控制精度较高,高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象,因此在柴油机运转范围内,循环喷油量变动小,各缸供油不均匀可得到改善,从而减轻柴油机的振动和降低排放。


  由于高压共轨系统具有以上的优点,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。


  (二)高压共轨电控燃油喷射系统及基本单元


  它主要由电控单元、高压油泵、蓄压器(共轨管)、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵,高压油泵将燃油加压送入高压油轨(蓄压器),高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节,高压油轨内的燃油经过高压油管,根据机器的运行状态,由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。


  1、高压油泵


  高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关,且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证,因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。


  大部分公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135Mpa 的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮,使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ,负荷也比较均匀,降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的,为了减小功率损耗,在喷油量较小的情况下,将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。


  2、高压油轨(共轨管)


  共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中,起蓄压器的作用, ECD-U2 系统的共轨管如图 4 所示。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡,使高压油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大,以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 ECD-U2 系统的高压泵的最大循环供油量为 600毫升,共轨管容积为 94000毫升。


  高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器(限流器)和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号;液流缓冲器(限流器)保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油,并可减小共轨和高压油管中的压力波动;压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时,迅速将高压油轨中的压力进行放泄。


  从上述分析可见,精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油机是非常关键的。


  3、电控喷油器


  电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件,它的作用根据 ECU 发出的控制信号,通过控制电磁阀的开启和关闭,将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。


  为了实现预定的喷油形状,需对喷油器进行合理的优化设计。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度,控制室的容积太大,针阀在喷油结束时不能实现快速的断油,使后期的燃油雾化不良;控制室容积太小,不能给针阀提供足够的有效行程,使喷射过程的流动阻力加大,因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。


  控制量孔 A 、 Z 的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室,它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度,而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度,以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。


  此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后,就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程,同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快,使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。


  但控制室的容积不可能无限制减少,它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力,从而决定了针阀的运动规律,通过仔细调节这两个量孔的流量系数,可以产生理想的喷油规律。


  由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高,因此其喷油嘴的喷孔截面积很小,如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为 0.169mm × 6 ,在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下,燃油流动处于极端不稳定状态,油束的喷雾锥角变大,燃油雾化更好,但贯穿距离变小,因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。


  对于喷油器电磁阀,由于共轨系统要求它有足够的开启速度,考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式,控制电磁阀的响应时间更应缩短。


  4、高压油管


  高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道,它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降,并使高压管路系统中的压力波动较小,能承受高压燃油的冲击作用,且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等,使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力,从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短,使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。 BOSCH 公司的高压油管的外经为 6mm ,内径为 2.4mm ,日本电装公司的高压油管的外经为 8mm ,内径为 3mm 。

本文来源:中国挖掘机网 作者:
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