柴油機大腦“高壓共軌技術”介紹

柴油機大腦“高壓共軌技術”介紹

高壓共軌技術是指在由高壓油泵、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,噴油量大小取決於燃油軌(公共供油管)壓力和電磁閥開啟時間的長短。

高壓共軌有什麼作用:

高壓油泵提將燃油輸送到公共供油管,通過控制噴油器將燃油直接噴射到缸內。高壓共軌將噴射過程和油壓產生完全分開,使供油壓力不會受到發動機轉速的影響。

優點:

1、高壓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。

2、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。

3、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。

4、由電磁閥控制噴油,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,因此在柴油機運轉範圍內,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。

代表車型:

1999年年底誕生了裝配著3缸共軌柴油發動機的Smart,它的排量只有799mL,最大功率30kW,在1800~2800rpm時輸出最大扭矩100Nm。

奔馳推出的E320上安裝了第二代共軌發動機,最大功率150kW/1000rpm時輸出扭矩250Nm,在1400rpm時即可得到峰值扭矩的85%,在1800~2600rpm的廣闊區域內實現500Nm的峰值扭矩。0~100km/h的加速時間只有7.7秒,最高車速243km/h。綜合油耗是6.9L/100km,80L的油箱使續航能力達到了1000km。而配有汽油機的E320的綜合油耗是9.9L/100km。

技術概括:

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。由於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後,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,由於二次噴油不可能完全燃燒,於是增加了煙度和碳氫化合物(HC)的排放量,油耗增加。此外,每次噴射循環後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,現代柴油機採用了一種稱為共軌的技術。

高壓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,噴油量大小取決於燃油軌(公共供油管)壓力和電磁閥開啟時間的長短。

技術原理:

高壓共軌系統主要由電控單元、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汽缸。

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。由於共軌系統中噴油壓力的產生於燃油噴射過程無關,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。

大部分公司採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採用了多個壓油凸輪,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洩來實現的,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。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盪,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。

高壓共軌管上還安裝了壓力傳感器、液流緩衝器(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;液流緩衝器(限流器)保證在噴油器出現燃油漏洩故障時切斷向噴油器的供油,並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洩。

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複雜的部件,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。控制室的容積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,使後期的燃油霧化不良;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。

此外噴油嘴的最小噴油壓力取決於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後,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。控制室容積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係數,可以產生理想的噴油規律。

由於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,燃油流動處於極端不穩定狀態,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。

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