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1、摘要高压共轨式电控燃油喷射系统因为在控制喷油量、喷油压力、喷油正时及喷油率等方面所表现出的极大的灵活性而具有传统燃油系统和其它电控喷油系统无法比拟的优势，代表了柴油机电控喷油技术的发展方向。电控液压喷油器是高压共轨系统中最关键的部件，高压共轨喷油系统的优良性能必须通过喷油器来实现。论文综述了柴油机电控喷油系统的分类和发展，详细介绍了高压共轨系统的特点和原理以及国外的典型系统，尤其对国外有代表性的电控液压喷油器的结构和原理作了全面的比较和分析。论文介绍作者参考国内外高压共轨喷油器的典型结构和原理而设计的一种电控液压喷油器。阐述该喷油器的特点，分析喷油器主要部件的特性和要求，分析喷油器的驱动电路，
2、计算该喷油器关键零部件的重要参数。最后结合相关数据，绘制了喷油器的装配图与零件图，确定了喷油器各部分的材料与工艺要求。该喷油器能够实现先缓后急的喷油规律，达到降低有害排放物的目标。关键词：柴油机, 高压共轨, 电控液压喷油器, 电路分析，参数计算AbstractThe high pressure common rail injection system possesses the excellent ability to improve the emission and economic performance of diesel engines, it presents the develo
3、ping direction of fuel injection system for diesel engine and is the necessary way to make diesel engine reach more rigorous emission laws. The electro-hydraulic injector is one of the most important components of high pressure common rail injection system, the latter must rely on it to realize its
4、excellent functions.Based on consulting and researching extensive related literatures issued by international and domestic organizations, this paper summarizes the history of electronic controlled fuel injection system of diesel engine, the principle and advantages of high pressure common rail injec
5、tion system and its representative products of foreign countries, then introduces the structure and principle of representative electro-hydraulic injector made by west developed countries in details.In this paper, an electro-hydraulic injector designed by the author is introduced detailedly. The pap
6、er summarizes the injectors working principle、features and performance characteristic and analyzes the driver circuit of the injector，the important parameters of the injector were carried out through analysis and calculating. Finally, according to relevant data, rendering the injector assembly drawi
7、ngs and parts drawings, identify the material and technological requirements of various parts of the injector。This injector can realize the perfect fuel injection rate that is called -shaped which means beginning injection with a slow-acting rate and then ending the injection suddenly. This kind of
8、injector can reduce the harmful emission quantity from diesel engines.Key words: diesel engine high pressure common rail, electro-hydraulic injector; circuit analysis, parameter calculation 目录摘要IAbstractII第一章 绪论- 1 -1.1柴油机电控喷油技术的发展- 1 -1.2柴油机高压共轨喷射系统- 2 -1.2.1 高压共轨系统的特点- 2 -1.2.2 高压共轨喷油系统的组成- 4 - 1.
9、2.3 高压共轨系统对柴油机排放的影响. 41.2.4 国外研究动态- 5 -1.2.5 国内研究状况- 11 -1.3 高压共轨系统的电控液压喷油器- 11 -1.3.1Bosch 公司开发的 CR 系统喷油器- 12 -1.3.2 日本电装公司 ECD-U2 系统喷油器- 13 -1.3.3Lucas Varity 公司电控液压喷油器- 14 -1.4 本论文的主要工作- 14 -1.5本章小结- 15 -第二章 喷油器的工作特性与驱动电路- 16 -2.1喷油器的工作特性- 16 -2.1.1喷油器的结构与工作原理- 16 -2.1.2 喷油器的特点- 18 -2.2 喷油器喷油率的控制
10、- 19 -2.3 喷油器的喷雾特性20- 21 -2.4 喷油器燃油喷射量特性- 22 -2.5 喷油器的液力特性- 23 -2.6 喷油器的密封性的分析- 24 -2.7 驱动电路的分析- 25 -2.8 本章小结- 27 -第三章 喷油器参数计算与选择- 28 -3.1.1 额定功率时的循环供油量- 28 -3.1.2 喷油持续时间- 29 -3.1.3喷油脉宽的计算与修正- 29 -3.1.4 电磁力的计算- 34 -3.2喷油器参数的研究- 34 -3.2.1针阀弹簧的设计- 34 -3.2.2电磁阀弹簧的计算- 37 -3.2.3控制腔的设计- 38 -3.2.4通流截面的设计-
11、42 -3.2.5 喷油孔的设计- 43 -3.3 本章小结- 43 -第四章 电控液压喷油器设计- 45 -4.1整体设计要求- 45 -4.2 针阀的设计- 46 -4.3针阀体的设计- 47 -4.4 弹簧的设计- 48 -4.5 衔铁与定位套- 49 -4.6控制阀座- 50 -4.7 控制柱塞- 50 -4.8 喷油器体- 51 -4.9 电磁阀- 52 -4.10 电器插头- 53 -4.11密封环及滤网- 54 -4.12 油管接头- 54 -4.13 球阀与阀芯- 54 -4.14 本章小结- 55 -第五章 设计总结- 56 -致谢- 57 -参考文献- 58 -第一章 绪论
12、1.1柴油机电控喷油技术的发展柴油机自 1897 年由德国工程师鲁道夫狄塞尔发明以来至今已有 100 多年的历史，由于其具有良好的动力性、经济性和可靠性而被广泛用作船舶、固定式装备及各种车辆的动力。融合了现代先进制造技术、电子技术和控制技术的新型柴油机甚至进入了豪华跑车和轿车领域，今后柴油机仍将继续是社会的主要动力装置之一。但是由于环境污染和能源危机的日趋严重，美国、欧盟和日本等国相继颁布了非常严格的柴油发动机排放法规及燃油经济性法规，以限制柴油机的有害排放物的数量，迫使柴油发动机向低排放和低油耗的方向发展，我国也颁布了相应的法规。在此背景下，柴油发动机今后发展的重要方向是要显著地降低柴油发动
13、机尾气中的有害物排放、噪声和燃油耗，满足柴油发动机苛刻的排放法规的要求以及用户对降低柴油发动机噪声和燃油耗的强烈要求。降低柴油机有害排放物、油耗以及噪声的关键是合理地控制柴油发动机燃烧室内的燃烧过程，因此需要更好地组织进气过程、燃油的供给过程和混合气的形成及燃烧过程，为此需要提高柴油发动机中进气系统、燃油系统和燃烧系统的性能，其中提高喷油系统的性能是改进提高柴油发动机整体性能的关键措施之一，新型高性能燃油系统的开发己成为提高现代柴油机综合性能的重要手段。随着现代电子技术和现代控制技术的飞速发展和成熟，人们把这些技术成果应用到柴油机燃油喷射系统，不断开发出性能优异的电控燃油喷射系统。电控燃油喷射
14、系统的发展经历了位置控制式电控燃油系统、时间控制式电控燃油系统和压力时间控制式电控燃油系统三个阶段。位置控制式电控燃油系统的特点是完全保留了传统燃油系统的基本结构和脉冲高压供油的原理，只是通过增设传感器、执行器和微处理器组成控制系统，对高压油泵的齿条或滑套位置进行电子控制，从而控制柴油机燃油系统的燃油喷射量和喷油正时，提高燃油系统的控制能力和适应性，并新增加了一些其他的控制功能，最终提高了燃油系统的整体性能。随着排放标准的日趋严酷，也为了进一步提高柴油机的竞争能力和整体性能水平，又发展了所谓时间控制式电控燃油系统，如电控泵喷嘴系统和电控泵管嘴系统等。时间控制式燃油系统利用高速强力电磁阀的开启时
15、刻和闭合时刻准确地控制燃油的喷射量和喷射定时，使燃油的喷射过程更加符合燃烧过程的要求，系统的控制精度、控制范围、响应速度和控制能力的进一步拓展给柴油机整体性能的优化匹配带来了更大的自由空间，使柴油机在具有较高整体性能的同时又满足现有排放法规的要求，也有利于汽车实现全面电子控制，但是原理和结构上仍然采用脉冲高压供油原理，喷射压力受到转速的影响，制约了性能的进一步改善，难以满足更严格的排放法规的要求。在上世纪 90年代，一种更先进的压力时间式燃油喷射系统应运而生，这就是共轨式电控喷油系统。共轨燃油喷射系统又划分为蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。高压共
16、轨燃油系统是建立在机械、液压和电控技术基础之上的一种全新概念的喷油系统。高压共轨系统抛弃了传统的喷油系统的柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在供油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并平抑压力波动，再通过高压油管输送到每个喷油器上，由喷油器电磁阀的动作控制喷射的开始、终止和喷油率；电磁阀起作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力共同决定喷油量，电磁阀的流量特性控制喷油率。由于这种系统采用压力时间式燃油计量原理，因此称为压力时间控制式电控喷射系统。1.2柴油机高压共轨喷射系统1.2.1高压共轨系统的特点为了满足欧洲 III 和美国 1998 年排放法规，
17、未来的燃油喷射系统将具备如下特性：(1)较高的、灵活可调的平均有效喷射压力；(2)低的初期喷油速率或预喷射功能；(3)快速停油功能；(4)灵活的喷油定时控制；(5)与柴油机电控系统的适配性和兼容性。实现以上柔性控制功能是燃油喷射系统发展的必然趋势。高压共轨燃油系统正是顺应这些需求而诞生。高压共轨燃油系统始于二十世纪 90 年代初期，属于第三代电控喷油系统技术,至90 年代中后期开始进入实用阶段。它和汽油机缸内多点直喷技术、DME 代用燃料被世界内燃机行业公认为20世纪三大突破,在21世纪将对世界各国的经济发展作出重大贡献。高压共轨喷油系统具有以下特点：（1） 喷油压力的建立不受柴油机转速的限制
18、，喷油压力、喷油过程和喷油持续期可依据负荷、转速和柴油机状态实现优化。因而可以提高柴油机低速运行和起动时的喷油压力和喷油速率，并使低转速时喷油持续期减小，有助于改善柴油机低速时的性能和排放。（2） 控制脉宽可以控制喷油量，通过控制脉冲起始时间可以在很宽的范围内控制喷油提前角，不受机械因素限制，控制灵活、精度高，能够根据反馈的信息随时修正控制量，兼顾柴油机动力性、经济性和排放的要求。（3） 喷油定时与燃油量计量分开，响应速度快，可以自由调整每缸的喷油量和喷油始点。（4） 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和 PM，又能保证优良的动力性和经济性。
19、（5） 喷油器上无压力增压机构，高度降低，安装尺寸小，采用标准柴油机喷油嘴，有利于匹配各种机型，减少了柴油机结构和尺寸的改变。1.2.2 高压共轨喷油系统的组成高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元（ECU）、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。传感器有发动机凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、加速踏板位置传感器、燃油压力传感器、冷却水温传感器、进气温度传感器、增压压力传感器和燃油温度传感器。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，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，根据机器的运动状态，由电
20、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。1.2.3 高压共轨系统对柴油机排放的影响为了降低柴油机的颗粒排放，在燃油的扩散燃烧期间必须保持燃油和空气的良好混合，并达到较高的火焰温度。高压共轨系统能使共轨管道内的燃油压力达到160MPa，并通过共轨管道将高压燃油供给系统的喷油器，很小的喷孔尺寸又使喷油嘴压力室在燃油喷射过程中能保持很高的喷油压力，而高压喷射能使燃油雾化良好并且燃油喷注的动能和紊流程度较大，能使大量的空气被卷吸入雾化良好的油雾中，在进气流动和燃烧室匹配良好的情况下，这能显著改善可燃混合气的形成过程；小喷孔直径和高压喷射使燃油在喷
21、孔中的流动高度紊乱，则燃油喷注的喷射锥角变大。贯穿距离变小，动能及紊动能增加，燃油雾化更好，在形成良好的可燃混合气的前提下柴油机可采用较弱的缸内涡流强度，以减少燃烧过程中可燃混合物的动能耗散，增加火焰的传播速度和燃烧温度，缩短可燃混合物的燃烧周期；在燃烧室的结构形式与燃油喷注很好地匹配时，较低的动能耗散使空气涡流在燃烧过程中能保持适当的强度，提高了空气的利用率和碳烟颗粒的氧化量，减少了碳烟颗粒的排放。在柴油机的低转速和小负荷工况下高压共轨系统仍能保持较高的燃油喷射压力，可确保燃油的良好雾化及柴油机的冷启动怠速性能，在柴油机的其他运行工况能提供最佳的喷油压力，以确保燃油喷注与柴油机缸内空气涡流的
22、最佳匹配和燃烧过程的合理进行。高压共轨系统采用预喷射技术，降低柴油机初期燃烧过程的温度和压力升高率以及初始放热率，从而降低柴油机的 NOx 排放和噪声水平，并且有效降低柴油机冷态白烟排放和改善冷启动性能。预喷射与主喷射的压力、油量、喷油率和喷油定时将对柴油机的比油耗产生影响，要仔细调整预喷射与主喷射的相关参数。为了减少柴油机的 HC 排放量，高压共轨系统中喷油器的结构设计采用了电控液力伺服原理，使喷油器针阀有足够大的关闭速度，以减少燃油喷射后期雾化不良的部分。喷油器在喷油结束时产生的大粒径滴漏量对柴油机的 HC 排放影响较大，为此应减少喷油器针阀密封面以下压力室的有害容积，可采用小压力室容积喷
23、油嘴和无压力室容积喷油嘴。无压力室容积喷油嘴的喷孔位于喷油嘴针阀的座面上，随喷油嘴针阀的落座而被关闭，使喷油嘴和柴油机燃烧室完全隔离开，极大地减少了喷油嘴喷油结束时的滴漏量。1.2.4 国外研究动态在高压共轨喷油系统研究方面具有代表性的公司及其系统有：(1)意大利菲亚特集团（Unijet 系统），(2)德国 Robert Bosch 公司(CR 系统)，(3)日本电装公司（ECD-U2系统），(4)美国 BKM 公司(Servojet 系统)。他们的产品代表了当今高压共轨系统的技术水平和发展趋势。另外美国 Caterpillar 公司的 HEUI 系统，美国底特律柴油机公司，英国 Lucas
24、diesel system 公司，德国的 MTU 公司，美国的 Stanadyne 公司、康明斯公司及德国的 Simmens 公司等也都在积极开发柴油机共轨蓄压燃油系统，或已有产品开始投放市场。1.意大利菲亚特集团的 Unijet 系统Fiat 公司是生产轿车用直喷式柴油机的先驱，为了解决轿车用直喷柴油机噪声问题，于二十世纪 80 年代中期决定立项对柴油机燃油系统进行革命性的变革，并研制成功了 Unijet 高压共轨系统,该系统于 1993 年底投入了工业化生产。该系统如图 1-1 所示，主要由带压力调节器的高压供油泵、共轨、各种油道压力传感器、电液控制喷油器和电控单元组成。该系统图 1-1
25、Unijet 高压共轨系统的主要技术参数：发动机在转速8005000r/min 范围内最大供油量 100mm3/st、预喷量仅 1mm3，喷油压力根据发动机的运行工况可在 15130Mpa 范围内任意变化，发动机气缸间和工作循环间喷油量和正时可控制。该系统适用于不同尺寸和结构的发动机，缸盖不作任何修改。Unijet 燃油系统在预喷射定时和预喷射燃油量的控制方面具有极大的灵活性,有效地利用这种灵活性能在降低柴油机的燃烧噪声、N0x 排放的同时继续降低柴油机的微粒排放，预喷射在燃烧室内造成了理想的温度和压力条件，有利于主喷射的完美燃烧，降低了主燃烧压力上升的陡度，从而使柴油机的燃烧噪声降低 8dB
26、（A）。采用该系统的柴油机与常规柴油机比较，动力性能平均提高 12，油耗可降低 15，怠速运转的噪声可消减 6，满负荷工况时的噪声可消减 20。该系统的缺点是大量系统参数的可变性增加了保持低燃油耗时，在全负荷特性和部分负荷特性之间，在废气排放量和燃烧噪声水平之间进行优化匹配的困难。图 1-2 日本电装公司 ECD-U2 高压共轨系统2.日本电装公司的 ECDU2 系统日本电装公司是世界上开发研制电控高压共轨燃油喷射系统最早的企业。 ECDU2 电控共轨式喷油系统是日本电装公司从 1985 年左右开始着手研制的高压共轨系统，ECDU2 电控共轨式喷油系统的工作能力为最大喷油压力为 150MPa，
27、最大喷油量为250mm3/次，该燃油系统的电控液压喷油器早期采用三通阀控制燃油的喷射过程，但存在燃油泄漏量过多的问题，现在的电控液压喷油器采用两通阀控制燃油的喷射过程。在日本国内被大量用于卡车柴油机，但在轿车柴油机中的用量较少。相对于三通阀来说，二通阀式电控喷油器具有独特的优点：漏油量减少，燃油耗降低；在 1 000 r/ min, 120 MPa 下，燃油泄漏量从 220mm3/ st减少到 120 mm3/ st；结构紧凑、体积小，安装自由度大，在发动机上布置比较方便；排放改善，可满足高压化要求；ECU、EDU 一体化；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、
28、工作可靠性提高，共轨压力明显提高等。该高压共轨系统组成如图 l2 所示。ECDU2 高压共轨喷油系统是完全的“时间压力控制系统”。燃油计量由共轨压力和喷油器电磁阀通电脉冲宽度决定。以共轨压力为参数，喷油器的喷油量特性与喷油脉冲宽度成线性关系。利用这一特性，在发动机全部工作范围内，可以方便地得到目标设定的调速特性。近来，电控喷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 段喷油(理论上可以实现更多段喷油)。但其中只有一次是主喷射，其余均为辅助喷射，目的在于改善燃烧质量，改善排放等。在传统的泵管嘴系统中经常见到的、因液力效应引起的控制困难区域、不可能控制区域、起
29、因于调速器控制能力不足的调节不良等问题，在电控共轨喷油系统中原则上都能够方便地解决。根据 ECU 送来的电子控制信号，电控喷油器可以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。3.德国 Robert Bosch 公司的 CR 系统Robert Bosch公司是柴油机油泵和油嘴制造业的先驱，其为了提高轿车柴油机的性能，满足EURO3和US98排放法规，研制开发了一种叫作 Common Rail的高压共轨系统。该系统具有以下的优点：（l）没有限制燃油喷射过程的供油凸轮，这意味着预喷射和主喷射的始点可以或多或少地自由选择；（2）高压油泵的峰值驱动扭
30、矩较低；（3）喷油压力可以自由选择，因而可制备良好的油束，甚至在低速和小负荷下也是如此；（4）一旦喷油嘴开启，喷油压力和选定的轨道压力就一直在起作用，在针阀关闭的情况下也如此；（5）汽油机和柴油机共线生产成为可能，因为实际上使用的是同样的曲轴箱、同样的总成结构和同样的曲轴/凸轮轴传感器技术；（6）在未来使用 DENOx催化转化器时能自由选定后喷射。CR 高压共轨系统的主要技术参数如表 1-1 所示，用于轿车的高压共轨系统如图1-3 所示。CR 系统的高压供油泵为带有电控压力调节器的径向柱塞泵，可实现部分停缸控制，因此低压时的功率消耗可降低。轨内压力在 15140MPa 范围内自由调节，能成功地
31、实现低的喷油率、预喷射和多次喷射。电磁阀的开启与闭合时间之和小于 0.27ms。Bosch 公司成功地开发了第二代 1600 巴的共轨燃油喷射系统和电磁阀，与第一代产品的区别是：两代电磁阀控制的高压燃油喷射系统从结构上来讲十分相似，两者最大的区别在于其高压油泵。第二代 1600 巴的高压油泵是在吸油侧进行压力调节的，与第一代高压油泵有着本质上的区别。表 1-1 Robert Bosch 公司高压共轨系统的技术参数应用场合发动机最大功率缸功率（kw）最大喷油压力（Mpa）最高发动机转速(r/min)最高油泵转速(r/min)轿车2513550003000中型卡车3013535003000重型卡车
32、7514025001650图1-3 戴姆勒-奔驰公司轿车用高压共轨系统4.英国 Lucas Varity 公司共轨系统Lucas Varity 的共轨系统能够实现少量油量的预喷射和后喷射，可以有效地降低噪音，提高去除 N0x 催化剂的效率。该系统在整个速度范围内都可以实现高压喷射，故烟度低，经济性好。LucasVarity 共轨系统最显著的特点就是利用转速信号控制绝对扭矩，并用加速度传感器来监控燃烧敲缸现象(图 1-4)。图1-4Lucas高压共轨系统1.2.5 国内研究状况我国对柴油机电控技术的研究起步比较晚，基础薄弱，与世界先进水平相比还有很大的差距。我国自 80 年代后期开始，黄家裕等人
33、开发了节流式电控喷油系统，并在柴油机上进行了实机试验。清华大学研究开发了泵管阀嘴(PPVI)电控喷油系统,高速电磁阀的响应时间1ms。一汽汽车研究所开发了一种可变预行程的电控喷油系统，天津大学开发了一种 PARICUI 共轨蓄压式单体喷油器喷油系统，无锡油泵油嘴研究所正在开发一种 ED021 高压共轨电控喷油系统,上海交通大学、北京理工大学等科研机构也在进行这方面的工作。但大多数停留在实验研究和理论研究阶段，至今无成功产品。其共轨系统在表现形式上虽然各不相同，但工作原理相近。1.3 高压共轨系统的电控液压喷油器高压共轨系统中的电控液压喷油器是机械、电气、电磁和液压技术一体化的产品，结构精巧性能
34、优异，电磁阀响应周期最低达到 0.2ms，最小稳定喷油量精确至 lmm3/st，喷油压力高达 160Mpa 甚至更高，可灵活地改变喷油正时和喷油量，可实现预喷射和后喷射。高压共轨系统的喷油器在结构和工作原理上都不同于传统燃油系统的喷油器。高压共轨喷油器一般由高速强力电磁阀、针阀偶件、控制活塞、控制腔、实现预定功能的节流孔组成。其基本工作原理是：当高压共轨系统的电控单元（ECU）发出喷油指令时，该喷油器中的电磁阀会在激磁电流作用下于规定的时刻执行规定的动作，使该喷油器液压系统中的压力发生预定的变化过程，从而保证作用于喷油器针阀上的液压合力使针阀产生规定的运动规律，该针阀的运动过程应保证喷油器在规
35、定的时刻将规定量的高压燃油喷入到柴油机气缸内。由于喷油器的工作过程脱离了凸轮驱动的束缚，由电磁阀来控制燃油喷射，喷射定时由执行器(电磁铁)的开启决定,取代凸轮驱动（而电控脉动泵高压喷射系统没有完全脱离，压力受转速影响较大）。针阀的开启由控制活塞决定，通过执行器的多次动作,可实现预喷射或多次喷射；通过对高压共轨喷油器内部结构参数的调整,可形成所需的喷油规律形状。整体式喷油器的结构复杂，密封面较多，控制部分和喷射部分在高压油的作用下的泄漏量过大会造成喷油规律畸变，定时精度降低。因此，这就要求共轨式喷油器需增加对喷油器控制油的密封，这也是保证喷射质量的重要保证。国外各种高压共轨系统的电控液压喷油器的
36、基本结构和基本工作原理都几乎一样，关键性的零部件结构和关键性的技术如出一辙，但是各系统的电控液压喷油器都具有自己的特色，并根据各高压共轨系统的设计性能开发，也只能与各自的系统配合才能正常工作。目前国外有代表性的喷油器有以下几种。1.3.1Bosch 公司开发的 CR 系统喷油器它的功能组件是孔式喷油嘴、液压伺服机系统和电磁阀。原理如下：燃油从高压接头流经进油通道到喷油嘴，并经进油节流孔进入阀控制腔。控制腔经出油节流孔（由电磁阀控制）与回油孔相连。出油节流孔在关闭状态时，作用在阀控活塞上的液力大于喷油嘴针阀承压面上的力，针阀因此被压在座面上，无燃油进入燃烧室。当电磁阀激励时，回油节流孔打开，阀控
37、制腔内压力下降，阀控活塞承受压力降低，一旦该压力小于喷油嘴针阀承压面上的压力，喷油嘴针阀立即打开，燃油由喷孔喷入燃烧室。由于电磁阀不能直接产生迅速关闭针阀所需的力，该系统采用一液力放大系统对针阀实行间接控制。除喷射到燃烧室的燃油外，控制油量经节流孔进入回油通道。该喷油器在发动机和高压泵工作时可分为四个工作状态：喷油器关闭（已存有高压）、喷油器打开（喷油开始）喷油器完全打开、喷油器关闭（喷油结束）。控制阀为二通阀，阀芯作用钢球，密封面是球面与锥面配合密封。孔式喷油嘴装在共轨式喷油器体中。喷油嘴的设计需考虑喷油量（喷油持续期和每度曲轴转角的喷油量）、油束贯穿及燃油在燃烧室内的分布（油束数量、油束形
38、状和油束的雾化）等因素。在验证过程中表明，为适应在共轨系统中使用，喷油嘴针阀要进行不同设计及工艺的匹配。例如，在针阀上加无定型碳制成的涂层来改善摩擦条件；针阀座面附近采用了第 2 个针阀导向部分，以便即使在最小升程时每个喷油孔的燃油喷束均匀分布。1.3.2日本电装公司 ECD-U2 系统喷油器ECD-U2 系统喷油器的主要零件是喷油嘴偶件、控制阀偶件、喷油器体偶件和电磁阀偶件。使用二通阀的喷油器工作原理如下：喷油器控制喷油量和喷油定时是通过二通阀的开启和关闭来进行控制。当二通阀开启时，控制腔内的高压燃油经节流孔板流入低压腔中，控制腔中的燃油压力降低，此时喷油嘴压力腔中的燃油压力仍是高压。压力室
39、中的高压使针阀开启，向气缸内喷射燃油。当二通阀关闭时，通过节流孔板控制腔中的燃油压力升高，使针阀下降，喷油结束。二通阀的通电时刻确定了喷油始点，通电时间确定了喷油量。这些基本喷油参数都是通过电子脉冲控制的。二通阀通过控制喷油器控制室内的压力来控制喷油始点、喷油量、喷射率。喷油嘴为多孔式，喷油开启压力 17.8MPa。节流孔板既控制喷油嘴针阀的开启速度，也控制了喷油率的形状。液压活塞的作用是将控制室内的油压作用力传递到喷油嘴针阀上。ECD-U2 系统用喷油器的控制阀早期为三通阀,阀体、内阀、外阀两两相配。加工工艺要求较高，密封性能不易保证，实际表明，燃油泄漏量较大，后改为二通阀。效果良好。ECD
40、-U2 系统中喷油嘴属于常规喷油嘴，嵌入喷油器体内。1.3.3 Lucas Varity 公司电控液压喷油器当 ECU 触动电磁控制阀后，控制阀离开座面，针阀腔和控制腔内的压力下降，但是针阀前面的压力仍然等于共轨中的燃油压力，压差使针阀上升，喷油开始。当电磁线圈中的电流下降到零时，电磁阀内的弹簧迫使控制阀落座，针阀控制腔内的压力增加，作用在针阀后面的压力稍稍比针阀前面的压力大，使针阀落座，结束喷油。液压系统中的各节流孔用来调整最佳工作状态。在整个速度范围内，主喷射前都可产生预喷射，以减少燃烧噪音。控制阀是该公司技术的关键,它与众不同，电磁执行器(电磁阀)非常小，反应极快，同时离针阀很近，由于它
41、结构小,运动质量低，压力平衡，响应快，离针阀很近，控制阀发出的指令很快就到达针阀，它控制的一个信号到另一个信号之间很接近，这有利于预喷射，由于预喷射很接近主喷射，时间延迟短，可以改善预喷射的质量。该公司正在研究如何使时间延迟更短。由于控制阀质量轻，响应时间短，可以降低噪音和排放。1.4 本论文的主要工作 本课题在广泛查阅国内外有关资料文献的基础上确定采用电控液压喷油器，分析其基本工作原理与工作特点，完成喷油器相关参数的计算与设计。论文重点介绍了电控液压喷油器的原理，特点，以及工作特性，电磁阀的驱动电路与磁路及相关原理分析，并完成控制腔，针阀弹簧等结构参数及喷油量、喷油时间等性能参数的计算与设计
42、，最后结合工艺制造水平确定喷油器的基本结构与关键零部件的选型，完成全部零件图和装配图的设计。1.5 本章小结 本章对电控喷油技术和电控液压喷油器进行了简单介绍，并分析了国内外研究现状。最后对本课题的工作进行了简单论述。第二章 喷油器的工作特性与驱动电路2.1 喷油器的工作特性2.1.1 喷油器的结构与工作原理在查阅国内外大量文献资料的基础上，根据喷油器的基本工作原理，结合企业的工艺技术水平，确定了电控液压喷油器的总体方案和主要零部件的选型，设计出高压共轨系统的专用电控液压喷油器。图 2-1 是电控液压喷油器的结构图。喷油器由以下几个部分组成：电磁阀部件、针阀组件、喷油嘴偶件、喷油器体部件。电磁
43、阀部件包括电磁铁部件、球阀部件、电磁铁紧固螺母等。针阀组件包括控制活塞、挺杆、针阀弹簧和针阀等。喷油器体部件包括喷油器体 、过渡盘、缝隙式滤芯（图中未画出）等。喷油器的工作原理：喷油器不工作时，电磁铁不通电，球阀在电磁铁弹簧作用下关闭，此时，控制腔、针阀腔的燃油压力均等于共轨燃油压力。由于控制活塞的承压面积大于针阀的承压面积，因此作用在控制活塞上的燃油的液压力大于作用在针阀承压面上的液压力，二者方向相反，在以上两种液压力的作用下，加上针阀弹簧力的作用，针阀处于落座状态。喷油器开始工作时，电子控制单元（ECU）向外围电路发出喷油指令，喷油器驱动电路向电磁阀输入 110V 的脉冲电压，电磁铁通电，
44、电磁线圈电流很快升高，在 0.12ms左右达到最大值 20A，电磁阀衔铁在电磁铁铁芯的吸力作用下，克服电磁阀弹簧力，电磁阀开启。随着电磁阀的开启，衔铁气隙减少，而线圈中的激磁电流继续上升，所以电磁吸力将迅速增大，电磁阀达到最大开度，此后电磁铁线圈中只要维持一个保持电流就能使衔铁保持在球阀最大开度位置。球阀开启后，控制腔中的高压燃油通过回油节流孔泄出，而进油节流孔减缓了控制腔燃油的补充，控制腔的压力迅速降低，导致控制腔中燃油作用在控制活塞上的液压力下降，而针阀腔的燃油压力基本保持不变，因此高压燃油作用在针阀承压面上的压力不变，当控制腔燃油液压力与针阀弹簧力之和小于针阀承压面上的液压力时，针阀上升
45、，而一旦针阀离开座面，针阀又受到向上的密封座面处的高压燃油的作用力而加速上升，当针阀上升速度超过一定值时，控制腔中的压力又会升高，并在某一数值附近上下波动，会使作用于控制活塞的液压力与针阀弹2-1电控喷油器的结构图簧力之和大于针阀截面上液压力，使针阀开启速度降低，之后，前者又会小于后者，针阀继续升起。如果喷油持续期足够长，针阀上升达到最大升程时的机械止点，此后针阀保持在最大升程位置，高压燃油喷入气缸。如果喷油时间很短如预喷射，针阀不会上升到最大升程位置。当燃油按照预定量喷入气缸后，喷油要停止。由电子控制单元向外围电路发出喷油停止指令，喷油器驱动电路立即置电磁铁驱动电压为零，并使电磁铁线圈中的电
46、流快速衰减，随着激磁电流的减小，铁芯对衔铁的电磁吸力也迅速减小，当电磁铁的电磁吸力不能够克服电磁阀弹簧的作用力时，电磁阀衔铁开始关闭。回油节流孔关闭，控制腔内的燃油压力迅速。上升，接近于共轨的压力。随着控制腔内压力的增加，高压燃油作用在控制活塞上的液压力增加，当该力与针阀弹簧力的合力大于针阀腔中燃油作用在针阀承压面上的力与针阀座面处燃油作用在针阀密封面上力的合力时，针阀开始关闭。当针阀关闭速度超过一定值后，控制腔内的燃油压力会下降，并在某一值附近波动，从而使作用于控制活塞的液压力与针阀弹簧力之和小于针阀承压面的液压力之和，针阀关闭速度降低，随着针阀关闭速度的降低，控制腔压力又会上升，作用于控制
47、活塞的液压力与针阀弹簧力的合力大于针阀承压面的液压力的合力，针阀加速关闭，喷油结束。上述过程为一个完整的喷油过程。 2.1.2 喷油器的特点（1）该喷油嘴偶件的头部结构与传统喷油嘴偶件不同，喷油嘴的喷孔尺寸较传统喷油嘴的小，喷孔分上下两层沿周向均匀布置。这是由于高压共轨式发动机采用较小的进气涡流，可燃混合气的形成主要依靠该喷油嘴的雾化作用，在燃油喷射期间希望保持较高的喷油压力，并力图在高喷射压力下取得最小的稳定喷油量。（2）该喷油器的控制活塞起着密封控制腔及将控制腔高压燃油对控制活塞的作用力传递到喷油嘴针阀的作用。由于控制腔压力升高时，控制活塞与喷油器体之间配合间隙会加大，发生在控制活塞处的泄漏量会急剧上升，因此在控制活塞上部中间位置加工一个圆柱孔，可以起到间隙补偿的作用，从而减少泄漏。该控制活塞直径的大小极为重要，在喷油嘴针阀结构尺寸一定时其不仅决定着作用于喷油器针阀上的液压力大小，而且影响着控制腔的最小容积和控制活塞运动时控制腔容积的变化率，在喷油嘴针阀落座时应与进油节流孔的流量很好地配合。控制活塞密封面上等间距开有两道卸压槽，用于储存燃油以润滑密封表面，并平衡周向压力以减少液压卡紧力，也可暂时容纳杂质，控制活塞头部尺寸略小于控制腔内径，其作用与卸压槽的作用相同。（3）控制腔是喷油器的关键结构，而控制腔的最小容积、横截面积、进油节流孔和回油
