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1、柴油机蓄压式共轨喷油系统ECD-CR,山东交通学院 吴际璋,轨者，道也。多个喷油器并联在一个蓄油管道上喷油，为“共轨喷油”。英文称：Common Rail（共用轨道），简称：CR。它用于柴油机电子控制系统ECD，称为“柴油机蓄压式共轨喷油系统”（Diesel Accmulator Fuel-injection System Common Rail）。简称：ECD-CR系统。,一、共轨控制喷油系统的性能参数表：ECD控制系统的结构型式有多种，如直列式泵、分配式泵等，都是在传统的基础上修补改进，而共轨喷油系统完全摆脱了传统结构，较彻底的溶入先进的电控系列，成为柴油机发展的新模式。,二、柴油机可燃混
2、合气形成的特点：,1、空间小、时间短在压缩终了时喷油，可燃混合气在狭小的燃烧室内形成，其过程是：喷油-汽化-混合-燃烧-边喷-边燃。喷油的持续时间为汽油机的1/201/10，只占曲轴转角的1530。而汽油机混合气形成是从进气持续到压缩终了，占曲轴转角的360左右。,2、混合气不均匀、空燃比变化范围极大由于以上原因的影响，混合气成分在燃烧室内分布很不均匀，在油雾喷射区的油粒多偏浓，其他区油粒少偏稀。柴油机的标准空燃比为14.5:1，为了完全燃烧，减少碳烟的产生，空气要过量10%40%，空燃比可达1620。各工况下一般不进行“进气节流控制”，只改变喷油量的多少，空燃比将在极大的范围内变化，造成大负
3、荷工况冒黑烟，怠速工况过稀而熄火，需加装结构复杂的调速器。,3、边喷、边燃、成分不断变化不仅有空间方面的变化，也有时间方面的变化。在空间方面，浓区缺氧产生碳烟；稀区产生Nox。在时间方面，燃烧的前期氧多、油少，不易着火，延长了“备燃期”，造成压力升率（P/）加大，振嗓感加大（Diesel敲击）。燃烧的后期氧少、废气多，燃烧条件恶化，排气冒黑烟。可见，柴油机动力性、经济性、净化性和振噪感的好坏，决定于：喷油压力、喷油时刻、喷油质量、喷油规律、空气量的多少、涡流的好坏等多方面因素。其中的“喷油时刻和喷油规律”与“燃烧过程”精确的匹配问题，只有ECD-CR系统才能解决，“共轨控制”系统就应而生。,三
4、、ECD-CR系统机理特点：1、提高喷油压力是排气净化的最佳手段直接喷射的柴油机，燃烧室紧凑、热损失小、热效率高。它只有提高喷油压力（达140Mpa），才能使燃油分布均匀，加速油气混合的速度，改善燃烧条件，微粒碳烟的生成量才能减少。2、用电脑精确控制喷油规律，是提高动力性、经济性、净化性和减小振噪感的最佳手段所谓“喷油规律”，它包括了：喷油时刻的早晚、喷油量的多少及喷油率的好坏。,喷油率是一个喷油周期，始点到终点间油量的变化情况。最好是按“先少、后多”分段喷油的规律变化。即：先预喷-再主喷-又补喷（补喷是为了净化，减少Nox生成量），分三个过程进行。这样，才能和柴油机的燃烧规律一致（即：备燃期
5、、速燃期、缓燃期、后燃期），相辅相成的配合，获得最佳燃烧状态。,3、压力的产生与喷油过程分离，可以准确的控制循环供油量（g）_传统的柱塞泵压力的产生和喷油分不开，相互影响，其供油始点与喷油始点相差8，是“管胀油缩”造成的，仃喷后又“管缩油胀”，造成滴油。其速度特性是：循环供油量（g）随转速的加大而加大，这是因柱塞副的漏泄和回油孔的节流作用的加大，出现的恶果。因而，需加装出油阀和调速器，复杂了结构内容，加大了故障率（如下图所示）。,图二 传统喷油泵的速度特性而共轨系统的喷油压力是用专门的高压泵供油，并恒压存储于蓄压器中，时刻准备喷油，各缸的喷油器用电脑控制其电磁阀准确开闭喷油，能做到g和v的合理
6、匹配。喷油压力恒定与发动机转速无关，因而去消了成本高、结构复杂、故障率较高的出油阀和调速器。,4、共轨控制的喷油特性：（1）、预喷射在上止点前一定角度喷出少量燃油，进行“预燃”，可缩短“备燃期”，压力升高率P/可减小，振噪感减小，工作柔和。（2）、主喷射是在上止点后喷油，功率的增大和扭矩的提高，是来自主喷射，在恒压情况下贯穿整个喷油过程。（3）、补喷射在柴油机燃烧过程的缓燃期的后期，燃烧温度己达高峰，如适量喷油，可改善燃条件和净化性，减少了Nox的生成量。,5、共轨控制实际喷油量的获得：电脑ECU根据各种传感器的反馈信号，用开环控制和闭环控制相结合的方式，对喷油量进行精确的随机计算控制。,图四
7、 实际喷油量的获,6、共轨喷油系统传感器信号和执行元件的内容：有十四个传感器信号，通过电脑ECU处理后，指令十一个执行控制系统，进行随机控制。,四、BOSCH式共轨喷油系统的结构组成：是由：低压油路、高压油路、各种传感器、电脑ECU、各种执行元件等，由五个部分组成。（一）、低压油路油箱、输油泵、滤油器、输油管。1、油箱由抗磨蚀的尼龙材料制成，带阀的油箱盖，在任何条件下保持箱内压力略高于大气压力30kpa，以便正常输油。2、输油泵为永磁直流电机驱动，偏心转子变容滚子式输油泵，将燃油输入高压泵中，输油压力为250kpa，最大供油流量为180L/h。用定时电路控制，SW-ON，自动供油9s，不起动即
8、自动断电。它和液位指示器并装于油箱中（工作原理同汽油机电动油泵）。,3、滤油器为纸质袋式滤芯，滤去杂质和水份，防止相关机件磨蚀和卡死。柴油含水份量较高，因温度的变化，会产生冷凝水，常因结冰而堵塞油道，水份还能生成硫化物腐蚀喷油器机件。为此，在外壳下方设有集水腔和放水开关，应定期放出集水。有的还装有水含量自动报警灯开关，及时灯亮提醒司机。（说明此部分结构图与汽油机类同，故略）。,图六 柴油机蓄压式共轨喷油系统ECD-CR（BOSCH）,（二）、高压油路高压泵、高压蓄压器（轨道）、轨道压力传感器、压力限制阀、流量限制阀、喷油器。1、高压泵：为三腔径向柱塞油泵，快速的向蓄压器稳定供油，保持轨道油压为
9、140Mpa。喷油时燃油不再压缩，保持恒压喷油。它用齿轮、链条或齿形皮带驱动，转速为发动机的1/2，最高达3000r/min，供油间隔为120，供油压力较稳定。,（1）、工作过程SW-ON后，电动输油泵工作，其输油压力超过安全阀开启压力50kpa时，低压油即进入高压泵腔。柴油机起动运转，高压泵的驱动轴带动偏心轮旋转，柱塞径向往复运动，产生吸油和压油过程。燃油经进油阀吸入泵腔（该阀为片状弹簧），又从出油球阀压出，将燃油压入轨道腔，建立所需的压力，多余的燃油经油压控制阀和回油管，流回油箱。油泵偏心轮每旋转一周，供油三次，压力均匀稳定输出，供油量和供油压力与其转速成正比。少量柴油经过安全阀的节流孔进
10、入泵的内腔，进行自身的润滑和冷却。,（2）、泵组仃油阀高压泵是大流量输出泵，在怠速和小负荷工况时，高压油会过量，过量油将不断流回油箱，加大了柴油机的功率损失。为此，高压泵有一泵组装有停油电磁阀，ECU根据工况信号（转速和加速踏板信号），使仃油电磁阀通电，其推杆即推闭进油阀，仃止泵油而卸载空转，只有其他两个泵组工作。当进入大负荷工况时，又自动断电，恢复泵油。,（3）、油压控制阀（PWM阀）_高压泵输出管道上并装有电磁式油压控制阀，球阀的推杆右侧有吸力盘，作用于球阀上有两个力：一为，弹簧力；二为，线圈的磁吸力，它与高压腔的油压力相互争斗平衡。关系式为：弹簧力+磁吸力轨道油压力球阀关闭，不回油；反之
11、则开启，回油。其工作过程如下：,A.如果轨道油压超过规定值（140Mpa），ECU根据轨道压力传感器的反馈信号，使油压控制阀断电退磁而开启，泄掉部分燃油而降压。B.如果轨道压力低于规定值，油压控制阀即通电生磁而关闭，因而升压。C.油压控制电磁阀是用占空比方式控制其开闭，不断调节，保持恒定的轨道压力，防止油压的波动，以便精确的控制喷油量。所以，又称：PWM阀。D.压力波动来自两个方面：一为，变容式输油泵的脉动供油；二为，喷油器喷油时泄油产生的压力脉动。,2、高压蓄压器（轨道）：为一个高强度铝合金管，用来存储高压油，抑制压力脉动，保持压力恒定，使喷油计量精确。轨道上装有：压力限制阀、流量限制阀、轨
12、道压力传感器等辅助元件。（1）、压力限制阁装于通油箱的回油端，是溢流阀原理，它用弹簧控制锥形阀门，当轨道压力超过规定值过大时（140Mpa以上），即打开回油，防止油压过高。,（2）、流量限制阀连接喷油器的管道，也是一个用弹簧控制的柱塞阀，用来防止在非正常情况下，喷油器端大量漏泄时，及时关断轨道出油口。其工作过程如下：,A.喷油器端工作正常时喷油后管口压力瞬时下降，柱塞下移，但不关断，腔内燃油排出，使喷油器端获得补偿油压，压力值恢复。B.喷油器仃喷时柱塞又上移回位，燃油从节流孔流出补偿。C.喷油器端大量漏油时压力差使柱塞下移，关闭管口通道，起保护作用。,（3）、轨道压力传感器为半导体压敏应变电阻
13、型的桥式电路，感受到油压变量值后，放大处理后，输出O.5v4.5v的随动电压。它随机检测轨道中的瞬时油压力，将变量压力信号反馈绐ECU。ECU据此信号，发令使高压泵的油压控制阀投入调压工作，进行恒压控制。（说明：其结构与原理，与汽油机压力传感器MAP类同，故从略）,3、喷油器利用电脑ECU控制喷油时刻和喷油量的多少。它由：喷油嘴、电磁阀、液压增益伺服系统组成，是“间接继动伺服控制”的工作原理。,（1）、共轨控制的喷油器工作原理传统的喷油器是靠油压控制喷油，由调压弹簧关断喷油嘴。高压共轨喷油嘴的关断，不能单纯依靠调压弹簧，还须依靠油压共同关断喷油嘴，电磁阀的磁吸力不可能直接吸动控制柱塞开启喷油，
14、必须利用液压继动伺服控制。此即谓“间接继动伺服控制原理”。,喷油器控制柱塞上的关断作用力有两个：一为，弹簧力F1；二为，控制油腔道压力F2。而喷油开启力为承压锥面上的油压力P，其喷油和关断是这三个力的争斗和平衡。其工作过程关系式如下：,（2）、喷油器的工作过程：A、喷油器关闭控制电磁阀OFF，向上的磁吸力消失，阀的铁芯受弹簧力的作用下移，推动球阀关闭泄油孔，控制油腔为轨道压力，F1+F2P，控制柱塞下移，锥阀关闭，仃止喷油。,B、喷油器开启控制电磁阀ON，产生的磁吸力大于铁芯的弹簧力，铁芯上移，泄油孔的球阀打开，燃油从控制油腔流入上方空腔，并从上方空腔流回油箱。此时，F1+F2P，控制柱塞上移
15、，锥阀开启喷油。开启时间的长短，决定于喷油控制的脉冲宽变。,C、从回油管流回油箱的燃油，除少量的控制油液外，还有喷油器柱塞副磨损后漏泄的燃油。当回油管回油过量时，说明喷油器需要换新了。,（三）、共轨控制系统的各种传感器：该系统的大部分传感器，结构和工作原理及检测方法与汽油机电控喷射系统类同，故从略讲述：1、曲轴转速和转角传感器SP和曲轴位置传感器NE为磁电式传感器，产生交变电压信号，用来决定曲轴的转速、转角和曲轴的位置及各缸活塞的位置。曲轴上的触发齿圈为60个齿，一个齿的对应角度为：360/60=6，齿轮上有一个缺两个齿的缺口，为一缸上止点信号TDC的位置，产生不同于转角的NE信号。着火间隔为
16、=720/缸数。四缸机为180，对应转过30个齿即应按工作顺序喷油着火。,2、凸轮轴转角传感器凸轮轴控制着进、排气门，其转速为曲轴的1/2，该传感器用来邦助曲轴转角传感器判定活塞向上时，是压缩行程？还是排气行程？它为霍尔（HL）式传感器，将一个磁铁块装于转轮上，每转一圈激励一次HL片，产生一个HL电压信号，提示己进入压缩行程，给电脑ECU提供喷油信号。故又称“点火相位传感器。”3、热膜式空气流量计（AFS）用来精密测量进入气缸的实际空气量，以便决定喷油量的多少。其结构和工作原理和汽油机电喷系统的空气流量计AFS类同，故从略。,4、水温、气温、油温传感器为负温度系数（NTC）的传感器，输出05V
17、的电压信号给ECU，据此算出修正喷油量，进行反馈控制。5、加速踏板位置传感器为一个滑键式电位计，反映司机的意图和扭矩大小的需求，产生随动电压信号给ECU，用来决定喷油量的多少。其原理同汽油机电喷系统节气门位置传感器（TPS）。6、增压器压力传感器装于进气管中，用来测量进气管增压后绝对压力值的高低，为压敏桥式传感器，原理同汽油机压力传感器（Map），以便控制废气旁通阀及时开启，降低涡轮转速，调节“压比”的高低，防止过量增压，空燃比A/F失控。（“压比”是压气机出口压力PK与进口压力P0之比值，一般控制在两倍左左）。,7、车速传感器装于变速器输出轴上，多为HL式或磁电式，提供车速信号，以便ECU进
18、行逻辑控制。8、起动信号起动机继电器L线圈的搭铁电压信号给ECU，起动供油量即增加，使混合气瞬时变浓，以利于着火完爆。不必再踩加速踏板，进行满负荷操作，即可顺利起动。（四）、共轨控制电脑ECU的多项功能：共轨控制简化了喷油系统的机械部件（如：多组式高压柱塞泵、离心式调速器等），降低了柴油机的故障率，提高了使用性能和可靠性。它的电脑ECU是智能化的高速计算机，完全替代了机械控制所难以完成的控制任务，具体功能如下：,1、接收和处理各种传感器的输入信号；2、进行起动额外加浓控制;3、进行共轨恒压控制;4、进行喷油时刻和 喷油量及喷油规律控制;5、进行稳定怠速控制;6、进行额外负荷自调控制;7、进行汽
19、车恒速行驶控制;8、进行防止超速运转控制;9、进行突变工况稳定控制;10、进行增压器压比控制；11、进行废气再循环控制；12、进行和其他网络信息交换控制（AT、ABS等）;13、进行熄火断油控制;14、进行防盗断油控制;15、进行故障报警和自诊控制。,（五）、共轨控制的各种执行元件：1、冷起动电热塞柴油机冷态起动不易着火完爆，为改善冷起动性能，在起动前用电热塞对燃烧室进行加热，它利用一个电开关和功率继电器形成一个专门的控制电路，与电脑ECU联网。,因此，就具备了加热显示和自我截止及保护监控的功能（指示灯亮灭显示）。电热塞是正温度系数（PTC）的电阻丝绕成线圈状，装于管中并填有导热性好的氧化镁粉
20、，通电后在4s内温度可达850。柴油机着火后，电热仍继续通电3min，可改善热起过程燃烧条件，减小了噪声和排放值。,2、增压器压力调节器它包括了：电动真空泵、真空电磁阀（VSV）、真空执行器、废气旁通阀，形成一个自动控制调节系统。,增压器压力调节器和EGR系统,它用来调节增压器在大负荷、高转速时排气的流量，防止压气机转速过高，“压比”过大，空燃比A/F失控，发动机过热，排气污染加大（Nox加大）。“压比”（=Pk/Po）是压气机的出口压力PK与进口压力P0之比值，一般控制在两倍左右。,废气旁通阀是利用电动真空泵产生的负压吸力而关闭，何时开启旁通卸流，由ECU根据转速信号和增压器压力传感器信号，
21、控制真空电磁阀VSV截止真空道，利用废气流的压力打开废气旁通阀，放掉一部分废气，降低涡轮和压气机转速。,3、废气再循环EGR控制系统它包括了真空泵、真空电磁阀VSV、执行器、再循环阀等元件。它用来将适量的废气引入气缸，由于废气中含有水分和CO2和惰性气体N2，稀释了混合气的氧浓度，降低了最高燃烧温度和速度，减少了Nox的生成量。但废气量过多会直接影响发动机的动力性、经济性、净化性的好坏，必须严格控制。,Nox是“三害气体”（CO、HC、NOx），它的生成条件是：高温、高压、多氧。为此，EGR阀只是在发动机中等负荷工况投入工作（稀混合气状态），其他工况不投入工作，以保证怠速的平稳性和大负荷工况的动力性。电脑ECU根据水温信号CTS（60）、转速信号SP（1500r/min）、加速踏板位置信号（20%）、空气流量信号AFS（稀态）等参数，确认是中等负荷工况，使真空电磁阀VSV以占空比的方式，断续导通真空管道，执行器膜片适量的吸开EGR阀，适量的废气即被吸入气缸。END！,
