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发布日期:2014-12-12 10:41:13
5 高压共轨电控燃油喷射系统与机械柴油喷射系统的差异 传统机械式燃油喷射系统如图7所示。主要包括:油箱、低压输油泵、燃油滤清器、高压燃油泵、喷油器以及油管等。工作过程是:发动机曲轴通过齿轮带动喷油泵的凸轮轴转动,把燃油从油箱送到输油泵,形成低压,再经过燃油滤清器,一部分供给高压的喷油泵,另一部分回到油箱。进入喷油泵的燃油,通过高压油管输送到喷油器,当压力超过喷油器的开启压力时,喷油器开启,进行喷油。 图7 柴油喷油泵的控制依赖于发动机。主要体现在:发动机给喷油泵提供动力,发动机每旋转2圈各缸做功1次,喷油泵旋转1圈,对各缸进行1次燃油喷射。这样来看,喷油泵喷油的大体时刻就由发动机间接控制,并且柴油机供油压力随发动机转速的变化较大。喷油提前器是在发动机转数较高的时候使喷油泵的凸轮轴相应地提前一个角度,满足发动机高速时的要求。调速器是通过感应元件感知发动机的各种工况,对柴油发动机进行控制,主要是满足怠速时的稳定性和超过标定转速时的断油,其余工况依靠感应元件和调速器内的弹簧的平衡来稳定发动机的转速。 机械柴油喷射与电控共轨柴油喷射的差异主要表现在燃油的供给方式和对喷油时刻的选择上。 传统机械式喷油系统高压油管内的油压是瞬间脉动高压,主要是由柱塞连续供油形成的。这种脉动对于喷油器喷油的稳定性有很大的影响,使得喷油器容易产生喷油波动,在高压油管中使燃油产生压力波,压力波在高压油管中来回振荡,在下一循环中会产生波动的叠加或减弱效应。由此,喷出的油雾颗粒不均匀,易出现二次喷射或多次喷射,从而燃烧不充分,经济性变差,动力性下降,热效率降低,排放物增加。 传统机械式喷油系统的喷油量主要是受负荷的影响,负荷调整喷油量即通过提前器和调速器对此油量进行修正,但不能实现精确的控制。 2种系统的系统示意图比较如图8所示,性能对比与分析如表2所示。 图8
电控高压共轨燃油喷射系统高压油管内的压力总是保持在比较恒定的范围内,这是因为供油泵产生的脉动油压在共轨管内的容积增加时,产生谐振效应,使压力的波动减小和削弱,当油压变化时,由压力调节器起作用,将喷油器的燃油压力调节到比较恒定。 电控高压共轨燃油喷射系统的喷油量是由多因素控制的,控制喷油量的基本因素有负荷(油门开度表示)、转速、水温、进气温度和油温,以及燃油油压「和尾气中含氧量的多少。确定喷油量的同时,由ECU控制电磁阀开启时间的长短,确定每次喷油量大小。 电控高压共轨燃油喷射系统的特点是:喷油定时与喷油量的控制相互独立,喷油压力和喷油持续期不受发动机负荷和转速的影响;各缸的喷油压力、喷油量和喷油始点可自由调整,从而实现对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控制;喷射压力很高且喷射可靠,能实现多种喷油规律等。这些特点对实现柴油机高效、清洁、低噪声的燃烧过程起到了显著的作用。 电控高压共轨燃油喷射系统的优点是喷油压力柔性可调,在不同负荷和转速下都可确定所需的最佳喷油压力。同时由于实现了对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控制,因而改善了柴油机的燃烧过程,减少了排气颗粒和NO-X的排放,降低了燃烧噪声。另外它对燃油经济性的改善也是十分明显的。目前电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是更高的喷射压力(200MPa)、更小的喷孔直41(0.11~0.13mm)、更短的响应时间(0.1ms)、更低的功率消耗(采用压电晶体喷油器)和功能更完善的软件。电控高压共轨燃油喷射系统的不足之处在于系统比较复杂;为了实现精确的控制,对传感器的精度要求较高;随着共轨压力的不断提高,对共轨系统各部件的性能要求也越来越苛刻。另外,来用电控共轨燃油喷射系统后,需对发动机结构进行相应的改进,尤其是对缸盖的设计。以上这些决定了电控共轨燃油喷射系统的应用成本相对较高。 6 高压共轨电控燃油喷射系统的发展 电控燃油共轨技术现在已经是柴油和汽油发动机的主要发展趋势,但是在新技术的使用过程中,根据不同发动机的使用特点,使得电控燃油共轨技术在不同的使用条件下,在与发动机系统的匹配上还有很大的发展空间,尤其是在共轨技术的研究与开发方向上。 6、1 共轨技术的研究与开发热点 如何解决高压共轨系统的恒高压密封问题。 如何解决高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题。 如何解决高压共轨系统的多MAP(三维控制数据表)优化问题。 如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。 6、2共轨技术对环境保护的促进作用 高压共轨系统是目前最为先进的燃油喷射系统,被世界内燃机行业公认为20世纪三大突破之一,它能够在不同工况下都以120MPa的喷射压力实现稳定可控喷射,使柴油机各工况的燃烧达到最佳状况,性能大大优化,排放中的有害成分进一步减少。高压共轨系统是柴油机满足欧洲Ⅱ号、欧洲Ⅲ号甚至欧洲Ⅳ号排放法规的理想燃油喷射系统。共轨技术有助于减少柴油机的尾气排放量、降低噪声、燃油消耗等。它在有利于地球环境保护的同时,也必将促进柴油机工业、汽车工业及相关工业的发展。 7 高压共轨电控燃油喷射系统的应用现状及发展前景   高压共轨系统在国外已得到普遍应用   柴油燃油喷射系统从机械控制式发展到电子控制式系统后,电子喷射系统又经历了三次变革,即位置式燃油喷射系统、时间式燃油喷射系统和时间压力式燃油喷射系统(共轨系统)。高压共轨系统实现了压力建立和喷射过程的分离,从而使控制过程更具有柔性,能更准确地实现小油量的精确控制,更好地实现多次喷射。   自从1991年日本电装公司发表ECD-U2高压共轨系统论文以来,国外燃油系统制造商纷纷投入巨额资金和人力开发共轨系统。博世公司于1995年发表了用于轿车的高压共轨系统,采用径向柱塞转子式供油泵,喷油器电磁阀采用球阀结构。目前博世公司共轨系统在欧洲乘用车和轻型车柴油机上已得到普通应用,如德国戴姆勒-奔驰公司C系列轿车、意大利AlfaRemeo156轿车、德国大众的奥迪3.3L型V8涡轮增压柴油机、美国通用公司与日本五十铃公司合资生产的Duramax6600柴油机及美国康明斯公司的ISBe3.9L和5.9L全电控柴油机等。德尔福与西门子分别在1998年和2000年推出轿车MultecDCR1400共轨系统,采用径向柱塞转子式供油泵,德尔福公司的喷油器电磁阀设计在喷油器内,使得喷油器体积更小巧;西门子喷油器采用压电执行器,响应时间更短;而日本电装公司在1991年研究开发出的ECD-U2第一代产品,并于1995年匹配Hino的J08C柴油机、五十铃的6HK1柴油机,经过多年的改进与完善,最新产品已用于轿车的ECD-U2P系统。   目前,共轨燃油喷射系统应用十分普遍,博世公司已生产出2500万套共轨系统,并在江苏无锡投资建设了技术中心和工厂,实现了本地化生产。长城汽车与博世公司开发出了高压共轨柴油发动机,此外奥迪、奔驰、华泰等品牌也推出了采用共轨系统的汽车。我国部分大学、研究所和企业也通过合作或独立自主研发,取得了各具特色的研究成果,并有数十项专利公布。因此,我国在电控直喷式柴油机方面已积累了一定的经验,但总体来说与国外还存在差距,主要体现在制造工艺和批量生产的质量控制。此外,国内共轨系统相关配套体系不健全,部分零部件还依靠进口,如单片机芯片、共轨压力传感器等。   国外公司与中国企业竞争已不占绝对优势   相对于汽油机而言,国内在电控柴油机方面与国外差距。   随着排放标准的提高,柴油机必须采用电控喷射系统。目前国内柴油电控系统主要有共轨、单体泵等,和国外先进技术比,虽然还不具备对等的实力,但发展势头良好。如无锡油泵油嘴研究所研发的共轨系统已在无锡公交使用,同时国内从事电控柴油机研发的企业数量较多,因而国内在电控柴油机市场今后一定会有所作为。而国外公司提供的产品价格相对较高,供货价格取决于批量,在目前我国电控柴油机批量还不大的前提下,他们很难拿到比较满意的价位。   同时,在售后服务及配件供应方面,国内自主品牌系统也存在明显的优势,国内自主研发的电控燃油系统竞争力主要体现在价格便宜,还有,对于中重型车辆,在国Ⅲ阶段已开始实施共轨、单体泵等技术路线。 当然,国内在电控柴油机系统方面还面临很多挑战,如制造工艺不成熟,批量规模较小;燃油品质难以保证;柴油机后处理技术水平不高等。但这些会随时间推移,不久将逐步得到解决。