新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)高壓共軌管和ECU的結(jié)構(gòu)原理

 

導(dǎo)讀：共軌技術(shù)是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)程彼此完全分開(kāi)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(guò)對(duì)公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，可以大幅度減小柴油發(fā)電機(jī)供油壓力隨柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，因此也就減少了傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量，噴油量大小取決于燃油軌（公共供油管）壓力和噴油器電磁閥開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短。

 

一、共軌系統(tǒng)技術(shù)概述

 

1、電控共軌技術(shù)的發(fā)展原由

      新技術(shù)總是為解決一些實(shí)際生活中的實(shí)際問(wèn)題而生的，柴油機(jī)的共軌技術(shù)的產(chǎn)生，離不開(kāi)實(shí)際問(wèn)題對(duì)研究人員的困擾，所以，我們首先了解一下沒(méi)有使用共軌電噴系統(tǒng)的柴油機(jī)的供油系統(tǒng)有何問(wèn)題。

     在非共軌式燃油系統(tǒng)的柴油機(jī)的供油系統(tǒng)中，每個(gè)噴油器都連接有一根高壓油管和一根回油管，采用高壓油泵來(lái)提供高壓油的壓力，在高壓油管中不同的位置不同的時(shí)間，油壓都不相同。這種結(jié)構(gòu)柴油機(jī)噴油器噴油的規(guī)律在理論上取決于柱塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且在調(diào)速器的協(xié)助下自動(dòng)調(diào)整供油提前角，使柴油機(jī)工作情況穩(wěn)定。但是在實(shí)際的使用過(guò)程中，由于柴油的可壓縮性質(zhì)和高壓油管中柴油壓力的波動(dòng)，使得實(shí)際的噴油狀態(tài)與噴油泵所規(guī)定的柱塞供油規(guī)律有了較大的差異。比如油管內(nèi)的壓力波動(dòng)，有時(shí)還會(huì)在噴射之后使高壓油管內(nèi)的壓力再次上升，達(dá)到令噴油器針閥開(kāi)啟的壓力，將已經(jīng)關(guān)閉的針閥重新打開(kāi)，產(chǎn)生二次噴油現(xiàn)象。由于二次噴油不可能完全燃燒，于是就會(huì)增加煙度和碳?xì)浠衔锏暮?，造成尾氣超?biāo)和燃油消耗增大。由于每一次的噴射循環(huán)之后高壓油管內(nèi)的殘留壓力都會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生噴油不均勻的信箱，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生間歇性不噴射現(xiàn)象。且這種現(xiàn)象在低速下更容易發(fā)生。因?yàn)橐陨系娜毕?，所以誕生了電控共軌技術(shù)。

2、電控共軌技術(shù)的分類(lèi)

      按照噴油高壓來(lái)源的不同，共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)分為兩類(lèi)：

（1）高壓共軌系統(tǒng)

      高壓輸油泵將燃油輸送到高壓共軌中，燃油脈動(dòng)壓力變化得以消除，然后再將燃油分配至給各個(gè)裝有快速電磁閥的噴油閥；當(dāng)ECU控制系統(tǒng)按照需求發(fā)出信號(hào)之后，高速電磁閥打開(kāi)或關(guān)閉，從而控制噴油器的工作，即：按設(shè)定的要求噴出或者停止噴出高壓燃油。

（2）中壓共軌系統(tǒng)

      中壓共軌系統(tǒng)采用較小的壓力（10-13兆帕）來(lái)將燃油輸送到共軌管中，在共軌管中將燃油的脈動(dòng)壓力消除后，再通過(guò)帶有增壓柱塞的噴油器將燃油以高速?lài)姵?，?/span>高壓柱塞的作用下，油壓可達(dá)120~150兆帕，其噴射時(shí)間也是通過(guò)ECU發(fā)送的指令來(lái)控制的，同樣，高速電磁閥是其不可或缺的部件。

 

二、共軌系統(tǒng)原理與特點(diǎn)

 

1、共軌系統(tǒng)工作過(guò)程

      共軌系統(tǒng)供油過(guò)程如圖1所示，特性曲線(xiàn)如圖2所示。油箱的燃油被低壓油泵吸出送給高壓油泵，高壓油泵給燃油增壓把燃油變成高壓油送進(jìn)共軌管里面，共軌管在根據(jù)ECU各種傳感器的信號(hào)對(duì)軌壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果軌壓過(guò)高，共軌管的泄壓閥打開(kāi)部分高壓油進(jìn)入低壓油管。預(yù)先設(shè)置好的程序保存在ECU當(dāng)中，柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況也被ECU監(jiān)控，然后ECU根據(jù)具體的工況確定噴油定時(shí)、噴油持續(xù)期。最后電控噴油器按照ECU 的指令將燃油噴入氣缸。

2、共軌系統(tǒng)的特點(diǎn)

      柴油機(jī)共軌式電控燃油噴射技術(shù)是一種全新的技術(shù)，因?yàn)樗闪擞?jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感檢測(cè)技術(shù)以及先進(jìn)的噴油結(jié)構(gòu)于一身。它不僅能達(dá)到較高的噴射壓力、實(shí)現(xiàn)噴射壓力和噴油量的控制，而且能實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和后噴，從而優(yōu)化噴油特性形狀，降低柴油機(jī)噪聲和大大減少?gòu)U氣的排放量。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是：

（1）采用先進(jìn)的電子控制裝置及配有高速電磁開(kāi)關(guān)閥，使得噴油過(guò)程的控制十分方便，并且可控參數(shù)多，益于柴油機(jī)燃燒過(guò)程的全程優(yōu)化；

（2）采用共軌方式供油，噴油系統(tǒng)壓力波動(dòng)小，各噴油嘴間相互影響小，噴射壓力控制精度較高，噴油量控制較準(zhǔn)確；

（3）高速電磁開(kāi)關(guān)閥頻響高，控制靈活，使得噴油系統(tǒng)的噴射壓力可調(diào)范圍大，并且能方便地實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射、后噴等功能，為優(yōu)化柴油機(jī)噴油規(guī)律、改善其性能和降低廢氣排放提供了有效手段；

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)移植方便，適應(yīng)范圍寬，不像其它的幾種電控噴油系統(tǒng)，對(duì)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有專(zhuān)門(mén)要求；高壓共軌系統(tǒng)，均能與目前的小型、中型及重型柴油機(jī)很好匹配。

 

圖1  電控共軌系統(tǒng)供油原理圖

圖2  電控柴油機(jī)燃油系統(tǒng)供油特性曲線(xiàn)

 

三、高壓共軌系統(tǒng)基本組成

 

      電控高壓共軌系統(tǒng)主要電子控制單元、高壓油泵、共軌管、電控噴油器以及各種傳感器等組成。

1、ECU結(jié)構(gòu)和原理

      電子控制單元簡(jiǎn)稱(chēng) ECU，它由輸入電路模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊、MCU核心電路模塊、電源管理模塊、通信模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示，接線(xiàn)如圖4所示。ECU是發(fā)電機(jī)組的“大腦”它的作用是把各個(gè)傳感器檢測(cè)到的信息進(jìn)行整合、分析、判斷，然后再把計(jì)算好的結(jié)果再輸送給噴油器，噴油器根據(jù)ECU輸送的電壓信號(hào)確定噴油時(shí)刻以及噴油量。

（1）輸入回路

      柴油發(fā)電機(jī)工作時(shí)，各種傳感器的信號(hào)輸入ECU后，首先進(jìn)入輸入回路進(jìn)行處理。傳感器輸入的信號(hào)不同，處理的方法也不同，一般是先將輸入信號(hào)濾除雜波和將正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尾ê螅俎D(zhuǎn)換成輸入電平。

（2）A/D轉(zhuǎn)換器

      傳感器輸送給ECU的信號(hào)有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)兩種.數(shù)字信號(hào)可直接輸入微機(jī)，但微型計(jì)算機(jī)不能直接接受模擬信號(hào)，必須由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后再輸入微型計(jì)算機(jī)。

（3）微型計(jì)算機(jī)

      微型計(jì)算機(jī)是控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，其功用是根據(jù)工作需要.利用其內(nèi)存程序和數(shù)據(jù)對(duì)各傳感器輸送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，并將處理結(jié)果送往輸出回路。微型計(jì)算機(jī)主要由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM/ROM）和輸入輸出（I/O）裝置組成。

（4）輸出回路

      輸出回路的主要功用就是將微型計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果放大，生成能控制執(zhí)行元件工作的控制信號(hào)。輸出回路一般采用的是功率品體管。根據(jù)微型計(jì)算機(jī)的指令通過(guò)導(dǎo)通或截止來(lái)控制執(zhí)行元件的搭鐵回路。

 

圖3  ECU組成框架圖

圖4  ECU線(xiàn)束接口圖

 

2、高壓共軌管

      柴油發(fā)電機(jī)高壓共軌管的作用是將供油泵提供的高壓燃油穩(wěn)壓后，分配到各噴油器中，起到蓄壓器的作用。它的容積應(yīng)削減高壓油泵的供油壓力波動(dòng)和每個(gè)噴油器由噴油過(guò)程引起的壓力振蕩，使高壓油軌中的壓力波動(dòng)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(yīng)速度以快速跟蹤柴油發(fā)電機(jī)工況的變化；將高壓油泵輸出的高壓油蓄積在共軌油腔內(nèi)，維持ECU所設(shè)定的共軌壓力；向各缸噴油器供應(yīng)高壓燃油。高壓共軌管上裝有波動(dòng)阻尼器、壓力限制閥、流量限制閥（每缸一個(gè)）和共軌壓力傳感器，如圖5所示。

3、流量限制閥

      流量限制閥或稱(chēng)流動(dòng)緩沖器，也有稱(chēng)波動(dòng)阻尼器的，在油軌的上部有6個(gè)流量限制閥，分別與6個(gè)缸的高壓油管相連。當(dāng)某一缸的高壓油管有泄漏或噴油器故障而導(dǎo)致燃油噴射量超過(guò)限值時(shí)，高壓柴油施加在活塞上，使活塞與鋼珠向右移，鋼珠與座接觸，封閉柴油通道，切斷該缸的燃油供應(yīng)，如圖6所示。

 

圖5  高壓共軌構(gòu)造圖

圖6  流量限制閥原理圖

 

 

4、軌壓限制閥

      當(dāng)共軌壓力超過(guò)共軌管所能承受的最高壓力時(shí)140MPa，軌壓限制閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，將共軌壓力降低到約30MPa時(shí)，壓力限制閥的閥門(mén)關(guān)閉，如圖7所示。

5、軌壓傳感器

      共軌壓力傳感器為半導(dǎo)體式壓力傳感器，結(jié)構(gòu)如圖8所示。當(dāng)油壓變化時(shí)，半導(dǎo)體電阻發(fā)生改變，輸出電壓與油壓成正比，油壓越高，輸出電壓也越高。

 

圖7  軌壓限制閥構(gòu)造圖

圖8   電控共軌系統(tǒng)軌壓傳感器結(jié)構(gòu)圖

 

6、電控噴油器

      噴油器是整個(gè)電控系統(tǒng)最關(guān)鍵和最核心的部件，它的作用是在ECU的控制下適時(shí)適量的噴射高壓柴油。結(jié)構(gòu)上主要有噴油器體、電磁閥、柱塞閥組件、噴油嘴針閥組件和彈簧組成負(fù)責(zé)針閥開(kāi)閉的電磁閥具有極快的動(dòng)作速度，其開(kāi)啟時(shí)間不超過(guò)110±10μs，關(guān)閉時(shí)間不超過(guò)30±5μs。其基本動(dòng)作過(guò)程：在噴油器的上部，柱塞的閥體上表面有細(xì)小回流節(jié)油油道，該油道被一小球密封（小球被電磁閥彈簧通過(guò)銜鐵間接壓緊），高壓油可以到達(dá)柱塞上腔，所以高壓油在對(duì)柱塞閥體施加壓力的同時(shí)不會(huì)從回流節(jié)油道泄露，這樣就保證了柱塞對(duì)噴油嘴針閥有一個(gè)較大的向下的壓力，使得噴油嘴針閥緊密的壓在出油口上，雖然針閥下端也受到高壓油的作用而有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但是這個(gè)力遠(yuǎn)小于柱塞上表面受到的力，所以針閥可以穩(wěn)穩(wěn)地壓緊在噴油口上，從而密封住高壓油。當(dāng)需要噴油時(shí)，電磁閥就受到ECU的控制，線(xiàn)圈在由ECU提供的電壓的作用下，產(chǎn)生磁力克服彈簧的壓緊力，將銜鐵向上吸起，同時(shí)，小球也打開(kāi)了回油通道，柱塞上腔與回油管連通，由于回油管內(nèi)油壓約為大氣壓力，所以柱塞受到的油的壓力迅速減小，而因?yàn)榛亓鞴?jié)油油道本身很小，故進(jìn)油壓力不會(huì)在柱塞閥體組件上方卸荷，而針閥下方壓力基本為進(jìn)油壓力，所以針閥受到的合力向上，針閥打開(kāi)，噴油過(guò)程開(kāi)始，當(dāng)線(xiàn)圈斷電時(shí)，彈簧力使小球重新壓緊，柱塞閥體組件所受高壓重新建立，等待下一次噴射。

7、高壓油管

      高壓油管是聯(lián)通共軌管和電控噴油器的通道。它應(yīng)該有足夠的燃油流量減小燃油流動(dòng)時(shí)的壓降，并且使高壓管路系統(tǒng)中的的壓力波動(dòng)較小。能夠承受高壓燃油的沖擊，且啟動(dòng)時(shí)油壓可以盡快建立。每一個(gè)氣缸所連接的高壓管應(yīng)該基本等長(zhǎng)，以使噴油壓力盡量相同。并且使長(zhǎng)度盡量小，以減小壓力的損失。

8、高壓油泵

      高壓油泵主要分為柱塞泵和齒輪泵兩種，負(fù)責(zé)將燃油輸送到高壓共軌管中。其中以齒輪泵為主，基本結(jié)構(gòu)如圖9所示，原理如圖10所示。

      齒輪油泵是利用兩個(gè)齒輪相互旋轉(zhuǎn)以進(jìn)行工作的，并且對(duì)介質(zhì)的要求不高。通常它的壓力低于6MPa，且流量也很大。齒輪油泵在泵體內(nèi)裝有一對(duì)旋轉(zhuǎn)齒輪，一個(gè)為主動(dòng)，一個(gè)為被動(dòng)。依靠?jī)蓚€(gè)齒輪的相互嚙合，泵中的整個(gè)工作腔被分為兩個(gè)獨(dú)立的部分：一部分是吸入室，另外一部分是排出室。當(dāng)齒輪油泵運(yùn)行時(shí)，主動(dòng)齒輪帶動(dòng)被動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪從齒輪嚙合到脫開(kāi)時(shí)，在吸入側(cè)會(huì)形成部分真空，從而抽吸液體。吸入的液體充滿(mǎn)齒輪的每個(gè)齒輪，并被帶到排放側(cè)。當(dāng)齒輪進(jìn)入嚙合時(shí)，液體被擠出，形成高壓液體，然后通過(guò)泵的排出口排出泵外。

 

圖9  電控柴油機(jī)齒輪泵結(jié)構(gòu)

圖10  電控柴油機(jī)齒輪泵原理

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)電機(jī)電控高壓共軌系統(tǒng)是柴油發(fā)電機(jī)最新的技術(shù)?；竟ぷ髟硎怯?jì)算機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器和油門(mén)位置傳感器的輸入信號(hào)，首先計(jì)算出基本噴油量，然后根據(jù)水溫、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力等傳感器的信號(hào)進(jìn)行修正，確定最佳噴油量?？梢愿鶕?jù)不同的工況要求將預(yù)噴、后噴等參數(shù)存儲(chǔ)在ECU，從而實(shí)現(xiàn)多次噴射。

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