清华大学柴油机共轨系统讲义

第1页柴油机共轨控制系统一、为什么需要共轨控制系统；二、柴油机三种电控系统的对比；（1）第一代位置控制式（2）第二代时间控制式（3）第三代高压共轨控制系统三、柴油机的空气控制系统；四、共轨控制系统的结构细节；五、关于共轨系统的一些基本问题；第2页柴油机面临的问题第3页§1柴油机面临的问题•与汽油机比较：–HC和CO排放相对较少–CO2少–NOx排放和汽油机基本相当，但是汽油机可以加三效催化装置–微粒排放较高–噪声较大解决NOx和PM的排放第4页柴油机面临的问题第5页柴油机面临的问题第6页柴油机发展趋势•理想喷射特性–预喷射、初始喷射速率低，主喷速率高，后喷停止速度快•缸内高压喷射–轿车：2000bar，卡车：2600bar以上•增压中冷，废气再循环(EGR)–提高升功率、经济性和降低排放第7页柴油机发展趋势•排气后处理微粒捕捉器，氧化催化器，NOx催化器•解决方案：电子控制：–电子控制燃油喷射–电子控制可变截面涡轮–电子控制废气再循环–电动进排气门–电子控制单元实现理想的喷油速率是解决柴油机排放的基础，配合空气系统和电子控制，是柴油机发展的根本途径。第8页§2柴油机三种电控燃油喷射系统的对比1位置控制式2时间控制式3高压共轨系统第9页§2.1第一代位置控制式1分配泵位置控制2直列泵位置控制3第一代电控系统的总体特点第10页机械式分配泵§2.1.1分配泵位置控制系统第11页位置控制式分配泵喷油量调整屏蔽轴油量控制套筒凸轮轴分配转子位置传感器油温传感器定时控制活塞分配转子定时电磁阀出油阀第12页另一种位置电控VE泵线圈衔铁位置传感器油量控制套筒断油电磁阀定时控制阀第13页控制特点•油量控制特点：调速器被取消；对油量控制套筒实施位置饲服控制；喷射量的间接控制•定时控制特点：电磁阀控制定时活塞两端的压力，实现对定时的间接控制第14页喷射定时的反馈方法实际喷射定时的反馈——喷嘴针阀升程的检测：利用针阀运动导致螺线管中电磁变化来反馈喷射始点压力销螺线管喷嘴架双弹簧喷嘴信号接口第15页§2.1.2直列泵的位置控制式系统第16页油量控制元件取消机械调速器对齿条/拉杆的位置实施电控取消机械调速器对齿条/拉杆的位置实施电控第17页装有柔性动力系统的混合调速器第18页装有柔性动力系统的康明斯发动机第19页§2.1.3第一代电控系统特点总结间接控制喷油量——位置饲服间接控制喷油定时——液力系统饲服控制喷射压力大小控制——取决于原有机械系统的性能喷油速率控制——取决于原有机械系统的性能优点：技术难度小，改动工作量小，成本低，可以实现机械混合运行，安全可靠；缺点：间接控制，响应慢，对发动机性能改善有限第20页§2.2第二代时间控制式1分配泵系统2直列泵系统3电控单体泵/泵喷嘴系统4第二代电控系统的总体特点第21页§2.2.1基于分配泵的电控系统第22页分配泵的电控系统框图传感器燃油箱喷油器加速踏板传感器滤清器电磁阀第23页喷油控制功能密封端口第24页ECU模块第25页凸轮轴位置传感器第26页控制时序第27页§2.2.2基于直列泵的电控系统简化直列油泵喷嘴电磁阀位置/转速传感器输油泵电控单元高压油路低压油路PPVI：在直列泵上实施的时间控制式电控系统第28页PPVI液力系统结构框图ECG电磁阀低压系统柱塞凸轮轴直列泵壳体电控单元高压油管喷油器第29页PPVI系统工作特点PPVI系统的特点：传统的齿条被取消；柱塞斜槽被取消，只起加压的作用；喷油量控制和喷油脉宽完全由电磁阀控制；电磁阀关闭时刻决定喷射定时；电磁阀关闭持续时间决定喷油量；第30页§2.2.3泵喷嘴和单体泵系统1机械式单体泵系统2喷油量控制3喷油定时控制4喷嘴的结构第31页应用场合单体泵：机车/船用泵喷嘴：轿车/卡车第32页控制系统的框图第33页系统的配置第34页§2.2.4第二代电控系统总结(1)第二代控制系统的包括：电控分配泵、直列泵、泵喷嘴、单体泵；共有的控制特点：依靠传统的脉动泵产生高压；喷油量控制和喷油脉宽完全由电磁阀控制；电磁阀关闭时刻决定喷射定时；电磁阀关闭持续时间决定喷油量；第35页第二代电控系统总结(2)与第一代的差别：采用电磁阀实现对喷射过程的直接数字控制，不但可以控制喷油量，而且可以控制喷射定时，实现高频和更加灵活的控制功能；而且可以实现分缸独立控制。第36页第二代电控系统总结(3)第二代电控系统的缺点：（1）仍然依赖于传统的脉动高压系统，使得高压喷射的区间受到凸轮型线的限制，无法实现大范围的喷射定时控制；（2）喷射压力的大小只和凸轮型线以及发动机转速等结构参数有关，不能根据发动机的工况灵活调节；（3）无法实现灵活的预喷射和多次喷射。第37页§2.3第三代高压共轨系统1共轨压力的反馈控制2喷油量控制3喷油定时控制4预喷射控制第38页§2.3.1共轨控制系统的类型1中压共轨—HEUI系统2高压共轨—线圈电磁阀喷油器3高压共轨—压电晶体喷油器4共轨系统的控制特点第39页§2.3.2液力活塞增压喷射系统－HEUI第40页HEUI的含义第41页HEUI系统组成第42页HEUI的预喷射功能第43页HEUI的主喷射第44页HEUI的机油压力控制第45页HEUI的燃油供油泵第46页HEUI的控制系统第47页HEUI的控制特点1.机油压力和增压活塞配合完成喷射压力控制，以较低的共轨压力来实现高压喷射；2.需要活塞增压，增压过程响应慢；30ms3.可以实现预喷射，但是预喷射不能灵活调节；4.电磁阀采用高电压驱动，实现电磁阀的快速闭合控制。5.整个控制系统的复杂程度较高。第48页§2.3.3BOSCH高压共轨系统第49页高压共轨系统在BMW轿车柴油上第50页BOSCH的高压共轨系统第51页系统框图高压泵PCV阀ECU参考脉冲位置脉冲踏板位置增压压力滤清器输油泵高压油管压力传感器共轨腔限压阀低压油管喷油器水温空气流量大气压力温度油温燃油箱第52页共轨系统在轿车上的应用第53页燃油输油泵第54页燃油输油泵第55页燃油高压泵第56页燃油高压泵第57页PCV阀第58页PCV阀第59页喷油器第60页喷油器第61页共轨系统的组成第62页§2.3.4共轨系统的总结1.共轨压力反馈控制—PCV/高压传感器；2.喷油量、喷射定时、喷射压力和喷油速率的综合控制；3.燃烧噪声、排放、动力性和经济性的综合优化控制；4.系统最复杂、制造成本最高、技术水平最高第63页附：五十铃共轨系统第64页附：五十铃共轨系统第65页附：五十铃共轨系统第66页§2.3.5压电晶体喷油器—共轨2第67页压电晶体相对线圈执行器的优点（1）第68页压电晶体相对线圈执行器的优点（2）第69页由压力控制模式向体积控制模式过渡第70页体积控制模式和压力控制模式的功率损失第71页空气和燃油集成模块第72页柴油机的理想喷油速率第73页共轨系统的预喷、主喷和后喷第74页喷油量和共轨压力、喷油脉宽的对应关系第75页三种典型的喷射系统的喷射压力比较第76页6关于共轨系统的基本问题问题1：共轨多大的功率范围？轿车、轻卡、重卡、机车、船舶均可30Kw～200Kw/缸的功率范围问题2：最高压力能够到达多少？五十铃：1350Bar，Bosch：～1400Bar；压力通过安全阀来限制。第77页6关于共轨系统的基本问题（续）问题3：共轨发动机一共有几个子系统？（1）共轨压力控制系统；（2）喷油量/喷射定时控制系统（3）增压压力控制系统（VNT）（4）EGR控制系统问题4：预喷油量和角度？1～4mm3，3～5%的总油量，角度可以达到TDC前90°。第78页6关于共轨系统的基本问题（续）问题5：后喷的作用和角度？用来形成较浓的空燃比——实现降NOx的功能。可以在TDC后200°～220°进行喷射，所喷的油量不会在缸内正常燃烧，一部分通过EGR重新进入气缸，其它的油量经排气管到达NOx催化器，达到降NOx的目的。通过EGR循环的燃油相当于大提前角预喷射作用。后喷会影响经济性（3%～5%），同时也会影响机油消耗。第79页6关于共轨系统的基本问题（续）问题6：共轨系统中，哪些关键参数是新的？和传统的时间控制式燃油喷射系统相比，增加了共轨压力传感器，实现了共轨压力的闭环控制，从而大大增加了喷射控制的灵活性，增加了喷射压力控制、预喷油量控制、预喷定时控制，后喷油量控制、后喷定时控制。由于这些新的功能的增加，共轨发动机的标定技术就显得非常重要，因为变量增加之后，虽然给性能的优化提供了更加的广阔的空间，同时也意味着增加了试验匹配的工作量。“最佳状态一直是追求的目标，但是没有最好，只有可以接受”的标订规则。第80页6关于共轨系统的基本问题（续）问题7：共轨压力控制是如何实现的？通过PCV（压力控制阀）开关来实现的。提高共轨压力：加大PCV的关闭时间；降低共轨压力：一个方面PCV打开（不再向共轨压油），另外一个方面利用各缸喷嘴向缸内喷射来降低共轨压力。——在发动机不运转的时候，即使PCV阀全开共轨压力也不会下降。应尽量避免发动机在高速或者大负荷的压力条件下突然停机，因为除了会对发动机本身有损坏外，由于共轨压力很高，来不及下降就停机，会造成发动机再次启动时困难，因为起动时的需要共轨压力较低（约330～350Bar）。第81页6关于共轨系统的基本问题（续）问题8：共轨安全阀（限压阀）的压力是多大？大约是1500Bar左右。安全阀打开一次后，共轨压力降到很低的水平（200Bar左右），从而实现安全停机。问题9：高压油管的要求：可以持续承受较高的静态压力和动态压力波动。油缸内径2.4mm时外径为6mm。问题10：高压泵的驱动功率？由于高压泵有三套柱塞系统，每120°供油一次，因此需要的峰值转矩比较小，2升的轿车发动机的高压泵在标定转速和1350bar压力的条件下，需要3.8Kw的驱动功率。第82页6关于共轨系统的基本问题（续）问题11：高压泵能否实现的省功率运行？首先是很有必要，因为从PCV泄压的燃油已经被加压，油温会升高而且能量损失加大。利用高压泵的单个柱塞关断阀，可以进一步降低高压泵的能量损失。问题12：PCV的回位弹簧力如何考虑？由于PCV阀工作方式：当PCV阀打开（断电）时，燃油泄流到低压；当PCV阀关闭（通电）时，燃油进入共轨。断电时，因为弹簧预紧力决定了共轨系统的最小压力值，该值一般为100bar左右。第83页6关于共轨系统的基本问题（续）问题13：PCV阀的响应？五十铃的共轨系统在1ms左右，在电磁阀关闭之后，利用电流的脉宽调制保持PCV阀的关闭状态，其中的调制频率在1KHz以上。和各缸的喷油电磁阀相比，PCV阀的响应底一些没有关系，而且可以利用DC-DC变换将其驱动电压提高到120V～150V左右，以实现较短的时间给电磁阀较大的充能。问题14：共轨压力波动峰值有多大？一般在共轨的平均压力的百分之几的水平以内，例如怠速时的共轨平均压力一般在350巴左右，其压力第84页6关于共轨系统的基本问题（续）波动在几巴到十几巴的水平。在大负荷供况下，波动幅值在100巴以内。问题15：共轨到各缸之间要有限流器，为什么？主要是为了保证发动机的安全，使得从共轨到喷嘴之间的流量受到限制，从而保护发动机过载，这是当某缸电磁阀失效以后，从机械上保证发动机不受损坏的装置。问题16：喷油器的响应时间：一般要实现1mm3～4mm3的喷油量，电磁阀响应在0.2ms~0.3ms之间，才能实现。例如五十铃的电磁阀由125V电压驱动，响应约为0.22ms。第85页6关于共轨系统的基本问题（续）问题17：共轨发动机在国内要开发或者生产，应该如何突破？首先明确：共轨系统的主要难度在于机械部分：高压泵、PCV阀，限流器、安全阀、喷油器和共轨压力传感器是其关键，而其它传感器例如曲轴的位置传感器、流量、压力或者温度量的测量都和以前的控制系统一样，没有太多的难度。其次：共轨系统的喷射控制算法包括了主喷、预喷和后喷，虽然增加了一些难度，但是控制的软件不难，利用32位控制系统还是比较容易的，而且国内完全有能力设计这样的控制系统。第86页TheEnd