高压共轨式电控柴油喷射系统汽车构造

高压共轨式电控柴油喷射系统是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环系统中,将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管(共轨管),通过公共供油管内的油压实现精确控制,使高压油管压力大小与发动机的转速无关,长期保持在一个稳定状态。

世界上生产柴油机电控高压共轨系统的大公司主要有三家,分别是德国的博世(BOSCH)、日本的电装(Denso)和美国的德尔福(Delphi)。博世公司已经连续推出了三代共轨系统,前两代共轨系统主要重视喷油压力的提升:第一代是135MPa,第二代是160MPa,而第三代共轨系统的重心转移到系统的技术复杂度和精密度上,其压力保持在160MPa。由于篇幅所限,下面只介绍德国博世公司的电控高压共轨系统。

1.高压共轨系统的组成

图6-37为德国博世公司的第一代高压共轨式电控柴油喷射系统的结构组成图,高压共轨式电控发动机系统由以下三部分组成:

图6-37　带CP1泵的高压共轨系统结构组成图

(1)低压燃油系统。包括油箱、油箱内或高压泵内的输油泵、燃油滤清器、低压输送油管和低压回油管。

(2)高压燃油系统。包括高压泵、高压油管、共轨压力控制阀(PCV)、高压油轨、共轨压力传感器、安全泄压阀和流量限制阀。

(3)燃油喷射控制系统。包括凸轮轴位置传感器和曲轴转速等各种传感器、控制单元(ECU)和带电磁阀的高压喷油器等电子执行器。

2.高压共轨系统的主要部件

(1)高压油泵。高压油泵的作用是向共轨系统提供高压燃油。博世(BOSCH)高压油泵常用的有三种型号,分别是:CP1、CP2、CP3。CP1的特点是有一个调节共轨压力的压力控制阀,压力控制阀是常开电磁阀,调节输送的燃油压力从25MPa到135MPa,即CP1向供油系统提供最高为135MPa的燃油压力。

CP1高压油泵的内部结构和接口如图6-38所示,一个高压油泵上有三套柱塞组件,由驱动轴带动的偏心轮驱动,三个柱塞在圆周角上相位相差120°。偏心轮驱动平面和柱塞垫块之间为面接触,比起分配泵的凸轮与滚轮之间的线接触,面接触的接触应力小得多,这有利于产生更高压力的燃油喷射。

图6-38　高压泵的纵向结构图

1—元件关闭阀;2—进油阀;3—泵腔;4—油泵柱塞;5—多边环;6—燃油供给通道;7—节流阀(安全阀);8—出油阀;9—套;10—压力控制阀;11—球阀/压力控制阀

高压油泵的工作原理如图6-39所示,当供油油压超过安全阀的开启压力(50～150k Pa)时,燃油进入进油阀,当柱塞往下运动时,由于柱塞腔内产生吸力,进油阀打开,燃油经进油阀进入柱塞压缩腔;当柱塞向上运动时,由于柱塞腔不再吸油,进油阀关闭,燃油建立起高压,当柱塞腔的压力高于共轨中燃油的压力时,出油阀打开,高压燃油在压力控制阀(PCV)的控制下进入共轨管内。驱动油泵上升的动力与共轨中设定的压力和油泵的转速(输油量)成正比,博世第一代共轨系统设定压力为135MPa,而第二代共轨系统设定压力为160MPa。在高压泵内燃油由三个径向排列的活塞压缩,每个循环进行三次输送冲程,由于每次旋转都产生三次压送冲程,只产生低峰值驱动力矩,因此泵驱动装置的受力保持均匀。高压泵将燃油压缩至一个最高由系统设定的压力,最终压力即系统压力是由压力控制阀(PCV)来调节的。

博世CP3高压油泵的泵油原理与CP1相同,对于CP3高压油泵而言,通过一个燃油计量比例阀控制进入高压油泵的燃油量,从而控制高压油泵的供油量,以满足共轨压力的要求。此种设计方案能有效的降低动力消耗,同时避免对燃油进行不必要的加热。

图6-39　高压泵工作原理图

1—吸油阀;2—柱塞泵;3—偏心凸轮;4—驱动轴;5—出油阀

(2)压力控制阀。高压油泵柱塞工作时产生的油压在无调节的情况下是随着发动机的转速变化而变化的,为了使共轨系统有一个稳定的喷射压力,那就需要一个调节机构。博世CP1高压油泵中,共轨压力的调节是在压力控制阀的作用下完成的。

压力控制阀的结构如图6-40所示,球阀是高压共轨燃油与低压回油的分界点,球阀的一侧是来自共轨燃油的压力,另一侧是衔铁受弹簧预紧力和电磁阀电磁力的作用。电磁阀产生电磁力的大小与电磁阀线圈中的电流大小有关,当电磁阀无电流通过时,弹簧预紧力使球阀紧压在密封座面上。当共轨腔中的燃油压力超过10MPa时,球阀打开,燃油从压力控制阀处回流到低压回路。在压力控制阀通电后,电磁阀立刻向衔铁施加电磁力,球阀受到弹簧预紧力和电磁阀电磁力作用,衔铁作用在球阀上的力决定了共轨中的燃油压力。电磁阀的电磁力可以通过调整电磁阀线圈中电流的大小来控制,线圈相当于一个感性负载,线圈中的平均电流通过发动机控制单元向压力控制阀发出脉冲调制信号来实现。

图6-40　压力控制阀的位置及结构

1—弹簧;2—线圈;3—衔铁;4—球阀;5—电器接口

图6-41　燃油计量阀的结构

1—滤清器;2—电磁线圈;3—弹簧;4—活塞;5—出油口;6—O形圈

(3)燃油计量阀。燃油计量阀的结构如图6-41所示,工作原理及特性曲线如图6-42所示。它是一个流量控制阀,是电脑控制共轨燃油压力的执行器。燃油计量阀安装在高压油泵的进油位置,ECU控制其通电时间用于调整燃油供给量和燃油压力值。由供油特性曲线可以看出,计量电磁阀在控制线圈没有通电时,进油计量阀在弹簧力的作用下是全开的,进油量最大;随着流过线圈的电流增大,进油计量阀逐渐关闭,甚至切断向高压油泵柱塞元件的供油。发动机ECU通过脉冲信号(占空比)来改变计量元件进油截面积,从而增大或减小进油量。有的燃油计量阀的控制机理可能与此相反,即无电流通过时计量阀是关闭的,为零供油量;有电通过时计量阀在电磁力作用下逐渐打开。

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图6-42　燃油计量阀的工作原理及特性曲线

(4)高压轨道。如图6-43所示,是四缸柴油发动机高压共轨系统的共轨组件,包括轨道本体和安装在轨道上的高压燃油接头、共轨压力传感器、压力限制阀、连接喷油器的流量限制阀等。高压轨道,又称高压蓄压器,用来存储高压燃油并抑制压力波动,高压蓄压器为所有气缸所共有,因此将其称作“共轨”。即使大量燃油排出时,共轨也能将其内部压力保持基本不变。共轨轨道可承受高达160MPa以上的高压燃油,材料和高压容积对于共轨压力的控制都是重要参数。

图6-43　高压共轨组件

1—共轨压力传感器;2—流量限制器;3—压力限制阀

图6-44　共轨压力传感器外形和结构图

1—电子接头;2—评估电路;3—带传感器的皮膜;4—高压燃油通道;5—安装接口

(5)共轨压力传感器。共轨压力传感器的外形和结构如图6-44所示,它安装在高压油轨上。它检测油轨的燃油压力,把轨道内的燃油压力转换成电信号传递给ECU,ECU根据油轨压力控制进油计量阀的动作。这是一个半导体传感器,它利用了压力施加到半导体硅元件上时电阻发生变化的压电效应原理制成。

(6)压力限制阀。压力限制阀的结构如图6-45所示,它主要是由活塞、活塞阀门、阀门弹簧各阀体组成。压力限制阀的作用是当共轨中的燃油压力异常高时,压力限制阀的阀门打开,连通共轨到低压的燃油回路,实现安全泄压,以保证整个共轨系统中的最高压力不超过极限安全压力。它在压力降低到一定水平之后恢复(关闭),由压力限制阀释放的燃油返回到油箱中。

图6-45　压力限制阀的结构

1—电子接头;2—评估电路;3—带传感器的皮膜;4—高压燃油通道

(7)流量限制阀。流量限制阀的结构如图6-46所示,它主要是由柱塞、压力弹簧和外壳组成。流量限制阀两端带外螺纹,连接在轨道和去喷油器的高压油管之间。流量限制阀的作用是计量从共轨到各喷油器的燃油量大小。当流量过大时,可以自动切断去喷油器的高压燃油,这是由于在非常情况下需要阻止喷油器常开和持续喷油。为达到这一要求,一旦从轨道输出的油量超过规定的水平,流量限制阀就关闭通往这一喷油器的高压油路。

图6-46　流量限制阀的结构

1—轨道端接头;2—锁紧垫圈;3—柱塞;4—压力弹簧;5—外壳;6—喷油器接头;7—节流孔;8—座面

图6-47　共轨系统的高压管路

(8)高压油管。高压油管用于输送高压燃油,它是由钢材制成并能承受发动机在最大系统压力下的间歇高频压力变化。高压管的形状如图6-47所示。共轨系统上有两种作用类型的高压管,一种用于高压油泵上的高压油出口和共轨进油口之间的连接,另一种用于共轨上流量限制阀与喷油器之间的连接。燃油轨道和喷油器之间的所有的高压油管的长度都要相同,虽然各缸油管输送距离有所差别,但油管的各弯曲度补偿了各个油管之间的长度差。

(9)电控喷油器。电控喷油器是高压共轨系统中最关键和最复杂的部件,也是设计、工艺难度最大的部件。ECU通过控制电磁阀的开启和关闭,将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入燃烧室。

博世高压共轨系统喷油器的结构如图6-48所示,电控喷油器的工作原理如下:

图6-48　博世共轨式喷油器的结构

1—电器接口;2—电磁阀;3—球阀;4—泄油节流孔;5—进油节流孔;6—柱塞控制腔;7—控制柱塞;8—进油槽;9—喷油器针阀

高压燃油来源于共轨系统的高压油路,经喷油嘴内部的进油槽流向针阀腔,同时经进油节流孔流向柱塞控制腔。控制腔与燃油回路相连,它们之间是一个由电磁阀控制打开与关闭的泄油节流孔。当电磁阀断电时,球阀在阀座弹簧力的作用下紧压在电磁阀的阀座上,高压和低压之间的流通通道(柱塞控制腔与低压回路)被隔断,燃油的高压压力直接作用在柱塞顶部,再加上针阀弹簧的预紧力,超过了它在针阀腔内喷油嘴针阀承压面产生的压力,使得柱塞针阀向下紧压在喷油器针阀座面上,针阀是关闭的,喷油器不喷射。当电磁阀通电后,电磁力使球阀离开阀座,泄油节流孔被打开,引起控制腔的压力下降,结果,活塞上的液压力也随之下降。当液压力与针阀弹簧的预紧力之和降至低于作用在喷油嘴针阀承压面上的力,针阀就会被打开,燃油经喷油孔喷入燃烧室。针阀抬起速度取决于泄油孔与进油孔的流量差,针阀关闭速度取决于进油孔流量。

喷油器的电磁阀被触发时,对喷油嘴针阀采用了一套液压力放大系统,因为快速打开针阀所需的力不能直接由电磁阀产生,实际上打开针阀所需的控制作用力,是通过电磁阀打开泄油节流孔使得控制腔压力降低,从而打开针阀实现的。

整个喷射过程如下:当电磁阀通电时,针阀抬起,喷射开始;当电磁阀断电时,针阀落座,喷射结束。由于共轨中的压力是稳定的,所以任何时刻喷油器都可以在电磁阀的控制下喷油。整个喷射控制的响应时间包括电磁阀响应时间与液力系统响应时间,这个时间是非常短的,一般为0.1～0.3ms。