詳解工程機(jī)械柴油發(fā)動機(jī)高壓共軌技術(shù)

高壓油泵提將燃油輸送到公共供油管，通過控制噴油器將燃油直接噴射到缸內(nèi)。高壓共軌將噴射過程和油壓產(chǎn)生完全分開，使供油壓力不會受到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。

優(yōu)點：

1.高壓共軌系統(tǒng)中的噴油壓力柔性可調(diào)，對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。

2. 可獨立地柔性控制噴油正時，配合高的噴射壓力（120MPa～200MPa），可同時控制NOx和微粒（PM）在較小的數(shù)值內(nèi)，以滿足排放要求。

3. 柔性控制噴油速率變化，實現(xiàn)理想噴油規(guī)律，容易實現(xiàn)預(yù)噴射和多次噴射，既可降低柴油機(jī) NOx，又能保證優(yōu)良的動力性和經(jīng)濟(jì)性。

4. 由電磁閥控制噴油，控制精度較高，高壓油路中不會出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象，因此在柴油機(jī)運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，循環(huán)噴油量變動小，各缸供油不均勻可得到改善，從而減輕柴油機(jī)的振動和降低排放。

代表車型：

1999年年底誕生了裝配著3缸共軌柴油發(fā)動機(jī)的Smart，它的排量只有799mL，最大功率30kW，在1800～2800rpm時輸出最大扭矩100Nm。奔馳推出的E320上安裝了第二代共軌發(fā)動機(jī)，最大功率150kW/1000rpm時輸出扭矩250Nm，在1400rpm時即可得到峰值扭矩的85%，在1800～2600rpm的廣闊區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)500Nm的峰值扭矩。0～100km/h的加速時間只有7.7秒，最高車速243km/h。綜合油耗是6.9L/100km，80L的油箱使續(xù)航能力達(dá)到了1000km。而配有汽油機(jī)的E320的綜合油耗是9.9L/100km。

技術(shù)概括：

在柴油機(jī)中，高速運轉(zhuǎn)使柴油噴射過程的時間只有千分之幾秒，由于柴油的可壓縮性和高壓油管中柴油的壓力波動，使實際的噴油狀態(tài)與噴油泵所規(guī)定的柱塞供油規(guī)律有較大的差異。油管內(nèi)的壓力波動有時還會在主噴射之后，使高壓油管內(nèi)的壓力再次上升，達(dá)到令噴油器的針閥開啟的壓力，將已經(jīng)關(guān)閉的針閥又重新打開產(chǎn)生二次噴油現(xiàn)象，由于二次噴油不可能完全燃燒，于是增加了煙度和碳?xì)浠衔铮℉C）的排放量，油耗增加。此外，每次噴射循環(huán)后高壓油管內(nèi)的殘壓都會發(fā)生變化，隨之引起不穩(wěn)定的噴射，尤其在低轉(zhuǎn)速區(qū)域容易產(chǎn)生上述現(xiàn)象，嚴(yán)重時不僅噴油不均勻，而且會發(fā)生間歇性不噴射現(xiàn)象。為了解決柴油機(jī)這個燃油壓力變化的缺陷，現(xiàn)代柴油機(jī)采用了一種稱為共軌的技術(shù)。

高壓共軌技術(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)生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過-對公共供油管內(nèi)的油壓實現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，因此也就減少了傳統(tǒng)柴油機(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）壓力和電磁閥開啟時間的長短。

技術(shù)原理：

高壓共軌系統(tǒng)主要由電控單元、高壓油泵、蓄壓器（共軌管）、電控噴油器以及各種傳感器等組成。低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌（蓄壓器），高壓油軌中的壓力由電控單元根據(jù)油軌壓力傳感器測量的油軌壓力以及需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，高壓油軌內(nèi)的燃油經(jīng)過高壓油管，根據(jù)機(jī)器的運行狀態(tài)，由電控單元確定合適的噴油定時、噴油持續(xù)期由電液控制的電子噴油器將燃油噴入汽缸。

1.高壓油泵

高壓油泵的供油量的設(shè)計準(zhǔn)則是必須保證在任何情況下的柴油機(jī)的噴油量與控制油量之和的需求以及起動和加速時的油量變化的需求。由于共軌系統(tǒng)中噴油壓力的產(chǎn)生于燃油噴射過程無關(guān)，且噴油正時也不由高壓油泵的凸輪來保證，因此高壓油泵的壓油凸輪可以按照峰值扭矩最低、接觸應(yīng)力最小和最耐磨的設(shè)計原則來設(shè)計凸輪。

大部分公司采用由柴油機(jī)驅(qū)動的三缸徑向柱塞泵來產(chǎn)生高達(dá) 135MPa 的壓力。該高壓油泵在每個壓油單元中采用了多個壓油凸輪，使其峰值扭矩降低為傳統(tǒng)高壓油泵的 1/9 ，負(fù)荷也比較均勻，降低了運行噪聲。該系統(tǒng)中高壓共軌腔中的壓力的控制是通過對共軌腔中燃油的放泄來實現(xiàn)的，為了減小功率損耗，在噴油量較小的情況下，將關(guān)閉三缸徑向柱塞泵中的一個壓油單元使供油量減少。

2. 高壓油軌（共軌管）

共軌管將供油泵提供的高壓燃油分配到各噴油器中，起蓄壓器的作用。它的容積應(yīng)削減高壓油泵的供油壓力波動和每個噴油器由噴油過程引起的壓力震蕩，使高壓油軌中的壓力波動控制在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機(jī)工況的變化。

高壓共軌管上還安裝了壓力傳感器、液流緩沖器（限流器）和壓力限制器。壓力傳感器向 ECU 提供高壓油軌的壓力信號；液流緩沖器（限流器）保證在噴油器出現(xiàn)燃油漏泄故障時切斷向噴油器的供油，并可減小共軌和高壓油管中的壓力波動；壓力限制器保證高壓油軌在出現(xiàn)壓力異常時，迅速將高壓油軌中的壓力進(jìn)行放泄。

3. 電控噴油器

電控噴油器是共軌式燃油系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件，它的作用根據(jù)ECU發(fā)出的控制信號，通過控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率噴入柴油機(jī)的燃燒室。

為了實現(xiàn)預(yù)定的噴油形狀，需對噴油器進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計?？刂剖业娜莘e的大小決定了針閥開啟時的靈敏度，控制室的容積太大，針閥在噴油結(jié)束時不能實現(xiàn)快速的斷油，使后期的燃油霧化不良；控制室容積太小，不能給針閥提供足夠的有效行程，使噴射過程的流動阻力加大，因此對控制室的容積也應(yīng)根據(jù)機(jī)型的最大噴油量合理選擇。

此外噴油嘴的最小噴油壓力取決于回油量孔和進(jìn)油量孔的流量率及控制活塞的端面面積。這樣在確定了進(jìn)油量孔、回油量孔和控制室的結(jié)構(gòu)尺寸后，就確定了噴油嘴針閥完全開啟的穩(wěn)定、最短噴油過程，同時就確定了噴油嘴的穩(wěn)定最小噴油量?？刂剖胰莘e的減少可以使針閥的響應(yīng)速度更快，使燃油溫度對噴嘴噴油量的影響更小。

但控制室的容積不可能無限制減少，它應(yīng)能保證噴油嘴針閥的升程以使針閥完全開啟。兩個控制量孔決定了控制室中的動態(tài)壓力，從而決定了針閥的運動規(guī)律，通過仔細(xì)調(diào)節(jié)這兩個量孔的流量系數(shù)，可以產(chǎn)生理想的噴油規(guī)律。

由于高壓共軌噴射系統(tǒng)的噴射壓力非常高，因此其噴油嘴的噴孔截面積很小，如 BOSCH 公司的噴油嘴的噴孔直徑為0.169mm×6，在如此小的噴孔直徑和如此高的噴射壓力下，燃油流動處于極端不穩(wěn)定狀態(tài)，油束的噴霧錐角變大，燃油霧化更好，但貫穿距離變小，因此應(yīng)改變原柴油機(jī)進(jìn)氣的渦流強度、燃燒室結(jié)構(gòu)形狀以確保最佳的燃燒過程。

對于噴油器電磁閥，由于共軌系統(tǒng)要求它有足夠的開啟速度，考慮到預(yù)噴射是改善柴油機(jī)性能的重要噴射方式，控制電磁閥的響應(yīng)時間更應(yīng)縮短。

4. 高壓油管

高壓油管是連接共軌管和電控噴油器的通道，它應(yīng)有足夠的燃油流量減小燃油流動時的壓降，并使高壓管路系統(tǒng)中的壓力波動較小，能承受高壓燃油的沖擊作用，且起動時共軌中的壓力能很快建立。各缸高壓油管的長度應(yīng)盡量相等，使柴油機(jī)每一個噴油器有相同的噴油壓力，從而減少發(fā)動機(jī)各缸之間噴油量的偏差。各高壓油管應(yīng)盡可能短，使從共軌到噴油嘴的壓力損失最小。BOSCH公司的高壓油管的外經(jīng)為6mm，內(nèi)徑為2.4mm，日本電裝公司的高壓油管的外經(jīng)為8mm，內(nèi)徑為3mm 。

高壓共軌系統(tǒng)由五個部分組成，即高壓油泵、共軌腔及高壓油管、噴油器、電控單元、各類傳感器和執(zhí)行器。供油泵從油箱將燃油泵入高壓油泵的進(jìn)油口，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的高壓油泵將燃油增壓后送入共軌腔內(nèi)，再由電磁閥控制各缸噴油器在相應(yīng)時刻噴油。

預(yù)噴射在主噴射之前，將小部分燃油噴入氣缸，在缸內(nèi)發(fā)生預(yù)混合或者部分燃燒，縮短主噴射的著火延遲期。這樣缸內(nèi)壓力升高率和峰值壓力都會下降，發(fā)動機(jī)工作比較緩和，同時缸內(nèi)溫度降低使得NOx排放減小。預(yù)噴射還可以降低失火的可能性，改善高壓共軌系統(tǒng)的冷起動性能。

主噴射初期降低噴射速率，也可以減少著火延遲期內(nèi)噴入氣缸內(nèi)的油量。提高主噴射中期的噴射速率，可以縮短噴射時間從而縮短緩燃期，使燃燒在發(fā)動機(jī)更有效的曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)完成，提高輸出功率，減少燃油消耗，降低碳煙排放。主噴射末期快速斷油可以減少不完全燃燒的燃油，降低煙度和碳?xì)渑欧拧?/p>

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