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1、柴油机共轨技术,目录,一、柴油机喷油技术的发展 二、共轨喷油技术介绍 三、Bosch电控共轨系统介绍 四、Cummins电控共轨系统介绍,第一代 位置控制系统,一、柴油机喷油技术的发展,位置控制系统不仅保留了传统的泵管嘴系统，还保留了原喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条或者滑套的运动位置予以电子控制。 日本Denso公司的ECDV1，德国Bosch公司的EDC和日本Zexel公司的COVEC等都属于位置控制的电控分配泵系统。日本Zexel公司的COPEC，德国Bosch公司的EDR系统和美国Caterpillar公司的PEEC系统等都属于位置控制的电控直列泵
2、系统。,第二代 时间控制系统,时间控制系统是用高速强力电磁阀直接控制高压燃油，一般情况下，电磁阀关闭，开始喷油；电磁阀打开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽和提前期等全部取消，对喷射定时和喷射油量控制的自由度更大。,日本Zexel公司的Model-1电控分配泵，美国Detroit公司的DDEC电控泵喷嘴、德国Bosch公司的EUP13电控单体泵都属于时间控制系统。我国专家欧阳明高和丹麦Sorenson研制的“泵管阀嘴（Pump/Pipe/Valve/InjectorPPVI）”电控燃油喷射系统也属于第二代电控喷射系
3、统,一、柴油机喷油技术的发展,泵喷嘴（UIS）,在泵喷嘴系统中喷油泵和喷油嘴组成一个单元。每缸缸盖上都装有这样一个单元，它直接通过摇臂或间接的由发动机凸轮轴通过推杆来驱动,一、柴油机喷油技术的发展,单体泵系统是一种模块式结构的高压喷射系统。与泵喷嘴系统不同，其喷油嘴和油泵用一根较短的喷射油管连接,UP单体泵系统中每个气缸都设置一个PF单柱塞喷油泵，由发动机的凸轮轴驱动,单体泵（UPS）,一、柴油机喷油技术的发展,压力-时间控制电控燃油喷射系统属于第三代电控燃油喷射系统，即近十几年来开发的共轨式燃油喷射系统。这种系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油，油泵的作用是为一个公共的蓄压室(共轨)建立压力，该
4、压力作用到每个电控喷油嘴。高速电磁阀控制喷油器的开启以实现每一次喷油控制。喷油压力、喷油量以及喷油定时都可由ECU灵活控制，喷油速率也可通过对喷油器内部结构的特殊设计，或者通过高速电磁阀的多次动作而自由选择或灵活控制。利用共轨技术，柴油机可以在所有转速和负荷下提供高喷射压力，并且可以把喷射过程分成几个阶段，即预喷射(pilot)主喷射(main）和后喷射(post)，后者对燃烧微粒(PM)的控制具有重大的意义。这些功能的实现有效改善了柴油机的经济性、动力性和排放性能，使柴油机能够满足现代严格的燃油消耗指标和排放法规，同时提供良好的舒适性和可控制性。,第三代 压力-时间控制电控燃油喷射系统,一、
5、柴油机喷油技术的发展,二、共轨喷油技术介绍,共轨喷油技术概况 高压共轨系统的组成、结构与工作原理 喷油器的种类 高压喷油的种类和功效 高压共轨喷射系统目前和将来的发展趋势,共轨喷油技术概况,共轨式燃油喷射系统可以分为高压共轨系统和中压共轨系统，其中中压共轨系统根据其产生共轨压力方式的不同又可以分为共轨蓄压式电控燃油喷射系统和共轨液压式电控燃油喷射系统。,二、共轨喷油技术介绍,中压共轨燃油喷射系统,共轨蓄压式电控喷射系统,二、共轨喷油技术介绍,中压共轨燃油喷射系统,二、共轨喷油技术介绍,共轨液压式电控燃油喷射系统,高压共轨,二、共轨喷油技术介绍,高压共轨(Common Rail)电喷技术是指在高
6、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(Rail)，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力(Pressure)大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度.,高压共轨,高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。其主要特点可以概括如下：,共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需
7、的驱动力矩比传统油泵小得多。,通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨 腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。,通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。,二、共轨喷油技术介绍,高压共轨,预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内发生预混合或者部分燃烧，缩短主喷射的着火延迟期。这样缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发动机工作比较缓和，同时缸内温度降低使得NOX排放减小。预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的冷起动性能。,主喷射初期降低喷射速
8、率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放。,高压共轨系统对柴油机性能和排放污染物的影响,喷油速率增大必然缩短喷油时期，使燃烧加速，使燃烧放热更集中于上止点附近，从而降低了燃油消耗率。,二、共轨喷油技术介绍,高压共轨,高压共轨系统对柴油机性能和排放污染物的影响,二、共轨喷油技术介绍,高压共轨系统的组成、结构与工作原理,二、共轨喷油技术介绍,高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元、高压油泵、共
9、轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。,高压共轨系统的组成、结构与工作原理,二、共轨喷油技术介绍,高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油
10、泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。,高压共轨系统的组成、结构与工作原理,二、共轨喷油技术介绍,共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡，使高压油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油
11、管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。,高压共轨系统的组成、结构与工作原理,二、共轨喷油技术介绍,电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据 ECU 发出的控制信号，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柴油机的燃烧室。,高压共轨系统的组成、结构与工作原理,二、共轨喷油技术介绍,高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使
12、柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。,高压共轨系统的组成、结构与工作原理,二、共轨喷油技术介绍,喷油器的种类,二、共轨喷油技术介绍,压电式,磁电式,高压喷油的种类和功效,二、共轨喷油技术介绍,动画演示的共轨动作,动画演示的共轨动作,动画演示的共轨动作,动画演示的共轨动作,三、BOSCH共轨技术详解,BOSCH电控高压共轨系统构成 BOSCH电控高压共轨结构示意图 BOSCH共轨系统工作原理及主要零部件 潍柴共轨实物详解,潍柴动力,三、BOSCH共轨技术详解,BOSCH电控高压共轨系统构成 BOSCH电控高
13、压共轨结构示意图 BOSCH共轨系统工作原理及主要零部件 潍柴共轨实物详解,潍柴动力,CPN2.2高压油泵，提供1600bar燃油压力,CRIN2第二代 喷油器，喷油压 力达1600bar,LWRN2高压共轨管激 光焊接、性能稳定,EDC7电控单元 整车控制中心,、BOSCH电控高压共轨系统构成,、BOSCH电控高压共轨结构示意图,三、BOSCH共轨技术详解,BOSCH电控高压共轨系统构成 BOSCH电控高压共轨结构示意图 BOSCH共轨系统工作原理及主要零部件 潍柴共轨实物详解,潍柴动力,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,工作原理 柴油共轨系统的管路布置 低压部分 燃油滤清器 高压部分
14、 各类传感器,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨
15、系统工作原理,压电式喷油器,逆压电效应,实际上，汽车上运用压电技术并非什么新鲜的事情。下车时提醒司机关闭灯光的蜂鸣器就是一个典型的应用实例。其基础原理可以追溯到1880年库里(Curie)兄弟的发现，当时他们观察到某些晶体一旦受到压力或敲击时就会产生一个电压，他们将观察到的这种现象按照希腊字“piezein”(压)命名为压电(Piezo)效应。1881年研究人员首次发现这种效应也可以逆向起作用：在一个合适的晶体上施加一个电压，这样就会引起晶体晶格的变形，从而产生一种线性位移。这种逆压电效应就成为了压电共轨喷油系统的技术基础,2）压电式喷油器,2）压电式喷油器,压电执行器及其特点,一个压电元件的
16、晶体晶格的变形是非常微小的，以至于对作为执行器使用提出了巨大的挑战。压电薄层技术对压电共轨喷油器的压电执行器的开发十分重要，该项技术直到20世纪70年代才趋于成熟。为了使压电执行器获得足够的位移(行程)，将很多片陶瓷薄片烧结成一个长方形六面体，因此喷油器中30m m长的压电元件由300多层厚度为80 m的压电陶瓷薄片组成(图6)。,2）压电式喷油器,压电执行器及其特点,这种多层压电元件在汽车应用场合(温度-40+140，高振动)以预装配执行器模块装在喷油器中，工作行程大约为40m。经过多年的开发工作，研究人员制作出了一种专用陶瓷用于执行器。这种专用陶瓷首先要解决一个问题：高温引起执行器中晶体晶
17、格的极化及其由此使压电元件变形位移缩小，从而使得压电执行器的工作行程减小。因此，对于用于喷油器场合的压电材料性能必须具有高的库里点(Curie-Punkt)，而具备这种性能的陶瓷又偏偏只有较弱的压电效应。现在所应用的执行器由一种采用多层技术的PZT(piezoelectric transition)压电跃变陶瓷组成，这种陶瓷材料是一种铅-锆-钛混合物，而在烧结工艺过程中插入的电极则由银-钯合金制成。为了开发这种机电一体化的元件，必须要综合有关化学、电子学和物理学等方面的技术秘诀。另一个挑战是要开发出一种可精确控制的制造工艺方法，以防止在烧结时单片陶瓷层之间接触部位的扩散。,压电执行器具备以下特
18、点, 压电执行器实际上无滞后时间； 开关非常迅速而精确； 可重复性非常好； 无结构设计所造成的诸如间隙之类的误差； 在使用寿命期内性能稳定； 压电模块可以预生产和预检验的执行器方式供货；,其开发的难点是： 不同材料的温度补偿，并集成在一个可预生产的压电执行器模块中；, 能量的吸收和反馈(回收)要设计的能量消耗最少； 针对压电执行器优化电子控制单元、控制策略和可靠性方案。,2、压电式喷油器,2）压电式喷油器,压电喷油器的基本工作原理,实现压电喷油器功能的主要组件是压电执行器、液压接杆、伺服阀和喷嘴。压电执行器在非工作状态时处于原始位置，伺服阀关闭，高压范围和低压范围相互隔断。此时， 液压接杆补偿
19、可能存在(例如由于热膨胀所引起的) 间隙，喷嘴借助于紧挨着控制室的共轨压力保持关闭状态。压电执行器起作用时就将伺服阀打开，从而使控制室中的压力降低，喷嘴开启。若伺服阀关闭，控制室中的压力随之增大，喷嘴针阀也随之关闭。,2）压电式喷油器,基本工作原理,这种压电喷油器被设计成没有机械力通过推杆作用在喷嘴针阀上，因此运动质量和摩擦大大降低，并且喷油器的稳定性和喷油误差比通常的电磁阀控制喷油系统明显改善。伺服阀与喷嘴针阀的紧密连接使得针阀对压电执行器的动作能直接作出迅速的反应，控制始点与喷油始点之间的延迟时间总共约150s，这样就能获得高的针阀速度和重复性较好的最小喷油量。,由于压电执行器集成在喷油器
20、体中，因此取消了电磁阀控制喷油器中将喷嘴针阀运动传递到控制室的控制柱塞。与常规的电磁阀控制的喷油器相比，这种压电喷油器的液压传递路线从1 5 2m m缩短至4 2m m，减少了2/3。最大的喷嘴针阀运动速度可达1.3 m/s，要比其他所有大量生产的电磁阀式共轨喷油系统约高一倍。,2）压电式喷油器,压电喷油器的基本工作原理,2、压电式喷油器,压电喷油器的基本工作原理,此外，从原理上讲， 这种压电喷油器没有从高压油路向低压油路泄漏的部位，这样就提高了整个系统的液压效率。同时，这种压电喷油系统还能实现很短的喷射间隔。图10示范性地示出了每循环5次喷射的实例，其喷射次数和时刻能与发动机工况相匹配。,由
21、于压电共轨喷油系统工作的压力高达160M P a，因此压电喷油器对零件表面质量和几何精度等方面的机械性能提出了极高的要求。其最小的喷孔直径可达到0.12m m，并有意加工成圆锥形，喷孔内侧进口处还采用液力研磨(液力冲蚀)工艺倒成圆角。所有的喷嘴针阀体孔直径都经气动量仪测量，针阀直径则按测得的喷嘴针阀体孔直径尺寸进行自动配磨，确保该对精密偶件的配合间隙保持在大约2 m。,2）压电式喷油器,压电喷油器的基本工作原理,正因为针阀体和针阀偶件必须以如此小的公差来相互配对，因此机械加工的要求十分苛刻，毛坯要在23的恒温车间内进行加工，喷嘴针阀体内孔的表面粗糙度要求达到R z=0.6 m，并采用激光干涉仪
22、进行无缺陷检验， 确保喷嘴针阀体孔和针阀几何精度的正确性和一致性， 从而使针阀在针阀体孔中的自由滑动达到最理想的状态。为了证实加工质量完全一致，另外还要进行喷射油束形状检验来控制最终的实际应用质量。喷油器的最后装配则要求在净化室内进行，因为公差极其小，并必须确保性能的高可靠性，因此即使50m大小的微粒就会妨害喷油器的正常功能，尤其是200m大小以上的微粒决不允许进入喷油器。从功能和可靠性观点出发，压电共轨喷油系统对高压零件的清洁度的要求比通常行程控制的喷油系统更高，因此除了喷油器的装配之外最终检验也要进一步实现自动化，这是确保产品质量一致性的基础。,2）压电式喷油器,喷油器可以被拆分为一系列功
23、能部件：孔式喷油嘴，液压伺服系统和电磁阀。燃油来自于高压油路，经通道流向喷油嘴，同时经节流孔流向控制腔，控制腔与燃油回路相连，途径一个受电磁阀控制其开关的泄油孔。泄油孔关闭时，作用于针阀控制活塞的液压力超过了它在喷油嘴针阀承压面的力，结果，针阀被迫进入阀座且将高压通道与燃烧室隔离，密封。 当喷油器的电磁阀被触发，泄油孔被打开，这引起控制腔的压力下降，结果，活塞上的液压力也随之下降，一旦液压力降至低于作用于喷油嘴针阀承压面上的力，针阀被打开，燃油经喷孔喷入燃烧室。这种对喷油嘴针阀的不直接控制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，所谓的打开针阀所需的控制作用，是通
24、过电磁阀打开泄油孔使得控制腔压力降低，从而打开针阀。 此外，燃油还在针阀和控制柱塞处产生泄漏，控制和泄漏的燃油，通过回油管，会同高压泵和压力控 制阀的回油流回油箱。,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,工作原理 柴油共轨系统的管路布置 低压部分 燃油滤清器 高压部分 各类传感器,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,各类传感器,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,2、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,三、BOSCH共轨技术详解,BOSCH电控高压共轨系统构成 BOSCH电控高压共轨结构示意图 BOSCH共轨系统工作原理及主要零部件 潍柴共轨实物详解,BOSCH电控高压共轨安装示意图
25、,3、BOSCH电控高压共轨系统工作原理,在“共轨”蓄压器喷射系统中，压力的产生和燃油的喷射是完全脱开的。喷射压力的产生跟发动机转速和喷油量毫不相干。燃油以一定的压力储存在高压蓄压器（即所谓的“共轨”）内，时刻准备着进行喷射。喷油量由驾车人确定，喷射起点、喷射持续时间和喷射压力由ECU（电子控制单元）计算出来。然后，ECU触发电磁阀，使每一个气缸的喷油器（喷油单元）相应地进行喷射。 传感器组成如下：,ECU（电子控制单元）,电控发动机的控制中心，接收各传感器传送来的发动机运行信息，加以运算处理后向发动机的各执行件发出指令控制其动作,初始机油注油口阀盖,凸轮轴相位传感器: DG6,齿轮泵 ZP5
26、,柴油出口（到滤器）,柴油进口（自油箱）,溢流阀,润滑油进口（可选）,M-PROP 燃油计量阀,柴油出口（到油箱）,高压油出口,柴油进口（自滤器）,凸轮轴,CPN2.2(+)高压油泵,CPN2.2(+)高压油泵,共轨管,原理：电磁感应 功能：1、曲轴（发动机）转速 2、曲轴上止点位置,曲轴转速传感器,1、永磁铁 2、传感器壳体 3、发动机外盖 4、软铁芯 5、线圈 6、传感线圈,凸轮轴转速传感器,原理：霍尔效应 相位确定：凸轮轴上安装着一个用铁磁性材料制成的齿，它随着凸轮轴旋转。当这个齿经过凸轮轴传感器的半导体膜片的时候，它的磁场就会使半导体膜片中的电子以垂直于流过膜片的电流的方向发生偏转。这
27、导致一个短促的电压信号（霍尔电压），这个电压信号告诉ECU，某1缸已经进入了压缩阶段,水温传感器,1、电子接头 2、壳体 3、NTC电阻 4、冷却液,原理： 高灵敏度NTC（负温度系数热敏电阻）电阻阻值随温度 下降而增大,轨压传感器,1、电子接头 2、评估电路 3、带传感装置的皮膜 4、高压接头5、固定螺纹,原理： 传感器皮膜上的传感器元件将高压管道 内的压力变化转化成电压信号输送到ECU。 一旦损坏，压力控制阀就通过应急（备份） 功能，按设定值被“盲”触发,轨压传感器,机油压力传感器,功能：可同时检测机油 压力及温度,功能：可以检测进气压力和温度,进气压力传感器,回油管,球阀,进油口,电磁阀,插座,泻油孔,进油孔,控制腔,柱塞,进油槽,针阀,针阀弹簧,针阀腔,工作原理 1）电磁阀断电：球阀关闭 控制腔压力针阀弹簧压力 针阀腔压力 针阀关闭，不喷射 2）电磁阀通电：球阀开启，泻油孔泻油 控制腔压力针阀弹簧压力 针阀腔压力 针阀抬起，喷射 针阀抬起速度 取决于泻油孔与进油孔的流量差 针阀关闭速度 取决于进油孔流量 喷射响应电磁阀响应液力系统响应 一般应为 0.1ms0.3ms (喷油速率控制的要求),电控喷油器,喷油器接线柱,电控喷油器,潍柴共轨实物详解,BOSCH燃油喷射系统参数的直观表示,