柴油机共轨系统介绍.pdf

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1、1 柴油机共柴油机共轨轨系统介绍系统介绍 2 电控高压共轨系统 电控高压共轨技术是国外上世纪九十年代初兴起的一门柴油机高压喷射供 油技术，它采用具有稳定的高压储油腔，通过电子控制的喷油器适时地向 气缸中喷入适量的柴油以达到低排放的要求。目前技术较为成熟的有德国 博世（BOSCH）、美国德尔福（DELPHI）、日本电装（Denso）和德国西门 子VDO公司等四家公司。 柴油机共轨喷油系统有一个共同的特点，就是有一个共同的高压燃油蓄势 器，称为共轨。高压供油泵只负责向这个蓄势器提供高压燃油，不负责控 制燃油定量和喷油定时。管理燃油压力和向各个气缸输送燃油的任务通过 共轨完成。这样，燃油喷射过程可以

2、不受压力产生和燃油输送过程的牵制； 燃 油 定 量 控 制 和 喷 油 定 时 控 制 可 以 更 为 灵 活 和 自 由 。 相对于其他燃油喷射系统，共轨燃油喷射系统有如下特点：在燃油定 量和喷油定时方面实行全电子的和柔性的控制；喷油规律曲线形状可以比 较自由地调整；优化的、已可达到1800bar的喷油压力（仅次于博世公司的 泵喷嘴和泵管嘴）控制；能实现每个工作循环多达七次的燃油喷射；高度 的紧凑性和较低的高压油泵驱动扭矩。 3 电控高压共轨系统 一、电控共轨系统的组成一、电控共轨系统的组成 4 高压油泵 ECU 柴油滤清器 喷油器 高压油轨 电控高压共轨系统 BOSCH电控共轨系统总成电控

3、共轨系统总成 5 电控高压共轨系统 二、电控高压共轨系统主要零部件结构二、电控高压共轨系统主要零部件结构 驱动轴驱动轴 喷油器回油喷油器回油 进油接头进油接头 进油控制阀进油控制阀 IMV 安装法兰安装法兰 （发动机）（发动机） 压力限制阀压力限制阀油泵回油油泵回油出油口出油口 文丘利管文丘利管燃油温度传感器燃油温度传感器 1 1、油泵、油泵 6 电控高压共轨系统 高压泵高压泵 滚轮座滚轮座 柱塞柱塞 输油泵输油泵 驱动轴驱动轴 滚轮滚轮 高压油出口高压油出口 滚动凸轮滚动凸轮 燃油计量阀燃油计量阀 IMV 油温传感器油温传感器 油泵内部集成了一个输油泵和一个高压泵油泵内部集成了一个输油泵和一

4、个高压泵 7 电控高压共轨系统 输油泵（输油泵（4叶片）叶片）输油压力调节阀输油压力调节阀 输油泵输油泵为叶片式，作用是将燃油从油箱中抽出来，输到高压泵内；在输油 泵出油口到高压油泵进油口之间的油道上有一“输油压力调节阀”，用于 控制高压油泵进油处的油压。 8 电控高压共轨系统 转子转子 滚轮滚轮 进油阀进油阀 出油阀出油阀 柱塞柱塞 高压泵高压泵为对压式的柱塞泵，由转子、进油阀、出油阀和两个带滚子的对置式柱 塞等组成，两柱塞之间为压力腔，从进油阀泵进压力腔的燃油经过柱塞加压后 从出油阀流出，此时压力能被提升到1400bar以上，从高压油泵出来的高压油 被打到轨管中 9 电控高压共轨系统 压力

5、控制阀ECU接口 压力控制阀 低压燃油回油口 M181.5-6H 润滑油进油口 凸轮轴传感 器接口 高压油泵进油口 16.2 输油泵进油口 16.2 高压油出油口 高压油泵泵体 输油泵出油口 16.2 输油泵 直列柱塞式油泵直列柱塞式油泵 10 电控高压共轨系统 压力控制阀压力控制阀： 高压轨内的压力因供油、渗漏、回油等因素导致压力高压轨内的压力因供油、渗漏、回油等因素导致压力 波动，通过压力控制阀（波动，通过压力控制阀（Metering UnitMetering Unit）可保持压力的）可保持压力的 稳定。该阀实际为一执行器，在断电状态下，靠弹簧作稳定。该阀实际为一执行器，在断电状态下，靠弹

6、簧作 用力，阀处于全开位置；当通电后电磁阀作用，克服弹用力，阀处于全开位置；当通电后电磁阀作用，克服弹 簧力，将阀关闭。在柴油机起动或柴油机运转时，根据簧力，将阀关闭。在柴油机起动或柴油机运转时，根据 ECUECU的指令来执行电磁阀的动作，保证高压轨内压力稳定的指令来执行电磁阀的动作，保证高压轨内压力稳定 在规定要求。在规定要求。 11 电控高压共轨系统 2 2、油轨、油轨共轨管的主要功能是蓄压和分配高压油到喷油器，是经过强化共轨管的主要功能是蓄压和分配高压油到喷油器，是经过强化 热处理锻造或焊接而成，有一个进油口，四个出油口（在四个出油口均有热处理锻造或焊接而成，有一个进油口，四个出油口（在

7、四个出油口均有 单向阀，防止喷油器针阀关闭时高压油管内的产生的振荡波传到油轨腔内，单向阀，防止喷油器针阀关闭时高压油管内的产生的振荡波传到油轨腔内， 引起油轨内的压力波动），在其一端安装有油压传感器，将油轨内的传给引起油轨内的压力波动），在其一端安装有油压传感器，将油轨内的传给 ECU 轨压限制阀 进油接口2 出油接口6 轨压传感器 12 电控高压共轨系统 作用：作用： 在非常情况下需要阻止喷在非常情况下需要阻止喷 油器常和开持续喷油油器常和开持续喷油。为为 达到这一目的要求达到这一目的要求，一旦一旦 从轨道输出的油量超过规从轨道输出的油量超过规 定的水平定的水平，流量限制阀就流量限制阀就 关

8、闭通往这一喷油器的高关闭通往这一喷油器的高 压油路压油路。 连接：连接： 流量限制阀两端带外螺纹，流量限制阀两端带外螺纹， 连接在轨道和高压油管之连接在轨道和高压油管之 间。间。 流量限制阀流量限制阀 13 电控高压共轨系统 3 3、喷油器、喷油器目前技术成熟的喷油器分为电磁阀共轨喷油器和目前技术成熟的喷油器分为电磁阀共轨喷油器和 压电式喷油器两大类压电式喷油器两大类，博世博世、电装电装、德尔福等采用的为前者德尔福等采用的为前者，西西 门子采用的为后者门子采用的为后者。 电磁阀共轨喷油器结构如图所示电磁阀共轨喷油器结构如图所示，由高压燃油进油口由高压燃油进油口、喷油器体喷油器体、 电磁阀体电磁

9、阀体、量孔板量孔板、两通阀两通阀、针阀针阀、油嘴等几部分组成：油嘴等几部分组成： 高压燃油进口高压燃油进口 喷油器体喷油器体 电磁阀线圈电磁阀线圈 两通阀两通阀 量孔板量孔板 针阀针阀 油嘴油嘴 SPO INO NPO 电磁阀电磁阀 控制阀控制阀转接板转接板 INO:INO: Inlet orifice ， 进油量孔；SPO: Spill orifice ， 出油量孔 NPO:Nozzle path orifice， 喷油嘴通道量孔 14 电控高压共轨系统 电磁阀喷油器的工作过程电磁阀喷油器的工作过程: : 阀关闭阀关闭 嘴关闭嘴关闭 不喷油不喷油 阀开启阀开启 嘴关闭嘴关闭 不喷油不喷油 阀

10、开启阀开启 嘴开启嘴开启 喷油喷油 阀关闭阀关闭 嘴关闭嘴关闭 喷油终止喷油终止 阀关闭阀关闭 嘴关闭嘴关闭 不喷油不喷油 15 电控高压共轨系统 电磁阀喷油器的喷射过程电磁阀喷油器的喷射过程（预喷主喷）（预喷主喷） 喷油控制喷油控制 控制信号（预喷射主喷射）控制信号（预喷射主喷射） 驱动电流信号驱动电流信号 衔铁开启衔铁开启 轨压信号轨压信号 针阀升程针阀升程 喷油量喷油量 喷油量喷油量 5mm3 喷油量喷油量 30mm3 时间时间 16 电控高压共轨系统 电磁阀喷油器的工作原理（以日本电装电磁阀喷油器的工作原理（以日本电装ECDECD- -U2U2共轨喷油系统为例）共轨喷油系统为例） 17

11、 电磁阀喷油器的工作原理：电磁阀喷油器的工作原理： 共轨压力长期施加在喷油器针阀的底面上。只有在喷油器不通电共轨压力长期施加在喷油器针阀的底面上。只有在喷油器不通电 时才施加在针阀的背面上。当喷油器不通电的时候，时才施加在针阀的背面上。当喷油器不通电的时候，三通阀三通阀使使单单 向孔板向孔板上面的空腔与共轨连通，高压燃油通过单向孔板流入上面的空腔与共轨连通，高压燃油通过单向孔板流入控制控制 腔腔（液压柱塞的上方），通过液压柱塞对针阀施加向下的压力，（液压柱塞的上方），通过液压柱塞对针阀施加向下的压力， 跟回位弹簧的作用力一起克服针阀下方燃油压力，使针阀关闭。跟回位弹簧的作用力一起克服针阀下方燃

12、油压力，使针阀关闭。 在这个过程中，单向孔板没有节流作用。在这个过程中，单向孔板没有节流作用。 当当ECUECU发出喷油脉冲时，发出喷油脉冲时，三通阀三通阀使使单向孔板单向孔板上面的空腔与上面的空腔与回油管回油管 连通，燃油流到回油管去，充满在这个空腔里的高压燃油压力立连通，燃油流到回油管去，充满在这个空腔里的高压燃油压力立 刻下降到大气压力。由于单向孔板节流，其下面控制腔中的压力刻下降到大气压力。由于单向孔板节流，其下面控制腔中的压力 只能缓慢地下降，喷油器针阀逐渐地升起，造成所谓的只能缓慢地下降，喷油器针阀逐渐地升起，造成所谓的德尔塔型德尔塔型 （三角型）喷油规律，这种喷油规律对气缸内的燃

13、烧十分有利。（三角型）喷油规律，这种喷油规律对气缸内的燃烧十分有利。 当由电子控制单元控制的喷油持续时间过去之后，喷油器断电，当由电子控制单元控制的喷油持续时间过去之后，喷油器断电， 三通阀恢复到它的初始状态。此时，来自共轨的高压燃油通过三三通阀恢复到它的初始状态。此时，来自共轨的高压燃油通过三 通阀和单向孔板流入控制腔，使控制腔迅速地达到共轨压力通阀和单向孔板流入控制腔，使控制腔迅速地达到共轨压力, ,令令 针阀很快关闭，喷油很快被切断。针阀很快关闭，喷油很快被切断。 电控高压共轨系统 18 压电式喷油器压电式喷油器 电控高压共轨系统 在中低转速范围内，在中低转速范围内， 喷射的机动灵活性特

14、别重喷射的机动灵活性特别重 要，最理想的情况是，在要，最理想的情况是，在 2500r/min2500r/min以下的转速范以下的转速范 围每个工作循环喷射达围每个工作循环喷射达5 5次，次， 在中等转速范围内每个工在中等转速范围内每个工 作循环喷射两次作循环喷射两次 或者三次，在标定转速每个工作循环喷射一次。或者三次，在标定转速每个工作循环喷射一次。 前面介绍过的电磁阀共轨喷油器无法满足这样的前面介绍过的电磁阀共轨喷油器无法满足这样的 要求。西门子要求。西门子VDOVDO公司开发了能够非常机动灵活地公司开发了能够非常机动灵活地 实现多重喷射的、机电一体化的压电式共轨喷油实现多重喷射的、机电一体

15、化的压电式共轨喷油 器，并且已经实现了商品化器，并且已经实现了商品化。 19 电控高压共轨系统 压电式执行元件像一个在电压下立即就能充电的电容器，其关键元件是压电式执行元件像一个在电压下立即就能充电的电容器，其关键元件是 陶瓷压电薄膜，它在加上电压以后的陶瓷压电薄膜，它在加上电压以后的0.1ms0.1ms以内就会发生晶体晶格的畸变。以内就会发生晶体晶格的畸变。 为了使执行器达到足够的位移（行程），必须将许多层陶瓷薄膜烧结成一为了使执行器达到足够的位移（行程），必须将许多层陶瓷薄膜烧结成一 块长方六面体。喷油器内块长方六面体。喷油器内30mm30mm长的执行器由长的执行器由300300多层薄膜组

16、成，每层的厚度多层薄膜组成，每层的厚度 只有只有80m80m。压电元件加上电压后会膨胀大约。压电元件加上电压后会膨胀大约40m40m，通过杠杆比为，通过杠杆比为1:1.51:1.5的的 杠杆，使得控制腔回油通道中的阀开启。于是，控制腔内的压力下降，喷杠杆，使得控制腔回油通道中的阀开启。于是，控制腔内的压力下降，喷 油嘴针阀开启。油嘴针阀开启。 与电磁阀相比，压电执行器具有：没有滞后时间；切换十分迅速而且精确；与电磁阀相比，压电执行器具有：没有滞后时间；切换十分迅速而且精确； 可重现性非常好；没有因设计造成的、以气隙之类的形式出现的偏差；寿可重现性非常好；没有因设计造成的、以气隙之类的形式出现的

17、偏差；寿 命长，工作非常稳定等优点。压电式共轨喷油器推出之后，立即受到各大命长，工作非常稳定等优点。压电式共轨喷油器推出之后，立即受到各大 公司的推崇。奥迪公司的推崇。奥迪A8A8柴油轿车已经采用了这一系统。柴油轿车已经采用了这一系统。 德国汉诺威大学的工程燃烧研究所不久前研究开发了采用压电喷油器的柔德国汉诺威大学的工程燃烧研究所不久前研究开发了采用压电喷油器的柔 性喷射系统，见图性喷射系统，见图5 5。该系统的喷油器通过对针阀实施直接控制而为喷油规。该系统的喷油器通过对针阀实施直接控制而为喷油规 律曲线形状的优化提供了更大的自由度。这种喷油器具有决定性意义的优律曲线形状的优化提供了更大的自由

18、度。这种喷油器具有决定性意义的优 点是，喷油嘴针阀的升程和速度可以自由地选择。点是，喷油嘴针阀的升程和速度可以自由地选择。 20 电控高压共轨系统 5 5、ECUECU及传感器及传感器 ECUECU是整个电控系统信息处理与指是整个电控系统信息处理与指 令发出的中心，发动机及整车上的令发出的中心，发动机及整车上的 传感器将进气压力、进气温度、水传感器将进气压力、进气温度、水 温、机油压力、燃油压力、凸轮轴温、机油压力、燃油压力、凸轮轴 信号、转速信号、油门信号、大气信号、转速信号、油门信号、大气 压力信号及车速信号等参数传给压力信号及车速信号等参数传给 ECUECU，ECUECU根据以上参数来向

19、喷油器根据以上参数来向喷油器 等执行器发出相应指令等执行器发出相应指令 柴油机线束接口2整车线束接口 ECU冷却 油出油口 21 电控高压共轨系统 曲轴转速传感器曲轴转速传感器 作用：作用： 该传感器可以确定活塞上止点位置该传感器可以确定活塞上止点位置， 同时测量曲轴的转速同时测量曲轴的转速。 信号产生：信号产生： 飞轮外端面飞轮外端面360360范围内按范围内按6 6度间隔打度间隔打 5858个孔个孔，剩下剩下2 2孔未打形成间隙孔未打形成间隙， 作为判断活塞上止点的依据作为判断活塞上止点的依据。传传 感器中的磁通量随着通过的孔与感器中的磁通量随着通过的孔与 间隙而变化间隙而变化，产生正弦交

20、流电压产生正弦交流电压， 其波幅随着发动机转速而变化其波幅随着发动机转速而变化。 设定间隙到传感器位置的角度设定间隙到传感器位置的角度， 可确定一缸上止点可确定一缸上止点。结合凸轮轴结合凸轮轴 传感器正时凸轮传感器正时凸轮，确定一缸发火确定一缸发火 上止点上止点。 22 电控高压共轨系统 凸轮轴速度传感器凸轮轴速度传感器 作用：作用： 随高压油泵总成供货，随高压油泵总成供货， 通过测量高压油泵凸轮通过测量高压油泵凸轮 轴转速，来轴转速，来确定柴油机确定柴油机 喷油正时的时间。（凸喷油正时的时间。（凸 轮轴转速为曲轴转速的轮轴转速为曲轴转速的 一半）一半） 23 电控高压共轨系统 进气温度、压力

21、传感器总成进气温度、压力传感器总成 作用：作用： 安装于进气歧管上，测安装于进气歧管上，测 量增压中冷后的进气温度量增压中冷后的进气温度 和进气压力，将信号传递和进气压力，将信号传递 给给ECUECU，ECUECU通过计算空气通过计算空气 量，用来控制量，用来控制“空燃比空燃比”， 从而指导喷油正时和喷油从而指导喷油正时和喷油 量。量。 24 电控高压共轨系统 水温传感器水温传感器 作用：作用：主要用于控制燃油主要用于控制燃油 喷射量。喷射量。 安装位置：安装位置：安装在出水管安装在出水管 上。上。 工作原理：工作原理：把温度信号转把温度信号转 化为电压信号，温度化为电压信号，温度 升高，电压

22、减小，然升高，电压减小，然 后送给后送给ECUECU，由其进行，由其进行 相关比较，运算后控相关比较，运算后控 制执行器的动作。制执行器的动作。 25 电控高压共轨系统 电子油门踏板总成电子油门踏板总成 功用：功用：通过了解司机的愿通过了解司机的愿 望进而了解发动机的负望进而了解发动机的负 荷状况。荷状况。 安装位置：安装位置：安装于驾驶室安装于驾驶室 内司机油门踏板位置。内司机油门踏板位置。 工作原理：工作原理：把发动机的负把发动机的负 荷信号转变为电信号，荷信号转变为电信号， 负荷越高，电压越大，负荷越高，电压越大， 然后把此信息然后把此信息ECUECU由其进由其进 行相关比较和计算后，行

23、相关比较和计算后， 发出指令控制相关的执发出指令控制相关的执 行器。行器。 26 电控高压共轨系统 三、高压共轨系统的特点三、高压共轨系统的特点 1 1、喷油特性对比喷油特性对比 传统喷油特性传统喷油特性共轨喷油特性共轨喷油特性 喷油压力随发动机转速与喷油量喷油压力随发动机转速与喷油量 的增加而增加；的增加而增加； 喷油量与喷油压力互不影响；喷油量与喷油压力互不影响； 喷油压力低时喷油压力低时，喷油量较小；喷油量较小； 喷油过程开始时喷油过程开始时，所喷油量尽可所喷油量尽可 能少；能少； 峰值压力是平均喷油压力的峰值压力是平均喷油压力的2 2倍倍 以上以上 预喷和主喷喷射压力保持一样；预喷和主

24、喷喷射压力保持一样； 与有效燃烧的要求同步与有效燃烧的要求同步，喷射率喷射率 曲线呈三角形；曲线呈三角形； 预喷作用与部分燃烧预喷作用与部分燃烧，使得压缩使得压缩 压力稍微升高压力稍微升高，从而导致主喷射从而导致主喷射 的点火延迟就被缩短的点火延迟就被缩短，并且燃烧并且燃烧 压力上升和燃烧压力峰值都会减压力上升和燃烧压力峰值都会减 小小，达到柔和燃烧；达到柔和燃烧； 喷油峰值压力由泵部件和驱动系喷油峰值压力由泵部件和驱动系 统的机械能力决定；统的机械能力决定； 27 电控高压共轨系统 2 2、共轨系统的特点与优点、共轨系统的特点与优点 特点特点 自由调节喷油压力自由调节喷油压力 自由调节喷油量

25、自由调节喷油量 自由调节喷油率形状自由调节喷油率形状 自由调节喷油时间自由调节喷油时间 优点优点 广阔的应用领域广阔的应用领域（各种发动机各种发动机，功率基本不限功率基本不限） 更高的喷油压力更高的喷油压力（最大可到最大可到18001800barbar） 喷油始点喷油始点、终点可方便地改变终点可方便地改变 可实现预喷可实现预喷、主喷和后喷或多级喷射主喷和后喷或多级喷射 喷油压力与实际使用工况相适应喷油压力与实际使用工况相适应 喷油正时和喷压在喷油正时和喷压在ECUECU中由存储地特性曲线谱中由存储地特性曲线谱（MAPMAP）算出算出 28 电控高压共轨系统 3 3、共轨高压系统的基本特点、共轨

26、高压系统的基本特点 对然油系统的要求对然油系统的要求高压共轨系统的优点高压共轨系统的优点 喷油压喷油压 力力 最高喷油压力最高喷油压力 无二次喷油等的约束无二次喷油等的约束，可以实现高压喷射可以实现高压喷射。因因 为压油和喷油分别进行为压油和喷油分别进行，所以所以，喷油压力可以喷油压力可以 控制控制（喷油压力与转速无关喷油压力与转速无关） 喷油压力控制喷油压力控制 喷油速率控制喷油速率控制 系统直接控制针阀运动系统直接控制针阀运动，这对控制喷油率非常这对控制喷油率非常 有利有利（如：靴型喷油率如：靴型喷油率、预喷射预喷射、多段喷射等多段喷射等） 喷油量控制喷油量控制 电磁阀的通断电时刻可以自由

27、控制电磁阀的通断电时刻可以自由控制（无约束无约束） 喷油时间控制喷油时间控制 系统的构筑（合理性、生系统的构筑（合理性、生 产性）产性） 可以自由设定喷油参数：喷油压力可以自由设定喷油参数：喷油压力、喷油量和喷油量和 喷油时间等喷油时间等，各个参数可以独立地满足相应地各个参数可以独立地满足相应地 要求；可以满足要求方面没有约束要求；可以满足要求方面没有约束，自由度高自由度高 29 喷射喷射效果效果 引导喷射引导喷射通过预混合燃烧通过预混合燃烧，降低颗粒排放降低颗粒排放 预喷射预喷射缩短主喷射的着火延迟缩短主喷射的着火延迟，降低降低NoxNox和燃烧噪声和燃烧噪声 后喷射后喷射促进扩散燃烧促进扩散燃烧，降低颗粒排放降低颗粒排放 此后喷射此后喷射排温上高排温上高、通过供给还原剂通过供给还原剂、促进后处理促进后处理（催化剂催化剂） 4 4、各段喷射的作用说明、各段喷射的作用说明 预喷射预喷射 主喷射主喷射 后喷射后喷射 次后喷射次后喷射引导喷射引导喷射 电控高压共轨系统 30 电控高压共轨系统 常规机械喷射系统共轨燃油喷射系统 共轨系统可实现多次喷射共轨系统可实现多次喷射 31