高压共轨系统-清华讲稿lzg.ppt

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 第12页 另一种位置电控VE泵 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 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 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 第23页 喷油控制功能 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 第28页 PPVI液力系统结构框图 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 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 需要活塞增压 增压过程响应慢 30ms可以实现预喷射 但是预喷射不能灵活调节 电磁阀采用高电压驱动 实现电磁阀的快速闭合控制 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 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 共轨压力反馈控制 PCV 高压传感器 喷油量 喷射定时 喷射压力和喷油速率的综合控制 燃烧噪声 排放 动力性和经济性的综合优化控制 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