柴油机燃油喷射技术及其发展

1、 陕西航空职业技术学院毕 业 设 计（论 文）论文题目： 柴油机燃油喷射技术及其发展所属院(学院)： 电子工程学院 指导老师： 田平 职称： 讲师 学生姓名： 杨亚军 班级、学号: 1438236专 业： 汽车检测与维修技术 2016年09月10日 陕西航空职业技术学院毕业设计（论文）任务书题目： 柴油机燃油喷射技术及其发展任务与要求：（1） 查阅相关车型资料和手册及其他资料（2） 结合汽车维修和检测与故障排除工作中实际问题进行分析和解决（3） 在规定时间内按时按量完成设计（论文）时间： 2016 年 9 月 10 日 至2017 年 6 月 10 日所属学院： 电子工程学院学生姓名： 杨亚军

2、 学 号： 1438236 专业： 汽车检测与维修技术 指导单位或教研室： 汽车电子教研室 指导教师：田平 职 称： 讲师2017年 6月10日 毕业设计（论文）进度计划表日期工作内容执行情况指导教师签字2016.09.10至2016.10.27确定毕业设计（论文）题目完成2016.10.28至2016.12.04查找和搜集与论文相关的资料完成2016.12.05至2017.02.22阅读相关资料及文献并开始着手撰写完成2017.02.23至2017.04.10基本完成毕业论文等要求并让老师给予指导完成2017.04.11至2017.05.14及时的修改指导老师所指出的问题完成2017.05.

3、15至2017.05.18毕业设计（论文）完成并交与老师完成2017.06.10完成论文答辩环节完成教师对进度计划实施情况总评 签名： 年 月 日摘 要21世纪是绿色柴油机的时代，传统的燃油系统已经不能适应柴油机技术发展的需要，机械技术与电子技术的结合使得汽车技术发生了一系列深刻的变化。柴油机电控系统，是必然之选。到目前为止，世界上许多发达国家已经研究并生产了很多功能各异的柴油机电控系统。柴油机电子控制的内容已由当初的燃油喷射系统单一控制，逐步发展到了各个系统控制，如可变气门驱动系统、可变进气涡轮控制系统以及废气再循环等。21世纪柴油机电子控制系统将进入发展的鼎盛时期。目前我国生产的宝来、奥迪

4、轿车以及长城哈弗、华泰圣达菲等一些SUV都已采用了柴油机电控技术，其中很多技术处于世界先进水平，如高压共轨喷射技术、泵喷嘴技术等。本篇突出了柴油机电控部分的构原理和目前先进的柴油机电控技术。 关键词：绿色、环保、鼎盛 目 录第1章 概述11.1 电控柴油机发展情况11.2 电控柴油共轨系统的主要特点11.2.1改善柴油机的经济性11.2.2.提高柴油机燃油经济性的措施11.2.3 提高控制精度41.3 控制策略灵活53.1 柴油机电控系统的功能53.2 工作原理折叠优点53.3折叠位置控制式系统63.4 系统技术特征与系统特点63.5折叠时间控制式系统63.6折叠共轨系统63.7系统技术特征7

5、1.4 柴油机电控燃油喷射系统的类型81.4.1. 位置控制式系统81.4.2. 时间控制式系统91.4.3. 共轨系统9第2章电控柴油机喷油系统102.1 柴油机电控喷油系统的组成102.2 电控燃油共轨系统的组成102.2.1.电控共轨系统组成102.2.2电控系统102.2.3燃料供给系统112.3 喷油器122.3.1 博世公司电控喷油器122.3.2 电装公司的喷油器142.3.3电控喷油器的工作原理212.3.4 压电晶体式喷油器232.4 油泵232.4.1 低压油泵232.4.2 高压油泵24第3章 柴油机电控系统中的传感器243.1 曲轴位置传感器（CKPS：Cranksha

6、ft Point Sensor）253.2 凸轮轴位置传感器（CMPS：Camshaft Point Sensor ）253.3 共轨压力传感器（CRPS：Common Rail Pressure Sensor）263.4 水温温度传感器（CTS：Coolant Temperature Sensor）263.5 加速踏板位置传感器（APPS：Accelerate Point Sensor）273.6 空气流量计（MAF：Mass Air Flow Sensor）273.7 大气压力传感器（APS：Air Pressure Sensor）273.8 燃油含水率传感器273.9 EGR位置传感器2

7、8第4章 柴油机其他电控系统284.1 废气在循环系统（EGR）284.2 可变截面增压器（VGT)294.2.1、高压油泵314.2.2、高压油轨（共轨管）32结论34致谢35参考文献36第1章 概述1.1 电控柴油机发展情况柴油机电控技术的发展过程与汽油机电控系统相似。自80年代开始进入市场的现代汽车柴油机电控系统也是随着控制项目的不断增多，控制任务从简单到复杂，直至全方位控制。例如,早期的电控燃油喷射系统都采用了“位置控制”,保持了传统的脉冲高压供油原理,只是通过以微机为核心的控制单元对位置伺服机构进行控制，改变油量调节齿条(直列泵)或油量调节滑套(VE型分配泵)等的位置，用以调节喷油泵

8、的循环供(喷)油量。 但由于位置伺服机构执行频率响应慢，控制频率低，控制精度不稳定，经过了近十年的发展,到90年代初,“时间控制”式电控燃油喷射系统开发成功,采用了新型高速强力电磁阀代替传统的油量调节齿条(直列泵)或油量调节滑套(VE型分配泵)等,直接对高压燃油进行数字式的高频调节，由电磁阀的关闭时刻和闭合持续时间决定循环供(喷)油量和供(喷)油正时。尽管如此,这种“时间控制”式电控燃油喷射系统仍保持了传统的脉冲高压供油原理。直到90年代中期，一种新型的电控共轨式燃油喷射系统问世，抛弃了传统的脉冲高压供油原理，采用“时间-压力控制”式燃油计量原理，通过对公共油轨中油压的连续控制和各缸喷油过程的

9、电磁阀控制相结合的方式实现对循环供油量的控制,才使柴油机的电控燃油喷射技术进入了一个新的发展阶段。 1.2 电控柴油共轨系统的主要特点 1.2.1改善柴油机的经济性由于柴油机具有优异的节油特性，行驶成本远远低于汽油轿车。在原油价格不断上涨的情况下，它的经济性无论是对社会还是个人，都显示出巨大的价值。 1.2.2.提高柴油机燃油经济性的措施 选用结构合理的燃烧提高柴油机燃料使用经济性首要的技术措施是，选用燃烧室结构合理的柴油机。分割形（预室式及涡流室式）燃烧室的柴油机，其燃料消耗巫一般为230290g/ (kWh )。而统一形（形、球形、U形、四角形等）燃烧室，因其燃烧室集中在一个空间

10、里，面容比小，散热面积小，热量损失少，热效率高，其燃料消耗率一般为210270 g/ (kWh )。两者相差20 g/ (kWh )。因此，运输机械及工程机械一般优选统一形燃烧室柴油机。在此基础上，根据使用条件，选择性能符合要求、质量一乘的柴油机。  近年来，国内外已研制出陶瓷发动机，利用耐高温高强度的工上陶瓷烧结在气缸盖燃烧室的表面上，减少散热损失，提高热效率（达45%)，降低燃料消耗率，明显地提高了燃料使用经济性。  控制转速  由柴油机速度特性可知，柴油机的工作转速偏高和偏低时，其燃料消耗率均增入，因此应该使柴油机在略高于中等转速下运转。这样不仅使

11、柴油机具有良好的燃料使用经济性，而且也兼顾了柴油机的动力性及机械效率。这就要求驾驶员根据路况及机械运行情况，及时换挡并掌握油门，控制柴油机以合适的转速运转。 在一定范围的负荷下运转 根据柴油机负荷特性，使柴油机在中等偏大的负荷下运转，柴油机动力性、燃料使用经济性好，而机械损失也不大。驾驶员应根据机械的承载及运行条件，通过合适挡位的选择和油门开度的控制，使柴油机在一定的负荷范围内运转。合适的供油提前角  由供油提前角调整试验得知，在最佳供油提前角下，柴油机能达到最大功率、最低燃料消耗率。在转速、负荷变化的情况下，也应该使柴油机始终具有最佳供油提前角。因此，对转速变化

12、比较敏感的直接喷射式燃烧室柴油机，特别是球形燃烧室柴油机应设置供油提前角自动调节器。利用同侧双斜槽柱塞的喷油泵及负荷调节机构，使柴油机随负荷变化而自动调节供油提前角。提高作功气体的膨胀程度在柴油机上采取长行程或增压等技术措施，提高作功冲程中的气体膨胀程度，不仅改善柴油机的动力性、燃料使用经济性，还可以使压缩比适当减小、柴油机工作平稳。例如，柴油机采取废气涡轮增压技术措施后，可以使燃料消耗率降低310%。保持正常工作温度保持柴油机正常工作温度（冷却水温8095)，可保证柴油机可燃混合气的质量和正常燃烧；保证零件间的正常间隙，稳定润滑油的黏度，减少机械损失。因此，只有保持正常工作温度，柴油机才能具

13、有良好的动力性和燃料使用经济性，并延长其使用寿命。否则，柴油机的各种性能均要下降，例如，柴油机工作温度为75时，其燃油消耗率将增加3.6%，45时将增加10左右。保证气缸密封性良好的气缸密封性，可保证柴油机在压缩冲程终了气缸内气体的压力和温度，进而可提高可燃混合气燃烧的最高温度，即提高柴油机动力性及燃料使用经济性。减少机械损失(1)加大柴油机的气缸直径或增加气缸数，即增加柴油机排量，使柴油机功率显著提高。但其附属装置，如冷却风扇及水泵、机油泵、喷油泵等消耗功率增加得较少，因此柴油机的机械损失相对减少、机械效率提高。(2)选用钻度合适的润滑油。应根据柴油机的具体使用条件（如冬季和夏季）选择合适牌

14、号的润滑油。(3)控制最高燃烧压力。在不影响柴油机循环热效率的前提下，适当降低最高燃烧压力，以减少零件间的相互作用及摩擦力。为此，必须在燃烧室结构及压缩比，喷油规律和燃烧规律，可燃烧混合气的形成和燃烧过程等方面予以配合。(4)减少运动副的摩擦。通过减少活塞环数目、采用活塞销座偏置等结构以及柴油机正式投入生产性运转前充分磨合等技术措施，以减少相对运动件的摩擦损l失，提高其机械效率。(5)减少运动零件的质量及惯性力。像活塞这类高速运动、加速度大的零件，一采用轻金属铝合金制造，并在其不直接承受侧压力的裙部切除一部分，以减少其质量和惯性力。活塞销所以采用管状及轴向变截面结构，其目的之一也在于此。(6)

15、提高大尺寸零件的刚度。提高曲轴、凸轮轴、气缸体等大尺寸零件的刚度，减少其变形程度；适当提高其加工及装配精度；保证热处理质量等，不仅可减少磨损、延长使用寿命，还可减少机械损失。(7)改进进排气系统。改进柴油机的进排气系统，减少排气损失，提高充气效率。这样既可减少机械损失，又可通过平均指示压力的提高，使柴油机的机械效率提高。(8)采用风扇离合器。风扇约消耗5-10的柴油机功率，但是，在大多数时间内机械传动的风扇会造成柴油机过分冷却。在风扇的传动系统中设置离合器，不仅能自动调节冷却强度，提高冷却系统对柴油机转速、负荷变化的适应性，保持柴油机正常工作温度，而且能显著地减少柴油机的机械损失。(9)采用增

16、压技术措施。柴油机采用废气涡轮增压技术措施，不仅充分利用废气能量以增加循环充气量和供油量，使柴油机升功率（动力性）增大，而且使可燃混合气成分变稀，燃油充分燃烧，降低燃油消耗率，改善燃油使用经济性。与此同时，可以缩短着火落后期，适当降低压缩比，进而控制燃烧最高压力不致过大，使柴油机的机械损失减少、机械效率提高。采取预热措施柴油的喷射雾化质量与其黏度有关。柴油黏度增大时其喷射雾化的均匀度、细微度降低，进而影响可燃混合气的质量及燃烧。冬季及寒冷地区，柴油黏度会明显增大，因此应采用排气管式预热装置、循环水式预热装置、冷却水预热器及JDV型电加热器等技术措施，适当提高柴油温度，提高其喷射雾化质量及可燃混

17、合气质量，改善燃烧过程，提高柴油机的燃料使用经济性。采用电控喷油技术降低柴油机燃油消耗率和减少废气中有害气体排放量，必须改进柴油机可燃混合气形成与燃烧过程。为此，柴油机由机械操纵向电子技术控制方向发展过程中，经历了模拟电路控制喷油、计算机控制喷油、喷油定时的电子技术控制、综合电子技术控制系统和电控共轨式燃油系统等6个阶段。前5个可视为过渡阶段，最终发展为现阶段的技术最先进、适用范围最厂泛的电控共轨系统。采用电控共轨系统的柴油机，在理论分析的指导下，针对柴油机实际运转条件，可以自由控制喷油压力、自由控制每循环的喷油量、自由控制喷油时间、自由控制喷油率和多次喷射（预喷射、主喷射和后喷射），不仅达到

18、了节省燃料、减少废气有害成分排放的目的，并且全面提高了柴油机的技术性能。1.2.3 提高控制精度控制系统的控制精度越高，被控对象的功能指标就越容易接近最优值。计算机控制的精度主要体现在三个方面：输入信号的高保真、信号均以数字形式传输，只要计算机的位数够高，就能保证足够的精度、高分辨率的输出信号。电控柴油机燃油喷射的控制精度高 能够有效地抑制和减少尾气排放物中的有害成分根据燃油高压形成的机理可把柴油机电控共轨喷油系统分为两大类型 .BC ECDU2高压1.3 控制策略灵活电控柴油机控制策略主要是指柴油机的喷射技术，现在主流的技术是：电控泵喷嘴技术和高压共轨技术。高压共轨(Common Rail)

19、电喷技术是指在高压油泵、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(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.共轨技术是指高压油泵、压力传感器和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，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对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，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变

20、化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。3.1 柴油机电控系统的功能 柴油机电控系统以柴油机转速和负荷作为反映柴油机实际工况的基本信号，参照由试验得出的柴油机各工况相对应的喷油量和喷油定时MAP来确定基本的喷油量和喷油定时，然后根据各种因素(如水温、油温、大气压力等)对其进行各种补偿，从而得到最佳的喷油量和喷油正时，然后通过执行器进行控制输出。3.2 工作原理折叠优点a.提供更大的控制自由度电控燃油喷射系统可按照运行工况的不同， 对喷油参数(如喷油量、喷油定时、喷油压力、喷油速率等)进行最优的综合控制。并可考

21、虑各种因素对柴油机性能的影响。b.控制功能齐全c.控制精度高，动态响应快d.可以提高发动机动力性、经济性及排放性能e.提供故障诊断功能，使可靠性得以提高折叠难点a.系统执行器要求高b.控制策略需要仔细研究c.系统优化标定工作难度高、工作量大系统的类型折叠3.3折叠位置控制式系统保留传统喷射系统的基本结构，只是将原有的机械控制机构用电控元件取代，在原机械控制循环喷油量和喷油定时的基础上，改进更新机构功能，使用直线比例式和旋转式电磁执行机构控制油量调节齿杆(或拉杆)位移和提前器运动装置的位移，实现循环喷油量和喷油定时的控制，使控制精度和响应速度较机械式控制方式得以提高。3.4 系统技术特征与系统特

22、点(1)数字控制器通过执行机构的连续式位置伺服控制,对喷射过程实现间接调节,故相对其它电控燃油喷射系统,执行响应较慢、控制频率较低和控制精度不太稳定。(2)不能改变传统喷射系统固有的喷射特性,电控可变预行程直列泵虽能对喷油速率起到一定的调节作用,但却使直列泵机构复杂性加大。(3)柴油机的结构几乎无须改动即可改造成位置控制式喷射系统,故生产继承性好,便于对现有机器进行升级改造。(4)由于燃油泵输送和计量机构基本不变，喷油系统参数受柴油机转速影响大，很难实现喷油规律控制，凸轮机构、柱塞套的应力和变形限制了喷油压力的进一步提高。3.5折叠时间控制式系统时间控制系统有许多比纯机械式或第一代系统优越的地

23、方，但其燃油喷射压力仍然与发动机转速有关，喷射后残余压力不恒定。另外电磁阀的响应直接影响喷射特性，特别是在转速较高或瞬态转速变化很大的情况下尤为严重，而且电磁阀必须承受高压，因此对电磁阀提出了很高的要求。3.6折叠共轨系统共轨控制式电控燃油喷射系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理。共轨式电控喷射系统具有公共控制油道(共轨管),高压油泵只是向公共油道供油以保持所需的共轨压力,通过连续调节共轨压力来控制喷射压力,采用压力时间式燃油计量原理,用电磁阀控制喷射过程。该系统根据柴油机运行工况的不同,不仅可以适时地控制喷油量与喷油定时,使其达到与工况相适应的最优数值,而且还使得喷油压力和喷油速率的控制成为

24、可能。且系统的控制自由度及精度得到了大幅度提高。3.7系统技术特征(1)不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理，采用高压油泵+共轨油管。(2)采用压力时间式燃油计量原理,用电磁阀控制喷射过程。(3)可以柔性控制喷油压力、喷油量、和喷油定时, 喷油速率的控制也成为可能。折叠系统控制策略，折叠喷油量控制策略供油量主要由油门踏板行程和柴油机转速来确定，除此之外，还要根据环境条件和柴油机工作条件进行修正。1)全负荷油量控制2)部分负荷油量控制3)油量修正(冷却水温、进气压力等)4)断油控制5)其他控制(怠速控制等)根据传感器的信号，通过查取喷油定时MAP获得基准喷油定时，然后进行冷却水温等的修正、最后计算出

25、所需的喷油定时，输出到驱动电路电磁阀根据控制器发出的控制信号，控制燃油的喷射。为了实现柴油机的最佳燃烧，应根据运行状态和环境条件等因素来控制最佳的喷射时刻。折叠喷油压力控制策略共轨压力控制主要是通过调节供油泵供油时刻，来使轨中的压力达到设定值并稳定。控制策略采用PID算法，根据工况得到的目标轨压和共轨压力传感器反馈回的实际压力比较计算出最终的供油时刻。最佳喷油压力(目标喷油压力)是柴油机转速和扭矩的二元函数，并应进行进气压力、进气温度和冷却水温度补偿。喷油率是柴油机燃烧过程控制的重要参数之一。为了同时改善柴油机的动力性和经济性，降低污染物和噪声排放，理想的喷油率曲线形状是与理想的燃烧过程相适应

26、的，据此喷油可以形成最佳的混合气，实现理想的燃烧过程。系统故障诊断故障诊断是柴油机电控单元的一个重要组成部分，是柴油机电控系统投入产品化的可靠性与安全性的重要保障。目前各种柴油机电控喷油系统均具有故障诊断系统。故障诊断通常由控制软件完成，一般在仪表板上设故障指示灯，并可以输出故障代码。电控喷油系统一般在故障诊断的同时提供支撑功能。故障诊断监测柴油机运行状况，采集其运行参数以确定柴油机电控系统是否发生故障，如果发生故障，则利用故障处理策略使发动机能继续运行下去。如果没有故障自诊断，电控系统一旦发生故障而又无法诊断出故障并加以相应的处理，则此时柴油机的运行必偏离正常运行状况，造成排放恶化，经济性、

27、动力性下降，甚至根本不能运行。(1)实时检测输入信号，包括传感器信号、操作人员控制开关信号等，根据工作状态判断信号是否有效。(2)实时检测输出信号及执行器的工作状态。(3)记录故障信号的故障代码，以及故障发生前后信号随时间变化的特征采样值。(4)使控制软件在故障发生时执行安全保护模式下的控制子程序。(5)接收故障诊断仪与维修人员的通讯控制，能够向故障诊断仪发送故障信号及系统信息，并能在故障指示灯上显示故障代码。当ECU中微处理器出现故障时，接通备用集成电路，用固定信号控制发动机进入强制运转。注意:备用系统只能维持基本功能，而不能保证正常的运行性能。1.4 柴油机电控燃油喷射系统的类型1.4.1

28、. 位置控制式系统保留传统喷射系统的基本结构，只是将原有的机械控制机构用电控元件取代，在原机械控制循环喷油量和喷油定时的基础上，改进更新机构功能，使用直线比例式和旋转式电磁执行机构控制油量调节齿杆（或拉杆）位移和提前器运动装置的位移，实现循环喷油量和喷油定时的控制，使控制精度和响应速度较机械式控制方式得以提高。 系统技术特征与系统特点:(1)数字控制器通过执行机构的连续式位置伺服控制,对喷射过程实现间接调节,故相对其它电控燃油喷射系统,执行响应较慢、控制频率较低和控制精度不太稳定。(2）不能改变传统喷射系统固有的喷射特性,电控可变预行程直列泵虽能对喷油速率起到一定的调节作用,但却使直列泵机构复

29、杂性加大。(3）柴油机的结构几乎无须改动即可改造成位置控制式喷射系统,故生产继承性好,便于对现有机器进行升级改造。(4）由于燃油泵输送和计量机构基本不变，喷油系统参数受柴油机转速影响大，很难实现喷油规律控制，凸轮机构、柱塞套的应力和变形限制了喷油压力的进一步提高。 1.4.2. 时间控制式系统时间控制系统有许多比纯机械式或第一代系统优越的地方，但其燃油喷射压力仍然与发动机转速关，喷射后残余压力不恒定。另外电磁阀的响应直接影响喷射特性，特别是在转速较高或瞬态转速变化很大的情况下尤为严重，而且电磁阀必须承受高压，因此对电磁阀提出了很高的要求。 1.4.3. 共轨系统共轨控制式电控燃油喷射系统不再采

30、用传统的柱塞泵脉动供油原理。共轨式电控喷射系统具有公共控制油道(共轨管),高压油泵只是向公共油道供油以保持所需的共轨压力,通过连续调节共轨压力来控制喷射压力,采用压力时间式燃油计量原理,用电磁阀控制喷射过程。该系统根据柴油机运行工况的不同,不仅可以适时地控制喷油量与喷油定时,使其达到与工况相适应的最优数值,而且还使得喷油压力和喷油速率的控制成为可能。且系统的控制自由度及精度得到了大幅度提高。系统技术特征(1）不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理，高压油泵+共轨油管。(2）采用压力时间式燃油计量原理,用电磁阀控制喷射过程。(3）可以柔性控制喷油压力、喷油量、和喷油定时, 喷油速率的控制也成为可能。对

31、于不同的柴油机，其控制策略往往不同，当需要改进或与其他机型匹配时，传统的办法是改变机械控制系统，周期长成本高。计算机控制系统需要改变的仅仅是EPROM中的软件程序。有些情况下，甚至不需要变更便能用于不同的柴油机。整个系统有传感器、电控单元和执行器三大部分组成。最明显的特点是柴油电控喷射系统的多样化，具有高压、高频、脉动等特点喷射压力高达60-150MPa，甚至200MPa。第2章电控柴油机喷油系统2.1 柴油机电控喷油系统的组成 柴油机电控系统由传感器、执行器和电控单元组成。传感器检测出发动机或喷油泵的运行状态，ECU根据个传感器信息，控制发动机的最佳喷油量、最佳喷油时间，执行器根据计算机的指

32、令，准确的控制喷油量和喷油时间。2.2 电控燃油共轨系统的组成2.2.1.电控共轨系统组成 电控高压共轨式燃油系统的基本组成如图2-1所示。从功能方面分析，电控共轨系统可分为两大部分：电控系统和燃料供给系统。电磁阀控制电子控制 供油量油箱供油泵共轨 喷油器图2-1 燃油供给系统构成框图2.2.2电控系统 电控系统可以分为三大部分：传感器电控单元和执行元件。ECU是电控共轨燃油系统的核心部分。根据各传感器信息，ECU计算出最佳喷油时间和最合适的喷油量，并且计算出在什么时刻，多长时间的范围内向喷油器发出开启电磁阀的指令等，从精确的控制发动机的工作过程。 ECU的输入是安装在车辆和发动机上的各种传感

33、器和开关，ECU的输出是送往各个执行机构的电子信息。电子系统的控制框图如图2-2所示。 图2-2 柴油机电控高压共轨系统管路布置高压油泵 2.燃油滤清器 3.电动燃油泵 4.回油3通接头 5.燃油压力调节阀6. 共轨 7.共轨压力调节器 8.喷油器 9.电控单元曲轴转角传感器加速踏板位置传感器气缸判别传感器其他传感器和信号喷油器供油泵控制喷油量控制喷油时间控制喷油率调节喷油压力电控单元图2-3 柴油机电子系统的控制框图2.2.3燃料供给系统燃料供给系统主要构成是供油泵、共轨和喷油器。燃料供给系统的基本工作原理是：供油泵将燃油加压成高压，供入共轨内。共轨实际上是一种燃油分配管。储存在共轨内的燃油

34、在适当的时刻通过喷油器喷入发动机气缸内。电控共轨系统中的喷油器是一种由电磁阀控制的喷油器，电磁阀的开启和关闭由发动机电控单元控制。 柴油机电控燃油喷射系统除了控制喷油量外，对喷油正时和喷油的压力都有很高的要求。（柴油机电控燃油喷射系统的喷油压力较高约19.6MPa）2.3 喷油器2.3.1 博世公司电控喷油器1 博世公司电控喷油器结构如图 a b 图2-4 博世喷油器的结构及工作原理1.球阀 2.电枢轴 3.高压燃油连接管 4.线圈 5.回位弹簧 6.回油管 7.针阀控制活塞8.承压腔 9.喷油嘴 10.针阀 11.进油口 12.泄油孔13.针阀控制腔喷油器主要由控制柱塞、喷油嘴针阀和电磁阀等

35、组成。燃油从高压接头经进油通道送往喷油嘴，经进油节流孔送人控制室。控制室通过由电磁阀打开的回油节流孔与回油孔连接。回油节流孔在关闭时，作用在控制活塞上的液压力大于作用在喷油嘴针阀承压面上的力，因此喷油嘴针阀被压在座面上，燃油没有进入燃烧室。电磁阀动作时，打开回油节流孔，控制室内的压力下降，当作用在控制活塞上的液压力低于作用在针阀承压面上的作用力时，针阀立即开启，开始喷油。由于电磁阀不能直接产生迅速关闭针阀的所需的力，因此，经过一个液压力放大系统实现针阀的这种间接控制。在发动机和油泵工作时，喷油器的工作可分为四个工作状态：1）喷油器关闭，以存有的高压。2）喷油器打开，开始喷油。3）喷油器完全打开

36、。4）喷油器关闭。2 喷油器的工作原理 1）喷油器关闭如图2-2 a所示。电磁阀在静止状态不受控制，因此是关闭的。回油节流孔关闭时，电枢的钢球通过弹簧压在回油节流孔的座面上。控制室内建立公共的高压，同样的压力也存在与喷油嘴的内腔容积中。共轨压力在控制柱塞端面上施加的力及喷油器调压弹簧的力大于作用在针阀承压面上的夜压力，针阀处于关闭状态。 2）喷油器开启（喷油开始）如图2-2 b所示。当电磁阀通电后，在吸动电流的作用下迅速开启当电磁铁的作用力大于弹簧作用力时，回油节流孔开启，在极短的时间内，升高的吸动电流成为较小的电磁阀保持电流。随着回油节流孔的打开，燃油从控制室流入上面的空腔，并经回油通道回到

37、油箱控制室的压力下降，于是控制室的压力小于喷油嘴内腔容积的压力。控制室中减小了的作用力引起作用在控制柱塞上的作用力减小，从而针阀开启，开始喷油。针阀开启速度决定于进、回油节流孔之间的流量差。控制柱塞达到上限位置，并定位在进、回油节流孔之间。此时，喷油嘴完全打开，燃油一近乎共轨压力喷入燃烧室。 3) 喷油器关闭（喷油结束）。如果不控制电磁阀，电枢在弹簧的作用力下向下压，关闭回油节流孔。电枢设计成两部分组合式，电枢板经一拨杆向下引动。但它可用复位弹簧向下回弹，从而没有向下的力作用在电枢和钢球上。回油节流孔关闭，进油节流孔进的油使控制室中建立起与共轨中相同的压力。这种升高了的压力使作用在控制柱塞上端

38、的压力增加。这个来自控制室的作用力和弹簧力超过了针阀下方的液压力，于是针阀。2.3.2 电装公司的喷油器1 电控喷油器的结构 电装公司电控喷油器主要由喷油嘴、调压弹簧、控制喷油率的量孔、控制活塞和二通阀等组成。电控喷油器中由电磁阀直接控制喷油始点、喷油间隔、喷油终点，从而直接控制喷油量、喷油时间和喷油率。电控喷油器实际上完成了传统喷油器装置中的喷油器、调速器和提前器的功能。与直喷柴油机中的机械式喷油器相似，喷油器可用压板等安装在气缸盖内。设计良好的电控喷油器和传统的的机械式喷油器结构相近。因此，共轨式喷油器在直喷式柴油机中的安装不需要改变汽缸盖结构。 共轨技术的突出优点是控制灵活精确, 通过控

39、制共轨压力和喷油时间来精确控制喷油过程。但是, 由于油泵供油的不连续以及各喷油器按一定时序喷油, 导致共轨内产生压力波动, 这给进一步精确控制喷油过程带来了困难。船用柴油机缸数多、循环喷油量大, 喷射过程引起的共轨系统内压力波动对喷射的一致性和重复性造成的不利影响更为严重。 喷油器是高压共轨系统中最关键的部件, 而且在不断改进结构、提高性能的同时正在向产品模块化方向发展, 将蓄压器集成在喷油器头部的新型结构代表了未来发展的趋势。本文将针对头部集成蓄压器的新型喷油器结构开展研究, 分析这一结构对喷油器性能的影响, 为主要参数设计提供依据。 2 新型喷油器结构 图2-

40、6 喷油器头部蓄压器结构示意图为解决船用柴油机(或其他用途大型柴油机)循环喷油量大引起压力波动大, 喷油器数量多引起喷射过程互相干扰等问题, 并满足零部件模块化设计要求, 外近年出现了头部带蓄压器的新型喷油结构, MTU2000系列柴油机共轨系统是采用这种喷油器的代表机型, 系统结构如图2-7所示。对每个喷油器的蓄压器而言, 在完成一次喷油后, 仅需对其补充这次喷射中射出的燃油量。另外, 为了使蓄压器中因喷射引起的压力波动不会影响到相邻的其它各缸, 蓄压器入口处往往采用节流装置防止残余压力波在整个燃油系统中的传播。 1高压泵 2高压油管 3分配单元 4燃油管 5油轨 6喷油器 7蓄压

41、器 图2-7 MTU2000系列柴油机共轨燃油系统3喷油器模型的建立 本文利用AMESim软件开展仿真计算, 首先针对某典型共轨用电控喷油器建立模型, 作为改型前的基础喷油器模型(图2-8) 。喷油器内的电磁阀为一个开关阀, 为了考虑该阀开启与关闭过程中的动态变化的影响, 电磁阀用一个流通速率随时间变化的可变节流孔模型, 采用周期性曲线控制电磁阀流通规律。  图2-8 基础喷油器模型基础模型是针对某典型共轨用电控喷油器建立, 可以用试验数据对比检查其准确性, 主要是校验循环喷油量和喷油率。循环喷油量计算值与实测值如表1所示, 可见计算结果与实测值吻合度较好, 在喷

42、油压力为60、80、100MPa, 喷油脉宽2 500s时的循环喷油量误差都在2%以下。表1 循环喷油量计算值与实测值对比 在上述经过试验验证的典型结构喷油器模型基础上修改得到新型喷油器模型, 如图2-9所示。 图2-9 带蓄压器的喷油器模型为了给每次计算提供一个具有可比性的喷油器入口边界条件, 兼顾与实际使用情况接近, 模型中的油泵用一个可设置的压力源替代, 油泵蓄压器、高压油管等均采用经过试验验证的模型。新型喷油器头部的蓄压器作为集中容积( Injector accumulator) , 蓄压器入口处有节流孔(Throttling orifice) 。 需要说

43、明的是, 在喷油器头部增加蓄压器的同时往往喷油器下部结构也会改变, 以减少运动件质量, 提高响应速度。本文主要关注喷油器头部的新结构, 对于下部结构的研究将另外开展。 4 仿真分析 4.1 蓄压器入口节流孔对喷油器性能的影响以蓄压器节流孔面积与喷油器喷孔总流通面积比值作为调整变量, 用QA表示。(暂将蓄压器容积设为定值13ml, 约为喷油器最大循环喷油量的50倍。) 表2表5数据均为相对值, 以QA = 310的数据作为比较标准。 由图5 (曲线数据见表2) 可以看出, QA 对喷油率的大小和曲线形状均会产生影响, QA越大喷油率最大值越高, 曲线越饱满

44、; QA小于210时喷射初期喷油率上升缓慢, 且喷油量不足; 但QA在大于等于3.0后对喷油率的影响效果不明显。同时注意到减小QA有利于控制喷射初期喷油率上升速率。由图6 (曲线数据见表3) 可以看出, QA对压力室所能达到的最高压力及压力曲线形状有影响。QA小, 压力室所能达到的最高压力低, 喷射过程中压力下降快。压力室压力低意味着喷油率下降, 影响燃油喷柱的雾化质量和贯穿度。为保证喷射过程的高压, QA越大越好, 从图表分析, 结构设计时QA应大于2。由图7 (曲线数据见表4) 可以看出, QA 越小蓄压器内的平均压力越低, 在喷油量相同的情况下一次喷射所引起的压力下降越大, 且蓄压器内压

45、力波动的幅度越大。 图7 QA对蓄压器内压力的影响根据试验数据, 常规共轨系统在同样工况下喷油器入口处压力波动的最大值为110.4MPa, 最小值82.4MPa, 两者相差28.0MPa。图8 (曲线数据见表5 ) 中当QA = 3.0 时最大值与最小值相差17.38MPa。比较可以看出, 节流孔可以有效削弱喷油器入口处的压力波动, QA 对蓄压器入口前(节流孔前端) 的压力波动影响显著。QA越小, 压力波动幅度越小, 这意味着喷油过程产生的压力波动被节流孔有效阻隔, 减少了对系统压力稳定的扰动, 削弱了对其他喷油器喷射的影响。仅从这一因素考虑, QA 越小越好。QA 在大于310以

46、后对于阻尼压力波动的作用不明显。 综上所述, QA在2.03.0比较合适。 4.2蓄压器容积对喷油器性能的影响 以蓄压器容积与喷油器最大循环喷油量的比值作为调整变量, 用QV表示。 本系统喷油器最大循环喷油量按250 mm3计算。蓄压器入口节流孔孔径固定, 根据QA = 2.03.0的要求喷油器模型蓄压器节流孔直径对应为0.881.08 mm, 现取节流孔直径110mm。 采用与前文同样的方法分析QV 取值对喷油率、压力室压力、蓄压器压力、蓄压器入口前压力的影响。得到以下规律: (1) QV对喷油率有明显影响, QV越大喷油率最大值越

47、高, 在大于等于50后对增大喷油率效果不明显, QV小于等于30时明显影响喷油率最大值和平均值, 且初期喷油率上升趋缓, QV大于60后对喷油率大小影响不明显。为保证喷油器最大循环喷油量需要, QV不宜小于30, 也不太需要大于60。 (2) QV 对压力室所能达到的最高压力有影响, QV小, 压力室所能达到的最高压力低。压力室压力低意味着喷油率下降, 影响燃油喷柱的雾化质量和贯穿度。为保证喷射过程的高压QV越大越好, QV在大于60后对喷射压力的影响不明显, 但在小于等于30时明显影响喷射压力。 (3) QV对蓄压器内的平均压力影响不明显,但明显影响蓄压器内的压力波动幅度

48、。QV 越小,在喷油量相同的情况下一次喷射所引起的压力波动幅度越大, 特别是压力下降的幅度。为保证喷油过程中压力不会跌落太快, QV 取值一般不宜小于50。 (4) QV对蓄压器入口处(节流孔前端) 的压力波动幅度有影响。QV 越大, 压力波动幅度越小, 这是因为蓄压器内储存的高压燃油及时补充了喷射过程所引起的压力降, 减少了对整个系统压力稳定的扰动。从这一因素考虑QV越大越好, 一般不宜小于50, 小于30则不能发挥这一结构的优越性。 考虑到QV 大会带来喷油器结构设计上的困难, 在满足性能要求的前提下QV 越小越容易布置, 同时降低制造难度。综上所述, 一般情况QV取5

49、060比较合适; 若考虑控制喷射初期喷油率,或采取其它系统压力稳定措施, QV 也可略小于50。 5. 结论 根据船用柴油机共轨燃油系统工作特点及技术发展趋势, 针对头部带蓄压器的新型喷油器结构建立仿真模型, 研究其设计要点。得出以下结论: (1) 头部带蓄压器的新型喷油器结构可以有效抑制系统中多个喷油器喷射过程中的互相干扰; (2) 蓄压器入口节流孔大小及蓄压容积的选取是影响新型结构喷油器性能的关键结构参数; (3) 节流孔大小对控制喷油率和阻尼系统压力波动作用明显, 综合多方面因素QA在2.03.0比较合适; (4) 蓄压容积对实

50、际喷射压力(嘴端压力)和系统压力波动影响明显, 一般情况QV取5060比较合适。2.3.3电控喷油器的工作原理 电装公司的喷油器分为三通阀结构和二通阀结构。最初采用的是三通阀结构。在设计初期阶段，从理论上分析结构具有很多优越性，但实际试验和使用过程中发现，该三通阀结构并不如想象的好，因为燃油泄漏量较大。但是，燃油从何处泄漏，如何减少燃油泄漏又没有有效措施。因此，使用不久就废止了。改用了二通阀结构。工作原理如图2-3-1所示。 图2-3-1 电装喷油器工作原理当二通阀开启时，控制腔内的高压燃油经量孔2流入低压腔中，控制腔中的燃油压力降低，但是，喷油嘴压力室中的燃油压力仍然很高。压力室中的高压使针

51、阀开启，向汽缸内喷射燃油。当二通阀关闭不同电时，通过量孔1，控制腔中的燃油压力升高，使针阀下降，喷油结束。这里有一个重要条件：量孔2的直径必须小于其左下方量孔1的直径。否则不能进行上述工作。二通阀的通电时刻确定了喷油始点，二通阀的通电时间长短确定喷油量。这些基本参数都是电子脉冲控制的。通过控制喷油控制腔内的压力来控制喷油的开始和喷油的终了。量孔大小既控制喷油嘴针阀的开启速度，也控制喷油率形状。电控柴油喷射系统由传感器、ECU（计算机）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，

52、与巳储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。这类电控系统可分为：蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。电控燃油系统的构成:：燃油泵及燃油管路，传感器，ECM，执行器，导线，喷油器。传感器：传感器是一种将物理量转换成电信号的装置，它们将系统状态传递给ECM，在ECM中再将电信号转换成数字信号进行处理。图2-3-2蓄压式电控燃油喷射系统主要的几种传感器：(1)发动机转速和位置传感器，测量发动机的转速和各缸活塞（TDC)，参与喷油量和喷油正时的确定，双线圈设计。(2

53、)发动机进气增压压力和温度传感器测量发动机进气增压后的压力和温度值，增压压力值参与喷油量的计算和AFC控制，进气温度值用于发动机保护和风扇控制功能。(3)环境大气压力传感器，测量环境空气压力值，用于发动机在不同海拔高度下工作时选择合适的喷油量（different fueling tables)，(4)发动机冷却水温传感器测量发动机冷却水温度，保证发动机工况处于最佳的性能和排放水平，用于发动机保护功能和风扇离合器控制。(5)发动机机油温度传感器测量发动机机油温度，用于发动机保护功能。(6)发动机机油压力传感器测量发动机机油压力，用于发动机保护功能， (7)发动机燃油温度传感器测量燃油温度变化，计

54、算燃油密度变化，用于调整喷油量以达最佳燃烧。ECM：ECM（电子控制模块是CELECT电控燃油系统的控制中心，它将传感器和各种控制装置和开关传来的电信号转换成数字信号进行处理，并将执行指令和数据信息传输给执行器和其它装置。2.3.4 压电晶体式喷油器与电磁阀相比，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，寿命长，工作非常稳定等优点。压电式喷油器推出之后，立即受到个大公司的推崇。汽车对共轨系统压电晶体基本要求如下：环境温度在-40- +150；高强度；大约100-200V的低压；压电晶体作用升程为其厚度的1/1000；开关迅速

55、，全升程动作时间约30S。 1 结构 喷油器的主要组成包括：带弹簧的多空喷油嘴，控制活塞，进出油节流孔，二位二通阀，压电晶体部件。用于喷油器的压电晶体的结构采用多层技术。多层压电执行器由陶瓷层烧制而成，层与层之间有电极，生产 压电式执行原件像一个在点压下立即就能充电的电容器，其关键原件式陶瓷压电薄膜，它在加上电压以后的0.1ms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，必须将许多层陶瓷薄膜烧结成一块长方六面体。喷油器内30mm长的执行器由300多层薄膜组成，每层的厚度只有80m。压电原件加上电压后会膨胀大约40m，通过杠杆比为1：1.5的杠杆，使得控制腔回油道中的阀开启。于是，控制阀内的压力下降，喷油嘴针阀开启。2.4 油泵2.4.1 低压油泵低压油泵可以是带有前置过滤器的电动燃油泵，也可以是齿轮式燃油泵。泵从油箱抽取燃油，然后不但地向高压泵输送定量的燃油。 2.4.2 高压油泵高压油泵将燃油增至最高1350bar的系统压力。加压燃油然后经过高压管路并进入管状的共轨内。圣达菲车D4EA发动机的高压油泵安装在气缸盖的后端面上，由凸轮轴驱动。如图2-3-3所示。图2-3-3 高压油泵横剖面图A-进油孔（接燃油滤清器） B-出油孔（接共轨）1.驱动轴 2.偏心凸轮 3.带泵油柱塞的分泵 4.进油阀 5.出油阀 通