新聞主題	柴油發電機高壓共軌管和ECU的結構原理

 

導讀：共軌技術是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環系統中，將噴射壓力的產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的油壓實現精確控制，使高壓油管壓力大小與柴油發電機的轉速無關，可以大幅度減小柴油發電機供油壓力隨柴油發電機轉速的變化，因此也就減少了傳統柴油發電機的缺陷。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）壓力和噴油器電磁閥開啟時間的長短。

 

一、共軌系統技術概述

 

1、電控共軌技術的發展原由

      新技術總是為解決一些實際生活中的實際問題而生的，柴油機的共軌技術的產生，離不開實際問題對研究人員的困擾，所以，我們首先了解一下沒有使用共軌電噴系統的柴油機的供油系統有何問題。

     在非共軌式燃油系統的柴油機的供油系統中，每個噴油器都連接有一根高壓油管和一根回油管，采用高壓油泵來提供高壓油的壓力，在高壓油管中不同的位置不同的時間，油壓都不相同。這種結構柴油機噴油器噴油的規律在理論上取決于柱塞的運動規律，并且在調速器的協助下自動調整供油提前角，使柴油機工作情況穩定。但是在實際的使用過程中，由于柴油的可壓縮性質和高壓油管中柴油壓力的波動，使得實際的噴油狀態與噴油泵所規定的柱塞供油規律有了較大的差異。比如油管內的壓力波動，有時還會在噴射之后使高壓油管內的壓力再次上升，達到令噴油器針閥開啟的壓力，將已經關閉的針閥重新打開，產生二次噴油現象。由于二次噴油不可能完全燃燒，于是就會增加煙度和碳氫化合物的含量，造成尾氣超標和燃油消耗增大。由于每一次的噴射循環之后高壓油管內的殘留壓力都會發生變化，產生噴油不均勻的信箱，嚴重時發生間歇性不噴射現象。且這種現象在低速下更容易發生。因為以上的缺陷，所以誕生了電控共軌技術。

2、電控共軌技術的分類

      按照噴油高壓來源的不同，共軌式電控燃油噴射系統分為兩類：

（1）高壓共軌系統

      高壓輸油泵將燃油輸送到高壓共軌中，燃油脈動壓力變化得以消除，然后再將燃油分配至給各個裝有快速電磁閥的噴油閥；當ECU控制系統按照需求發出信號之后，高速電磁閥打開或關閉，從而控制噴油器的工作，即：按設定的要求噴出或者停止噴出高壓燃油。

（2）中壓共軌系統

      中壓共軌系統采用較小的壓力（10-13兆帕）來將燃油輸送到共軌管中，在共軌管中將燃油的脈動壓力消除后，再通過帶有增壓柱塞的噴油器將燃油以高速噴出，在高壓柱塞的作用下，油壓可達120~150兆帕，其噴射時間也是通過ECU發送的指令來控制的，同樣，高速電磁閥是其不可或缺的部件。

 

二、共軌系統原理與特點

 

1、共軌系統工作過程

      共軌系統供油過程如圖1所示，特性曲線如圖2所示。油箱的燃油被低壓油泵吸出送給高壓油泵，高壓油泵給燃油增壓把燃油變成高壓油送進共軌管里面，共軌管在根據ECU各種傳感器的信號對軌壓進行調節，如果軌壓過高，共軌管的泄壓閥打開部分高壓油進入低壓油管。預先設置好的程序保存在ECU當中，柴油發電機的運轉狀況也被ECU監控，然后ECU根據具體的工況確定噴油定時、噴油持續期。最后電控噴油器按照ECU 的指令將燃油噴入氣缸。

2、共軌系統的特點

      柴油機共軌式電控燃油噴射技術是一種全新的技術，因為它集成了計算機控制技術、現代傳感檢測技術以及先進的噴油結構于一身。它不僅能達到較高的噴射壓力、實現噴射壓力和噴油量的控制，而且能實現預噴射和后噴，從而優化噴油特性形狀，降低柴油機噪聲和大大減少廢氣的排放量。該技術的主要特點是：

（1）采用先進的電子控制裝置及配有高速電磁開關閥，使得噴油過程的控制十分方便，并且可控參數多，益于柴油機燃燒過程的全程優化；

（2）采用共軌方式供油，噴油系統壓力波動小，各噴油嘴間相互影響小，噴射壓力控制精度較高，噴油量控制較準確；

（3）高速電磁開關閥頻響高，控制靈活，使得噴油系統的噴射壓力可調范圍大，并且能方便地實現預噴射、后噴等功能，為優化柴油機噴油規律、改善其性能和降低廢氣排放提供了有效手段；

（4）系統結構移植方便，適應范圍寬，不像其它的幾種電控噴油系統，對柴油機的結構形式有專門要求；高壓共軌系統，均能與目前的小型、中型及重型柴油機很好匹配。

 

圖1  電控共軌系統供油原理圖

圖2  電控柴油機燃油系統供油特性曲線

 

三、高壓共軌系統基本組成

 

      電控高壓共軌系統主要電子控制單元、高壓油泵、共軌管、電控噴油器以及各種傳感器等組成。

1、ECU結構和原理

      電子控制單元簡稱 ECU，它由輸入電路模塊、輸出驅動模塊、MCU核心電路模塊、電源管理模塊、通信模塊組成，結構如圖3所示，接線如圖4所示。ECU是發電機組的“大腦”它的作用是把各個傳感器檢測到的信息進行整合、分析、判斷，然后再把計算好的結果再輸送給噴油器，噴油器根據ECU輸送的電壓信號確定噴油時刻以及噴油量。

（1）輸入回路

      柴油發電機工作時，各種傳感器的信號輸入ECU后，首先進入輸入回路進行處理。傳感器輸入的信號不同，處理的方法也不同，一般是先將輸入信號濾除雜波和將正弦波轉變為矩形波后，再轉換成輸入電平。

（2）A/D轉換器

      傳感器輸送給ECU的信號有數字信號和模擬信號兩種.數字信號可直接輸入微機，但微型計算機不能直接接受模擬信號，必須由A/D轉換器轉換成數字信號后再輸入微型計算機。

（3）微型計算機

      微型計算機是控制系統的神經中樞，其功用是根據工作需要.利用其內存程序和數據對各傳感器輸送來的信號進行運算處理，并將處理結果送往輸出回路。微型計算機主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM/ROM）和輸入輸出（I/O）裝置組成。

（4）輸出回路

      輸出回路的主要功用就是將微型計算機的處理結果放大，生成能控制執行元件工作的控制信號。輸出回路一般采用的是功率品體管。根據微型計算機的指令通過導通或截止來控制執行元件的搭鐵回路。

 

圖3  ECU組成框架圖

圖4  ECU線束接口圖

 

2、高壓共軌管

      柴油發電機高壓共軌管的作用是將供油泵提供的高壓燃油穩壓后，分配到各噴油器中，起到蓄壓器的作用。它的容積應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振蕩，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速度以快速跟蹤柴油發電機工況的變化；將高壓油泵輸出的高壓油蓄積在共軌油腔內，維持ECU所設定的共軌壓力；向各缸噴油器供應高壓燃油。高壓共軌管上裝有波動阻尼器、壓力限制閥、流量限制閥（每缸一個）和共軌壓力傳感器，如圖5所示。

3、流量限制閥

      流量限制閥或稱流動緩沖器，也有稱波動阻尼器的，在油軌的上部有6個流量限制閥，分別與6個缸的高壓油管相連。當某一缸的高壓油管有泄漏或噴油器故障而導致燃油噴射量超過限值時，高壓柴油施加在活塞上，使活塞與鋼珠向右移，鋼珠與座接觸，封閉柴油通道，切斷該缸的燃油供應，如圖6所示。

 

圖5  高壓共軌構造圖

圖6  流量限制閥原理圖

 

 

4、軌壓限制閥

      當共軌壓力超過共軌管所能承受的最高壓力時140MPa，軌壓限制閥會自動開啟，將共軌壓力降低到約30MPa時，壓力限制閥的閥門關閉，如圖7所示。

5、軌壓傳感器

      共軌壓力傳感器為半導體式壓力傳感器，結構如圖8所示。當油壓變化時，半導體電阻發生改變，輸出電壓與油壓成正比，油壓越高，輸出電壓也越高。

 

圖7  軌壓限制閥構造圖

圖8   電控共軌系統軌壓傳感器結構圖

 

6、電控噴油器

      噴油器是整個電控系統最關鍵和最核心的部件，它的作用是在ECU的控制下適時適量的噴射高壓柴油。結構上主要有噴油器體、電磁閥、柱塞閥組件、噴油嘴針閥組件和彈簧組成負責針閥開閉的電磁閥具有極快的動作速度，其開啟時間不超過110±10μs，關閉時間不超過30±5μs。其基本動作過程：在噴油器的上部，柱塞的閥體上表面有細小回流節油油道，該油道被一小球密封（小球被電磁閥彈簧通過銜鐵間接壓緊），高壓油可以到達柱塞上腔，所以高壓油在對柱塞閥體施加壓力的同時不會從回流節油道泄露，這樣就保證了柱塞對噴油嘴針閥有一個較大的向下的壓力，使得噴油嘴針閥緊密的壓在出油口上，雖然針閥下端也受到高壓油的作用而有向上運動的趨勢，但是這個力遠小于柱塞上表面受到的力，所以針閥可以穩穩地壓緊在噴油口上，從而密封住高壓油。當需要噴油時，電磁閥就受到ECU的控制，線圈在由ECU提供的電壓的作用下，產生磁力克服彈簧的壓緊力，將銜鐵向上吸起，同時，小球也打開了回油通道，柱塞上腔與回油管連通，由于回油管內油壓約為大氣壓力，所以柱塞受到的油的壓力迅速減小，而因為回流節油油道本身很小，故進油壓力不會在柱塞閥體組件上方卸荷，而針閥下方壓力基本為進油壓力，所以針閥受到的合力向上，針閥打開，噴油過程開始，當線圈斷電時，彈簧力使小球重新壓緊，柱塞閥體組件所受高壓重新建立，等待下一次噴射。

7、高壓油管

      高壓油管是聯通共軌管和電控噴油器的通道。它應該有足夠的燃油流量減小燃油流動時的壓降，并且使高壓管路系統中的的壓力波動較小。能夠承受高壓燃油的沖擊，且啟動時油壓可以盡快建立。每一個氣缸所連接的高壓管應該基本等長，以使噴油壓力盡量相同。并且使長度盡量小，以減小壓力的損失。

8、高壓油泵

      高壓油泵主要分為柱塞泵和齒輪泵兩種，負責將燃油輸送到高壓共軌管中。其中以齒輪泵為主，基本結構如圖9所示，原理如圖10所示。

      齒輪油泵是利用兩個齒輪相互旋轉以進行工作的，并且對介質的要求不高。通常它的壓力低于6MPa，且流量也很大。齒輪油泵在泵體內裝有一對旋轉齒輪，一個為主動，一個為被動。依靠兩個齒輪的相互嚙合，泵中的整個工作腔被分為兩個獨立的部分：一部分是吸入室，另外一部分是排出室。當齒輪油泵運行時，主動齒輪帶動被動齒輪旋轉。當齒輪從齒輪嚙合到脫開時，在吸入側會形成部分真空，從而抽吸液體。吸入的液體充滿齒輪的每個齒輪，并被帶到排放側。當齒輪進入嚙合時，液體被擠出，形成高壓液體，然后通過泵的排出口排出泵外。

 

圖9  電控柴油機齒輪泵結構

圖10  電控柴油機齒輪泵原理

 

總結：

      柴油發電機電控高壓共軌系統是柴油發電機最新的技術。基本工作原理是計算機根據轉速傳感器和油門位置傳感器的輸入信號，首先計算出基本噴油量，然后根據水溫、進氣溫度、進氣壓力等傳感器的信號進行修正，確定最佳噴油量。可以根據不同的工況要求將預噴、后噴等參數存儲在ECU，從而實現多次噴射。

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