电子控制共轨式柴油喷射系统

电子控制共轨式柴油喷射系统

电控共轨喷油系统是高压柴油喷射系统的一种，20世纪90年代中期才开始推向市场的第3代电控喷射技术，它摒弃了传统使用的直列泵系统，而代之以用一供油泵建立一定油压后将柴油送到各缸共用的高压油管（简称共轨）内，再由共轨把柴油送入各缸的喷油器。共轨式柴油喷射系统喷油压力与喷油量无关，也不受发动机负荷和转速的影响，能根据要求任意改变压力水平，使NOX和颗粒排放都大大降低。由于采用了独立的高压油泵，可提供很高的喷油压力，最高可达200~ 220MPa，即使联结各喷油器的高压油管很短也不会出现不可控制的异常喷射情况。系统采用的是压力—时间计量原理，ECU根据工况、油温、空气温度等信号，由油压传感器测出压力值并输送给ECU，并使所测得的压力与发动机工况所给定的油压脉谱图（所设的最佳压力值）比较，ECU给出信号控制电磁式柴油泵控制阀（PCV）的启闭，来调整高压油泵的供油量，以改变共轨油道中的油压，使油压为最佳值。因此，油压与发动机的转速和负荷无关。与传统喷射系统相比，电控共轨柴油喷射系统的主要特点有：1）喷油压力柔性可调。对不同工况可采用最佳喷射压力，从而可以优化柴油机的综合性能，由于喷油压力不随转速改变，解决了传统喷射系统（包括泵—喷嘴系统）因低速时喷油压力下降而导致的低速转矩差和低速烟度大的缺陷。

2）喷射压力高。由于系统紧凑、刚度大，可实现较高的喷射压力（120 MPa ~170MPa），

NO排放和微粒比普通的柱塞泵高出一倍。加上可独立柔性控制喷油定时和喷油量，可将

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控制在较小范围内。

3）可柔性控制喷油规律。可实现灵活多样的喷油规律，喷油速率柔性化。如预喷射、多段喷射、“靴形”喷射等，以及配合排气后处理使用的排气行程中的喷射，从而既保证优

NO排放和dφ/dp。

良的动力性、经济性，又可降低

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4）控制精度高。电磁阀控制喷油，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，喷油量变动小，各缸的不均匀可得以改善，并减小柴油机的振动与有害排放，对于车用柴油机来说还可改善驱动性能。

共轨柴油喷射系统能通过高速电磁阀实现对预喷油量、主喷油量、预喷间隔、喷油正时和喷油速率的柔性控制和精确控制。因而高速电磁阀控制特性是影响高压共轨式柴油喷射系统性能的重要因素。

1．共轨柴油机的喷油特性

为了提高柴油喷射室中混合气形成质量，控制喷油压力及其变化过程，在喷油过程中可采用多次喷射的方法。利用共轨式柴油机，在喷油过程中，除了可实现主喷射外，还可方便地加入一次或多次预喷射或后喷射，使每循环的柴油喷射次数达到2~4次之多。

采用预喷射，可在燃烧开始之前，将少量柴油喷射喷入气缸，促使燃烧室产生“预调节”，从而改善燃烧效率．压缩压力由于预反应或局部燃烧而有所提高，因此缩短了主喷油量的着火延迟期，降低了燃烧压力上升幅度及燃烧压力峰值，实现柔和燃烧。此外，采用预喷射可减少燃烧噪声和柴油有效燃料消耗量，许多情况下还降低了排放。

后喷射在主喷射之后的膨胀或排气冲程中进行，它将精确计量的燃油带入废气中，与预喷射和主喷射不同，后喷射的燃油不燃烧，而是在废气中的剩余热量作用下蒸发。这种废气一燃油混合物在排气冲程中经排气门送往废气装置。但通过废气再循环，一部分燃油仍送入燃烧，其作用像一次很早的预喷射。在适宜的NOX催化器中，废气中的燃油作为NOX的还原剂其结果是降低了废气中的NOX。

2．高速电磁阀的控制特性

喷油器经一短管与共轨相连，它主要由一个喷油器和电磁阀构成。ECU控制电磁阀通电时开始喷油，电流断开时喷油结束。在给定的压力下，喷入的燃油量与电磁阀的接通时间成正比，而与其他因素（如发动机或泵的转速等）无关。

无论是时间控制系统，还是压力一时间控制的高压共轨系统，对喷油量和喷油规律的最佳控制都是通过对高速电磁阀的精确控制实现的．在电控柴油喷射系统工作过程中，高速电

磁阀承担着所有喷射控制功能，它必须快速、准确地开启、关闭以便精确控制喷油正时和喷油量。电磁阀的动态响应特性直接影响着燃油喷射系统的主要性能指标．在高压共轨电控喷射系统中，电磁阀的工作条件恶劣、复杂，必须有足够的可靠性，能快速、准确、无反冲地实现其开启和关闭。

由于每次喷射的时间较短（0.3m s ~06m s），因此需通过驱动电路产生高电压和大电流来提高电磁阀的开启速度。此外，快速停油对改善柴油机的综合性能也具有重要意义。如果关闭时间过长，喷油速率就会出现后期过缓的情况，对燃烧造成不利的影响。

由于电磁阀的工作速度高及其自身电感量大，因此要求控制驱动电路应具有以下特性：1）为使高速电磁阀在极短的时间内达到必须的电磁力以便快速打开针阀，实现所需的升程，就必须使电磁阀在极短的时间内将电流升到最大值。

2）由于电磁阀的电感量大，数值在毫亨数量级，因此要使电流在极短的时间内上升到所需的数值，需要在电磁阀导通的瞬间加上高电压，数值在10²V数量级。

3）为了避免电磁阀的线圈过热，当阀门开启后应迅速将电磁阀的电流下降到一个较小的数值。这一电流称为维持电流，用于维持电磁阀的开启状态。

4）在电磁阀的开启维持过程中，电磁阀的电流和电压应尽可能小，除利于减小功耗外，还便于及时关闭电磁阀，实现快速停油。

5）电磁阀的关闭要迅速，防止过渡过程中燃油的喷雾特性降低。

这样大的瞬时功率无法直接从汽车的蓄电池电源中得到，一般需要利用储能电容预先将所需的能量储存起来，以便在电磁阀开启的瞬间释放能量。

日本电装公司的ECD-U2共轨喷油系统

日本电装（Denso）公司率先在上世纪九十年代初推出了名为ECD-U2的共轨燃油喷射系统。ECD-U2共轨喷油系统由高压供油泵、共轨、喷油器以及控制这些部件的电子控制单元和各种传感器等组成（如图1）。系统利用泵控制阀改变高压供油泵的燃油出油量来控制共轨压力，共轨压根据发动机负荷和转速确定的数值而调节。泵控制阀与燃油压力传感器相结合进行共轨压力的闭环控制。