柴油机电子控制燃油喷射技术

柴油机电子控制燃油喷射技术内容摘要：

① 火焰预热塞： 火焰预热塞又称进气预热器或起动预热器，安装在进气管中，在冬季用来加热起动时进入气缸前的冷空气。 预热塞是空心的，经过精确计量的微 量燃油送入空腔内，其余的空间是空气，空气经预热塞外壳上的小孔进入预热塞空腔。 火焰预热塞通电时，内部的炽热管发热，在 60~90s，温度 达到 1000℃ 以上，预热塞空腔内的燃油蒸发，与空腔内的空气混合并在预热塞内燃烧，产生的热量加热进气管中的空气。 ② 电预热塞 ： 电预热塞内有加热线圈，其余 的空间内填装绝缘的氧化镁填料。 电热塞电源电压一定时，温度越低，加热线圈的电阻越小，流过的电流就越大，温度升高越快；温度较高时，由于线圈电阻值加大，电流减小，因而限制了加热线圈的温度。 奥迪柴油电控系统的电加热装置如图 36 所示， 继电器 J317 和控制器 J179 由发动机控制单元 J248 控制。 为预热塞 Q10—— Q15 施加的电压大小、供电时间长短由控制器 J179 控制，控制规律如图 37 所示。 图 36 奥迪 BMK 柴油共轨发动机预热系统 图 37 奥迪预热塞温度电流电压示意图 J317 供电继电器 J179 预热控制单元 1 段电压 2 短电压 3 段电压 5V J248 发动机 ECU S 保险丝 Q10— Q15 预热塞 13 喷油器的外观如图 38 所示，喷油器主要由喷油阀偶件、弹簧 、电磁阀等组成。 喷油时刻和喷油量是通过阀门控制的，而燃油阀门是受电磁线圈的衔铁控制的。 电磁阀通电时，回油口打开，控制室的压力降低，针阀腔的压力（等于系统压力）克服弹簧力和控制室压力，打开针阀，燃油以雾状喷入燃烧室。 喷油针阀的动作不是电磁阀直接作用产生的，而是燃油系统的高压、控制室压力和弹簧力共同作用的结果。 电磁阀间接控制喷油器针阀。 二位二通 电磁式 喷油器 图 38 喷油器实物图、工作原理示意图 1 电磁线圈 2 高压进油通道 3 控制室出油节流孔 4 控制室 5 回位弹簧 6 针阀 7 压 力室 8 控制活塞 9 控制室进油节流孔 10 回油通道 11 二位二通电磁阀 喷油器根据 ECU 送来的控制信号，将共轨内的高压燃油以最佳喷油时刻、喷油量、喷油速率喷入燃烧室。 二位二通电磁阀喷油器的结构如图 38 所示，主要零件是喷嘴、控制喷油率的进油节流孔 回油节流孔 液压控制活塞 8 和高速电磁阀。 喷油器中的高速电磁阀是二位二通电磁阀。 液压控制活塞 8 上部是控制室 4，下部是压力室 7。 控制活塞与喷油器壳间有回位弹簧5，弹簧力使控制活塞下行关闭喷油嘴。 电磁阀通电时，控制室与低压回油管相通，电磁阀断电时，截断控制 室与回油管的通道。 当二位二通电磁阀线圈中通电时开启，控制室内的高压燃油经出油节流孔流入低压油路中，控制室中的燃油压力降低，喷油压力室的燃油压力仍是高压，压力室中的燃油的高压作用在控制活塞上，克服弹簧力使针阀开启，向气缸喷射燃油。 切断二位二通电磁阀线圈中的电流时，二位二通电磁阀关闭控制室的卸油通道，共轨内的高压燃油经控制室的进油节流孔流入控制室，控制室的燃油压力升高，控制室燃油压力与弹簧力相加后的合力克服压力室的压力，使针阀下降关闭喷油嘴，喷油结束。 出油节流孔 3 和进油节流孔 9 的大小、控制室 4 容积对喷嘴的开 启和关闭速度以及喷油过程起着决定性的影响。 出油节流孔径 3 一定要大于进油节流孔径 9，否则 控制室 4 内的燃 14 油就不能排出去，控制活塞 8 不能上升，喷油孔不能打开、 不能喷油。 出油节流孔 3 孔径远大于进油节流孔径 控制室 4 容积小时，喷油器开启动作 就 迅速； 在出油节流孔径大于进油节流孔径的情况下，加大 进油节流孔 9 的孔径 、 减小 控制室 4 的容积 时 ， 喷油器的关闭动作 就 迅速。 如图 39 所示（ a）为 BOSCH 共轨喷油器的结构及零件名称；（ b）为喷嘴开启喷油状态；（ c）为喷嘴关闭不喷油状态。 当电磁阀线圈 2 通电时，球阀 6 离开阀座控制阀开 启，控制室 7 内的高压燃油经出油节流孔 14 流入低压油路中，控制室 7 中的燃油压力降低，喷油压力室 10 的燃油压力仍是高压，压力室 10 中的燃油的高压作用在针阀 9 上，克服回位弹簧 8 的弹簧力使针阀 9 开启，向气缸喷射燃油。 切断电磁阀线圈中的电流时，球阀 6 关闭控制室的出油通道，共轨内的高压燃油经控制室的进油节流孔 12 流入控制室 7，控制室 7 的燃油压力升高，控制室燃油压力与弹簧力相加后的合力克服压力室 10 的压力，使针阀 9 下降关闭喷油嘴，喷油结束。 二位二通电磁阀喷油器的喷油动作总结为：电磁阀通电、泄背压、喷油，电磁阀断电、建立 背压、停止喷油。 213456789111014131215供油( a ) ( b ) ( c )回油供油回油 图 39 BOSCH 共轨系统喷油器 （ a）结构 （ b）喷嘴开启、喷油 （ c）喷嘴关闭、不喷油 1 回油口 2 电磁线圈 3 衔铁回位弹簧 4 衔铁 5 弹簧 6 球阀、阀座 7 控制室 8 针阀弹簧 9 针阀 10 压力室 11 喷油孔 12 控制室进油节流孔 13 供油口 14 出油节流孔 15 供电端子 二位二通喷油器包括喷油嘴（针阀组件）、液压伺服阀（控制柱塞组件） 和电磁阀 ，如图 310 所示。 燃油来自于高压共轨 ，经通 道 4 流向喷油嘴 的针阀腔 13，同时经节流孔 9 流向控制 柱塞 腔 8，控制 柱塞 腔 8 与燃油回 油路相连，途经 泄油 节流 孔 7 和 电磁阀 6。 泄油 节流 孔 7 上面的 电磁阀 6 关闭时，控制柱塞腔 8 内的压力油作用于针阀控制活塞10 的向下的液压力以及针阀回位弹簧 11 的向下力超过了高压燃油在喷油嘴针 阀承压面 作用的 向上的力，结果 针阀 12 进入阀座且将高压通道与燃烧室隔离，关闭喷油口，不喷油。 15 图 310 二位二通式喷油器 ［资料来源 ： BOSCH］ 1 回油口 2 衔铁回位弹簧 3 电磁线圈 4 供油口 5 衔铁 6 球阀及阀座 7 节流口 8 控制柱塞腔 9 节流口 10 控制柱塞 11 针阀弹簧 12 针阀 13 针阀室 14 喷油口 当 为喷油器的电磁线圈供电时 电磁阀 6打开 ，控制 柱塞 腔 8的燃油经 泄油 节流 孔 7流出，腔 8 内的压力下降，作用于控制柱塞 10 上的 向下的力液压力消失 ，作用于喷油嘴针阀 12承压面上的力 克服弹簧力 针阀 12 被打开，燃油经喷孔喷入燃 烧室。 电控柴油机的喷油器，由于燃油压力很 高，所以电磁阀不直接控制针阀 ，打开针阀所需的力不是由电磁线圈产生的。 打开针阀的动作，是通过电磁阀泄油，使 控制腔压力降低，从而打开针阀 的，是间接控制针阀开启的。 喷油器泄漏的燃油经回 油 口 1 进入回油管，汇 同高压泵和压力控制阀的回油流回油箱。 喷油器工作原理为： ① 电磁阀断电，球阀关闭，控制腔保压，控制腔压力 +针阀弹簧压力 针阀腔压力 ,针阀落座关闭，不喷油； ③电磁阀通电，球阀开启，控制腔泄油，控制腔压力 +针阀弹簧压力 针阀腔压力 ,针阀抬升开启，喷油；针阀抬升速度取决于泄油孔与进油孔的流量差，针阀关闭的速度取决于进油孔流量； ③ 喷射响应时间 =电磁阀响应时间 +液压、机械系统响应时间，喷射响应时间一般为～。 16 二位三通 电磁式 喷油器 二位三通 电磁式 喷油器结构示意图如图 311 所示，电磁阀通过打开和关闭喷油器的控制室 10 的进油、回油通道控制喷油器喷油与否。 三通阀的内阀 5 固定不动，外阀 6 能滑动，二阀同轴、精密配合，外阀移动的两个极限位置就是开启和关闭阀门的位置。 电磁阀线圈 7 不通电时，外阀 6 在弹簧压力作用下处于下限位置，进油口 4 开启，回油口 8 关 闭；共轨 3 内的高压油通过进油口 4 进入控制室 10，控制室内压力与共轨 3 压力相同，喷油器针阀在控制室压力和针阀弹簧的压力作用下关闭喷口不喷油。 电磁阀线圈 7 通电时，进油口 4 关闭，回油口 8 开启；控制室 10 油压迅速下降，针阀室压力远大于针阀弹 簧弹力和控制室压力，针阀开启，喷油器喷油；直到电磁阀线圈再次断电使高压油进入控制室，喷油结束。 ECU 控制供油压力调节阀使喷油压力稳定，电磁阀线圈通电开始时刻决定喷油正时，电磁阀线圈通电时间决定喷油量。 但是，由于三通阀的内外阀间、外阀与阀体间要保持很好的配合间隙、又要相对运动，因此，燃油泄漏量较大，应用效果不佳，现在三通喷油器都改为二位二通 喷油器了。 喷油器参数取决于发动机的型号，表 31 为一汽某型号发动机喷油器数值。 图 311 二位三通阀型喷油器 （ a）电磁阀不通电，不喷油 （ b）电磁阀通电， 喷油 1 针阀室 2 量孔 3 共轨 4 控制室进油口 5 内阀 6 外阀 7 电磁线圈 8 控制室回油口 9 喷油器壳体 10 控制活塞室 11 控制活塞 12 针阀 表 31 电磁喷油器参数 名称 单位 参数 条件 线圈电阻 mΩ 230～ 750 20℃ 提升电压 V 48 20℃ 提升电流 A 24～ 26 设定值 25A 保持电流 A 11～ 13 设定值 12A 针阀升程 μ m 50～ 110 ———— 喷油量 mm179。 5 20MPa 喷油量 mm179。 50 135MPa 17 压电式喷油器 逆压电效应 逆压电效应就是 在电介质的极化方向施加电场，电介质会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外电场去除后，变形或应力随之消失，这种将电能转换成机械能的现象称为逆压电效应或者电致伸缩效应。 逆压电效应的压电元件材料为压电单晶体或多晶体压电陶瓷。 西门子（ Siemens）公司生产的压电晶体驱动的喷油器，采用多层压电晶体层叠构成，每层压电晶体是厚度约为 20~200μ m 的陶瓷，层与层之间有电极，每层压电晶体的工作电压 100~200V，压电晶体在电压作用下厚度增加，增加量为压电晶体原厚度的千分之一，全升程动作时间约为 30μ m，远小于电 磁阀的动作时间； 电磁阀铁芯的动作时间则较长，高速电磁阀为 3～ 4ms，慢速电磁阀可达 300～ 500ms，普通电磁阀动作时间一般为 20～ 50ms。 另外压电 晶体使用寿命也很长，可循换工作 109 次以上；质量较好的的电磁阀工作寿命一般为 8179。 107 次，可见压电晶体的使用寿命是电磁阀的十多倍。 在高速开关阀中常采用压电驱动器，因为压电驱动器有以下几个优点：位移控制精度高，可达 m；响应快，阀芯开关时间可达 10μ s；有较大的输出力，能达到 ；结构紧凑，不需要铁芯、线圈等。 其缺点是输出位移小，要获得较 大的位移还要经过放大；另一个缺点是需用高电压驱动。 压电驱动式喷油器 1． 压电晶体驱动的柴油共轨喷油器 利用压电元件的逆压电效应，给压电元件施加电压，压电元件变形的特点，可以制作简单的喷油器。 ECU 给压电元件施加电压时，压电元件膨胀而使喷油器针阀关闭，喷油器不喷油； ECU 不给压电元件施加电压时，压电元件收缩到正常尺寸使喷油器针阀开启，喷油器开始喷油。 发动机不工作即喷油器不喷油时，若压电元件针阀关闭喷口，需要给压电元件施加电压，这样会导致大量消耗电能，因此不选用这种控制方式而选用通电喷油断电不喷油方式。 ECU 给压电元件施加电压时，压电元件膨胀而使控制腔泄油，针阀开启喷油器喷油；ECU 不给压电元件施加电压时，压电元件收缩到正常尺寸，关闭控制腔出油口，使控制腔油压上升，喷油器针阀关闭，喷油器喷油结束。 在燃油压力和喷油时间一定的前提下，喷油器的喷油量与喷油器针阀的升程成正比，而喷油器针阀的升程与施加在压电元件两端的电压成正比，所以通过控制施加给压电元件电压的大小就能够控制喷油量。 在燃油压力和施加给压电元件电压的大小都一定的前提下，喷油器的喷油量与喷油器针阀的开启时间成正比，而喷油器针阀的开启时间即为施加在压电元件 两端电压的时间，所以通过控制施加给压电元件电压的时间长短就能够控制喷油量。 大众的 部分柴油机的喷油器使用的是压电式喷油器。 使用压电元件有以下特点：开始通电到针阀的液压动作的延迟时间约为 150μs，气缸一个工作循环的油量可采用多段喷射；多段喷油之间切换时间非常短；产生的力非常大；可精确地控制行程；同时，触发电压 110～ 148V 之间，电压较高。 执行元件中装有 264 层压电晶体，每一压电晶体都有两个电极线用来连接控制电路。 结构简图如图 312 所示。 18 62 3451789 图 312 压电驱动式喷油器结构 1 回油口 2 进油口 3 线端子 4 压电元件 5 液压连接放大器 6 控制阀 7 回位弹簧 8 针阀 9 喷油孔 压电式喷油器局部。