2.2.5 电控直喷柴油机

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1、2.2.5 电控直喷柴油机现代-雅绅特 1.5L CRDi柴油发动机 柴油机优点：功率大，燃油消耗率低 油泵油嘴 柴油机的心脏长期以来柴油机都是采用机械控制系统来控制喷油泵的供油量和喷油正时。机械调速器和机械喷油提前器控制精度低，反应不灵敏，无法满足柴油机进一步改善性能的要求。随着石油危机和日益严格的排放法规的推动，柴油机电控技术也日益发展和成熟起来。直喷柴油机是最节能的内燃机，但在轿车上使用较晚，原因是转速范围较窄，NOx和PM微粒的排放以及振动和噪声等问题。直到20世纪90年代这些问题逐渐得到解决，才开始大量应用于轿车。此外。直喷柴油机对柴油要求较高，特别对硫含量有严格的要求。1.直喷式柴

2、油机的结构特征 1）燃烧室：由气缸盖平面、活塞顶面与气缸壁组成，燃烧室的形状主要取决于活塞顶部的形状，有盆形，形和球形等。燃烧室是一种空间雾化的混合方式。在缸径较小的直喷式柴油机中，燃油消耗率低，已接近大型直喷式柴油机。燃烧室所采用的喷油压力高、爆发压力大、噪声高。大部分轿车用直喷式燃烧室采用形，在进气涡流的作用下，直接喷射到燃烧室内，形成可燃混合气。这种燃烧室，结构简单、散热面积小、燃油经济性好、低温启动性好，但燃烧压力高、压力升高比大、工作粗暴，空燃比A/F较大，经常大于19.5，排气中NOx多。 燃烧室内有较好的空气流动，如图2-20，活塞上升到接近上止点时，形成挤气涡流。活塞离开上止点

3、开始下行时 ，形燃烧室里会形成反涡流。图2-20 形燃烧室里的气流组织2）喷油器和喷油系统： 直喷式柴油机采用孔式喷油器，通常喷孔数不大于5，喷孔直径0.250.8mm。轿车直喷式柴油机的孔数较多，孔径偏小，可以保证较好的雾化。通用公司的ECOTEC直喷式柴油机，其喷油器有5个孔，孔径为0.18mm；DIATA发动机的喷油器是6个孔，孔径为0.124mm。 双弹簧喷油器可以实现两级喷油，它具有预喷射阶段以降低压力升高比，有效地减少怠速工况和低速工况的噪声，使工作柔和，同时还可降低NOx和PM排放。 现代直喷式柴油机均采用高压喷油，常用的三种型式见表2-2。三种高压喷 射系统的比较 表2-2喷油

4、系统结构喷油压力喷油控制方式过去现在过去现在分配式喷 油泵径向柱塞 式160Mp a180MP a采用双弹簧喷油器预 喷通过电磁阀的 控制可实现分 段预喷泵喷嘴组合式200Mp a220MP a通过机械-液压式蓄压阀进 行预喷共轨式喷 油组合式135MP a180MP a由电磁阀实现预喷 、 补喷和喷油量、喷油 时间的控制通过压电 元件 可实现预喷 、 补喷和喷油量 、喷油时间的 控制这里的分配式喷油系统并不是原来传统意义的分配泵，如VP44喷油泵，属于径向活塞分配泵，而不是传统的轴向活塞泵，制造精密，怠速运转声音低。VP44还可实现电子控制，用电磁阀可以对供油时刻、供油量实行调节，在不同的负

5、荷、转速、进气温度、冷却水温度、增压器压力和进气量等工作条件下，以保证喷油时间和喷油量，可实现预喷射和改变供油规律的调节。泵喷嘴系统，将喷油泵和喷油器组成一体，取消了高压油路。直接由凸轮驱动泵喷嘴，可形成200MPa的高压，但调节特性差，它的预喷是由机械液压式蓄压阀实现的。3）进气道 进气管道的任务是组织良好的进气涡流，主要有切向进气道和螺旋进气道。切向气道如图2-21在圆周的切线方向进入空气。而且在其进气口部位，气道收缩，形成较高的气流速度，流动阻力较小，但是对进气口的位置较敏感。图2-21 切向气道螺旋气道如图2-22，它实际上是两股气流的综合，一股气流是绕进气门中心线的旋流，另一股是绕气

6、缸中心线的旋流。在压缩终了时，这两股合成为整体旋流，因此旋转较强，但结构较复杂，有较大的涡流损失。图2-22 螺旋气道在4气门发动机上采用两个进气道：（1）双切向进气道如图2-23，短的进气道进气阻力小，可增加进气量。长的进气道主要产生较强的涡流，这样既有较强的涡流又有足够的进气量；（2）一个螺旋进气道，一个切向进气道，螺旋气道提供涡流，切向气道提供较 大的进气量，其进气阻力与单个进气门相比要小一些，比双切向进气大些;（3）同样一个螺旋进气道，一个切向进气道，但在切向进气道上设一个簧片阀。该阀在气压作用下自动启闭，低转速时阀全关，所有空气进入螺旋气道，涡流 最强；在高转速时阀全开，涡流最弱。簧

7、片阀的开度不同，可以得到不同强度的 涡流。 图2-23 双切向进气道2.直喷柴油机电控系统的特点、原理和分类 柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，都是由传感 器、电控单元和执行器三个部分组成。电控柴油机上所用的传感 器，如转速、压力、温度等传感器以及油门踏板传感器，与汽油 机电控系统都是一样的。电控单元在硬件方面也很相似，在整车 管理系统的软件方面也有近似处。 电控柴油喷射系统主要控制喷油量和喷油正时。柴油机燃油喷射 具有高压、高频、脉动等特点，其喷射压力高达60150MPa，甚至超过200MPa，为汽油喷射的几百倍，上千倍。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制比较困难，柴油喷射对

8、喷射正时的精度要求高，相对于上止点的角度位置远比汽油机要求准确，导致柴油喷射的电控执行器更复杂，因此柴油机电控技术的关键和难点就是柴油喷射电控执行器。 柴油机在机械控制时代，就已经有直列泵、分配泵、泵喷嘴、单缸泵等结构完全不同的系统，每个系统各有其特点和适用范围，每种系统中又有多种不同结构。实施电控技术的执行机构比较复杂，也形成了柴油喷射系统的多样化。 电控柴油喷射系统的控制原理如图2-24所示： 图2-24 电控柴油喷射系统控制原理图 传感器包括柴油机转速、油门踏板位置，齿条位置、喷油时刻、车速及进气压力、进气温度、燃油温度、冷却水温等传感器； ECU根据各种传感器实时检测到的柴油机运行参数

9、，与ECU中预先已经存储的参数值或参数图谱（MAP图）相比较，按其最佳值或计算后的目标值把指令输送到执行器。 执行器根据ECU指令控制喷油量（齿条位置或电磁阀关闭持续时间）和喷油正时（正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点）。 电控柴油喷射系统还可和整车传动系统的ECU，制动防抱死系统（ABS）的ECU及其他系统的ECU互通数据，实现整车的电子控制。电控柴油喷射系统根据其直接控制的量而分为位置控制和时间控制两类。位置控制系统的特点是不仅保留了传统的喷油泵-高压油管-高压油管-喷油嘴系统，而且还保留了喷油泵中齿条齿圈、滑套、柱塞上控油螺旋槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械

10、调速器控制改为微机控制。时间控制系统可以是保留原来的喷油泵-高压油管-喷油嘴系统，也可以采用新型的产生高压的燃油系统，而用高速电磁阀直接控制高压燃油的喷射。一般情况下，电磁阀关闭，执行喷油，电磁阀打开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量则取决于电磁阀关闭时间的长短。传统喷油泵中的齿条齿圈、滑套、柱塞上斜槽、控制喷油正时的提前机构等全部取消。时间控制系统的控制自由度更大。电控柴油喷射系统根据其产生高压燃油的机构，可分为：直列泵电控喷射系统分配泵电控喷射系统泵喷嘴电控制喷射系统单缸泵电控喷射系统共轨式电控喷射系统其中共轨式电控喷射是电控技术发展起来所形成的新型喷射机构。其他系统都是在原

11、来的喷射机构上加上电控执行机构后形成的。3.柴油机电控喷射系统 1）位置控制分配泵喷系统日本电装公司ECD-V1系统是在VE分配泵上进行电子控制的系统，其结构见图2-25。 图2-25 日本电装公司ECD-V1电控喷油系统该保留了VE分配泵上控制喷油量的溢油环（也称滑套），取消了原来的机械调速机构，采用了一个布置在泵上方的线性电磁铁，通过一根杠杆 来控制溢油环位置，从而实现喷油量的控制，并有溢油环位置传感器（ 电感式传感器）作为反馈信号，实现闭环控制。喷油正时控制也保留了 VE泵上原有的液压提前器，它用一个正时控制电磁阀，见图2-26，来控制液压提前器活塞的高压室和低压室之间的压差。当电磁阀通

12、电时，吸 动铁心，高压室与低压室形成通路，两室之间压力差消失，在回位弹簧 作用下，提前器活塞复位，带动滚轮架转动，形成喷油提前。同时系统 中还设置了供油提前器活塞位置传感器，形成喷油正时的闭环控制。图2-26 正时控制阀（TCV阀)2）时间控制分配泵喷射系统 德国Bosch公司VP29分配泵系统也是在VE分配泵基础上开 发研制的。它将一个高速电磁阀设置在泵的各缸出油口之间 ，紧靠高压腔，见图2-27。 图2-27 VP29电控分配甭结构分配泵也取消了原有的溢油环，泵内装有凸轮转角一时间测量系统（IAT），每间隔3o一个齿。各缸之间有参考宽槽，见图2-28。 图2-28 VP29分配泵工作原理油

13、泵顶部装有分控制器，与柴油机控制器相联。燃油经油箱通过滤清器及连接通路流入分控制器下的空腔，冷却集成电路，然后再流到输油泵进油口，导入输入泵，燃油压力升高到0.61.2MPa，进入泵体内腔。当电磁阀开启时，燃油进入泵头柱塞腔内，进油过程中油量不加控制。电磁阀和泵头上一些附加油孔是为了保证泵头不断排除空气，便于启动。同时燃油流过电磁阀内腔来冷却电磁阀线圈。电磁阀一关闭，柱塞就将燃油加压经出油阀到喷油嘴进行喷射。电磁阀关闭时刻就是喷射始点，该始点可以在凸轮下止点，也可以在凸轮上升工作段上任何一点。电磁阀一开启供油就结束。电磁阀关闭的持续时间决定了燃油喷射量。电磁阀如果在关闭情况出故障，则没有燃油被

14、吸入，不会喷油。电磁阀如果在开启情况下出故障，则吸入的燃油在柱塞上升时又会重新通过电磁阀排出到进油腔，所以也不会喷油。总之，电磁阀出现任何故障，柴油机都不会继续运转，不必要另外附加的停油装置。 喷油泵供油特性见图2-29。图2-29 喷油泵供油特性图谱以控制脉冲长度的CAM作为参考为改善柴油机排放和降低油耗，不同工况时需要有不同的喷油速率。选择不同速度的凸轮工作段作为电磁阀关闭时刻（喷油始点），就可达到改变喷油速率的目的。与此同时，如果在改变喷油速率的同时，还需要保持原来的喷油正时，必须采用电磁阀控制的电液提前器机构，恰当地移动提前器活塞。高速电磁阀结构见图2-30。 图2-30 电磁阀结构

15、1-阀座；2-阀芯；3-阀体；4-接线柱电磁阀芯片布置在磁铁磁路正中，具有很高的功率密度和很低的磁耗 损失，电磁阀直接控制高压油路。断电时电磁阀开启。电磁阀高压、低压油路均按压力平衡原理设计，结构紧奏。为了使电 磁阀满足高压密封和使用，要求电磁阀磁路动态反应性能尽可能快， 阀的运动质量尽可能小，电磁阀开始和关闭的拉力尽可能大，而且电 磁阀成本又要尽可能低。对于多缸高速分配泵电磁阀尽可能采用较大 的控制燃油进出截面。电磁阀工作特性见图2-31。图2-31 电磁阀工作特性3）电控泵喷嘴和电控单缸泵喷射系统德国Bosch公司PDE27和PDE28电控喷嘴结构见图2-32。 FDE27和PDE28电控

16、泵喷嘴结构参数见表2-3。图2-32 PDE系统电控泵喷嘴结构表2-3 PDE27和PDE28电控泵喷嘴结构参数柱塞行程 /mm柱塞直径 /mm最大喷射压力 /MPaFPE715912150PDE2812811150 PDE系统的高速电磁阀结构图2-33，这是一个二位二通电磁阀，设置在高压腔与充油腔之间。 图2-33高速电磁阀结构电磁阀开始闭合时就是喷射始点，闭合持续时间决定了喷油量，电磁阀无论闭合还是断开时失效，都不会造成柴油机损坏。电磁阀采用压力平衡式结构，尽量减少动态压力变化的影响，运动质量设计得尽量小，初始电磁力又尽量大，这样电磁阀在额定功率下的关闭响应时间为650s，开启响应时间为300s，响应速度特别快。电磁阀稳定性好，将电磁阀高速动作32次，电磁阀关闭时间tE和开启时间tA在各次动作间的差值小于15s