共轨柴油机简介(电子版)

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1、共轨式柴油机简介（结合 GW2.8TC）共轨式柴油机的诞生柴油机最突出的优点是热效率高，燃油经济性好，CO、HC排放量少。柴油 车的油耗要比汽油车的油耗少25%左右。近几年来由于地球温室效应的压力（大气中20%的CO2来源于运输的车辆）和能源危机的压力，各国都在控制 汽车的燃油经济性。当然，汽车的使用者也是由于燃油的涨价，越来越明显 地关注汽车的燃油经济性。在欧洲已有法规，到2008年要求汽车CO2排放量 限于145g/Km以下。在美国规定一个汽车企业，其所生产的汽车产品平均CO2 排放量限值。因此世界各国正在抓紧发展柴油机，在欧洲柴油车已占50%以 上。-155 柴油机突出的缺点是烟度大（P

2、M微粒排放量）、燃烧噪音大。烟度与燃烧过程有关，尤其是与喷雾细化情况和缸内气流运动情况密切相关。因此，柴油机的发展过程离不开供油系统的改进和燃烧室及进气道的改进。燃烧室的改进过程 浅盆一深盆一形、形、球形一缩口型（由四角缩口形来的）。通过这些燃烧室的改进和进气道的改进经济性和烟度明显改善，但烟 度还是大。供油系统方面和烟度（PM）密切有关的是供油压力P油孔直径d， 喷雾粒径与P0.351成反比与do.418成正比，CA6110柴油机喷油压力由800提升 到1000bar时烟度下降了 40%,因此，世界各国在努力提高供油压力，但传统 的高压油泵带有胎里的毛病，无法达到这个要求（高低速压差）。因此

3、20世 纪90年代有的公司研制新型供油泵，在这种情况下由日本电装（和日野 合作）公司推出共轨式高压泵，随着共轨式供油系统喷油器结构的改进，共 轨式系统不仅大大提高了喷油压力。还可以任意控制喷油时间、喷油量和喷 油规律。因此，更加开扩了其发展前途。共轨式系统的基本结构和工作原理.总体结构：共轨式柴油机供油系统及其控制方式上与传统柴油机完全不同，其 余发动机结构与传统结构相同。共轨式柴油机供油系统（包括其控制系统）主 要由输油泵、高压泵、油轨（即共轨一CommonRail,简称CR,实际为蓄压室）、喷油器、燃油滤清器、脚踏板、转速传感器、凸轮轴相位传感器、水温传感器、 空气流量传感器、油轨压力传感

4、器、ECU及其线束等组成。其大致布置图-P1。 GW2.8TC采用的是BOSCH CRS2.0系统，供油压力为1450bar，喷油器电磁阀 灵敏度为0. 2ms。电控单元为EDC16C3a。共轨系统燃油压力是由独立的高压泵 产生的，压力的产生与发动机转速、喷油量无关。高压泵产生的燃油压力蓄压 于共轨中，ECU根据共轨上的油压传感器信号控制高压泵内压控制阀（电磁阀） 以保证不同工况所需要的共轨内油压。发动机工作时，按点火顺序、负荷大小、 所需喷油提前角和喷油速率、ECU控制喷油器上的电磁阀开关时刻、开启大小 及开启时间以保证各缸喷油提前角、喷油量、喷油速率的正确。各部件:燃油滤清器一（燃油滤清器

5、-P2） 燃油滤清器是用来滤出燃油中所含杂物并分离出燃油中以不游离的形式（乳化 油）和自由基形式（冷凝水）存在的水份。对杂物和水份分离要求较高。GW2.8TC采用CR机专用燃油滤清器，颗粒过滤能力为35m m94.5%15M m100%，水份分离能力为三93%。除了滤清件外还带有手动泵，加热器及 开关，水位报警装置。其流量为125L/h其他结构和一般滤清器没有太大的差 别。输油泵一输油泵有电动泵和齿轮泵两种。电动泵多由于轿车，轻型货车，齿轮泵用途更广。GW2.8TC用的是齿轮泵，和 高压泵做成一体。齿轮泵结构和工作原理和一般的齿轮泵相同。齿轮泵是发动 机曲轴驱动的，因此，其输油量和发动机转速成

6、正比。发动机息火时，也就停 止供油。对正常工作多余供油量由高压泵内压控制阀（电磁阀）控制返回油箱, 对非正常工作大量供油情况由油轨中的流量限制器控制，发动机断油的动作由 高压泵停油阀执行。高压泵一（高压泵简图-P3） 高压泵是柱塞泵，GW2.8TC采用的是CP1H型三柱塞泵，三柱塞120均匀布置, 供油压力为1450bar，柱塞少7.2冲程6.9，每转供油量为0.843 cm 3。高压泵由发动机曲轴驱动，传动比为1/2和2/3,根据发动机所需最大循环供油量选 择传动比。GW2.8TC为1/2。高压泵随着发动机曲轴的旋转，连续不断地提供包括快速起动所需的大油量工况下也能快速建压的足够油量。因此，

7、共轨内始 终能保持所需的系统压力。高压输出过程一（高压泵简图-P3）当输油泵供油压力超过高压泵安全阀开启压力（0.51.5bar）时，燃油通过进油口（13）和安全阀（14）进入高压泵低压油路（15）,柱塞（3）向下移动时，在输油压力的作用下打开吸油阀（5），燃油进入各高压室内。当柱塞下行至下止点时进油阀被关闭，高压室处于封闭状态。当柱塞上行时，高压室内的燃油被压缩，压力达到共轨内油压时，燃油推开出油阀（7）进入高压油路（9）。柱塞再次下行时重复上述动作。这样反复输出高压油。压力控制一共轨中油压控制是由高压泵的内压控制阀（10）进行的，ECU根据发动机不同工况确定共轨压力，内压控制阀根据ECU指

8、令，设定高压油路油压，并保持到接受新指令之前。当轨压超出指令值时，内压控制阀打开（断电）将部分燃油泄入回油管道，当轨压太低时，内压控制阀关闭（触发）切断高压油路与低压油路的通道。不同压力值是通过阀门的不同开度来达到的。部分供油一当发动机小负荷工况时所需供油量小，不必要三个柱塞都工作。这时始终打开一个柱塞组里的进油阀，使该组泵不出高压。这样减少了高压油循环量，减少了无用功，降低了燃油温度。共轨一高压共轨功能是存贮高压燃油，稳定供油压力，限制超量供油（因喷油器故障引起）。GW2.8TC采用的是激光焊接LWR型共轨。蓄压能力为1450bar。共轨是各缸共用的，因此得名共轨。由共轨体，轨压传感器，流量

9、限制器组成。（高压共轨简图-P4）由于，高压共轨体是管状高压容器，高压燃油存于其中，起蓄压及稳压作用（消除由于间 歇喷油，高压油泵不断输油所造成的压力波），保证以稳定压力向喷油器供油。 装在共轨体上的轨压传感器是电阻式传感器，随着压力的变化，产生电阻变化， 并由电阻元件组成的电压电桥将电阻信号转化为电压信号并放大成0.54.5V 的电压信号传给ECU, ECU根据该信号，向高压泵压力控制阀发出控制指令。装 在共轨各缸出油口上的流量限制器，其简图（流量限制器-P5）。当喷油时，喷油器端压力下降，柱塞（3）被推向喷油器端，喷油器喷油量等于 柱塞移动所排出的油量，由于节流孔（8）孔径太小对喷油量不起

10、作用。在正常 喷油量的情况下，柱塞行程达不到座面（7），因此，喷油结束后，燃油从节流 孔（8）流出填补已喷出的油量，柱塞回位到正常静止位置。再次喷油时重复上 述动作。当喷油量过大时，柱塞（3）被推至座面（7）上切断油路，以防止由于喷油器 或高压管路漏油引起的故障性超流量。喷油器一共轨式供油系统的喷油器，主要由喷油器体、控制柱塞、电磁阀、液压伺服结 构等组成。其功能是调节喷油始点、终点、喷油量，取代了传统高压泵中的提 前器和调速器的作用。（喷油器-P7）GW2.8TC采用的是CR1P2型二通阀式喷油器。当不喷油状态时，电磁阀（3）未被触发，阀弹簧将电枢末端的球阀（5）压在 回油节流孔（泄油孔7）

11、 上，阀控制腔（8）内形成共轨高压，紧接着喷嘴腔内 也形成同样的高压，两腔液压平衡后，针阀保持关闭状态。当电磁阀被触发时， 电磁线圈磁力超过电枢弹簧力，迅速提起电枢，打开泄油孔，阀控制腔内高压 油流入低压油路（回油油路），阀控制腔内油压下降后，喷嘴腔内油压超过阀控 制腔内油压，当作用于阀控制柱塞（控制腔端）的压力和针阀弹簧弹力之和小 于针阀所受压力时针阀开始升起，进入喷油阶段。针阀（11）的开启速度取决 于泄油孔（6）和进油孔（7）流量差。当电磁阀再停止触发时，重复上述关闭过程。针阀（11）关闭速度取决于进油 孔进油流量。控制单元（EDC）控制单元包括收集运行条件和期望值的传感器和设定值发生

12、器、ECU、执行机构。GW2.8TC采用的控制单元包括EDC16C39型电脑、DG6型发 动机转速传感器、PG3.8型凸轮轴相位传感器、HFM6型进气流量传感器、水温 传感器、脚踏板传感器、LDF6T型进气管压力/温度传感器、EGR升程传感器、 共轨压力传感器、加速度传感器（待执行EODB法规时加装）等信息传感器及线 束、相应执行部件（包括预热塞控制器）等。将来执行EODB法规和整车加装 ABS、ASR、TCS等系统后还得扩充EODC系统及CAN总线系统。控制系统简图-P8 ECUECU中设有输入信号调理单元、微处理单元和输出处理单元。ECU信息处理过 程简图兰。各种传感器信号经过信息转换和放

13、大处理后，输入到ECU。数字信 号（如开/关数字式传感器信号）可由微处理器直接处理。模拟信号（如压力、 温度、空气流量等）在ECU中进行A/D转换后进入数字处理。脉冲信号，如转 速脉冲信号，转换成方波信号（遏制脉冲干扰）后送微处理器处理。微处理器将发动机特性工作MAP,计算式、校正数据等数据储存到ROM、EEPROM 中，运行过程计算值、信号值等存储到随机存储器RAM中。微处理器处理后的指令信号，触发输出处理单元，输出处理单元按微处理器的 指令信号向执行元件输送功率。空气流量传感器一GW2.8TC采用的是HFM6空气流量传感器，可同时测量空气质量流量和进气温度。流量范围为-40640kg/h,

14、发动机设计流量为490kg/h （实测为435kg/h）。空气流量传感器用来精确计算A/F,特别是用来控制动态工况。脚踏板传感器_脚踏板传感器是相当于位移传感器，根据司机踩脚踏板时，电位计上形成的电 压算出脚踏板位置。脚踏板信号直接传输到ECU，相当于传统柴油机油门开度 信号。加速传感器一加速传感器是在装EOBD系统时，用来消除路面对发动机转速波动的影响，以进 行发动机失火诊断。GW2.8TC机现在没有装加速传感器，以后有EOBD法规要求 时补装，安装位置应在第三缸和第四缸中间靠上止点处。CAN总线一将来整车带ABS、ARS、TCS等系统后可能要采用CAN总线制信息交换，到时发 动机也应进入该

15、信息网。采用CAN总线信息传输需要具备相应的硬件，通讯协 议、通讯过程控制（高、低速CAN，优先级确定，信息发布间隔等）等事项，这 些将涉及到采用什么标准的问题，因此需要有关人员提前了解这些事情。预热塞_GW2.8TC采用的是BOSCH公司的GSK型预热塞，由独立的电热塞控制器控制其加 热时间，控制仪输入端可与ECU相连接。GSK型预热塞带有采用PTC材料制成的 控制线圈，升温速度快（4秒内达850C ）恒定温度低，因此，发动机起动（快起动）后仍能保持3分钟通电时间，这有助于降低起动，暖机工况的CO、HC排 放。- 共轨式供油系统的控制共轨式供油系统通过ECU在特定的安全框架内进行整个工况的监

16、控。主要是控 制喷油时间、循环喷油量和喷油规律。1）循环喷油量的控制一ECU喷油量计算框图-P10, ECU是利用占控比变化来控制 喷油器开启时间，以控制喷油量。行使喷油量一汽车正常行使时，喷油量可根据脚踏板的位置及发动机转速计算。为了供给适 合于发动机的最佳喷油量，对每一个工况首先按脚踏板开度信号和发动机转速 信号，计算出理论上必要的喷油量一基本喷油量。（基本喷油量-P11）以基本喷油量为基础，根据进气量（温度、压力）、燃油温度等对基本喷油量进 行修正，算出该工况下的最大喷油量（考虑排放、烟度）再按着发动机外的系 统要求对其进行调整，然后选定最小喷油量。ECU按着最小喷油量触发输出级 电路。

17、急加速、减速缓冲当突然踩下或松开脚踏板时，喷油量和扭矩急剧变化，引起发动机和整车传动 系统的振动，传力系统的振动，使发动机转速发生剧烈波动。电脑根据发动机 的转速波动，以同样波动周期修正喷油量来缓和转速波动，激活的减震器图 -P11。起动喷油量一简图-P12起动喷油量由发动机水温和转速决定。也可根据起动次数增加油量加大。发动机转速达到规定的最低转速时停油。驾驶员不操纵起动喷油量。怠速喷油量一怠速喷油量决定于发动机效率和怠速转速及水温。这里指的怠速不只是最低稳 定怠速，在不同脚踏板开度下都必须设定怠速，以保证加载时转速过低而熄火。 过渡状态喷油量一过渡状态简图-P13汽车加速时脚踏板开度变化大而

18、快，但此时进气量的增加速度跟不上脚踏板开 度的增加，特别是增压发动机（由于增压器的惯性），因此，按脚踏板开度增加 量增加喷油量的话，就可能A/F小而烟度大。所以喷油量应按进气压力的变化 进行修正。平稳行驶控制一按每缸燃烧的转速变化，算出各缸差别，按各缸转速差别调节各缸喷油量。以 保证转速平稳。这只在低转速时进行调整。汽车恒速控制一当汽车进入恒速运转时，由恒速控制器（调速器）自动加减喷油量，以保持设 定恒速。恒速时，司机踩下脚踏板，车速超过恒速而加速，松开脚踏板车速回 复到设定恒速。如果，司机踩下离合器或使用刹车，恒速运转中断，如果，司 机关闭恒速装置就进入常规运行，司机也可以设定新的恒速。GW

19、2.8TC没有装这 个功能。发动机停机一因为，柴油机是自燃而做功的，只有停止供油才能停机。要求停机时,ECU发出“零喷油量”使喷油器电磁阀不打开就可以了。以上喷油量的控制是在选择轨压后，控制喷油器电磁阀的触发时间（占空比） 来实现的，触发时间是由电磁阀励磁线圈电流控制，有起动电流和保持电流， 这个电路必须精确工作，以保证所有工况下重复性好。由于，喷油器这种电路 特性和机械、液力特性不可能做的完全一致，其流量特性也不可能完全一致。 所以，大量生产时要对喷油器流量特性进行标定。对不同流量特性喷油器进行 ISA、IMA修正。在分段供油的喷油过程中，预喷对主喷轨压有影响，因此,ECU 进行油轨压力波动

20、补偿。2）喷油器时刻（喷油提前角）的控制一柴油机的喷油时刻是影响柴油机性能、排放、噪声及可靠性的重要参数。主要考虑因素着火始点一柴油机A/F大，CO、HC排放量少，而且调整A/F容易调整CO、HC 的排放量，但是NO排放量大，不容易调整，而且NO和CO、HC相矛盾，不能XX两者同时减少。要降低NO排放量必须降低缸内燃烧温度。不考虑NO排放量时,XX不控制燃烧温度，则缸内最高火焰温度可达2200C以上。要达到欧II排放水平 最高燃烧温度要控制到1900C以下。要降低最高燃烧温度要推迟喷油时刻，使 着火始点推迟。喷油时间与汽缸压力简图-P14着火延迟一着火延迟期（从缸内喷油开始到缸内引起着火所经时

21、间或所对应的 曲轴转角一又称滞燃期）长，预混燃烧量大，最高温度高，NO排放量增加，应X该尽量缩短着火延迟时间。喷油延迟（从供油开始点到喷油始点所经时间）和着火延迟所占时间随转速变 化的量微小，但其所相应的曲轴转角变化大。因此，随转速升高加大喷油提前角。b基本计算为了满足上述工作要求，ECU对每个工况选择最佳喷油提前角。根据脚踏板开度、 发动机转速、进气压力、水温等情况进行计算。 目标喷油时刻一根据油门开度、发动机转速计算目标时间。 喷油时间修正一根据进气参数、水温对目标时间进行修正。 起动喷油时间一根据起动信息、水温、转速进行修正。 实际喷油时间一检测出TDC位置和判缸信号并根据ROM数据确定

22、实际喷油时间 和各缸喷油点。c喷油时刻（喷油提前角）控制一发动机转速计算一4冲程柴油机每缸点火间隔角为720 CA。各缸点火间隔为 180 CA，每两次点火间曲轴转速传感器必须扫描出30个齿（相应时间间隔和 分段时间），在分段时间内的平均曲轴转速就是发动机转速。曲轴上止点位置的确定一ECU必须检出上止点位置才能计算供油提前角，检出判 缸信号才能按爆发顺序供油。上止点一般指第一缸压缩上止点，发动机安装时 用记号保证上止点位置准确。此时应保证发动机配气相位正确，皮带（或齿轮） 安装正确，判缸信号和上止点信号正确。用GW2.8TC验算如下：配气相位一配气相位简图-P15安装时曲轴正时带轮上的正时标记

23、（缺口）对准带轮室上的正时标记T”。凸轮轴正时带轮上安装定位孔对准带轮室上安装定位螺孔（A点），用螺栓固 定位置。该点与水平线成25.5（ZA0X）此时第一缸处于压缩上止点。凸轮轴键槽与第一缸排气凸轮夹角3.5（排气凸轮在后）。凸轮轴键槽与定位螺孔间夹角170.5排气门摇臂比38.5/27=1.4259。排气门间隙0.4。对应排气门间隙的凸轮升程=0.4/摇臂比=0.2805。相应的凸轮角度65(115)。挺柱中心线与排气门升程始点夹角90 +38.5 -65 =63.5(127 CA)。 180 -127 =53即排气门开启角为下止点前53 CA。按进排气凸轮夹角和凸轮包角算出排气门开下止点

24、前53 CA关上止点后27 CA符合设计值进气门开上止点前24 CA关下止点后56 CA皮带安装一为了保证正时齿带和凸轮轴的正时带轮完全啮合，计算出现在安装 状态下，啮合对皮带齿峰中线和带轮齿谷中线位置重不重合。因为GW2.8TC 的高压泵没有安装位置要求，计算简单。判缸信号与上止点信号关系一简图-P16凸轮轴安装定位孔对准带轮室安装定位螺孔。安装角25.5。此时飞轮上的转速传感器中心线与上止点线间夹角12与缺口处1号齿中心 线夹角114。凸轮位置传感器与感应铁之间夹角74即148 CA。感应铁宽度角36两边等分。因此，感应铁在上止点时开始感应角184 CA 退出角112 CA。简图-P17即

25、保证配气相位的情况下,ECU接受的飞轮缺口位置信号是上止点前114 CA，判缸信号是112 CA，也就是说收到飞轮信号后114 CA点为发动机上止点,收到凸轮位置信号后112 CA为第一缸上止点。喷油时刻控制一判缸一根据凸轮轴位置传感器信号确定第一缸上止点，然后隔180为下一缸，按发动机规定的爆发次序排列。给ECU设定缺口信号角一因为缺口后1号齿信号不好取2号齿退出侧信号,因此，ECU的上止点计算参考角为107.25 CA （不是114 CA）。提前角计算一根据飞轮缺口信号和ECU已计算出的发动机转速及实际喷油提前角，确定发出指令的时间，到该点时向喷油器电磁阀发出供油指令。3）供油规律的控制一

26、柴油机燃烧过程与供油规律有着密切的关系，供油规律与喷油压力，喷油速度，喷油方式有关。喷油规律指的是在喷油时间内的喷油率构成。喷油率指的是单元时间内喷油量与喷油时间的比值。理想的燃烧过程和要求的喷油规律一从燃烧方面考虑（简图-P18）燃烧过程中减少预混合燃烧量，降低最高燃烧温度、最高燃烧压力，可降低noyX排放量，降噪音。促进扩展燃烧，增加速燃期燃烧量，可降低PM烟度。促进扩展燃烧，缩短补燃期，可提高经济性，降低排气温度。根据上述燃烧过程要求，供油规律应该是喷油时间适当推迟（比传统供油系统）减少初期喷油量，多段喷油（简图-P19 ）喷油主要阶段高压化、微粒化。后期断油快 改善燃烧过程的措施一改善

27、措施如下。（简图-P20） 供油规律控制一高压共轨式系统供油压力高，供油压力与发动机转速无关，可 快速、任意控制油压，喷油器电磁阀灵敏度高（0.1ms ）可任意，迅速控制喷 油量、喷油时间，对供油规律控制自由度很大。可实现引导喷射、预喷射（可 多段化）、主喷、后喷、次后喷等多段喷射过程。通过共轨压力的调整，控制不同工况的供油压力。通过喷油器电磁阀，控制不同工况时的主喷油持续时间（喷油量、提前角）。 通过喷油器电磁阀，控制各段喷油时间、各段喷油时间间隔、各段喷油量。 GW2.8TC机采用由一段预喷和主喷组成的主、预喷制。预喷射明显降低噪音， 但增加PM排放。适当缩短主、预喷时间间隔，PM增加不明显，所以ECU要按 ROM数据进行控制，GW2.8TC预喷最小量为1mm3间隔为1000“ s。I，结束语以上介绍的是基本概念，更详细的内容只能专题介绍。至于各种参数实际怎 样确定、怎样控制的问题，需要介绍发动机及整车标定过程。由于本人水平有限，介绍中难免有错误。了试题目：1. 共轨式柴油机供油系统（包括其控制系统）主要由哪些部件作成？2. GW2.8TC采用的是BOSCH （CRS20）系统，供油压力为（1450bar ），喷油器电磁阀灵敏度为（0. 2ms ）。3. 共轨式供油系统通过ECU在特定的安全框架内进行整个工况的监控。主要是控制（喷油时间）、（循环喷油量）和喷油规律。