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共轨燃油喷射器技术
1.前言
  在欧洲,青睐柴油发动机的人比较多,占到半数以上。主要原因其实与其性能有很大的关系。采用了共轨喷射技术的柴油发动机,怠速时发出的声音在车外听时格外安静,上车以后几乎就听不到了。车辆行驶时油门和加速的感觉都很有整体感。以150公里的时速行驶时车辆依然十分平稳和安静。更令人吃惊的,从这时仍可以一口气将时速提高到220公里。
 
2.对燃油喷射装置的要求
  柴油发动机的主要燃料是柴油,由于柴油的沸点高(180℃~360℃),想要得到均匀的混合气体比较困难。所以,在燃料浓度过高的区域(一般是高负荷区域),由于氧气不足区域的增加和高温作用就产生了被称之为“黑烟”的物质。这也是柴油发动机污染问题的罪魁祸首之一。
  所以,柴油发动机燃烧的关键之一就是如何使燃料雾化并在汽缸内形成均匀的喷雾。也就是说,如何将燃料继续微粒化来进行燃烧,就变得十分重要了,所以燃料喷射装置要有非常高的压力,最近喷嘴向气缸内喷射时的压力已经达到了100MPa以上。假设压送侧的压力为100MPa(向直径11毫米、顶部面积约1平方厘米的柱塞大约要施加10千牛的力,相当于要承受4个原大关小锦[日本相扑选手小锦,大关是相扑的一个级别]的重量),喷嘴处就可以获得大约130PMa的压力。
  但是以前的喷射装置对发动机的转速有较强的依赖性,特别是在低转速时,高负荷区域无法得到高压力。这样由于不完全燃烧就使车辆在启动时会伴随有黑烟。并且,如果只是单纯追求高压会使燃烧温度提高,导致氮氧化物的增加,所以如何同时降低黑烟与氮氧化物也是喷射装置所要解决的问题。
 
3.共轨喷射方式到底是什么?

  共轨喷射方式是将供油泵内生成的高压燃料通过管道储存在共轨(蓄压室)内,再靠喷射器内的电磁阀控制喷嘴的背压,并决定喷射开始和结束时机的电子燃料喷射控制系统。即不依靠转速而将喷射压力控制到最大135MPa,通过直接控制喷油嘴的开闭来控制喷射率,不单是普通喷射、引燃喷射、多级喷射成为可能;喷射压力、喷射量、喷射时机的完全独立的电子化控制的实现和实用化也成为可能。
  如图1,这个系统由供给泵、共轨、喷射器以及控制它们的ECU、EDU还有传感器组成。共轨内的燃料压力根据供油泵的燃料吐出量由电磁阀来控制。燃料压力由设置在共轨内的压力传感器来检测,根据发动机转速和负荷来设定最佳值,通过供油泵的电磁阀进行回馈式控制。这样一来,同以往的分配型泵和单元式喷射器相比,在低转速时的压力提升性就得到了大幅的改善,低转速时也能实现高压喷射,能在全部转速范围内使喷雾微粒化。即使在猛踩油门,喷射量瞬间增加的时候,也能够避免柴油发动机固有的黑烟问题。
  另一方面,共轨的燃料压力被施加在介于喷射器喷嘴与油压活塞之间且位于喷油嘴后侧。喷射量和喷射时机则是通过由电磁阀的开关控制喷油嘴的背压来进行控制的。向电磁阀通电时喷油嘴后侧的高压燃料就会向低压侧流出,凭借喷嘴侧高压带来的喷嘴开阀力使喷嘴针阀上升开始喷射。停止向电磁阀通电后,喷油咀后侧再次被施加高压,喷油嘴关闭,即喷油结束。这样,通过改变向电磁阀通电的时机便可以实现喷射时机的电子控制;通过控制向电磁阀的通电时间来实现对喷射时间的电子控制。并且,如图2所示,以主喷油嘴为例,通过施加一个微小的电子脉冲,喷油嘴后侧的控制油压会提升2次,伴随着喷油嘴的微量开启就能获得引燃喷射的特性。这样点火延时变短,予混合气体的燃烧被抑制,不仅能解决柴油发动机的另一个课题—氮氧化物的抑制和燃烧噪音、振动的降低,就连起动性能和燃油经济性用都可以得到提高。这就是共轨喷射技术。
 
4.供油泵、喷射器的构造与工作原理
  下面主要介绍构成共轨方式的关键部分“供油泵”和“喷射器”的构造和工作原理。
  4-1供油泵的构造与工作原理
  供油泵的功能是生成并控制管道内的燃料压力。为了达到这个目的,如图3所示供油泵采用了有利于形成高压的内凸轮式压送系统和依靠电磁阀来调节吸入量的调节方式。这种泵内设置有一个与凸轮轴成一个整体的内凸轮面(两头突出,类似椭圆)和两对相对的柱塞,2对柱塞在转动方向上相差90度、被设置在另一个偏心的柱塞滑动面上。如图4所示,无论哪一对都是间隔90度来往返进行泵送(另一对是吸入)。这样,泵出量随着设置在各对柱塞前的吸入调节电磁阀的开口时间而变化,共轨压力的生成和控制得以进行。
  4-2喷射器的构造与工作原理
  喷射器的功能是将共轨内的高压化燃料以最合适的喷射时机、喷射量和喷射率喷射到汽缸中去。控制喷油嘴及喷嘴针阀开闭的控制活塞、拥有控制流入流出节流孔的控制室、以及控制燃料是否流入流出这个控制室的电磁泵等构成了整个喷射器。
  如图5所示,下面对喷射器的工作原理、喷射的过程进行进一步说明。电磁阀在未通电的情况下,阀杆被向下压,外节流孔关闭,控制室由于受到来自共轨并通过内节流孔的高压燃油的作用,控制活塞~喷油嘴被关上,便不进行喷射。电磁阀在开始通电时,由于电磁力而使阀杆向上移动,这样,通过外节流孔的喷嘴后侧(控制室)的燃料便会依次向低压侧流出,一旦克服了来自喷嘴侧高压的喷嘴开阀力,喷嘴针阀便开始上升,喷油就会开始。若继续通电的话,喷油嘴完全上升,达到最大喷射率状态。如停止向电磁阀通电,阀杆会再次下降,关闭外节流孔。这时,高压燃料通过流入节流孔流进控制室,喷油嘴立即被控制活塞关闭。接着,依靠二次重复通电就能实现引燃喷射,必要的话还能实现多级喷射。
 
5.结束语
  共轨喷射技术是在1995年末在日本,作为卡车的燃料喷射装置首次出现的,并且后来还扩展运用到了轿车上,说共轨喷射技术彻底改变了传统概念的柴油发动机一点也不为过。不仅提高了驾驶的乐趣,更在改善全球温室效应和地球环境等重大问题上发挥了巨大作用。所以我们预计今后很长一段时间,拥有共轨喷射技术这一利器的柴油发动机将继续位居卡车和轿车发动机的统治地位。
 
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