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柴油发电机高压共轨管和ECU的结构原理 |
导读：共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与柴油发电机的转速无关，可以大幅度减小柴油发电机供油压力随柴油发电机转速的变化，因此也就减少了传统柴油发电机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和喷油器电磁阀开启时间的长短。
一、共轨系统技术概述
1、电控共轨技术的发展原由
新技术总是为解决一些实际生活中的实际问题而生的，柴油机的共轨技术的产生，离不开实际问题对研究人员的困扰，所以，我们首先了解一下没有使用共轨电喷系统的柴油机的供油系统有何问题。
在非共轨式燃油系统的柴油机的供油系统中，每个喷油器都连接有一根高压油管和一根回油管，采用高压油泵来提供高压油的压力，在高压油管中不同的位置不同的时间，油压都不相同。这种结构柴油机喷油器喷油的规律在理论上取决于柱塞的运动规律，并且在调速器的协助下自动调整供油提前角，使柴油机工作情况稳定。但是在实际的使用过程中，由于柴油的可压缩性质和高压油管中柴油压力的波动，使得实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有了较大的差异。比如油管内的压力波动，有时还会在喷射之后使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器针阀开启的压力，将已经关闭的针阀重新打开，产生二次喷油现象。由于二次喷油不可能完全燃烧，于是就会增加烟度和碳氢化合物的含量，造成尾气超标和燃油消耗增大。由于每一次的喷射循环之后高压油管内的残留压力都会发生变化，产生喷油不均匀的信箱，严重时发生间歇性不喷射现象。且这种现象在低速下更容易发生。因为以上的缺陷，所以诞生了电控共轨技术。
2、电控共轨技术的分类
按照喷油高压来源的不同，共轨式电控燃油喷射系统分为两类：
（1）高压共轨系统
高压输油泵将燃油输送到高压共轨中，燃油脉动压力变化得以消除，然后再将燃油分配至给各个装有快速电磁阀的喷油阀；当ECU控制系统按照需求发出信号之后，高速电磁阀打开或关闭，从而控制喷油器的工作，即：按设定的要求喷出或者停止喷出高压燃油。
（2）中压共轨系统
中压共轨系统采用较小的压力（10-13兆帕）来将燃油输送到共轨管中，在共轨管中将燃油的脉动压力消除后，再通过带有增压柱塞的喷油器将燃油以高速喷出，在高压柱塞的作用下，油压可达120~150兆帕，其喷射时间也是通过ECU发送的指令来控制的，同样，高速电磁阀是其不可或缺的部件。
二、共轨系统原理与特点
1、共轨系统工作过程
共轨系统供油过程如图1所示，特性曲线如图2所示。油箱的燃油被低压油泵吸出送给高压油泵，高压油泵给燃油增压把燃油变成高压油送进共轨管里面，共轨管在根据ECU各种传感器的信号对轨压进行调节，如果轨压过高，共轨管的泄压阀打开部分高压油进入低压油管。预先设置好的程序保存在ECU当中，柴油发电机的运转状况也被ECU监控，然后ECU根据具体的工况确定喷油定时、喷油持续期。最后电控喷油器按照ECU 的指令将燃油喷入气缸。
2、共轨系统的特点
柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，因为它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制，而且能实现预喷射和后喷，从而优化喷油特性形状，降低柴油机噪声和大大减少废气的排放量。该技术的主要特点是：
（1）采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，使得喷油过程的控制十分方便，并且可控参数多，益于柴油机燃烧过程的全程优化；
（2）采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油嘴间相互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确；
（3）高速电磁开关阀频响高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，并且能方便地实现预喷射、后喷等功能，为优化柴油机喷油规律、改善其性能和降低废气排放提供了有效手段；
（4）系统结构移植方便，适应范围宽，不像其它的几种电控喷油系统，对柴油机的结构形式有专门要求；高压共轨系统，均能与目前的小型、中型及重型柴油机很好匹配。
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图1 电控共轨系统供油原理图 |
图2 电控柴油机燃油系统供油特性曲线 |
三、高压共轨系统基本组成
电控高压共轨系统主要电子控制单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。
1、ECU结构和原理
电子控制单元简称 ECU，它由输入电路模块、输出驱动模块、MCU核心电路模块、电源管理模块、通信模块组成，结构如图3所示，接线如图4所示。ECU是发电机组的“大脑”它的作用是把各个传感器检测到的信息进行整合、分析、判断，然后再把计算好的结果再输送给喷油器，喷油器根据ECU输送的电压信号确定喷油时刻以及喷油量。
（1）输入回路
柴油发电机工作时，各种传感器的信号输入ECU后，首先进入输入回路进行处理。传感器输入的信号不同，处理的方法也不同，一般是先将输入信号滤除杂波和将正弦波转变为矩形波后，再转换成输入电平。
（2）A/D转换器
传感器输送给ECU的信号有数字信号和模拟信号两种.数字信号可直接输入微机，但微型计算机不能直接接受模拟信号，必须由A/D转换器转换成数字信号后再输入微型计算机。
（3）微型计算机
微型计算机是控制系统的神经中枢，其功用是根据工作需要.利用其内存程序和数据对各传感器输送来的信号进行运算处理，并将处理结果送往输出回路。微型计算机主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）和输入输出（I/O）装置组成。
（4）输出回路
输出回路的主要功用就是将微型计算机的处理结果放大，生成能控制执行元件工作的控制信号。输出回路一般采用的是功率品体管。根据微型计算机的指令通过导通或截止来控制执行元件的搭铁回路。
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图3 ECU组成框架图 |
图4 ECU线束接口图 |
2、高压共轨管
柴油发电机高压共轨管的作用是将供油泵提供的高压燃油稳压后，分配到各噴油器中，起到蓄压器的作用。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力振荡，使高压油轨中的压力波动控制在5MPa之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油发电机工况的变化；将高压油泵输出的高压油蓄积在共轨油腔内，维持ECU所设定的共轨压力；向各缸喷油器供应高压燃油。高压共轨管上装有波动阻尼器、压力限制阀、流量限制阀（每缸一个）和共轨压力传感器，如图5所示。
3、流量限制阀
流量限制阀或称流动缓冲器，也有称波动阻尼器的，在油轨的上部有6个流量限制阀，分别与6个缸的高压油管相连。当某一缸的高压油管有泄漏或喷油器故障而导致燃油喷射量超过限值时，高压柴油施加在活塞上，使活塞与钢珠向右移，钢珠与座接触，封闭柴油通道，切断该缸的燃油供应，如图6所示。
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图5 高压共轨构造图 |
图6 流量限制阀原理图 |
4、轨压限制阀
当共轨压力超过共轨管所能承受的最高压力时140MPa，轨压限制阀会自动开启，将共轨压力降低到约30MPa时，压力限制阀的阀门关闭，如图7所示。
5、轨压传感器
共轨压力传感器为半导体式压力传感器，结构如图8所示。当油压变化时，半导体电阻发生改变，输出电压与油压成正比，油压越高，输出电压也越高。
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图7 轨压限制阀构造图 |
图8 电控共轨系统轨压传感器结构图 |
6、电控喷油器
喷油器是整个电控系统最关键和最核心的部件，它的作用是在ECU的控制下适时适量的喷射高压柴油。结构上主要有喷油器体、电磁阀、柱塞阀组件、喷油嘴针阀组件和弹簧组成负责针阀开闭的电磁阀具有极快的动作速度，其开启时间不超过110±10μs，关闭时间不超过30±5μs。其基本动作过程：在喷油器的上部，柱塞的阀体上表面有细小回流节油油道，该油道被一小球密封（小球被电磁阀弹簧通过衔铁间接压紧），高压油可以到达柱塞上腔，所以高压油在对柱塞阀体施加压力的同时不会从回流节油道泄露，这样就保证了柱塞对喷油嘴针阀有一个较大的向下的压力，使得喷油嘴针阀紧密的压在出油口上，虽然针阀下端也受到高压油的作用而有向上运动的趋势，但是这个力远小于柱塞上表面受到的力，所以针阀可以稳稳地压紧在喷油口上，从而密封住高压油。当需要喷油时，电磁阀就受到ECU的控制，线圈在由ECU提供的电压的作用下，产生磁力克服弹簧的压紧力，将衔铁向上吸起，同时，小球也打开了回油通道，柱塞上腔与回油管连通，由于回油管内油压约为大气压力，所以柱塞受到的油的压力迅速减小，而因为回流节油油道本身很小，故进油压力不会在柱塞阀体组件上方卸荷，而针阀下方压力基本为进油压力，所以针阀受到的合力向上，针阀打开，喷油过程开始，当线圈断电时，弹簧力使小球重新压紧，柱塞阀体组件所受高压重新建立，等待下一次喷射。
7、高压油管
高压油管是联通共轨管和电控喷油器的通道。它应该有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并且使高压管路系统中的的压力波动较小。能够承受高压燃油的冲击，且启动时油压可以尽快建立。每一个气缸所连接的高压管应该基本等长，以使喷油压力尽量相同。并且使长度尽量小，以减小压力的损失。
8、高压油泵
高压油泵主要分为柱塞泵和齿轮泵两种，负责将燃油输送到高压共轨管中。其中以齿轮泵为主，基本结构如图9所示，原理如图10所示。
齿轮油泵是利用两个齿轮相互旋转以进行工作的，并且对介质的要求不高。通常它的压力低于6MPa，且流量也很大。齿轮油泵在泵体内装有一对旋转齿轮，一个为主动，一个为被动。依靠两个齿轮的相互啮合，泵中的整个工作腔被分为两个独立的部分：一部分是吸入室，另外一部分是排出室。当齿轮油泵运行时，主动齿轮带动被动齿轮旋转。当齿轮从齿轮啮合到脱开时，在吸入侧会形成部分真空，从而抽吸液体。吸入的液体充满齿轮的每个齿轮，并被带到排放侧。当齿轮进入啮合时，液体被挤出，形成高压液体，然后通过泵的排出口排出泵外。
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图9 电控柴油机齿轮泵结构 |
图10 电控柴油机齿轮泵原理 |
总结：
柴油发电机电控高压共轨系统是柴油发电机最新的技术。基本工作原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号，首先计算出基本喷油量，然后根据水温、进气温度、进气压力等传感器的信号进行修正，确定最佳喷油量。可以根据不同的工况要求将预喷、后喷等参数存储在ECU，从而实现多次喷射。
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