1.3.3　電控柴油機噴油特性及噴油量控制

(1)普通噴油系統的噴油特性

在普通的噴油系統,例如機械控制分配泵和直列泵中,只有主噴射而沒有預噴射和后噴射(如圖1?30所示),而在電磁閥控制的分配泵中僅可實現預噴射。普通噴油系統中壓力的產生和噴油量的計量是通過凸輪和供油柱塞來實現的。

這種方法對噴油特性來講,通常會產生下列現象:

① 燃油噴油壓力隨柴油機轉速和噴油量的增加而升高;

② 噴油過程中噴油壓力上升,但到噴油終了時又降低到噴油嘴關閉壓力。

因此,會產生下列結果:

① 小噴油量時的噴油壓力較低;

② 峰值燃油噴油壓力是平均噴油壓力的兩倍以上;

③ 噴油過程曲線近似于三角形,這有利于燃燒完善。

峰值噴油壓力對噴油泵及其驅動裝置構件承受的負荷具有決定性的影響。對普通噴油系統而言,它是燃燒室中混合氣形成質量好壞的評價尺度。

(2)共軌噴油系統的噴油特性

對理想的噴油特性,除了普通噴油特性的要求之外,還有下列要求:

a.對柴油機的任何一個工況點,噴油壓力和噴油量的確定都可以是互為獨立的。

b.噴油開始初期(即噴油開始到燃燒開始之間的著火延遲期內)的噴油量應盡可能小。

顯而易見,帶有預噴射和主噴射的電控共軌燃油噴射系統可滿足上述要求(如圖1?31~圖1?33所示)。

共軌噴油系統采用模塊式結構,噴油特性主要取決于下列組件:

① 電磁閥控制的噴油器,用螺紋擰裝在氣缸蓋上;

② 壓力存儲器(共軌管總成);

③ 高壓泵;

④ ECU(電控單元);

⑤ 曲軸轉速傳感器;

⑥ 凸輪軸相位傳感器。

在乘用車上使用的共軌噴油系統中,產生噴油壓力的高壓泵采用徑向柱塞泵,其轉速以固定的傳動比與柴油機轉速成正比,而壓力的建立與噴油量無關。由于近乎連續的供油,高壓泵可設計得比普通噴油系統中用的高壓泵小得多,設計時考慮的峰值驅動扭矩也較小。

噴油器通過高壓油管與共軌相連,它主要由一個噴油嘴和一個電磁閥構成。ECU使電磁閥通電,然后就開始噴油。在一定壓力下,噴入的燃油量與電磁閥的接通時間成正比,而與柴油機或泵的轉速無關(時間控制的噴油方式)。噴油量可通過電磁閥控制的相應設計,并在ECU中采用高電壓和大電流來控制,以提高電磁閥的響應特性。

噴油正時是通過電控系統中的角度?時間系統來控制的。為此在曲軸上裝有一個轉速傳感器,并且為了識別缸序或相位,在凸輪軸上也裝有一個相位傳感器。

(3)燃油噴射形式

電控共軌噴油器的噴油過程分為三個步驟。

① 預噴射。預噴射可在上止點前90°內進行。如果預噴射的噴油始點早于上止點前40°曲軸轉角,則燃油可能噴到活塞頂面和氣缸壁上使潤滑油稀釋到不允許的程度。預噴射時,少量燃油(1~4 mm3)噴入氣缸,促使燃燒室產生“預調節”,從而改善燃燒效率。壓縮壓力由于預反應或局部燃燒而略有提高,因此縮短了主噴油量的著火延遲期,降低了燃燒壓力上升幅度和燃燒壓力峰值,燃燒較為柔和。這種效果減小了燃燒噪聲和燃油消耗,許多情況下還降低了排放。

在無預噴射時的壓力特性曲線(如圖1?32所示)中,在上止點前的范圍內,壓力上升尚較平緩,但隨著燃燒的開始,壓力迅速上升,達到壓力最大值時,形成一個較陡的尖峰。壓力上升幅度的增加和尖峰導致柴油機的燃燒噪聲明顯提高。而在有預噴射的壓力特性曲線(如圖1?33所示)中,在上止點前范圍內,壓力值略高,但燃燒壓力的上升變緩。

預噴射間接地通過縮短著火延遲期有助于增加柴油機的扭矩。根據主噴射始點和預噴射與主噴射之間的時間間隔的不同,燃油消耗降低或增加。

② 主噴射。主噴射提供了柴油機輸出功率所需的能量,從而基本上決定了柴油機的扭矩。在共軌噴油系統中,整個噴油過程的噴油壓力近似恒定不變。

③ 后噴射。對于那些催化NOx的催化器而言,后噴射的燃油充當還原劑,用于還原NOx。它在主噴射之后的做功沖程或排氣沖程中進行,其范圍一般在上止點后200°內。

與預噴射和主噴射不同,后噴射的燃油在氣缸中不會燃燒,而是在廢氣中剩余熱量的作用下蒸發,帶入NOx催化器中作為NOx的還原劑,以降低廢氣中NOx的含量。過遲的后噴射會導致燃油稀釋柴油機的潤滑油,其噴射范圍要由柴油機制造廠家通過試驗來確定。

(4)燃油噴射量控制

該控制通過在基本噴射量上添加冷卻液溫度、燃油溫度、進氣溫度和進氣壓力校正來確定燃油噴射量。柴油機控制器根據柴油機工作條件和駕駛情況計算基本噴射量。如圖1?34所示。

1)噴射量計算方法

噴射量計算將以下兩個值進行比較:

① 調速器模式下由加速器位置和柴油機轉速計算得出的基本噴射量。

② 通過向最大噴射量添加不同類型校正,由柴油機轉速得出的噴射量。兩個噴射量中較小的用作計算最終噴射量的基數。

2)設置噴射量

① 基本噴射量。該數量由柴油機轉速和加速踏板開度決定。當柴油機轉速恒定時,如果加速踏板開度增加,噴射量增加;加速踏板開度恒定時,如果柴油機轉速增加,噴射量降低。如圖1?35所示。

② 啟動噴射量。該數量根據柴油機啟動時的基本噴射量和為起動機開關ON時間、柴油機轉速和冷卻液溫度增加的校正來決定。如果冷卻液溫度低,則噴射量增加。當柴油機完全啟動時,該模式被取消。如圖1?36所示。

　　③ 最高轉速設定噴射量。最高轉速設定噴射量由柴油機轉速決定。限制噴射量,以便防止柴油機轉速過度增加(超速)。如圖1?37所示。

④ 最大噴射量。最大噴射量根據柴油機轉速和為冷卻液溫度、燃油溫度、進氣溫度、大氣溫度、進氣壓力、大氣壓力和全程調整電阻(僅用于第1代HP0系統)增加的校正所確定的基本最大噴射量來決定。如圖1?38所示。

　　⑤ 燃油噴射率控制。盡管采用高壓燃油噴射之后,噴射率得到提高,但是點火遲后(從噴射開始到燃燒開始的延遲)無法縮短到低于一定時間。因此,點火發生之前燃油噴射量增加(初期噴射率太高),致使爆炸燃燒與點火同時發生,并使NOx和噪聲增加。要阻止這種情況,可采用預噴射使初期噴射保持在最小的需求速率,從而緩解初級爆炸燃燒以及降低NOx和噪聲。如圖1?39所示。

⑥ 燃油噴油正時控制。燃油噴油正時由向噴油器施加電流的正時來控制。決定主噴射時間周期之后,也就明確了預噴射和其他噴油正時。

主噴油和預噴油正時控制:主噴油基本噴油正時由柴油機轉速(柴油機轉速脈沖)和最終噴射量(添加了各種校正)計算,以確定最佳主噴油正時;預噴油正時(預間隔)是通過為主噴油添加預間隔值來進行控制,預間隔根據最終噴射量、柴油機轉速、冷卻液溫度來計算。

柴油機啟動時的預間隔通過冷卻液溫度和柴油機轉速來計算。如圖1?40所示。

噴油轉速控制及噴油正時的計算如圖1?41 和圖1?42所示。

預噴射:先導噴射的目的是提高柴油機冷態啟動性。在傳統的主噴射發生之前,該功能可進行兩次或更多次非常少的燃油噴射。如圖1?43所示。

實際的燃油噴射模式是根據柴油機狀況依照如圖1?44所示進行控制的。

⑦ 燃油噴射壓力控制。柴油機控制器計算燃油噴射壓力,這由最終噴射量和柴油機轉速決定。這根據冷卻液溫度和啟動時的柴油機轉速來計算。如圖1?45所示。

⑧ 其他燃油噴射量控制。

a.怠速控制(ISC)系統。怠速控制系統通過調節噴射量來控制怠速,從而使實際轉速與電腦計算出的目標轉速相匹配。ISC可以是自動ISC,也可以是手動ISC。自動ISC憑借自動ISC(柴油機控制器)可設置目標轉速。柴油機目標轉速隨變速器類型的不同(自動或手動)而改變,而不管空調是否打開或關閉、換擋位置和冷卻液溫度如何。如圖1?46所示。

b.怠速減振控制。怠速減振控制可降低怠速期間的柴油機振動。要使柴油機工作平穩,就要將氣缸的角速度(次數)進行對比,而且在差別較大情況下對單缸噴射量進行調節。如圖1?47所示。