1.3.3　电控柴油机喷油特性及喷油量控制

(1)普通喷油系统的喷油特性

在普通的喷油系统,例如机械控制分配泵和直列泵中,只有主喷射而没有预喷射和后喷射(如图1⁃30所示),而在电磁阀控制的分配泵中仅可实现预喷射。普通喷油系统中压力的产生和喷油量的计量是通过凸轮和供油柱塞来实现的。

这种方法对喷油特性来讲,通常会产生下列现象:

① 燃油喷油压力随柴油机转速和喷油量的增加而升高;

② 喷油过程中喷油压力上升,但到喷油终了时又降低到喷油嘴关闭压力。

因此,会产生下列结果:

① 小喷油量时的喷油压力较低;

② 峰值燃油喷油压力是平均喷油压力的两倍以上;

③ 喷油过程曲线近似于三角形,这有利于燃烧完善。

峰值喷油压力对喷油泵及其驱动装置构件承受的负荷具有决定性的影响。对普通喷油系统而言,它是燃烧室中混合气形成质量好坏的评价尺度。

(2)共轨喷油系统的喷油特性

对理想的喷油特性,除了普通喷油特性的要求之外,还有下列要求:

a.对柴油机的任何一个工况点,喷油压力和喷油量的确定都可以是互为独立的。

b.喷油开始初期(即喷油开始到燃烧开始之间的着火延迟期内)的喷油量应尽可能小。

显而易见,带有预喷射和主喷射的电控共轨燃油喷射系统可满足上述要求(如图1⁃31~图1⁃33所示)。

共轨喷油系统采用模块式结构,喷油特性主要取决于下列组件:

① 电磁阀控制的喷油器,用螺纹拧装在气缸盖上;

② 压力存储器(共轨管总成);

③ 高压泵;

④ ECU(电控单元);

⑤ 曲轴转速传感器;

⑥ 凸轮轴相位传感器。

在乘用车上使用的共轨喷油系统中,产生喷油压力的高压泵采用径向柱塞泵,其转速以固定的传动比与柴油机转速成正比,而压力的建立与喷油量无关。由于近乎连续的供油,高压泵可设计得比普通喷油系统中用的高压泵小得多,设计时考虑的峰值驱动扭矩也较小。

喷油器通过高压油管与共轨相连,它主要由一个喷油嘴和一个电磁阀构成。ECU使电磁阀通电,然后就开始喷油。在一定压力下,喷入的燃油量与电磁阀的接通时间成正比,而与柴油机或泵的转速无关(时间控制的喷油方式)。喷油量可通过电磁阀控制的相应设计,并在ECU中采用高电压和大电流来控制,以提高电磁阀的响应特性。

喷油正时是通过电控系统中的角度⁃时间系统来控制的。为此在曲轴上装有一个转速传感器,并且为了识别缸序或相位,在凸轮轴上也装有一个相位传感器。

(3)燃油喷射形式

电控共轨喷油器的喷油过程分为三个步骤。

① 预喷射。预喷射可在上止点前90°内进行。如果预喷射的喷油始点早于上止点前40°曲轴转角,则燃油可能喷到活塞顶面和气缸壁上使润滑油稀释到不允许的程度。预喷射时,少量燃油(1~4 mm3)喷入气缸,促使燃烧室产生“预调节”,从而改善燃烧效率。压缩压力由于预反应或局部燃烧而略有提高,因此缩短了主喷油量的着火延迟期,降低了燃烧压力上升幅度和燃烧压力峰值,燃烧较为柔和。这种效果减小了燃烧噪声和燃油消耗,许多情况下还降低了排放。

在无预喷射时的压力特性曲线(如图1⁃32所示)中,在上止点前的范围内,压力上升尚较平缓,但随着燃烧的开始,压力迅速上升,达到压力最大值时,形成一个较陡的尖峰。压力上升幅度的增加和尖峰导致柴油机的燃烧噪声明显提高。而在有预喷射的压力特性曲线(如图1⁃33所示)中,在上止点前范围内,压力值略高,但燃烧压力的上升变缓。

预喷射间接地通过缩短着火延迟期有助于增加柴油机的扭矩。根据主喷射始点和预喷射与主喷射之间的时间间隔的不同,燃油消耗降低或增加。

② 主喷射。主喷射提供了柴油机输出功率所需的能量,从而基本上决定了柴油机的扭矩。在共轨喷油系统中,整个喷油过程的喷油压力近似恒定不变。

③ 后喷射。对于那些催化NOx的催化器而言,后喷射的燃油充当还原剂,用于还原NOx。它在主喷射之后的做功冲程或排气冲程中进行,其范围一般在上止点后200°内。

与预喷射和主喷射不同,后喷射的燃油在气缸中不会燃烧,而是在废气中剩余热量的作用下蒸发,带入NOx催化器中作为NOx的还原剂,以降低废气中NOx的含量。过迟的后喷射会导致燃油稀释柴油机的润滑油,其喷射范围要由柴油机制造厂家通过试验来确定。

(4)燃油喷射量控制

该控制通过在基本喷射量上添加冷却液温度、燃油温度、进气温度和进气压力校正来确定燃油喷射量。柴油机控制器根据柴油机工作条件和驾驶情况计算基本喷射量。如图1⁃34所示。

1)喷射量计算方法

喷射量计算将以下两个值进行比较:

① 调速器模式下由加速器位置和柴油机转速计算得出的基本喷射量。

② 通过向最大喷射量添加不同类型校正,由柴油机转速得出的喷射量。两个喷射量中较小的用作计算最终喷射量的基数。

2)设置喷射量

① 基本喷射量。该数量由柴油机转速和加速踏板开度决定。当柴油机转速恒定时,如果加速踏板开度增加,喷射量增加;加速踏板开度恒定时,如果柴油机转速增加,喷射量降低。如图1⁃35所示。

② 启动喷射量。该数量根据柴油机启动时的基本喷射量和为起动机开关ON时间、柴油机转速和冷却液温度增加的校正来决定。如果冷却液温度低,则喷射量增加。当柴油机完全启动时,该模式被取消。如图1⁃36所示。

　　③ 最高转速设定喷射量。最高转速设定喷射量由柴油机转速决定。限制喷射量,以便防止柴油机转速过度增加(超速)。如图1⁃37所示。

④ 最大喷射量。最大喷射量根据柴油机转速和为冷却液温度、燃油温度、进气温度、大气温度、进气压力、大气压力和全程调整电阻(仅用于第1代HP0系统)增加的校正所确定的基本最大喷射量来决定。如图1⁃38所示。

　　⑤ 燃油喷射率控制。尽管采用高压燃油喷射之后,喷射率得到提高,但是点火迟后(从喷射开始到燃烧开始的延迟)无法缩短到低于一定时间。因此,点火发生之前燃油喷射量增加(初期喷射率太高),致使爆炸燃烧与点火同时发生,并使NOx和噪声增加。要阻止这种情况,可采用预喷射使初期喷射保持在最小的需求速率,从而缓解初级爆炸燃烧以及降低NOx和噪声。如图1⁃39所示。

⑥ 燃油喷油正时控制。燃油喷油正时由向喷油器施加电流的正时来控制。决定主喷射时间周期之后,也就明确了预喷射和其他喷油正时。

主喷油和预喷油正时控制:主喷油基本喷油正时由柴油机转速(柴油机转速脉冲)和最终喷射量(添加了各种校正)计算,以确定最佳主喷油正时;预喷油正时(预间隔)是通过为主喷油添加预间隔值来进行控制,预间隔根据最终喷射量、柴油机转速、冷却液温度来计算。

柴油机启动时的预间隔通过冷却液温度和柴油机转速来计算。如图1⁃40所示。

喷油转速控制及喷油正时的计算如图1⁃41 和图1⁃42所示。

预喷射:先导喷射的目的是提高柴油机冷态启动性。在传统的主喷射发生之前,该功能可进行两次或更多次非常少的燃油喷射。如图1⁃43所示。

实际的燃油喷射模式是根据柴油机状况依照如图1⁃44所示进行控制的。

⑦ 燃油喷射压力控制。柴油机控制器计算燃油喷射压力,这由最终喷射量和柴油机转速决定。这根据冷却液温度和启动时的柴油机转速来计算。如图1⁃45所示。

⑧ 其他燃油喷射量控制。

a.怠速控制(ISC)系统。怠速控制系统通过调节喷射量来控制怠速,从而使实际转速与电脑计算出的目标转速相匹配。ISC可以是自动ISC,也可以是手动ISC。自动ISC凭借自动ISC(柴油机控制器)可设置目标转速。柴油机目标转速随变速器类型的不同(自动或手动)而改变,而不管空调是否打开或关闭、换挡位置和冷却液温度如何。如图1⁃46所示。

b.怠速减振控制。怠速减振控制可降低怠速期间的柴油机振动。要使柴油机工作平稳,就要将气缸的角速度(次数)进行对比,而且在差别较大情况下对单缸喷射量进行调节。如图1⁃47所示。