柴油机高压共轨系统的研究大学论文

xx省交通高等专科学校机电系毕业论文

xx省交通高等专科学校机电系

毕业设计文件

设计题目:柴油机高压共轨系统的研究

专业:工程机械运用与维护

姓名:xx班级:学号:

完成期限:2012年12月27日至2013年03月03日

指导教师：xx

1

xx 省交通高等专科学校机电系毕业论文

2 设计任务

柴油机高压共轨系统的研究 设计要求

认真查阅相关资料，按时完成论文，内容饱满，核心突出，同时对所论述的内容掌握透彻，论文字数10000~15000字。前面有200字左右的摘要（中英对照），不准抄袭。

设计成果

第一稿；（手写）第二稿（打印）；第三稿（电子稿） 设计进程

2012年11月29日完成写作提纲； 2012年11月30日2013年01月06日完成第一稿； 2013年01月07日至02月底完成第二稿（清样）； 2013年02月 底至03月初完成定稿（按系要求格式）。

指导教师评语

评阅人评语

成绩

设计成绩 指导教师

评阅成绩 评阅教师

答辩成绩 答辩负责人 总评 负责人

xx省交通高等专科学校机电系毕业论文

摘要：目前,资源匮乏油价居高不下的严峻状况。本人以资源的稀缺性为依托，对柴油机的发展，结合柴油机的优良特性，通过阐述当前先进的电控柴油机共轨技术与之传统柴油机做了鲜明的描述.对比与结论,和对柴油机共轨技术的未来发展前景,做了具体的浅析和深入的探索。

关键词：柴油机共轨技术优点

Abstract：At present,the serious situation of shortage of high oil prices.I am in the scarcity of resources as the basis,the development of diesel engine, with the excellent characteristics,through the elaboration of the current advanced electronic control common rail diesel engine technology and the traditional diesel engine made vivid https://www.360docs.net/doc/7017074461.html,parison and conclusion, and on diesel engine common rail technology development prospect in the future,the specific analysis and deep exploration.

Key words:Diesel engine; Common rail technology ; advantage

3

xx省交通高等专科学校机电系毕业论文

目录

前言 (5)

1.现代共轨柴油喷射系统浅析 (6)

1.1共轨技术 (6)

1.2高压共轨的分类 (7)

1.3高压共轨的特点 (7)

2. 高压共轨电控燃油喷射系统及基本单元 (8)

2.1高压油泵 (8)

2.2 高压油轨（共轨管） (9)

2.3电控喷油器 (10)

2.4高压油管 (11)

3.共轨系统的原理及组成 (12)

4.共轨系统与柴油喷射系统的区别 (13)

5.高压共轨的检查设备 (14)

6.共轨系统常见的故障诊断 (16)

7.结束语 (21)

8.参考文献 (22)

4

xx省交通高等专科学校机电系毕业论文

柴油机高压共轨系统的研究

前言：

能源短缺尤其是石油短缺是全球性的问题，而作为经济增长的中国在能源方面保持着强劲的需求。当前，中国资源的“红灯”已经亮起，其中石油资源的短缺十分突出，据专家估计，中国已探明的石油可采储量约我23亿吨，2004年中国累计进口原油1.2亿吨,石油对我依存度已达到40%。目前我国汽车消耗燃油约占全国总石油消费的三分之一。预计2010年，汽车燃油需求我1.38亿吨，占总消费43%；2020年燃油需求我2.56亿吨，比例将达到75%；而到了2030年，这一比例将有可能达到77%。

笨重、噪声大、喷黑烟，令许多人对柴油机的直观印象不佳，加之柴油机的构造比较复杂，不少人对柴油机缺乏了解，尤其对现代先进的柴油机缺乏了解，因此柴油机汽车在一些城市成了“被限制的对象”、受到种种歧视。其实，经过多年的研究和新技术应用，现代柴油机已与传统柴油机有了很大差别，在减少质量、噪声、废气烟度等方面取得了重大突破。其中，共轨技术就是现代柴油机采用的新技术之一。

5

xx省交通高等专科学校机电系毕业论文

1.现代共轨柴油喷射系统浅析

现代先进的汽车柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平，而且相比汽油机更环保。目前国外轻型汽车用柴油机日益普遍，奔驰、大众、宝马、雷诺、沃尔沃等欧洲名牌车都有采用柴油发动机的车型。

在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比，柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出的大小，而柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置（油门拉杆位置）来决定的。因此，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，再与来自控制套位置传感器的信号进行反馈修正，确定最佳喷油量的。

电控柴油喷射系统由传感器、ECU（计算机）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与巳储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。这类电控系统可分为：蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。

1.1共轨技术

在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又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，于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷，现代柴油机采用了一种称为"共轨"的技术。

6

xx省交通高等专科学校机电系毕业论文

1.2高压共轨的分类

按照喷油高压形成的不同，共轨式电控燃油喷射系统有两种基本型式，即高压共轨式和中压共轨式。

(1)高压共轨系统。高压输油泵(压力在120MPa以上)直接产生高压燃油后，输送至共轨中消除压力的脉动，再分送到各喷油器；当电子控制装置按需要发出指令信号后，高速电磁阀(响应在200s左右)迅速打开或关闭，进而控制喷油器工作，即按设定的要求喷出或停喷高压燃油。

(2)中压共轨系统。中压输油泵(压力为10-13MPa)将中压燃油输送到共轨中消除压力的脉动，再分送至带有增压柱塞的喷油器中；当高速电磁阀开关阀接收到电子控制装置发送的指令信号后，就迅速开启或关闭，从而控制燃油器工作，迅即通过高压柱塞的增压作用，将从共轨中来的中压燃油加压至高压(120-150MPa)后喷出或停喷。

高压共轨系统与中压共轨系统的主要判别在于，高压燃油的获得方式不同；前者由高压燃油泵直接提供，而后者则借助于增压柱塞增压后获得。

1.3高压共轨的特点

柴油机共轨式电控燃油喷射技术集计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油器结构于一身。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，而且还能实现预喷射和后喷，从而优化喷油特性、减低柴油机噪声和大大减少废气的排放量，其特点为：

(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，利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，各喷油器间相互影响小，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。

(3)高速电测开关阀频率高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，并且能方便的实现预喷射、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)系结构移植方便，适应范围广，不像其他的击中电喷油系统，对柴油机的结构形式有专门要求；尤其是高压共轨系统，与目前的小、中型及重性柴油机均能很好匹配，因而市场前景看好。

7

xx省交通高等专科学校机电系毕业论文

2.高压共轨电控燃油喷射系统及基本单元

高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元、高压油泵、蓄压器(共轨管)、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨(蓄压器)，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。

2.1、高压油泵

高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。

图2.1 高压油泵的原理图

a ：柱塞下行，控制阀开启，低压燃油经控制阀流入柱塞腔；

b：柱塞上行，但控制阀中尚未通电，处于开启状态，低压燃油经控制阀流回低压腔；

c ：在达到供油量定时时，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的燃油被压缩，燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制

8

xx省交通高等专科学校机电系毕业论文

进入高压油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的；

d ：凸轮经过最大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭，停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态，低压燃油进入柱塞腔进入下一个循环。

该方法使高压油泵不产生额外的功率消耗，但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与高压油泵凸轮的相位关系，控制系统比较复杂。

2.2、高压油轨（共轨管）

共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用，ECD-U2 系统的共轨管如图 4 所示。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震荡，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机工况的变化。 ECD-U2 系统的高压泵的最大循环供油量为 600毫升，共轨管容积为 94000毫升。

高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。

图2.2 共轨管结构图

9

xx 省交通高等专科学校机电系毕业论文

10

2.3、电控喷油器

电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据 ECU 发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。

图2.3 喷油器结构图

BOSCH 和 ECD-U2 的电控喷油器的结构基本相似，都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成，图 5 为 BOSCH 的电控喷油器结构图。在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔 A ，高压油轨的燃油压力通过量孔 Z 作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔 A 被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。 为了实现预定的喷油形状，需对喷油器进行合理的优化设计。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足

xx省交通高等专科学校机电系毕业论文

够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。

控制量孔 A 、 Z 的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。

此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。

但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。

由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为0.169mm，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。

对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。

2.4、高压油管

高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。

11

xx省交通高等专科学校机电系毕业论文

3.共轨系统的原理及组成

图3.1共轨系统的工作原理

3.2德国BOSCH公司的CR共轨系统

图3.2 德国BOSCH公司的CR共轨系统结构图

12

xx省交通高等专科学校机电系毕业论文

4共轨系统与柴油喷射系统的区别

共轨系统与之前以凸轮轴驱动的柴油喷射系统不同，共轨式柴油喷射系统将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开。电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器，燃油轨中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生，压力大小与发动机的转速无关，可在一定范围内自由设定。共轨中的燃油压力由一个电磁压力调节阀控制，根据发动机的工作需要进行连续压力调节。电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程。喷油量的大小取决于燃油轨中的油压和电磁阀开启时间的长短，及喷油嘴液体流动特性。

燃油喷射压力是柴油发动机的重要指标，因为它联系着发动机的动力、油耗、排放等。目前，共轨柴油喷射系统已将燃油喷射压力提高到1800巴。

与其他喷射系统相比，共轨系统把压力产生与实际燃油喷射过程分离。“轨”被作为高压蓄压器，其内部燃油压力始终保持与发动机具体工况相适应的最佳压力。共轨系统可被轻易地安装到各类不同的发动机中。除此之外，共轨系统还提供了更广阔的扩展功能和在燃烧过程设计上更多的自由度，它可以使柴油发动机以更低的排放、更好的燃油经济性和低噪声运行。电控共轨系统，是国内专家一致认为目前水平最高、将来会占统治地位的一种电控系统。其喷油器的特殊设计，可实行灵活的多次喷射，且喷射压力可在不同转速和负荷条件下任意调节，给发动机带来的好处是极为理想的指标。由于这些因素，电控共轨技术已普遍为新一代乘用车柴油发动机采用。

13

xx 省交通高等专科学校机电系毕业论文

14

5.高压共轨的检查设备

图5.1 高压共轨喷油器性能试验台

5.2 CIT-1型试验台 系统简图

图5.2 CIT-1型试验台

xx省交通高等专科学校机电系毕业论文

CIT-1型试验台技术参数

1. 主电机为进口变频调速电机，输出功率： 11KW

2. 柴油供油泵油量12L/min，供油压力：高压0～4MPa,低压0～0.4MPa，可调

3. 柴油过滤精度3u

4. 温控精度40±2℃，温度显示分辨率0.1℃

5. 机油供油泵油量6L/min；供油压力为0～0.4MPa（可调）

6. 轨压设计压力1600bar（使用压力1200bar）控制精度≤±0.5％

7. 进口编码器,数显主轴转角0～360°,角度编码器3600脉冲/转

8. 外形尺寸（长×宽×高）：1800×960×1750（毫米）

15