高压共轨式电控喷油柴油机【现代轿车柴油机电控高压喷油系统(五)】

　　(接上期)　　喷油过程是通过控制电磁阀线圈中的电流来实现的。于是，发动机电控单元使电磁线圈充电，电磁阀打开控制室的出油孔，因为控制室的出油孔大于进油孔，所以控制室中的燃油压力降低。但是，喷油嘴针阀仍保持关闭(图4-12(b)，图4-12见上期，下同)，一直到控制室中的压力降低到作用在喷油嘴针阀上端的力不足以将针阀压紧在其座面上为止。在这个阶段，前面提到过的喷油器回油管路中的真空度非常重要，它有助于控制室中的压力尽可能快地被降落。当控制室中的燃油压力和弹簧压力之和小于作用在针阀座上方的共轨燃油压力时，喷油嘴针阀从其座面上抬起，喷油过程开始(图4-12(c))。
　　喷油过程中，在最大共轨压力下，通过喷油器中间块中的喷油嘴进油量孔的压力落差大约为10MPa，因此，实际的喷油压力总是低于共轨压力。
　　电控单元切断电磁线圈中的电流，电磁阀关闭，喷油过程就进入了终了阶段，喷油嘴针阀仍然保持开启(图4-12(d))，一直到控制室中再次全部充满共轨压力为止。共轨压力与喷油压力之间的压力差对于喷油结束过程是很重要的，因为在喷油嘴针阀开着的时候，喷油嘴针阀顶尖(指针阀密封环带以下的部分)的作用面积要添加到针阀座上方的压力作用面积上，两者面积之和大于处于控制室中的针阀上端压力作用面积。因此，只有当控制室中的燃油压力与弹簧压力之和大于喷油嘴针阀下端的压力时，喷油嘴针阀才能快速并精确地关闭。喷油嘴针阀关闭后，在整个喷油器中又重新建立起共轨压力(图4-12(e))。
　　喷油嘴针阀的滞后打开现象可以被利用，在发动机停机或者倒拖时可使共轨压力尽可能快地降低下来。为此，以高的频率同时控制所有的喷油器电磁阀，使共轨压力能完全泄漏到回油管路中去，而喷油嘴针阀不会打开，同时借助于进油计量阀(JMV)减少或者切断进入高压燃油泵的进油量，这样共轨压力的降落就更快了。
　　控制喷油器电磁阀的电流脉冲信号可分为两个阶段：峰值电流和保持电流(图4-13)，这种电流信号波形通常被称之为“峰值一保持波形”。峰值电流比保持电流大，以便能克服衔铁的惯性尽快地将电磁阀打开，从而获得良好的动态响应性能。而维持电磁阀开启状态只需要较小的保持电流，这样可减小发动机电控单元的电功率及其在喷油器中的能量损失。整个电流脉冲信号的时间称为“喷油脉冲宽度”或简称为“喷油脉宽”，一般以ms计。它表示喷油嘴针阀开启的时间。在一定的喷油压力下，喷油器每次的喷油量与喷油脉宽成正比，因此只需调节喷油脉宽就能调节喷油量的多少。经过匹配试验后，所得到的发动机各运行工况下的最佳喷油量就是以喷油脉宽的数字形式存储在发动机电控单元内的，用于对喷油器进行控制。
　　2　压电控制式喷油系统
　　(1)压电控制式喷油器
　　德尔福公司于2008年投入批量生产的200MPa喷油压力的新型高压共轨喷油系统，采用压电直接控制式喷油器。与博世公司的压电直接控制式喷油器不同，这种喷油嘴的针阀(图4—14)直接由一个压电陶瓷执行器驱动，而无须经过液压伺服阀的转换，因此喷嘴针阀能比前者更加迅速地开闭，而与喷油压力无关。其对最小的先导喷射(注：指预喷射之前起引导作用的微量喷油，实际上就是第1次预喷射，参见图4—2)油量的优化控制以及整个使用寿命期内卓越的喷油量稳定性十分有利，确保达到了一流的燃油喷射品质，使得能够在降低燃油耗的同时获得最低的排放。
　　压电直接控制式喷油器与电磁阀控制式喷油器相比，最大的区别在于压电执行器以及由其直接操纵的喷嘴针阀(图4—15)。喷油嘴针阀的开关闭速度高达3m／s。比电磁阀控制的喷嘴针阀快3倍。这种喷油器具有非常短的开关时间(200μs)，并能够实现喷嘴针阀的全升程和部分升程。其最短的喷油时间可达0.1ms，而且喷射间隔时间可极小甚至无间隔(参见国4—2)。
　　同时，压电直接控制式喷油器具有高的静态流量值(在200MPa喷油压力下最多可达约30g／s)，因而大大拓展了喷油器的动态流量范围，特别是对于喷油量跨度较大的涡轮增压直喷式柴油机，在喷油策略方面能获得很大的自由度，可根据发动机负荷、转速和温度状况，在整个进气和压缩行程期间将喷油量任意分成多次喷射。茌小负荷工况时，只需进气行程期间的单次喷油脉冲就足以获得均匀的油气混合汽，而在低速高负荷运转的工况时，将喷油量分成2次或3次喷射，这样就能够尽可能减少燃油湿壁和机油稀释现象。此外，高精度的喷油量计量为现代直喷式柴油机能满足越来越严格的废气排放限值提供了必要的前提条件。
　　德尔福压电直接控制式喷油器应用了一种创新的以共轨压力为动力的两级式针阀运动放大器。通过压电执行器与喷油嘴针阀之间的这种直接耦合，确保针阀能达到最高的执行速度。这种针阀运动放大器具备了提供分级运动能量的功能，因而能够最佳地胜任针阀开启和关闭阶段所需能量变化的要求。
　　在第一放大级中，压电执行器与喷油嘴针阀是刚性耦台的，以便使压电模块打开喷油嘴所必需的电流最小，其优点是能完全以紧密刚性耦台的“机械”方式来执行喷油量最小的先导喷射，从而能够获得各次喷射之间极小的喷油量偏差。当针阀打开第一级结束时，第二放大级中的液压针阀运动放大器就用上了，使得为达到最大针阀升程(喷油量较大时)所必需的压电执行器升程最小。
　　由于压电直接控制式喷嘴针阀的开启和关闭速度极高，并且与电磁阀控制式喷油器不同，它们与共轨压力无关，以至于即使在较低的共轨压力下，仍具有至今电磁阀喷油器尚达不到的针阀速度，因此，一方面在所有的共轨压力下都能获得矩形的喷油速率(图4—16)，这是电磁阀控制共轨喷油系统不可能做到的，特别是在低于平均共轨压力的范围内。
　　另一方面，喷嘴针阀的高速动作提高了喷射油束的动量，从而能获得更好的油束雾化性能。图4—17示出了喷油过程开始阶段的喷射油束情况，由于压电直接控制式喷油器打开得比电磁阀控制式喷油器更快，因此喷油开始后前者的油束贯穿深度要比后者更大，油束也更直些，从而促进了空气与燃油更均质化的混合，这对于升功率较高的发动机特别有利，对于燃烧过程中颗粒／NOx排放的折衷将起到有利的作用，而且也改善了燃烧过程对废气再循环(EGR)的适应性。