Bosch电控高压共轨系统的工作原理和特点.pdf

1、1 柴油喷射系统的发展历程一直以来 ，博世都是柴油机燃油喷射技术的先驱和领导者 ，早在 1927 年就设计和生产了第一台直列泵及油嘴 ， 为柴油喷射技术的发展奠定了坚实基础 。 此后 ，经历了轴向分配泵 、电控分配泵和电控直列泵等发展过程 ， 尤其是直列泵技术在几十年后的今天仍在各个领域广泛应用 。 1994 年 ，生产了第一台商用车电控泵喷嘴系统 （UIS），自此柴油喷射系统从位置控制系统发展为时间控制系统 ，用高速电磁阀直接控制高压柴油喷射 ，使原来复杂的机械结构大大简化 。 随后 ，第一台单体泵系统 （UPS）和第一台电控径向分配泵相继问世 。 代表着当今最先进的柴油喷射系统 电控高压共

2、轨系统于 1997 年和 1999 年分别在乘用车和商用车领域实现批量生产 ， 它使喷射压力的产生完全独立于发动机的转速和喷射过程 ， 并由高速电磁阀直接控制高压柴油喷射 ， 实现了从时间控制系统到时间 压力控制系统的飞跃 （见图 1）。图 1 Bosch 柴油喷射系统的发展历程2 Bosch 电控高压共轨系统的工作原理21 高压共轨系统简介高压共轨燃油喷射技术是通过高压油泵压缩燃油至共轨管内形成高压 ， 再由高压油管分配到每个喷油器 ， 并通过控制喷油器上的高速电磁阀的开启与关闭定时定量地将高压燃油喷射至柴油机燃烧室内 ，以保证最佳的雾化和燃烧效果 ，从而使发动机获Bosch电 控 高 压

3、共 轨 系 统 的 工 作 原 理 和 特 点唐永华 ，张 恬（博世汽车柴油系统股份有限公司技术中心 ，无锡 214028）摘要 ：阐述了 Bosch 柴油喷射系统的发展历程 ，并介绍了 Bosch 电控高压共轨系统的组成和工作原理 ，分析了 Bosch电控高压共轨系统的主要特点 。同时指出以 Bosch 为代表的电控高压共轨技术是当前实现国 3 及更高排放标准 ， 同时提高柴油机动力输出 、降低油耗和噪音的最佳技术方案 ，是今后国内柴油机应用和发展的必然趋势 。关键词 ：Bosch；柴油机 ；电控 ；共轨系统中图分类号 ：U46748 文献标志码 ：A 文章编号 ：10052550（2009

4、）05000905Working Principle and Key Characteristics of Bosch Diesel Common Rail SystemTANG Yonghua，ZHANG Tian（Bosch Automotive Diesel System CoLtd， Wuxi 214028，China）Abstract： This article introduces the evolution of Bosch diesel fuel injection system， working principle and key charac-teristics of Bo

5、sch common rail system Based on the analysis of its main characteristics， it points out that Bosch commonrail system is the stateoftheart diesel injection technology to meet China 3 and future emission standards， and mean-while helps to raise power output， lower fuel consumption and reduce noise emi

6、ssion for diesel engine， therefore， it is aninevitable tendency of Chinese diesel engine application and developmentKey words：Bosch；diesel；electronic controlled；common rail system收稿日期 ：2009-06-12Bosch 电控高压共轨系统的工作原理和特点 / 唐永华 ，张 恬综 述9 汽 车科技第 5 期 2009 年 9 月得最佳的性能 。高压共轨系统主要由低压回路和高压回路两部分组成 。低压回路包括低压油管 、燃

7、油滤清器和齿轮泵等 ，高压回路包括高压油泵 、共轨管 、高压油管和喷油器等部件 ，如图 2 所示 。 发动机工作时 ，高压油泵上自带的齿轮泵通过负压从油箱中吸油 ， 并以一定的压力 （约 57 bar） 将过滤后燃油送入高压油泵 。燃油进入高压柱塞腔后被压缩 ，通过高压油管进入共轨管形成高压 ， 每缸喷油器通过高压油管与共轨管相连 ，以实现高压喷射 。图 2 Bosch 商用车共轨系统示意图22 高压油泵 （High pressure pump）高压油泵是高压共轨系统中的关键部件之一 ，它的主要作用是将低压燃油加压成为高压燃油 ，储存在油轨内等待 ECU 的喷射指令 。高压油泵由齿轮泵 、油量

8、计量单元 、溢流阀 、进出油阀和高压柱塞等部分组成 。 以 Bosch 目前广泛应用于中国商用车市场并已开始本地化生产的 CPN22BL 为例 ， 其结构如图 3 所示 。图 3 Bosch 高压油泵 CPN22BL高压油泵供油量的设计准则是 ： 在整个寿命范围内和任何工况下都必须保证高压油泵的供油量能满足发动机在一定轨压下的喷油量要求 ， 即油量平衡 。 CPN22BL 采用 2 个直列柱塞设计 ，通过发动机凸轮轴驱动 ，传动比为 12，与传统的机械泵类似 ，以便于欧 2 发动机升级 。其润滑方式为机油润滑 ，润滑油路与发动机润滑油路直接相连 。 齿轮泵的任务是向高压油泵供给足够的低压燃油

9、， 安装在高压油泵泵体后端 ， 依靠位于高压油泵凸轮轴末端的齿轮来驱动 ，它的转速是高压油泵 285 倍 。 当燃油进入高压部分后 ，一路经过油量计量单元进入高压柱塞腔 ，经压缩后进入油轨 ， 同时多余的燃油通过溢油阀回到油箱中 。 油量计量单元的主要作用是调节进入高压柱塞腔的油量 ， 以控制共轨管内的燃油压力的大小 。23 共轨管 （Rail）共轨管是电控高压共轨系统中所特有的零部件 ，主要包括高压接头 、节流孔 、轨压传感器和压力限制阀 ，如图 4 所示 。共轨管的主要作用是蓄压和分配燃油 ， 阻尼燃油压力波动同时还限制最高燃油压力 ，使之不超过安全限值 。 轨压传感器向 ECU 提供共轨

10、管内的实时压力信号 ， 做为轨压闭环控制的输入 。 油轨进出口处的节流孔设计可减小共轨管和高压油管中的压力波动 。压力限制阀是一个机械阀 ，当压力超过一定限值时即开启 ， 以保证共轨管在出现压力异常时 ，将压力迅速释放从而确保系统安全 。当压力限制阀打开后 ， 它仍能将轨压维持在一个正常范围 （如 700800 bar），让车辆在故障情况下仍能继续运行至维修站点 ，即跛行回家 。图 4 Bosch 共轨管24 喷油器 （Injector）喷油器是电控高压共轨系统中最关键和最复杂的部件 ，它的作用是根据 ECU 发出的电信号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时刻 、喷油量

11、和喷油率喷入柴油机的燃烧室内 。喷油器主要由喷油器体 、电磁阀 、油嘴 、针阀组件和弹簧等部分组成 ， 图 5 所示为 Bosch 的第二代商用车喷油器 CRIN2。 在电磁阀不通电时 ，电枢将球阀紧紧压在阀座上 ， 此时控制室和压力室内压力平衡 ， 油嘴针阀被弹簧预紧力紧紧压在油嘴座面上不抬起 ，即喷油器不喷油 ；当电磁阀通电时 ，电磁阀通过吸力将电枢抬起 ， 此时控制室内燃油经球阀量综 述10 孔 泄漏 ，控制室压力迅速下降 ，而压力室压力没有变化 ，从而油嘴针阀被抬起 ，即喷油器开始喷油 ；当电磁阀关闭时 ，控制室的压力上升 ，油嘴针阀两端压力再次平衡 ，在弹簧预紧力的作用下油嘴针阀落座

12、 ，从而关闭喷油器完成喷油过程 。图 5 Bosch 第二代喷油器 CRIN225 电控单元 ECU、传感器和执行器电控单元 ECU、传感器和执行器是电控燃油喷射系统的三个基本要素 。 传感器主要用于采集发动机及整车的相关信号 ，并输入 ECU。 ECU 接收传感器信号并进行计算和处理 ， 然后驱动执行器完成控制过程 。Bosch ECU 的功能示意图如图 6 所示 ，主要包 括 模 数 转 换 器 、CPU、RAM、Flash EPROM、E2PROM、功率驱动 诊断模块和 CAN 通讯模块等部分 。 模数转换器将传感器的模拟信号转换为数字信号以便 CPU 对其进行直接处理和计算 ；随机存储

13、器RAM 用于对 ECU 数据进行在线实时修改 ；Flash E-PROM 主要用于存储电控系统的各种标定参数 ，如MAP 图 、曲线和常量等 ，可重复擦写 ；E2PROM 则用于存储系统错误及故障代码等信息 ；功率驱动 诊断模块负责驱动和控制执行器工作 ， 并检测各个执行器的电信号错误 ， 如短路 、 断路和信号不可信等 ；CAN 通讯模块用于跟其他整车控制器交换信息 ，如ABS 和 ESP； 诊断和报警系统用于监控系统故障并触发报警装置工作 。在 Bosch 电控高压共轨系统中 ， 有很多用于测定发动机实时运行状态的传感器 ，如轨压传感器 、加速踏板位置传感器 、增压压力传感器 、水温传感

14、器 、进气温度传感器 、凸轮轴位置传感器 、曲轴位置传感器 、车速传感器和机油压力 温度传感器等 。 主要执行器包括喷油器电磁阀 、油量计量单元 、增压压力控制器 、EGR 阀 、 辅助加热装置 、 空调和风扇控制器等 。3 Bosch 电控高压共轨系统的主要特点众所周知 ，提高柴油机动力性 、经济性和降低排放的中心任务是改善柴油机的燃烧过程 。 而只有通过灵活的燃油喷射控制才能实现最佳的缸内燃烧 。电控高压共轨系统 ， 是柴油机电控技术发展过程中的一个重大飞跃 ， 是迄今为止针对柴油机的最佳解决方案 。 因为它改变了传统的机械式喷油系统的组成结构 ， 使喷射压力的产生完全独立于发动机的转速和

15、喷射过程 ，真正的实现了喷油压力 、喷油时刻 、喷油量和多次喷射的独立及柔性控制 ， 从而实现与发动机的完美匹配 ，大大提升了柴油机的动力性 、经济性 、排放及噪声方面的综合性能 。Bosch 电控高压共轨系统是共轨技术中的典型代表 ，具有其自身显著的优点 ， 主要包括 ：1） 高压喷射 ；2）独立柔性的喷射压力控制 ；3） 精确柔性的喷油时刻控制 ；4） 精确柔性的喷油量控制 ；5） 多次喷射 。 其主要特点及参数如图 7 所示 。31 高压喷射为了进一步改善柴油机的燃烧过程以及满足更为严格的排放法规要求 ，柴油机的喷射压力在不断的提高 。 试验证明 ，高的喷射压力将明显改善柴油和空气的雾化

16、效果 ，缩短着火延迟期 ，使燃烧更迅速 、更彻底 ，并有利于提高燃油经济性 。Bosch 目前应用于中国商用车市Bosch 电控高压共轨系统的工作原理和特点 / 唐永华 ，张 恬综 述11 汽 车科技第 5 期 2009 年 9 月场的主要是其第二代高压共轨系统 CRSN2 （最大喷 射 压 力 为 1 600 ar） 和第三代高压共轨系统CRSN3 （最大喷射压力可达 1 800 bar） ，可满足国3 和国 4 的排放要求 。图 7 Bosch CRS 主要特点和参数32 独立柔性的喷射压力控制由于传统的柴油机燃油喷射系统的喷射压力与柴油机的转速和负荷相关 ， 这种特性对于低转速 、 部分

17、负荷条件下的燃油经济性和废气排放非常不利1。而电控高压共轨系统的喷射压力与柴油机的转速和负荷相独立 ，因此成功解决了这一难题 。对于应用 Bosch 电控高压共轨系统的柴油机 ， 不仅在低转速和小负荷工况下能轻松实现高压喷射 ，还可根据性能和排放的要求对各种不同的工况自由设定其所需的最佳喷射压力 ， 使柴油机在各种工况下的废气排放最低 、经济性最好 、动力性最强 ，在优化柴油机的综合性能上具有很大的自由度 。Bosch 电控高压共轨系统除了可以自由设定喷射压力 ，而且还可以根据发动机温度 、环境温度和大气压力等环境参数对设定值进行实时修正 ， 真正实现了喷射压力在各种环境下的最优化 。 此外

18、，ECU采用 PID 控制策略对轨压实行闭环控制 ，通过接收共轨管上轨压传感器的信号 ，并与 ECU 内的轨压设定值相比较 ，PID 控制器根据两者偏差实时调节高压油泵上油量计量单元的开度来实现轨压的精确控制 ，具有动态响应速度快 、超调和波动小等特点 。 一般 ， 轨压波动和轨压在动态过程中的超调量可控制在非常小的范围内 。33 精确柔性的喷油时刻控制在柴油机高速工况下 ， 柴油的喷射过程只有千分之几秒 。如何控制燃油在最佳的时刻喷射 ，将直接影响到柴油机活塞上止点前喷入气缸的油量 ， 决定着气缸的峰值爆发压力和最高燃烧温度 。 高的爆发压力和燃烧温度可以改善燃油经济性 ， 但会导致NOx排

19、放增加 。 而电控高压共轨系统不依赖于转速和负荷的喷射时刻控制能力 ， 将是在燃油消耗率和排放之间实现最佳平衡的关键技术 。Bosch 电控高压共轨系统中 ， 最佳的喷油时刻不仅可根据发动机的转速和喷油量等工况要求预先标定在 ECU 内 ，还可根据冷却水温度 、环境温度和大气压力对其进行实时修正 ， 以实现在各种环境下喷油时刻的最优化 。 此外 ，ECU 可通过曲轴位置和凸轮轴位置传感器来准确快速地识别当前柴油机的曲轴转角和上止点位置 ， 并以电信号指令迅速给喷油器高速电磁阀加电以实现精确喷射 。 Bosch 电控高压共轨系统不仅能精确计算和控制喷油时刻 ，其喷射时刻还可在 4030的曲轴转角

20、范围自由选取 。配合高的喷射压力 ，可有效降低燃油消耗率并同时减少 NOx和颗粒物 （PM）的生成 ，以满足排放要求 。34 精确柔性的喷油量控制电控高压共轨系统中 ， 其喷油量的大小主要取决于当前的喷射压力和喷油器电磁阀的加电时间 。一般 ， 喷油器在某一压力下和一定加电时间下能喷出的油量需在油泵试验台上事先测定 ， 即喷油器的喷油特性 MAP 测量 ，然后将此值存入 ECU 中 。柴油机在正常工作时 ，ECU 根据当前的转速和负荷需求计算出当前所需的喷油量大小 ， 然后通过反查喷油器的喷油特性 MAP，计算出当前轨压下所需的加电时间 ， 再通过控制喷油器的电磁阀的加电时间来精确控制喷油量

21、。Bosch 电控高压共轨系统中 ， 喷油器电磁阀的加电时间以微秒为单位 ， 可使每循环喷油量精确到毫克 ， 而预喷油量可因此控制在 12 mg 之间 。 同时 ， 喷油器的良好一致性保证各缸间及每次喷射间的偏差最小化 。 此外 ，ECU 的相关自学习软件功能还可补偿喷油器的喷油特性在使用寿命内的细微漂移 。 因此 ，对于匹配 Bosch 高压共轨系统的柴油机 ，其循环喷油量变动小 ，各缸喷射均匀 ，可大大减轻柴油机的噪声和振动并降低有害物的排放 。35 多次喷射 （Multiinjections）由于传统的机械式燃油喷射系统不能实现多次喷射 ，这对降低发动机噪声 、排放和改善冷起动方面很不利

22、 。 而电控高压共轨系统则能轻易实现多次喷射功能 ，大大提高了柴油机的综合性能 。多次喷射可综 述12 分 为预喷 （PI）、主喷 （MI）和后喷 （PoI）。 预喷 ，即在主喷之前喷入少量的柴油到燃烧室 （约 12mg），燃烧后可使主喷时的缸内温度升高 ， 从而缩短主喷的着火延迟期和降低缸内压力上升速度 ， 使燃烧更为高效而柔和 ， 是降低燃烧噪音 、HC 和 CO 排放非常有效的途径 。此外 ，预喷还有助于改善柴油机的冷起动性能 ， 降低冷态工况下白烟的排放以及改善发动机低速扭矩等2。 主喷主要用于产生扭矩 ，其喷油量大小取决于发动机的性能要求 。 后喷可分为早后喷（PoI2）和迟后喷 （

23、PoI1）。 早后喷非常靠近主喷 ，可燃烧并能产生扭矩 ， 主要用于燃掉燃烧室中残余的炭烟颗粒 ，炭烟排放可因此进一步减少 2070。 迟后喷则相对远离主喷 ，一般在上止点后 200曲轴转角范围内喷射 ，喷出的燃油不燃烧 （即不产生扭矩 ），但会被排气余热蒸发 ， 主要用于为柴油机氧化催化器提供 HC，被氧化后发生放热反应以增加排温 ，亦可用于后处理系统中的再生反应 ， 如颗粒捕集器（DPF）和 NOx储存催化器 （NSC）。由于主喷与预喷以及后喷之间的时间间隔因工况要求而不同 ， 如何实现灵活的多次喷射控制能力对改善柴油机的综合性能和排放将非常关键 。Bosch目前广泛应用于中国商用车市场的

24、第二代电控高压共轨系统 （CRSN2）可实现每循环 5 次喷射 ，即 2 次预喷 ，1 次主喷 ，2 次后喷 。其中 ，预喷与主喷 、主喷与后喷之间的最小喷射间隔 （即上一次喷射结束到下一次喷射开始的时间 ） 如图 8 所示 。 而更先进的第三代共轨系统 （CRSN3）则可实现每循环 7 次喷射 ，它们都可根据不同的工况要求将理想的预喷和后喷的油量 、 喷射次数以及与主喷的时间间隔等参数预先自由设定和储存在 ECU 的各个 MAP 图内 ， 从而实现多次喷射的灵活控制 。图 8 多次喷射间的最小时间间隔4 总结随着对柴油机低油耗 、高功率及降低排放 、噪声等方面的要求日渐强烈 ， 传统的依靠凸

25、轮机构组成的机械式柴油机燃油喷射系统因其控制自由度小 、控制精度低 、响应速度慢等固有的缺点 ，已无法满足要求 。 所以在柴油机上应用电子控制技术已成为必然 。 而电控高压共轨燃油系统不仅改变了传统的机械式喷油系统的组成结构 ， 使喷射压力的产生完全独立于发动机的转速和喷射过程 ， 还真正实现了喷油压力 、喷油时刻 、喷油量和多次喷射的独立 、精确及柔性控制 ，从而大大提升了柴油机的动力性 、经济性 、排放及噪声方面的综合性能 。 因此 ，以 Bosch 为代表的电控高压共轨系统是当前实现国 3 及更高排放标准 ，同时提高柴油机动力输出 、降低油耗和噪音的最佳技术方案 ， 是今后国内柴油机应用

26、和发展的必然趋势 。 正是基于此 ，Bosch 早在 2004 年便开始了与国内众多企业的高压共轨柴油机项目的开发 ，同时在无锡建立了博世汽车柴油系统股份有限公司（RBCD），致力于共轨系统的本土化研发 、匹配 、生产以及销售 ，并于 2006 年在属下的柴油系统技术中心开始了专门针对中国市场需求的高压共轨系统和零部件的本地化开发 ， 并在无锡实现了关键零部件的本地化生产 。参考文献 ：1 孙吉树 柴油机电控高压共轨式喷射技术分析 J 延边大学农学学报 ， 2008，（9）：2222242 程婷婷 高压共轨电控柴油机起动过程及油量研究 J现代车用动力 ， 2008，（1）：2022Bosch 电控高压共轨系统的工作原理和特点 / 唐永华 ，张 恬综 述13