CN111219279B - 一种具有自保护功能的燃料喷射系统及压力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于发动机技术领域，具体的说是一种具有自保护功能的燃料喷射系统及压力控制方法。该系统包括高压燃料泵、高压公共轨道总成、燃料喷射器；所述高压燃料泵、高压公共轨道、燃料喷射器依次通过管路相连；所述高压燃料泵的上游依次设置有低压控制阀、泄流孔和流量控制阀。本发明是一种具有自保护功能的燃料喷射系统及压力控制方法，通过流量控制阀和低压控制阀协同工作，实现具有自保护的燃料计量和压力调节功能，使燃料喷射系统在动态过程中具有更好的压力调节特性。

Description

一种具有自保护功能的燃料喷射系统及压力控制方法
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体的说是一种具有自保护功能的燃料喷射系统及压力控制方法。
背景技术
发动机电控高压燃料喷射系统典型地包括至少一个高压燃料泵、一个高压公共轨道、若干个燃料喷射器和一个电子控制单元。在示意性设计中，将由一个或多个高压燃料泵与高压公共轨道连接，由此向燃料喷射器提供高压燃料，其中燃料高压泵加压燃料，公共轨道将加压燃料分配给每个燃料喷射器，电子控制单元按照发动机的工况要求提供控制信号，保证高压燃料喷射系统能够为发动机定时定量地提供高压燃料。
为了满足日益严格的节能减排要求，对电控高压燃料喷射系统的喷射压力、喷油精度、驱动功耗、可靠寿命等方面提出更高要求，其中喷射压力达到200MPa以上，现有技术已不断升级强化，如燃料喷射器设置有消除偶件间隙高压泄漏的结构方案，高压燃料泵下游设置有高压控制阀，类似以上改进部分出现一些不足之处，具体如下：
1)高压燃料无效释放，增加系统高压能量损失；
2)高压燃料有效利用率降低，增加高压燃料泵的供油负荷；
3)因高压泄油引起的流体穴蚀问题，降低高压控制阀及系统可靠性。
4)高压控制阀承受压力高，甚至200MPa以上，对材料和制造要求高，成本高。
5)无自保护功能。
现有技术的燃料喷射系统通常采用流量控制阀计量燃料流入高压燃料泵，特别在高转速、大油量工况条件下，高压燃料泵上游低压回路容易出现强烈的液力冲击，从而在高压公共轨道腔内产生干扰性压力脉动的问题，同时，在采用无静态泄漏的燃料喷射器系统中，当燃料喷射器喷射量出现较大下降时，流量控制阀因电磁及液力操作滞后延迟不能即时移动到期望位置，部分燃料不受控制地流入高压燃料泵被加压流入高压公共轨道，出现高压公共轨道腔内压力不符合期望值的升高，故现有技术进一步改进在高压燃料泵下游增加高压控制阀，减弱高压公共轨道的压力干扰性波动，控制高压公共轨道腔内压力更快地达到期望值。
现有技术虽然可以改进燃料喷射系统的稳态压力调节特性及响应性，但由于高压控制阀设置在高压燃料泵下游的高压区，其在工作中必然产生高压燃料的无效释放，使得高压燃料有效利用率降低，系统高压能量损失大，增加了燃料泵的供油负荷，同时，高压控制阀承受压力极高，甚至可达200MPa以上，对材料和制造要求高，成本高，因高压泄油会引起的流体穴蚀问题，又可降低高压控制阀及系统的可靠性。
发明内容
本发明提供一种具有自保护功能的燃料喷射系统及及压力控制方法，通过流量控制阀和低压控制阀协同工作，实现具有自保护的燃料计量和压力调节功能，使燃料喷射系统在动态过程中具有更好的压力调节特性，解决了现有技术中存在的上述不足。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种具有自保护功能的燃料喷射系统，该系统包括高压燃料泵20、高压公共轨道总成40、燃料喷射器50；所述高压燃料泵20、高压公共轨道40、燃料喷射器50依次通过管路相连；所述高压燃料泵20的上游依次设置有低压控制阀36、泄流孔34和流量控制阀32。
所述高压燃料泵20包括入口止回阀22、出口止回阀24、柱塞偶件26和驱动机构28；所述高压公共轨道总成40包括高压公共轨道42、压力传感器44和压力限制阀47；所述泄流孔34和低压控制阀36位于高压燃料泵20和流量控制阀32之间；燃料供应10通过第一供应管道12与流量控制阀32的一端连接；所述流量控制阀32的另一端通过第二供应管道14与高压燃料泵20的一端连接；所述流量控制阀32上设置有操控流量控制阀的控制元件32A；所述操控流量控制阀的控制元件32A与电子控制器60连接；所述低压控制阀36上设置有操控低压控制阀的控制元件36A；所述操控低压控制阀的控制元件36A与电子控制器60连接；所述燃料喷射器50上设置有操控燃料喷射器的控制元件50A；所述操控燃料喷射器的控制元件50A与电子控制器60连接；所述泄流孔34、低压控制阀36通过燃料泵回路管道16与燃料箱的燃料排出管道18连接；所述柱塞偶件26的柱塞套的一端与入口止回阀22的一端连接；所述入口止回阀22的另一端与第二供应管道14连接；所述柱塞偶件26的柱塞套的另一端与出口止回阀24的一端连接；所述出口止回阀24的另一端与高压公共轨道42连接；所述高压公共轨道42与压力传感器44连接；所述压力传感器44与电子控制器60连接；所述高压公共轨道42与压力限制阀47的一端连接；所述压力限制阀47的另一端通过燃料泵回路管道16与燃料箱的燃料排出管道18连接。
所述流量控制阀32优选为常开型，其流量特性，即燃料体积流量Q和用于致动的平均电流Iq的相关性为：当流量控制阀32的上下游压力差值Δp1＜Δp2时，则燃料体积流量有Q1(Iq)＜Q2(Iq)的关系，其中，Q1(Iq)为上下游压力差值为Δp1时的燃料体积流量，Q2(Iq)为上下游压力差值为Δp2时的燃料体积流量。
所述低压控制阀36优选为卸载型阀，其压力特性特征即容许排出压力p与用于致动的平均电流Ip在工作区域呈线性或类线性的相关关系。
所述低压控制阀36的设置有如下压力特性特征范围，在平均电流Ip＝Imin时，容许排出压力处于最大值p_hmax，在平均电流Ip＝Imax时，容许排出压力处于最小值p_lmin。
所述高压燃料泵20设置的入口止回阀22的容许流入压力p_in大于低压控制阀36设置的容许排出压力最小值p_lmin。
所述低压控制阀36的响应特性不低于所述流量控制阀32的响应特性。
所述电子控制器60通过识别压力传感器44的压力信号特征，调节制动电流控制流量控制阀32的流通面积，以改变通过流量控制阀32的燃油流量；所述电子控制器60通过识别压力传感器44的压力信号特征以及流量控制阀32的电流信号特征，调节制动电流控制低压控制阀36的容许排出压力；通过上述两个步骤的协同工作实现燃料喷射系统的压力控制和自保护。
所述压力控制方法包括以下控制准则：
a)当所述电子控制器60识别的压力传感器44的压力信号与期望轨压一致时，则电子控制器60维持现有参数不变；
b)当所述电子控制器60识别的压力传感器44的压力信号与期望轨压不一致时，则电子控制器60以调节流量控制阀32为主、调节低压控制阀36为辅，改变流入高压燃料泵20中的燃料流量及压力，使高压燃料泵20的供油量向期望轨压方向移动；
c)当所述电子控制器60识别的压力传感器44的压力信号与期望轨压不一致时，且此时低压控制阀36出现故障时(故障评判依据是传感器压力特征信号和低压控制阀的电流信号特征的相关性)，电子控制器60仅调节流量控制阀32的制动电流，改变流入高压燃料泵20的燃料流量，使高压燃料泵20的供油量向期望轨压方向移动；
d)当所述电子控制器60识别的压力传感器的压力信号与期望轨压不一致时，且此时流量控制阀出现故障时即故障评判依据是传感器压力特征信号和流量控制阀的电流信号特征的相关性，电子控制器60仅调节低压控制阀36的制动电流，改变流入高压燃料泵20的燃油压力，使高压燃料泵20的供油量向期望轨压方向移动；
e)当所述电子控制器60识别的压力传感器44的压力信号与期望轨压不一致时，且此时流量控制阀32、低压控制阀36均出现故障时，则电子控制器60控制整个系统紧急停机。
本发明的有益效果为：
1)本发明在高压燃料泵上游增加低压控制阀，通过控制低压控制阀的容许排出压力来调节高压燃料泵上游的压力，从而优化高压燃料泵上游的动态压力特性，特别是改善在高转速、大油量工况容易出现的干扰性压力脉动的问题，从而改善燃料喷射系统的燃料计量和压力调节功能；
2)本发明在高压燃料泵上游增加低压控制阀，所述的低压控制阀通过控制容许排出压力进一步改善高压燃料泵上游的压力动态响应速度，特别是在燃料喷射器从大油量喷射工况突然切换到禁止喷射工况；
3)本发明的燃料喷射系统在流量控制阀出现故障的情况下，所述的低压控制阀通过控制容许排出压力调节高压燃料泵上游的压力，暂时性实现燃料喷射系统的燃料计量和压力调节功能，具有自保护性作用；
4)对比于现有技术的高压控制阀设置在高压燃料泵下游，本发明的低压控制阀设置在高压燃料泵上游，由于将低压控制阀设置于低压油路，消除了高压燃料无效的释放，并能降低系统高压能量损失及燃料泵的供油负荷；
5)本发明的低压控制阀无流体穴蚀问题，提高低压控制阀和燃料喷射系统可靠性，本发明的低压控制阀承受压力低，在3MPa以内，对材料和制造要求较低，成本较低。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明中流量控制阀的流量特性图；
图3a为本发明中低压控制阀压力特性图；
图3b为本发明中低压控制阀流量特性图。
图中：10、燃料供应；12、第一供应管道；14、第二供应管道；16、燃料泵回路管道；18、燃料排出管道；20、高压燃料泵；22、入口止回阀；24、出口止回阀；26、柱塞偶件；28、驱动机构；30、供油泵总成；32、流量控制阀；32A、操控流量控制阀的控制元件；34、泄流孔；36、低压控制阀；36A操控低压控制阀的控制元件、40、高压公共轨道总成；42、高压公共轨道；44、压力传感器；47、压力限制阀；50、燃料喷射器；50A、操控燃料喷射器的控制元件；32、流量控制阀；34、泄流孔；36、低压控制阀；60、电子控制器；
具体实施方式
参阅图1，一种具有自保护功能的燃料喷射系统，适用于商用车辆动力、各类工程机械动力，更适用于船舶动力。
由低压燃料泵将燃料供应10分配至第一供应管道12，设置流量控制阀32来计量燃料流入至少1个高压燃料泵20上游第二供应管道14。高压燃料泵20设计的实施例至少包括入口止回阀22、出口止回阀24、柱塞偶件26、驱动机构28和其他辅助元件。所述其他辅助原件包括泵体基体，用于布各类控制阀、管道、止回阀、栓塞偶件、驱动机构。所述驱动结构28是保证柱塞偶件的柱塞按要求实现往复运动。所述高压公共轨道总成40储存高压燃料泵20的出口止回阀24排出高压燃料，高压公共轨道总成40通常可包括高压公共轨道42、压力传感器44和压力限制阀47，其中压力传感器44定时检测高压公共轨道42腔内的压力，压力限制阀47控制高压公共轨道42腔内的最高压力。设置有至少1个燃料喷射器50将高压燃料按工作要求喷射到内燃机的气缸中。
本发明进一步设置有泄流孔34，处于高压燃料泵20和流量控制阀32之间，可以导出流量控制阀32完全关闭时可能的泄漏燃料，避免泄漏燃料被允许流入高压燃料泵20加压引起燃料喷射系统的过压。
本发明进一步设置有低压控制阀36，处于高压燃料泵20和流量控制阀32之间。低压控制阀36可利用致动电流按工作要求调节高压燃料泵20的上游供应管道的压力，从而消除燃料第二供应管道14过高的压力干扰或者控制流入高压燃料泵20的燃料量。
所述燃料泵回路管道16可与燃料箱的燃料排出管道18连接。燃料泵回路管道16与低压控制阀36的燃料流出端管道连接，使从低压控制阀36流出的燃料经过燃料泵回路管道16排出。燃料泵回路管道16与泄流孔34的燃料流出端管道连接，可以使流量控制阀32完全关闭时的任何可能泄漏的燃料经过泄流孔34排入燃料泵回路管道16，从而远离高压燃料泵20防止被加压。
所述高压燃料泵20、流量控制阀32、泄流孔34、低压控制阀36共同组成了供油泵总成。
所述电子控制器60用于操控流量控制阀的控制元件32A，用于操控低压控制阀的控制元件36A，用于操控燃料喷射器的控制元件50A,用于识别高压公共轨道的压力传感器44的压力信号。通过电子控制器60协同流量控制阀32和低压控制阀36的工作方式。
流量控制阀32利用电子控制器所操控的控制元件的致动电流和燃料流通面积的线性或类线性关系来控制流入第二供应管道14的燃料量。流量控制阀32优选常开型，其流量特性如图2所示，其优势在于因流量控制阀的控制元件不能正常被操控或其他原因使流量控制阀不能正常约束性控制流入第二供应管道14的燃料量，通常其流通面积一直处于最大值状态，本发明所述的燃料喷射系统在低压控制阀单独通过调节容许排出压力的工作模式条件下来也能够控制流入高压燃料泵20的燃料量。
所述低压控制阀36利用电子控制器60所操控的控制元件的致动电流和容许排出压力的线性或类线性关系来允许燃料从第二供应管道14排入回路管道16，从而调节高压燃料泵20上游的供应管道的压力，控制燃料流入高压燃料泵20的燃料量。低压控制阀36优选为卸载型，且所述低压控制阀36的响应速度应快于所述流量控制阀的响应速度，压力流量特性优选为如图3a、3b所示，其优势在于因低压控制阀36的控制元件可以构造成暂停工作状态，或者不能正常被操控的状态，本发明所述的燃料喷射系统在流量控制阀单独计量通过第二供应管道14流入高压燃料泵20的燃料量。
所述低压控制阀36进一步构造为其容许排出压力的最小值p_lmin低于入口止回阀容许流入压力，以便高压燃料泵上游的第二供应管道14的燃料在需要的情况下可以正常通过低压控制阀排出到燃料泵回路管道16，从而使第二供应管道14的压力低于入口止回阀容许流入压力，使得通过流量控制阀的任何燃料都朝着回路管道排出，并远离高压燃料泵20的加压。
本发明的燃料喷射系统可以有如下功能：
本发明所述低压控制阀36和流量控制阀32根据发动机工况协同工作，控制燃料通过入口止回阀流入高压燃料泵20，实现燃料喷射系统的燃料计量和压力调节功能。
本发明所述低压控制阀36单独工作，调节高压燃料泵20上游的压力，控制燃料通过入口止回阀22流入高压燃料泵20，实现燃料计量和高压公共轨道的压力调节的功能。
本发明所述流量控制阀32单独工作，计量流入高压燃料泵20的燃料量，并通过入口止回阀22流入高压燃料泵，实现燃料计量和高压公共轨道的压力调节的功能。。
本发明所述的流量控制阀和低压控制阀联合工作，流量控制阀计量燃料流入高压燃料泵上游，低压控制阀调节高压燃料泵上游的压力，更快更精确实现燃料计量和高压公共轨道的压力调节的功能。
一种具有自保护功能的燃料喷射系统的压力控制方法，所述电子控制器电子控制器60通过识别压力传感器44的压力信号特征，调节制动电流控制流量控制阀32的流通面积，以改变通过流量控制阀32的燃油流量，所述电子控制器60通过识别压力传感器44的压力信号特征以及流量控制阀32的电流信号特征，调节制动电流控制低压控制阀36的容许排出压力；所述压力控制方法包括以下控制准则：
a)当所述电子控制器60识别的压力传感器44的压力信号与期望轨压一致时，则电子控制器60维持现有参数不变；
b)当所述电子控制器60识别的压力传感器44的压力信号与期望轨压不一致时，则电子控制器60以调节流量控制阀32为主、调节低压控制阀36为辅，改变流入高压燃料泵20中的燃料流量及压力，使高压燃料泵20的供油量向期望轨压方向移动；
c)当所述电子控制器60识别的压力传感器44的压力信号与期望轨压不一致时，且此时低压控制阀36出现故障时，电子控制器60调节流量控制阀32的制动电流，改变流入高压燃料泵20的燃料流量，使高压燃料泵20的供油量向期望轨压方向移动；
d)当所述电子控制器60识别的压力传感器的压力信号与期望轨压不一致时，且此时流量控制阀出现故障时，电子控制器60调节低压控制阀36的制动电流，改变流入高压燃料泵20的燃油压力，使高压燃料泵20的供油量向期望轨压方向移动；
e)当所述电子控制器60识别的压力传感器44的压力信号与期望轨压不一致时，且此时流量控制阀32、低压控制阀36均出现故障时，则电子控制器60控制整个系统紧急停机。

Claims (8)

1.一种具有自保护功能的燃料喷射系统，其特征在于，该系统包括高压燃料泵(20)、高压公共轨道总成(40)、燃料喷射器(50)；所述高压燃料泵(20)、高压公共轨道(40)、燃料喷射器(50)依次通过管路相连；所述高压燃料泵(20)的上游依次设置有低压控制阀(36)、泄流孔(34)和流量控制阀(32)；所述高压燃料泵(20)包括入口止回阀(22)、出口止回阀(24)、柱塞偶件(26)和驱动机构(28)；所述高压公共轨道总成(40)包括高压公共轨道(42)、压力传感器(44)和压力限制阀(47)；所述泄流孔(34)和低压控制阀(36)位于高压燃料泵(20)和流量控制阀(32)之间；燃料供应(10)通过第一供应管道(12)与流量控制阀(32)的一端连接；所述流量控制阀(32)的另一端通过第二供应管道(14)与高压燃料泵(20)的一端连接；所述流量控制阀(32)上设置有操控流量控制阀的控制元件(32A)；所述操控流量控制阀的控制元件(32A)与电子控制器(60)连接；所述低压控制阀(36)上设置有操控低压控制阀的控制元件(36A)；所述操控低压控制阀的控制元件(36A)与电子控制器(60)连接；所述燃料喷射器(50)上设置有操控燃料喷射器的控制元件(50A)；所述操控燃料喷射器的控制元件(50A)与电子控制器(60)连接；所述泄流孔(34)、低压控制阀(36)通过燃料泵回路管道(16)与燃料箱的燃料排出管道(18)连接；所述柱塞偶件(26)的柱塞套的一端与入口止回阀(22)的一端连接；所述入口止回阀(22)的另一端与第二供应管道(14)连接；所述柱塞偶件(26)的柱塞套的另一端与出口止回阀(24)的一端连接；所述出口止回阀(24)的另一端与高压公共轨道(42)连接；所述高压公共轨道(42)与压力传感器(44)连接；所述压力传感器(44)与电子控制器(60)连接；所述高压公共轨道(42)与压力限制阀(47)的一端连接；所述压力限制阀(47)的另一端通过燃料泵回路管道(16)与燃料箱的燃料排出管道(18)连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有自保护功能的燃料喷射系统，其特征在于，所述流量控制阀(32)为常开型，其流量特性，即燃料体积流量Q和用于致动的平均电流Iq的相关性为：当流量控制阀(32)的上下游压力差值Δp1＜Δp2时，则燃料体积流量有Q1(Iq)＜Q2(Iq)的关系，其中，Q1(Iq)为上下游压力差值为Δp1时的燃料体积流量，Q2(Iq)为上下游压力差值为Δp2时的燃料体积流量。
3.根据权利要求1所述的一种具有自保护功能的燃料喷射系统，其特征在于，所述低压控制阀(36)为卸载型阀，其压力特性特征即容许排出压力(p)与用于致动的平均电流(Ip)在工作区域呈线性或类线性的相关关系。
4.根据权利要求1所述的一种具有自保护功能的燃料喷射系统，其特征在于，所述低压控制阀(36)的设置有如下压力特性特征范围，在平均电流Ip＝Imin时，容许排出压力处于最大值p_hmax，在平均电流Ip＝Imax时，容许排出压力处于最小值p_lmin。
5.根据权利要求1所述的一种具有自保护功能的燃料喷射系统，其特征在于：所述高压燃料泵(20)设置的入口止回阀(22)的容许流入压力p_in大于低压控制阀(36)设置的容许排出压力最小值p_lmin。
6.根据权利要求4所述的一种具有自保护功能的燃料喷射系统，其特征在于：所述低压控制阀(36)的响应特性不低于所述流量控制阀(32)的响应特性。
7.根据权利要求1所述的一种具有自保护功能的燃料喷射系统的压力控制方法，其特征在于，所述电子控制器(60)通过识别压力传感器(44)的压力信号特征，调节制动电流控制流量控制阀(32)的流通面积，以改变通过流量控制阀(32)的燃油流量；所述电子控制器(60)通过识别压力传感器(44)的压力信号特征以及流量控制阀(32)的电流信号特征，调节制动电流控制低压控制阀(36)的容许排出压力；通过上述两个步骤的协同工作实现燃料喷射系统的压力控制和自保护。
8.根据权利要求7所述的一种具有自保护功能的燃料喷射系统的压力控制方法，其特征在于，所述压力控制方法包括以下控制准则：
a)当所述电子控制器(60)识别的压力传感器(44)的压力信号与期望轨压一致时，则电子控制器(60)维持现有参数不变；
b)当所述电子控制器(60)识别的压力传感器(44)的压力信号与期望轨压不一致时，则电子控制器(60)以调节流量控制阀(32)为主、调节低压控制阀(36)为辅，改变流入高压燃料泵(20)中的燃料流量及压力，使高压燃料泵(20)的供油量向期望轨压方向移动；
c)当所述电子控制器(60)识别的压力传感器(44)的压力信号与期望轨压不一致时，且此时低压控制阀(36)出现故障时(故障评判依据是传感器压力特征信号和低压控制阀的电流信号特征的相关性)，电子控制器(60)仅调节流量控制阀(32)的制动电流，改变流入高压燃料泵(20)的燃料流量，使高压燃料泵(20)的供油量向期望轨压方向移动；
d)当所述电子控制器(60)识别的压力传感器的压力信号与期望轨压不一致时，且此时流量控制阀出现故障时(故障评判依据是传感器压力特征信号和流量控制阀的电流信号特征的相关性)，电子控制器(60)仅调节低压控制阀(36)的制动电流，改变流入高压燃料泵(20)的燃油压力，使高压燃料泵(20)的供油量向期望轨压方向移动；
e)当所述电子控制器(60)识别的压力传感器(44)的压力信号与期望轨压不一致时，且此时流量控制阀(32)、低压控制阀(36)均出现故障时，则电子控制器(60)控制整个系统紧急停机。
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