CN1199818A - 电控直列泵—管—阀—嘴柴油喷射系统 - Google Patents

Abstract

一种电控直列泵—管—阀—嘴柴油喷射系统,涉及一种柴油机燃油喷射装置。该喷射系统主要包括电脑控制单元,直列式油泵,电磁控制旁通阀,高压油管,喷油器及低压系统。其特征是在直列式油泵与喷油器之间的高压油管中装有一承担调节功能的电磁控制旁通阀,油泵采用只承担供油加压功能的解耦式直列泵。该系统不仅使油泵结构及控制机构得到进一步简化和加强,而且可实现快速,高频的油量和定时控制;还打破了传统的泵—管—嘴喷射系统中的压力波固有的传播模式,具有低初始喷油率,高主喷射率及快速高压切断和稳定的卸载过程等优点。

Description

电控直列泵-管---阀-嘴柴油喷射系统

本发明涉及一种柴油机燃油喷射装置，特别涉及一种电控直列泵-管-嘴型柴油喷射系统。

现有技术中，传统的直列泵-管-嘴型柴油喷射系统主要包括直列式油泵、高压油管和喷油器三大部分，如BOSCH直列泵型柴油喷射系统就是最典型的一种。在这种喷射系统中，油量的控制是通过转动柱塞改变柱塞螺旋槽与回油孔的相对位置来实现的，而柱塞的转动则由调速器经齿杆传动机构完成；供油的开始时刻则由惯性机构通过改变柴油机曲轴与油泵凸轮轴之间的相对位置得到调节；高压出油和卸压过程则由油泵上方的出油阀加以调节。可见这一传统的喷射系统不仅油泵结构复杂，且这种机械惯性式控制方式无法按照发动机的运行工况选择最佳的喷油量和喷射定时；同时喷油压力的大幅度提高也将受到油泵结构及强度的限制；且当喷油压力提高后，高压燃油脉冲不稳定流动过程更难控制，容易出现异常喷射。

为了进一步提高燃油喷射压力，实现理想的喷油速率、喷油量和喷射定时的最优控制，利用微电子技术对传统的喷射系统进行改进已成为新的发展趋势，如目前使用的带电控定时滑套的直列泵就是利用现代微电子技术与机液电磁机构相结合对传统喷射系统进行的改进。它是采用电子传感器检测柴油机转速和负载信号，用微处理机软硬件构成控制器，用电磁机构驱动直列泵油量调节齿杆，从而实现了油量控制；而喷射定时则通过一种滑套式提前角控制机构来实现。但目前这种电控直列泵-管-嘴喷射系统仍存在诸多的不足和缺陷：一方面由于电控直列泵中的柱塞同时承担着供油加压和调节两种功能，即供油与调节功能的结构耦合，导致了油泵结构仍很复杂，刚度下降，泄漏增加，从而使油泵高压能力下降，可靠性差；另一方面定时与油量控制分别采用两套控制装置，从而导致控制机构复杂，零件数量多，成本高。其次，现有的电控泵-管-嘴喷射系统并没有真正实现电子控制与燃油喷射过程的直接接口，而是经过了齿杆、齿圈、螺旋槽、滑套等中间连接机构。由于中间连接机构的惯性、时延以及多缸统一控制方式等，使得电控系统只能对燃油进行间接的低频控制，而不能进行快速高频的油量调节和定时改变，也不能对多缸分别进行控制。还有，现有的电控直列泵-管-嘴喷射系统中，油量和定时分别由齿杆和滑套位置确定，这种位置伺服控制的精度和响应特性往往受到各种因素的影响，并在运用过程中发生变化。同时此种喷射系统难以实现理想的喷油规律，如低初始喷油速率，高主喷射速率，快速高压切断且无后期异常喷射等。

综上所述，现有技术中使用的电控直列泵-管-嘴喷射系统无论从系统结构、控制调节方式以及喷射特性等方面都有待于进一步改进和完善。

为克服现有技术中存在的不足和缺陷，本发明的目的和任务之一是实现供油与调节功能的解耦，即将控制与调节机构作为一个独立的部件移出泵外，从而既可实现快速、高频的油量调节和定时控制，提高控制精度，又可大大优化系统结构，特别是油泵结构，减少零部件，降低成本。

本发明的目的和任务之二是实现理想的喷油规律(即低初始喷油率，高主喷射率和快速高压切断)以及稳定的卸载过程等。

上述目的和任务是通过以下技术方案实现的：本发明所述喷射系统主要包括微电脑控制单元(ECU)，直列式油泵、高压油管、喷油器及低压燃油系统；所述微电脑控制单元是由微处理机软硬件及装在发动机凸轮轴上的转速和位置传感器以及可检测发动机状态的各种传感器组成；直列式油泵主要包括泵体、凸轮轴、滚轮、柱塞偶件、柱塞弹簧等部件；低压燃油系统主要包括油箱、低压输油泵、共轨油道和低压油管，其特征是在该直列式油泵与喷油器之间的高压油管管路中装有一承担调节功能的电磁控制旁通阀，该电磁控制旁通阀的电磁线圈与微电脑控制单元的输出端相联接，其旁通阀通过低压油管与低压燃油系统相连通；所述直列式油泵采用只承担供油加压功能的解耦式直列油泵，该油泵的柱塞偶件主要由整体式柱塞套和解耦型柱塞组成。

上述技术方案可使油泵的供油与调节功能解耦，使调节功能全部由电磁控制旁通阀来完成，并把它作为一个独立的部件移出泵外，实现了燃油喷射过程与电脑控制两部分的直接接口。除电脑控制单元外，此喷射系统主要包括解耦式直列油泵、高压油管、电磁控制旁通阀和喷油器四个主要功能模块，从而形成了一种新的喷射系统构形，即电控直列泵-管-阀-嘴型喷射系统。这一新的喷射系统不仅有效地克服了现有技术中由于机械调节和间接电控带来的油泵结构复杂，零部件多，可靠性差等缺陷，使油泵结构大大简化，而且实现了直接、快速的高频油量调节和定时控制；同时打破了现有的泵-管-嘴喷射系统中固定的压力波传播模式，实现了一个较理想的喷油规律，从而达到了上述目的。

附图1为本发明的总体结构示意图。

附图2为本发明的喷射系统工作示意图。

附图3为机械离心式超速保护装置的结构示意图。

附图4为微电脑控制单元(ECU)的逻辑模块电路设计图。

附图5为微电脑控制单元的驱动模块电路原理图。

下面结合附图详细描述本发明的工作原理、工作过程、具体结构及最佳实施例。

在电控直列泵-管-阀-嘴柴油喷射系统中，除电脑控制单元1外，主要包括解耦式直列油泵2，高压油管3，电磁控制旁通阀4和喷油器5四个主要功能模块：

解耦式直列油泵2是一种简化的直列多缸泵。该泵主要包括泵体28、凸轮轴10、滚轮29、整体式柱塞套12、解耦型柱塞11，柱塞弹簧30等部件。在整体式柱塞套12上设有进油孔26，解耦型柱塞11上不设螺旋槽。柱塞偶件不再承担油量调节功能，只承担供油加压功能，即实现了供油加压与调节功能的结构解耦；并在油泵上取消了机械式喷油提前器和调速器。为了达到机电超速双保险的目的，即从机械和电控两方面均可实现柴油机超速时的断油，在柱塞上设有竖槽27，油泵中装有齿圈31和齿杆32，在油泵的凸轮轴10上原调速器的位置安装了机械离心式超速保护装置7。此超速保护装置可以将现有的两极式调速器中的怠速弹簧去掉后改装而成，也可根据情况重新设计。如图3所示，机械离心式超速保护装置主要包括壳体35、速度调整螺栓36、导动杠杆37、拉力杠杆38、速度调定杠杆39、滑套40、飞块41、滚轮42、连杆43及限速弹簧44等部件。超速保护装置用螺钉与直列油泵连接，两个飞轮装在油泵的凸轮轴10上。导动杠杆的上端铰接于壳体上，其下端与滑套相连，中部与连杆铰接，连杆与油泵齿杆32相连；速度调定杠杆、拉力杠杆和导动杠杆三者的上端用轴销支承于壳体上，用速度调整螺栓顶住杠杆，使装在拉力杠杆与速度调定杠杆之间的限速弹簧保持拉伸状态。当发动机转速超过限定的最大转速时，飞块离心力即克服限速弹簧的拉力，推动滑套和拉力杠杆右移，借助于连杆带动齿杆32右移，齿圈随之转动，带动柱塞11旋转，柱塞上的竖槽27正对进油孔26，此时，柱塞腔33建立不起高压，从而起到保护作用。利用速度调整螺栓改变限速弹簧的预紧力即可调节发动机的最高转速。

电磁控制旁通阀4是电脑控制单元与燃油喷射装置之间的接口，将它作为一个独立的部件放置在油泵2和喷油器5之间的高压油管5的管路中，其具体位置由油管长度和性能要求决定，可实现该系统的所有调节控制功能。该阀的关闭时刻和关闭时间的长短决定喷射定时和喷油量，而且其关闭和开启所产生的动态效应能对喷油率和高压喷射卸载过程起到调节作用。电磁控制旁通阀4可采用本申请人1997年4月4日申请的“高速强力电磁控制阀”(申请号为：97202928.1)。该阀主要包括电磁铁组件14和旁通阀13两大部分。电磁铁组件由电磁静磁铁18、电磁铁线圈19、衔铁20及回位弹簧17组成；旁通阀部分主要有控制阀杆21和阀体22两部分组成。其中电磁静铁芯18采用环状多极式结构，旁通阀13可设计成压力平衡式结构。

高压油管3是以电磁控制旁通阀4为分界点形成收缩式，即解耦式直列油泵2与旁通阀13间的油管管径应大于旁通阀与喷油器5间的油管管径。

喷油器5采用一般机械式喷油器，或采用无回油管喷油器。使用无回油管，喷油器可提高针阀16的动态关闭压力，实现针阀的快速关闭。

低压燃油系统6由油箱、低压输油泵8、共轨油道23、低压油管24等组成。由低压输油泵向共轨油道中输送柴油，旁通阀13与共轨油道23之间用低压油管24相连，共轨油道中的柴油同时提供给油泵2的低压抽道34，共轨油道上设有压力调节装置25，以稳定低压系统的油压。

微电脑控制单元1(ECU)是由微处理机软硬件及装在凸轮轴上的转速和位置传感器以及可检测发动机状态的各种传感器组成。其工作过程是：微机接收来自传感器的信号，经过控制软件的分析处理，向电磁控制旁通阀发出命令脉冲，从而控制旁通阀开启或关闭。微电脑控制单元分为逻辑模块和驱动模块，附图4和附图5分别给出了微电脑控制单元逻辑模块设计的电路图和驱动模块电路原理图。

本系统采用两个单片机(如图4)，其中U1为主机，U2为从机；单片机选择MOTOROLA公司的MC68HC11系列的单片机，52脚方形，两者相互配合完成对发动机的控制。U1工作在扩展方式，PE口为模拟量输入口，PB口为高8位地址输出口，PC口为数据/低8位地址复用口，PA口为数字脉冲输入口，PD口为通讯口，分别完成与U2和计算机的通讯；U2工作在单片方式，它的PE口未用，PB口为控制数据输出口，PC口为数据输入口，PD口为与U1通讯的通讯口。

电源电路设计--B1(7805)的输出为供单片机工作的+5伏电源，B3(78T05)和B5(7660)分别为运算放大器提供+5伏和-5伏电源，B2(78T05)和B4(79L05)分别为发动机的各种传感器提供+5伏和-5伏电源，为了使单片机免受干扰，地线与其它地线分开设计，并且电源电路都采用电阻电容及电感滤波等抗干扰和保护措施，以B1(7805)为例，D6防止电源反向导通，压敏电阻R22、齐纳二极管Z1削弱尖峰干扰、提供过压保护，L1、L2、C11、C15提供第一极滤波，C12、C14提供第二极滤波。电控单元的输入电压为+12V和-12V，由J10输入。

时钟及复位电路设计--C1，C2，X1，R1等组成的晶振电路为单片机提供8MHz的时钟。U4(MC34064)，U5(MC34164)，S1(点触开关)及周围的电阻电容组成单片机的复位电路。

I/O口及存储器扩展--U3(PSD311)为主单片机U1提供32K ROM，2K RAM，以及两个I/O口：PB口及PA口，分别用作备用的控制脉冲输出口和数据输入口；一个地址选通口：PC口，驱动电路的片选信号的发出口，该信号由J3输出。

数字输入输出通道设计--J11、J12及U49～U56组成8路传感器数字脉冲的输入通道，J1、J6及U7、U25分别为8路数据输入通道，J2、J4和U17、U33分别为8路数据输出通道，为了增加单片机与外界的抗干扰能力，每个通道都由光耦进行隔离。

模拟输入输出通道设计--J9、U11、U12组成4路模拟输入通道，以U12：A(LM358)为例，信号由插座J9的第5脚输入，经LM358输入到单片机，R108和D2起保护作用。J8、U41～U48为4路发动机传感器模拟量输入通道，完成信号隔离和信号电压匹配，以U41、U42为例，输入信号由J8的第1脚输入，经过R79、R80分压，由U41(ISO130)隔离经R25、R26输出至运放U42(OP-07)，经过W1(可变电阻)、R80、R27等电阻完成信号的匹配，输入单片机的PE口，周围的电容、电阻、二极管起滤波和保护作用。

通讯电路--由J5、U6(MAX232)组成，完成由0V～5V至-12V～0V的电压转换，使电控单元可以和计算机进行串行通讯，满足RS-232的通讯标准。

图5为驱动模块电路的设计，具体说明如下：

电源系统--驱动电路采用蓄电池的24V、+12V以及稳压电源的+5V电压供电。由J4插座输入。

控制信号输入--控制脉冲由逻辑模块的U2(从单片机)的PB口产生，经插座J4进入驱动模块的插座J1，逻辑模块电路的插座J4、J9、J3和驱动模块电路的插座J1用导线相连。

分缸驱动--由于发动机有6个气缸，每个缸有一个电磁阀，每个电磁阀有一个电磁线圈，因此驱动电路有六个驱动器，每个驱动器完全相同，分别驱动M1～M6六个电磁线圈。代表一至六缸的电磁阀的控制电路。

选缸过程--逻辑模块的U1(MC68HC11，主机)通过U3(PSD311)的PC口输出选缸脉冲，选缸脉冲经逻辑模块的插座J3进入驱动模块的插座J1，信号为SEL1～SEL3、和OE，该选缸脉冲经过驱动模块的U2(74HC138)确定应该选通哪一缸。此同时逻辑模块的U2(MC68HC11，从机)从PB口发出驱动控制信号，CTRL11～CTRL61为各缸的峰值电流驱动触发脉冲，它们为逻辑模块的U2的PB口的一个引脚输出得到，完全一致。此外PB口还发出CTRL12～CTRL62六个互异的维持脉冲，它们被分配到不同的驱动器，分别完成对各缸的维持电流的控制，各缸的电流采样值由U1(4051)多路开关经SEL1～SEL2、OE选通信号经插座J1输入至逻辑模块电路的U1的PE口。

具体驱动过程--以第一缸(M1)为例，峰值电流驱动触发脉冲CTRL11经过U6：A(74HC08)，U9：A(7407)，送至光耦U11(4N38)，驱动VDMOS管B1(BU2346))；维持电流驱动触发脉冲CTRL12经GATE1选通U6：B(74HC08)，U9：B(7407)，送至光耦U12(4N38)，驱动VDMOS管B2(BUZ346)。当B1和B2导通后，+24V的蓄电池电压加在电磁阀线圈M1上，强大的峰值电流使电磁阀关闭，从而开始喷射过程。当阀关闭后，CTRL11电平无效，从而B1关闭，24V电压被关断。此时B2依然导通，+5V维持电压经过B3(MUR3020)加在电磁阀线圈上，产生的维持电流使电磁阀保持关闭。+12V和D2、C4、R4组成的电路保证光耦U11(4N38)能正常导通，+12V和D1、C3、R3组成的电路保证光耦U12(4N38)能正常导通。电阻R9在电路中起限流和提供采样电流的作用。R9上的电压SAMPLE1送至U1(4051)多路开关，由SEL1～SEL3选通后经J1插座送至逻辑模块的单片机U1。同时R9产生的电压的SAMPLE1送至U3：A(LM393)的反向端，与+12V、R5、R6、W1、R7组成的电路产生的参考电压比较，当电压SAMPLE1较大时(即电磁阀线圈M1中电流较大)，提供LM303的输出至与门U6：A(74HC08)，把CTRL11信号封锁，经U9：A、U11把B1关闭，从而关闭24V产生的峰值电流，保证M1中的电流在正常值。B3(MUR3020)、R11为M1提供泄流回路，J5～J10分别为M1～M6的连线插座。

现对整个控制功能的实现过程叙述如下：单片机U1经PE口采集发动机的模拟信号，经PA口采集数字信号，计算发动机的工作参数(喷油量和喷油定时)，通过SPI(PD口)通讯送至U2，同时从U3(PSD311)的PC口输出选缸脉冲，准备从PE口采集目前准备发火缸的电磁阀的电流值；U2通过PA口采集发动机转角信号和转速信号，经过PB口发出控制脉冲CTRL11～CTRL61、CTRL12～CTRL62，控制电磁阀线圈的通电时间和时刻，以此完成控制发动机的运行。

该电控直列泵—管—阀—嘴型柴油喷射系统的工作过程如下(参见图2)：

充油过程：当油泵柱塞11下行时，柱塞套12进油孔26打开，旁通阀13开启，此时，喷射系统内部压力将下降到低于低压供油系统的压力，此时低压系统的燃油将通过柱塞套上的进油孔26和旁通阀阀口15进入高压喷射系统。

旁通过程：当柱塞上行时，柱塞腔压力上升，只要旁通阀13仍处于开启状态，受压燃油就经旁通阀阀口15高速泄流，回到低压供油系统。

喷射过程：在柱塞供油行程中，当微电脑控制单元1根据装在油泵凸轮轴上的传感器反馈的油泵速度和位置信号，在一个特定的时刻发出控制脉冲并接通电磁铁14时，旁通阀13吸合，阀口15快速关闭，此时，它将引起一个油压冲击波，此压力波同时朝油泵2和喷油器5两个方向传播。当下行压力波到达喷油器时，如果其压力高于针阀开启压力，则针阀16打开，产生喷射。当上行压力波到达油泵时，它与油泵供油压力波叠加，然后再往喷油器方向传播，形成主供油波。由于在首先到达喷油器的“油锤”压力波与迟后到达的主供油压力波之间喷射能量有限，故形成了低速率的初始喷油段。

卸载过程：当控制脉冲中止，电磁铁14失电时，旁通阀13在回位弹簧17的作用下快速打开，高压燃油与低压燃油直接相通，高压燃油经控制旁通阀阀口15向低压系统高速泄流。而且由于电磁控制旁通阀的溢流位置比传统柱塞溢流位置离喷嘴更近，因此，喷射被迅速终止，实现了所谓的“高速切断”。同时，电磁控制旁通阀打开所引起的减压波传到油泵需要时间，在这段滞后期，控制阀处的燃油压力虽在迅速下降，但油泵供油过程仍在继续，这一压力波对高压卸载过程起到了缓冲作用，从而形成了“先急后缓”的理想卸压特性。此外，由于卸压后的残余压力总是等于低压系统的供油压力，因此在低速小供油量时，不会产生由残余压力动态过程引起的异常喷射。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果。

该喷射系统由于将油泵的供油与调节功能解耦，即把所有调节功能集中于电磁控制旁通阀，并把它作为一个独立的部件移出泵外，从而既有效地克服了现有技术中由于供油与调节功能的结构耦合所导致的油泵结构及控制机构复杂等一系列的缺陷，又实现了燃油喷射过程与电脑控制两部分的直接接口，达到了快速，高频的油量和定时控制，并消除了由于位置伺服控制所带来的各种因素的影响，提高了控制精度。同时该喷射系统还打破了传统的泵—管—嘴喷射系统中的压力波固有的传播模式，从而具有低初始喷油率，高主喷射率以及快速高压切断和稳定的卸载过程等特点。该系统适合于传统的直列泵—管—嘴柴油喷射系统的机电一体化改造，不需改变柴油机的整体结构，直列泵结构得到了进一步的简化和强化，适合于高压喷射。

Claims (5)

1.一种电控直列泵-管-阀-嘴柴油喷射系统，主要包括微电脑控制单元[1]、直列式油泵[2]、高压油管[3]、喷油器[5]以及低压燃油系统[6]，所述微电脑控制单元[1]是由微处理机软硬件及装在发动机凸轮轴上的转速和位置传感器以及可检测发动机状态的各种传感器组成，直列式油泵主要包括泵体、凸轮轴、滚轮、柱塞偶件、柱塞弹簧等部件，低压燃油系统主要包括油箱，低压输油泵，共轨油道和低压油管，其特征是在直列式油泵[2]与喷油器[5]之间的高压油管[3]中装有一承担调节功能的电磁控制旁通阀[4]，该电磁控制旁通阀的电磁线圈与微电脑控制单元的输出端相联接，该旁通阀通过低压油管与低压燃油系统相连通；所述直列式油泵采用只承担供油加压功能的解耦式直列泵，该直列泵的柱塞偶件主要由整体式柱塞套[12]和解耦型柱塞[11]组成。

2.根据权利要求1所述的电控直列泵-管-阀-嘴柴油喷射系统，其特征是上述直列式油泵中装有齿圈[31]和齿杆[32]，并在解耦型柱塞[11]上设有竖槽[27]。

3.根据权利要求2所述的电控直列泵-管-阀-嘴柴油喷射系统，其特征是在直列式油泵的凸轮轴[10]上装有机械式超速保护装置[7]。

4.根据权利要求1或3所述的电控直列泵-管-阀-嘴柴油喷射系统，其特征是上述高压油管[3]是以电磁控制旁通阀为分界点形成的收缩式油管。

5.根据权利要求4所述的电控直列泵-管-阀-嘴柴油喷射系统，其特征是喷油器[5]采用无回油管喷油器。

Images