CN101936244A - 新型内燃机高压燃油系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型内燃机高压燃油系统。其主要特征是：a、其中蓄压器(3)内的高压燃油在一个高压燃油通断电磁阀(7)控制下定时定量地送往燃油分配器(8)；b、燃油分配器(8)布置在高压燃油通断电磁阀(7)之后喷油器(12)之前；c、本系统中的ECU(13)能够实现燃油喷油压力及喷油时间的控制，本系统中的喷油器(12)采用传统的机械式喷油器。此高压燃油系统通过ECU(13)对一个高压燃油通断电磁阀(7)的控制，能够实现对各缸喷油时间及喷油量的控制，并且能够实现各缸在一个工作循环内的多次喷油。本发明所提供的高压燃油系统，实现了燃油喷射压力及喷油时间的自由控制，并能在一个工作循环内实现多次喷射，能够满足内燃机高排放标准要求，并且具有结构新颖、简单、工作可靠、维护方便和成本低等优点。

Description

新型内燃机高压燃油系统

技术领域：

本发明属于内燃机用的高压燃油系统，特别适用于柴油机用的电控高压燃油系统。

技术背景：

节能与减排是当今内燃机技术发展的两大推动力，汽油机与柴油机由于燃烧方式不同决定其研究重点也不同。汽油机采用三效催化技术能够将排放控制在很低的值，所以研究重点在于节能；柴油机的研究重点在于如何降低排放。世界上发达国家从上世纪九十年代初开始对内燃机实施严格的排放法规，而且随着时间的推移越来越苛刻。目前国际上主要有美国、欧洲、日本三大排放标准，随着排放标准的提高对应要求的发动机技术也是越来越先进。我国的排放标准主要采用欧洲等效标准，要求在2000年执行相当于欧1标准，而在2004年执行相当于欧2标准。在2005年又发布了GB 17691-2005标准，对车用发动机的排气污染物的限值及测试方法进行了规定。表1为我国中重型柴油机要实施的国3、4、5排放阶段的限值及型式核准时间。

                表1 我国中重型柴油机排放标准

阶段	CO(g/kW.h)	HC(g/kW.h)	NOx(g/kW.h)	PM(g/kW.h)	烟度(m-1)	型式核准时间
							国3	2.1	0.66	5.0	0.1	0.8	2007.01.01
国4	1.5	0.46	3.5	0.02	0.5	2010.01.01
							国5	1.5	0.46	2.0	0.02	0.5	2012.01.01

为了满足国4排放法规或更高要求，一方面要对柴油机本体的关键系统改进设计，进一步完善燃烧；另一方面又要采用技术复杂、价格昂贵的后处理设备。因此，为了尽可能少用必需的后处理技术，对于柴油机本体关键系统的改进尤为重要，而其中的高压燃油系统是柴油机达到更高排放标准的核心技术所在。为了满足更高的排放法规，对于高压燃油系统的总体要求是：喷油压力高、喷油压力及喷油时间可控、在一个工作循环内有多次喷射能力。

因此，世界各大柴油机燃油喷射公司都投入大量的科研人员对高压燃油系统进行研究。燃油系统的喷射压力从国1排放阶段的100MPa左右，随着排放法规的严格喷射压力越来越高，基本上排放法规每上一个台阶喷射压力要升高20MPa左右，也就是到国4阶段要求的喷射压力为160MPa左右。除了高喷射压力要求外，为了满足更高的排放标准，对燃油系统的控制要求也越来越高，要求对各个工况的喷射压力、喷射时间、喷油量等都能够自由控制。因此燃油系统的结构型式也在不断发展，从初期的机械式燃油系统发展到电控燃油喷射系统。而电控燃油喷射系统到目前又经历了三代发展历程。第一代位置控制式，通过对喷油泵油量拉杆的控制实现喷油量的控制，如电子调速器；第二代时间控制式，通过电磁阀来控制喷油时间，如电控VE泵、电控单体泵等；第三代为压力—时间控制式，对喷射压力、喷射时间都能进行控制，如电控高压共轨燃油喷射系统。

对于传统的泵—管—嘴系统来说，由于喷射压力依赖于转速及负荷，即使最高喷射压力满足了要求，在低速低负荷时的喷射压力还是比较低，满足不了更高排放标准的控制要求。其中传统机械直列式燃油系统对于喷油时间、喷油量的控制精度也达不到较高的要求；电控VE泵虽然能够自由控制喷油时间，但是喷射压力的提高受到限制；电控单体泵虽然最高喷射压力可以达到很高的值，但是低速低负荷时的压力还是比较低，不能自由控制喷射压力，而且喷射压力的进一步提高会带来喷油泵驱动扭矩的快速升高，导致喷油泵的消耗功升高。因此，传统的泵—管—嘴系统要满足更高排放标准难度极大。

现有的电控高压共轨燃油系统，将泵油过程与喷油过程分离开，喷射压力不受转速、负荷左右，可以自由控制；普遍采用由组装在喷油器上的电磁阀或压电执行器控制喷油时间及喷油量，实现喷油压力及喷油时间的自由调节。同时，根据需要在一个工作循环内可以实现多次喷油。因此，从目前来看，电控高压共轨燃油系统是满足高排放标准的较好选择。但是，电控高压共轨燃油系统结构复杂，要求的制造精度非常高，尤其是喷油器总成的结构复杂、加工难度极大，与传统喷油系统相比成本大幅度增加。另外由于共轨燃油系统的高精度要求，使用条件也相对苛刻，因此，目前在使用维护上也存在很多问题。

现有技术中为了适应高排放标准要求，美国专利US6520153B1采用了中心分配器和蓄压器的结构来实现预喷、后喷。其构造是：经高压泵加压的燃油首先经过一个电磁阀控制，30MPa的燃油进入蓄压器后作为预喷、后喷的高压源，而高于30MPa的燃油直接进入中心分配器，作为主喷的高压源。在每个喷油器的入口处有一个电磁阀，该电磁阀负责选择两种不同的高压源供喷油器喷射。该专利有利于预喷和后喷的高压源的稳定，可以实现精确控制预喷和后喷，可以满足较高排放标准要求。但是可以看出该专利的不足之处是：对于主喷压力源直接通过中心分配器到达相应缸的喷油器，所以压力不可自由控制；同时，在每个喷油器的入口有一个对应电磁阀负责选择两种不同的高压源供喷油器喷射，结构复杂。

美国专利US5431142同样具有蓄压器和燃油分配器，达到对喷油压力和时间的控制，可以满足柴油机较高排放标准要求。其构造是：经高压泵加压的燃油进入蓄压器，然后经过第一电磁阀控制将高压燃油送往分配器，并经分配器分配到达相应缸的喷油器进行喷油，再经过第二电磁阀的控制使得喷油停止。可以看出该专利的不足之处是要由第一电磁阀和第二电磁阀的协调控制才能满足对喷油定时、喷油量的要求，控制难度大、可靠性较差。

此外，随着电控高速内燃机和多次喷射技术的推广应用，一种能够在内燃机的一个工作循环中实现多次开关，从而精确控制燃油喷射压力及喷油时间的高压、高速、高频燃油电磁阀已经公知公用，是一项成熟的现有技术。

发明内容：

本发明的目的是提供一种新型内燃机高压燃油系统，可以满足柴油机更高排放标准要求。这种燃油系统在采用传统的机械式喷油器(泵-管-嘴系统采用的喷油器)时就可以实现喷油压力及喷油时间的自由控制，并根据需要在一个工作循环内实现多次喷油，而且结构简单易于实施。

本发明所采用的技术方案是开发一种喷油压力、喷油时间可以自由控制、满足内燃机更高排放标准要求的新型高压燃油系统，它主要包括高压供油泵1、蓄压器3、压力传感器4、高压燃油通断电磁阀7、燃油分配器8、高压油管11、喷油器12、ECU13等，其特征是：a、其中蓄压器3内的高压燃油在一个高压燃油通断电磁阀7控制下定时定量地送往燃油分配器8；b、燃油分配器8布置在高压燃油通断电磁阀7之后喷油器12之前；c、本系统中的ECU13能够实现燃油喷油压力及喷油时间的控制，本系统中的喷油器12采用传统的机械式喷油器。(见图1)

本发明所采用的技术方案和现有技术的区别在于：现有的高压共轨燃油系统都采用每缸装一个电控喷油器，该电控喷油器上集成着电磁阀或压电执行器，由内燃机的电控单元按各缸工作顺序向各缸的电控喷油器输出控制脉冲，直接控制各缸喷油器的喷油量和喷油时间。而在本发明所述的新型燃油系统中，不采用常见的电控喷油器而采用传统的泵-管-嘴系统中所用的机械式喷油器。其原理相当于将电控喷油器中的控制阀和机械液压喷油部件分离成两个部件，而且将各缸一个控制阀合并成为一台发动机公用一个控制阀部件，它就是本发明中的高压燃油通断电磁阀7。例如在4缸机中，该电磁阀在每个工作循环中会有4次将蓄压器3中的高压燃油定时定量地送往燃油分配器8中分配转子9上的中心高压油道15(为了简单明了，以上未考虑多次喷射，只说明了主喷射)。然后由燃油分配器按各缸工作顺序向各缸的机械喷油器供油。高压燃油通断电磁阀7每次开通的始喷时间和喷射延迟时间(对应于喷油量)则由电控单元ECU13根据传感器的输入信号及内部储存的程序确定，实现了对燃油喷油压力及喷油时间的灵活控制。从而达到了既采用机械喷油器，又实现了电子控制功能的目标。

本发明和现有技术相比所具有的有益效果是：由于本发明提供的高压燃油系统，实现了喷油压力及喷油时间的自由控制，因此与传统的泵—管—嘴燃油系统相比可以满足更高的排放标准；与现有的高压共轨燃油系统相比，在满足同等排放标准条件下，由于仅采用一个高压燃油通断电磁阀7以及使用传统的机械式喷油器12(泵-管-嘴系统采用的喷油器)，因此结构新颖、简单、工作可靠、维修方便，而且成本低。

附图说明：

图1是本发明的新型内燃机高压燃油系统示意图。

图2是本发明的新型内燃机高压燃油系统结构示意图

图3是传统泵—管—嘴燃油系统示意图。

图4是现有的高压共轨燃油系统示意图。

标号说明：1.高压供油泵、2.单向阀、3.蓄压器、4.压力传感器、5.输油泵、6.进油计量阀、7.高压燃油通断电磁阀、8.燃油分配器、9.分配转子、10.分配套筒、11.高压油管、12.喷油器、13.ECU、14.燃油分配孔、15.中心高压油道、16.出油孔、17.共轨喷油器总成、18.限流阀、19.油箱。

具体实施方式：

以下结合附图详细说明本发明的具体结构特征和工作情况。

图1是本发明的新型内燃机高压燃油系统示意图。

图2所示的是本发明的新型内燃机高压燃油系统的结构示意图。

在图1和图2中，高压供油泵1上具有一个进油计量阀6，或者在高压供油泵1的每套泵油元件处装一个高压供油泵电磁阀用于调节高压供油泵的流量。燃油由输油泵5从油箱19吸入，通过由ECU13控制的进油计量阀6计量后进入高压泵1，高压泵将低压燃油加压到所需要的压力，然后通过单向阀2将高压燃油送往蓄压器3。蓄压器3上的压力传感器4感知燃油压力大小，由ECU13做出判断并反馈给进油计量阀6，决定是否要增加或减少供油量来满足蓄压器3压力稳定的要求，这样蓄压器3起到稳压以及将泵油与喷油过程隔离的作用。高压油的产生以及蓄压技术与现有高压共轨燃油系统(见图4)相同。

蓄压器3内的高压油，通过一个由ECU13控制的高压燃油通断电磁阀7来控制高压燃油定时、定量流向燃油分配器8。燃油分配器8布置在高压燃油通断电磁阀7之后、喷油器12之前，由分配转子9、分配套筒10和分配器体组成，分配转子9由高压供油泵1的凸轮轴驱动，分配转子9的中心高压油道15与高压燃油通断电磁阀7连通，分配转子9在圆周方向有一个燃油分配孔14与中心高压油道15沟通；在分配套筒10的圆周上有与内燃机气缸数相同数量的出油孔16，当分配转子9上的分配孔14与分配套筒10上的某个出油孔16相通时，高压燃油就经过燃油分配器8上的一个出油接头、高压油管11和喷油器12喷油。可以看出，通过在喷油器12与高压燃油通断电磁阀7之间加入燃油分配器8，使得本发明在仅采用传统的机械式喷油器12时，就能实现燃油喷油压力及喷油时间的自由控制，实现现有高压共轨燃油系统的相同功能。

本发明中的高压燃油通断电磁阀7的功能与现有高压共轨燃油系统喷油器的电磁阀的功能相同，只是本发明的高压燃油通断电磁阀7没有安装在喷油器上，而是安装在燃油分配器8上。另外，本发明的高压燃油通断电磁阀7的工作频率比现有高压共轨燃油系统喷油器电磁阀的要高。现有高压共轨燃油系统的喷油器的电磁阀，由于现有技术是每缸一个喷油器电磁阀，因此，在发动机的一个工作循环内喷油器电磁阀只为某一缸的喷油器开通一次或数次。但是，本发明只有一个高压燃油通断电磁阀7，负责对所有喷油器喷油过程的控制，因此，可以看出在发动机的一个工作循环内，本发明的高压燃油通断电磁阀7的工作次数至少与发动机气缸数相同，采用多次喷射时其工作次数更要增加。同时可以看出，本发明是通过ECU13对一个高压燃油通断电磁阀7的控制，就能够实现对各缸喷油时间及喷油量的控制；而且能够实现各缸在一个工作循环内的多次喷油，因此使得系统结构简单、各缸喷油一致性好。

本发明燃油分配器8与现有的分配转子式喷油泵中的分配器的结构、原理相同。

本发明的ECU13的控制策略与现有高压共轨燃油系统的相同。本发明的新型内燃机高压燃油系统，其中的ECU13中储存有根据由内燃机转速传感器、温度传感器、油门位置传感器、压力传感器4输入的信号对喷油器12的燃油喷射压力及喷油时间进行控制所需的程序；ECU13对喷油器12的控制功能是通过ECU13向进油计量阀6和高压燃油通断电磁阀7输出控制信号实现的。

本发明的新型内燃机高压燃油系统通过对一个高压燃油通断电磁阀7的控制，能够实现对内燃机各缸喷油时间及喷油量的精确控制。本发明的新型内燃机高压燃油系统也可以通过对一个高压燃油通断电磁阀7的控制，实现对内燃机各缸在一个工作循环内的多次喷油。

本发明的新型内燃机高压燃油系统的高压供油泵1上具有一个进油计量阀6，其作用是：系统中的ECU13根据蓄压器3上的压力传感器4获得的燃油压力数值，做出判断并控制进油计量阀6增加或减少供油量来满足蓄压器3压力稳定的要求，这样蓄压器3起到稳压以及将泵油与喷油过程隔离的作用。同理，本发明的新型内燃机高压燃油系统也可以在高压供油泵1上，通过在每套泵油元件上使用一个高压泵电磁阀的方式，来实现增加或减少供油量的功能，从而满足蓄压器3压力稳定的要求。本发明的新型内燃机高压燃油系统的高压供油泵1既可以采用直列式，同样也可以采用转子式高压供油泵。

可以看出本发明与上述的专利US6520153B1相比，由于高压燃油全部经过蓄压器稳压后才供喷射，因此喷射压力可以自由调节控制；而且只用一个高压燃油通断电磁阀7来控制高压燃油定时、定量通向燃油分配器8，并送往相应缸的喷油器12进行喷油，因此结构新颖、简单。与专利US5431142相比，因为只用一个高压燃油通断电磁阀7来控制高压燃油定时、定量喷射，因此结构新颖、简单易于控制。

图3是传统的泵—管—嘴燃油系统示意图，该系统高压供油泵1产生的高压油经单向阀2和高压油管11引向喷油器12进行喷油，所以喷油压力与转速、负荷有关，低速低负荷时的喷射压力低不能满足高排放标准的要求，而且喷油时间也不能精确控制。另外，即使是能够实现喷油时间较好控制的电控单体泵，低速低负荷时喷射压力还是比较低，不能自由控制喷射压力。

图4是现有的高压共轨燃油系统示意图，该系统高压泵1产生的高压燃油先经单向阀2进入蓄压器3，然后通过组装在蓄压器3上的限流阀18流入高压油管11，再引向由ECU13控制的各缸燃油通断电磁阀7，最后通向共轨喷油器总成17。因此，高压共轨燃油系统可以对喷油压力及时间自由控制，并且根据需要在一个循环内可以实现多次喷射。但是与本发明相比，其喷油器总成17要复杂得多，加工难度大大提高，而且每缸都要采用一个电磁阀，这样要保证各缸喷油一致性的难度就增加。

综上所述，本发明是内燃机高压燃油系统的一种具有创造性的发明，在采用传统的机械式喷油器(泵-管-嘴系统采用的喷油器)时就能实现喷油压力及喷油时间的自由控制，能够满足内燃机更高排放标准要求。与传统的泵—管—嘴燃油系统相比，实现了对喷油压力及喷油时间的自由控制；与现有的高压共轨燃油系统相比，达到了相同的对喷油压力、喷油时间、喷射灵活性的控制功能。同时本发明还具有结构新颖、简单、工作可靠、维修方便、降低成本等优点，是一种新型的内燃机高压燃油系统。

Claims (7)

1.一种新型内燃机高压燃油系统，它主要包括高压供油泵(1)、蓄压器(3)、压力传感器(4)、高压燃油通断电磁阀(7)、燃油分配器(8)、高压油管(11)、喷油器(12)、ECU(13)等，其特征是：

a、其中蓄压器(3)内的高压燃油在一个高压燃油通断电磁阀(7)控制下定时定量地送往燃油分配器(8)；

b、燃油分配器(8)布置在高压燃油通断电磁阀(7)之后喷油器(12)之前；

c、本系统中的ECU(13)能够实现燃油喷油压力及喷油时间的控制，本系统中的喷油器(12)采用传统的机械式喷油器。

2.根据权利要求1所述的新型内燃机高压燃油系统，其特征是高压供油泵(1)上具有一个进油计量阀(6)，或者在高压供油泵(1)的每套泵油元件处装一个高压供油泵电磁阀用于调节高压供油泵的流量。

3.根据权利要求1所述的新型内燃机高压燃油系统，其特征是其中燃油分配器(8)由分配转子(9)、分配套筒(10)和分配器体组成，分配转子(9)由高压供油泵(1)的凸轮轴驱动，分配转子(9)的中心高压油道(15)与高压燃油通断电磁阀(7)连通，分配转子(9)在圆周方向有一个燃油分配孔(14)与中心高压油道(15)沟通；在分配套筒(10)的圆周上有与内燃机气缸数相同数量的出油孔(16)，当分配转子(9)上的分配孔(14)与分配套筒(10)上的某个出油孔(16)相通时，高压燃油就经过燃油分配器(8)上的一个出油接头、高压油管(11)和喷油器(12)喷油。

4.根据权利要求1所述的新型内燃机高压燃油系统，其特征是通过ECU(13)对一个高压燃油通断电磁阀(7)的控制，能够实现对各缸喷油时间及喷油量的控制。

5.根据权利要求1所述的新型内燃机高压燃油系统，其特征是通过ECU(13)对一个高压燃油通断电磁阀(7)的控制，能够实现各缸在一个工作循环内的多次喷油。

6.根据权利要求1所述的新型内燃机高压燃油系统，其特征是高压供油泵(1)为直列式或者转子式高压供油泵。

7.根据权利要求1所述的新型内燃机高压燃油系统，其特征是其中的ECU(13)中储存有根据由内燃机转速传感器、温度传感器、油门位置传感器、压力传感器(4)输入的信号对喷油器(12)的燃油喷射压力及喷油时间进行控制所需的程序；ECU(13)对喷油器(12)的控制功能是通过ECU(13)向进油计量阀(6)和高压燃油通断电磁阀(7)输出控制信号实现的。

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