液力驱动电控单体喷油器HEUI技术讲座（第二讲）

HEUI 喷油器的历史

HEUI喷油器使用高压机油来提供喷射压力，共有三种不同型号的喷油器。1993年到1995年期间的早期HEUI系统，万国公司以及福特公司称其为”A”型喷油器。卡特皮勒也独立设计生产了一种控制阀在喷油器侧面并通过一根高压钢管进行高压油供给的HEUI喷油器，并且安装在在3116 和3126A型发动机上。

从1996年开始，万国公司，福特公司以及卡特皮勒公司开始使用带有提前喷射功能的喷油器，并称其为HEUI “B”型喷油器。这种HEUI-B型喷油器可以通过其白颜色的电磁线圈壳来辨认。卡特皮勒喷油器外观很像万国公司或者福特公司的喷油器，但是内部有更大的柱塞直径和更大的燃油供给能力。

带有提前喷射功能的中压共轨喷油器被应用在如下发动机：

·        1996 及以后的 Californian7.3L DIT

·        1997及以后的7.3L DITEconoline

·        1999及以后的7.3L DIT F-系列　卡车

·        3126B卡特皮勒发动机

·        DT-466以及D-530系列

 

第二代HEUI喷油器或者称为数字控制阀HEUI喷油器是西门子公司和万国公司联合开发的。该款喷油器随后被应用在6.0L VT-365发动机上。

精巧的喷油器设计使得它可以被应用在四气门发动机设计上，它使用更少的驱动能量，拥有更快的反应速度并且拥有在全工况下都能控制燃油喷油曲线的能力。

 

HEUI-A 型喷油器

该型号HEUI喷油器的体外有两个环槽用来接收供给的柴油以及高压机油。用来密封各环槽的是可以更换型的密封胶圈。

上面一组胶圈用来密封可能外溢的高压机油，它包含两个密封环，一个金属质的支撑环，一个橡胶材质的密封圈。中间的一组胶圈是用来隔离高压机油和柴油的。下面的密封圈作用是密封住柴油。下面一个铜垫片用来密封燃烧室的高压废气。两个螺栓用来固定夹紧喷油器。如果想要拿出喷油器做检查，只需要松开以其中一个螺栓即可拿出喷油器。　

注意：

驱动喷油器的高压机油由于压力较高，一般高达上百公斤，一旦密封胶圈失效或者忘记安装，将会导致机油泄露或者机油进入到柴油油箱中。

无论A 型还是随后的B型两阶段喷油器，都有四个主要部件来的油量计量，正时以及喷射曲线控制：

·      高电压电磁线圈：该线圈控制着控制阀的运动。该线圈的控制电压为115伏特，电流在7-15安培。

·       机油控制阀：该阀控制着流入喷油器的高压机油。当阀关闭时，高压机油无法进入喷油器，只有当该阀打开后，高压机油才能进入到喷油器内部并推动压力放大活塞进行柴油的压缩。

·        压力放大活塞及柱塞：压力放大活塞，用来放大供给到喷油器的33~200公斤的机油压力。由于压力放大活塞顶面面积是底部面积的7-8倍。高压机油的液压将会迫使柴油柱塞下行并压缩柴油，终得到压力放大7-8倍的柴油。

·        油嘴总成：该油嘴是一个非电控的柴油喷油嘴，当压力高于其开启压力以后，针阀就会被液压力顶开并开始喷油，油嘴开启压力根据喷油器类型不同而不同。

 

A 型喷油器的喷油步骤：

充油过程：

在这个过程中，机油控制阀没有通电，高压机油无法进入到喷油器内部，内部各部件都在他们的静态位置，柱塞以及压力放大活塞都在顶部。低压燃油供给系统将2~5.5公斤的柴油供给到喷油器的进油孔，此时进油单向阀被抬起并允许燃油进入到喷油器内部的柱塞腔。此时喷油器内部压力等同于柴油进油压力，油嘴并不会喷油。

 

喷油过程：

在喷油过程，电流会被施加到相应的电磁线圈上，对应的机油控制阀会在衔铁的带动下向上运动，终会打开机油油道并同时密封住上方的机油泄油油道。这将导致不断进入活塞上部腔室的高压机油推动下方的活塞向下运动。活塞带动柴油压缩柱塞向下运动，柱塞腔内部的柴油压力迅速升高并密封住进油单向阀。之后，随着压力继续升高，高压柴油将会在达到油嘴开启压力后顶开针阀并开始喷油，峰值柴油喷射压力甚至会达到1600公斤。卡特皮勒系统会有更高一些的喷射压力。

           （不通电状态下的机油控制阀）

                （通电状态下的机油控制阀）

 

结束喷射过程：

随着驱动电流的撤除，喷油器将结束喷油。电磁力将不再存在，机油控制阀在复位弹簧的作用下回到静态位置，此时将会切断高压机油进入喷油器的油路同时打开了上方的机油泄油油道。喷油器内部机油腔室内的机油会通过上方的间隙泄露到喷油器外部，压力放大活塞会在复位弹簧的作用下回到上方静态位置。柴油柱塞也会随之向上运动，柱塞腔室内形成的负压将会打开柴油单向阀，在柴油进油压力的作用下，柴油会重新充满柱塞腔，为下一次喷射做好准备。　

喷油量的确定：

喷油量通过柴油柱塞下行的行程决定，下面两个变量将会影响柱塞下行并进而影响到喷油器油量：

·        喷油器电磁线圈加电时间：加电时间越长，将会使得压力放大活塞向下运行更长的行程，并推动柴油柱塞运动更多的距离。

·        机油压力：作用到压力放大活塞上的液压越大，活塞在同样时间长度下向下会运动更长的行程，也就会加大终的喷油量。

因此，更长的线圈加电时间以及更大的机油压力将会提高喷油量。同样的，减小机油压力或者减短线圈加电时间将会降低喷油量。

注意：

为了更换HEUI喷油器以后不会破坏新的喷油器，需要在驱动喷油器前，使用机油将喷油器充满。可以通过断开凸轮轴位置传感器，然后启动发动机并使得发动机旋转两圈来使得机油充满喷油器。

喷油正时：

喷油开始时刻以及喷油结束时刻会根据施加到电磁线圈上的电流来控制。喷油时刻已经根据各种发动机工况被整合到电脑板中来发动机拥有的性能和的尾气排放。

喷油速率控制：

喷油速率指的是每凸轮轴转角有多少油被喷入气缸内。

喷油速率控制指的是燃油系统在喷油过程中有能够调整喷油速率的能力，发动机专家发现如果喷油速率能够在喷油过程中进行调整的话，那将能够有效的改善排放，燃油经济性，功率以及噪音水平。

HEUI喷油器拥有一个独有的优点，那就是可以轻松的改变燃油喷射速率。

因为高压机油的压力可以通过电脑板进行控制，改变机油压力将会改变喷射速率。比如，与低机油压力相比，高机油压力会带来更快的喷射速度。这是因为高机油压力能更快的驱动压力放大活塞下行，并提高每凸轮轴转角带来的喷油量。

机油压力以及柴油压力也与发动机转速无关。不论在怠速状态还是发动机转速，高压机油泵的输出压力可以迅速通过调整机油压力控制阀来改变。

特别在怠速状态下，为了降低发动机噪音，驱动机油压力将会较低，当驾驶员突然深踩加速踏板的时候，高压机油压力将会立即被提高到需要的较高压力来提供更多的燃油喷射量。

注意：

机油质量对于HEUI的有效运行非常重要。防止发泡剂需要添加到配套HEUI系统的发动机润滑油内来防止泡沫的形成。如果润滑油中有一些空气泡沫，这将影响到喷油压力以及喷油时刻，燃油经济性会降低，会引起发动机功率下降或者难以启动。

HEUI-B 型

优势：

这类HEUI喷油器有能力在主喷射之前8到10度凸轮角时喷射一个较小的油量。这个提前喷射也被叫为预喷。由于预喷的存在，将会使得在主喷到来之前，提前对燃烧室进行升温，升压。　这种喷射策略将会减少点火延迟并带来如下的好处：

更低的发动机噪音。大量的事实证明，点火延迟时间如果变长的话，将会导致发动机噪音变大，尤其在怠速状态下更加明显。高温高压的燃烧室将会有效降低主喷的燃油被点燃的时间延迟，进而降低发动机震动和噪音。

更低的氮氧化物排放。更短的主喷点火延迟时间将会使得主喷开始喷射时间向后推迟，随着主喷喷射时间向后推迟，在活塞上指点位置的燃烧室压力峰值将会被降低，这会带来更低的氮氧化物排放。

更低的颗粒物排放。在主喷油量被点燃前，如果燃烧室缸内温度较高的话，将会使得燃油的燃烧更加充分。这样会有效降低颗粒物排放并提高燃油经济性。

两阶段HEUI喷油器的工作原理：

1999年的年中，powerstroke, 卡特皮勒以及万国品牌的车辆都使用了改进后的HEUI喷油器。喷油器在压油柱塞头部和柱塞套内壁上有部分设计改进以便达到需要的这种预喷控制策略。

首先，柱塞套内壁新设计了一个油道来释放柱塞腔内部的油压。柱塞有一个环槽，环槽内油孔道通向柱塞底面。随着柱塞下行，当柱塞环槽与柱塞壁上的释压油道相联通的时候，柱塞腔内部的油压会瞬间被释放。这将导致喷油立即结束。随着柱塞继续下行，柱塞上的环槽滑过释压油口的时候，柱塞腔内部的油压将会重新被建立起来并再次开始喷油。

Gen II HEUI喷油器

特征：

在2002年年中上市的powerstroke7.3L 以及6.0L发动机上都使用了具有革命性设计的全新HEUI喷油器。这种新喷油器被叫做G2 或者Gen II 中压共轨喷油器，它具有所谓的数字控制阀技术。

这种喷油器拥有两个电磁线圈以及一个滑阀。四根阵脚向每个电磁线圈提供48福特，20安培的控制电流，这个电压比其他中压共轨喷油器驱动电压低，然而这两个电磁线圈的驱动电流的脉宽仅有800us.　而之前的A型和B型中压共轨喷油器则需要至少500ms才能使得电磁线圈产生足够关闭控制阀的电磁力。

这就极大的降低了电磁线圈的驱动加电时间并使得电磁线圈能够工作在较低的温度。更为重要的是，电磁线圈以及滑阀的设计能够使得电信号在整个喷射过程中能够更快更的控制喷射量。

这种对喷射曲线可以进行编辑的能力能够在不伤害发动机性能和燃油经济性的前提下有效降低排放。新的控制阀设计使得喷油器设计的更加小巧，能够将四气门结构使用在发动机上。

喷油器电磁线圈以及滑阀

在Gen II 喷油器内部，数字控制阀包含两个线圈，一个无电常开的线圈以及一个无电常闭的线圈。滑阀在电磁力的作用下从一边运动到另一边。总的移动间隙为0.017英寸。当打开时，该阀就会允许机油从高压机油轨道进入到喷油器，进而推动压力放大活塞以及柱塞下行。当改滑阀处于关闭位置时，该阀将会释放喷油器内部的机油到喷油器外。

 

CAT HI300B HEUI 喷油器

这种喷油器也就是卡特皮勒广泛应用在各种设备上的C7， C9 中压共轨喷油器。我们将在稍后的文章中作详细介绍，这里就不再过多阐述。