性能特點和作用說明

高壓共軌式柴油機的噴油壓力控制原理

 

摘要：柴油發電機電控高壓共軌燃油噴射系統由低壓供油部分和高壓供油部分組成，高壓油泵是電驅動，將油箱里的燃油抽上來，像我們常見的抽水機一樣。被快速抽上來的燃油通過油管來到噴油器附近的油軌里，在這里形成很高壓力的燃油。柴油發電機電腦控制噴油器開關，噴油器打開就噴油，關閉就停止噴油。由于高壓共軌組成部件精度要求特別高，因此對油品的質量要求也特別高。除此之外高壓共軌部件成本十分昂貴，不按使用說明書定期更換濾清器會造成噴油器、高壓泵損壞，維修成本相當昂貴。

 

一、高壓共軌發動機發展與優點

 

      共軌式噴油系統于二十世紀90年代中后期才正式進入實用化階段。這類電控系統可分為：蓄壓式電控燃油噴射系統、液力增壓式電控燃油噴射系統和高壓共軌式電控燃油噴射系統。高壓共軌系統可實現在傳統噴油系統中無法實現的功能，結構組成如圖1所示。

1、電控共軌與傳統噴射系統的比較

（1）傳統的柴油機燃油噴射系統，是機械式噴射系統。由調速器控制噴油量，凸輪控制噴油定時、進排氣定時和噴油及進、排氣規律。在額定工況下，能實現性能的優化。但是當柴油機的工況、海況、外界環境、燃油品質發生變化、凸輪軸磨損等因素，造成柴油機工作偏離其設計工況最佳值時，則會影響柴油機的經濟性和排放性能。另外，隨著燃燒理論的發展和成熟，對噴射規律控制的要求更為精確，傳統噴射系統已不能滿足經濟性和排放性的要求。

（2）電控共軌柴油機，也稱為智能型柴油機，其高壓共軌燃油噴射系統是建立在直噴技術、預噴射技術和電控技術基礎之上的一種全新概念的燃油噴射系統。根據柴油機燃燒理論應用電控技術，通過控制燃油噴射正時、噴油量、噴射速率、壓力以及進、排氣閥正時，能有效地實現柴油機在各種負荷下的性能最優化，從而達到在滿足最新排放要求下，提高其經濟性、可靠性、操縱靈活性，并延長使用壽命的目的。

2、電控共軌系統優點

（1）共軌系統中的噴油壓力柔性可調，對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優化柴油機綜合性能。

（2）可獨立地柔性控制噴油正時，配合高的噴射壓力（120MPa~200MPa），可同時控制NOx和微粒（PM）在較小的數值內，以滿足排放要求。

（3）柔性控制噴油速率變化，實現理想噴油規律，容易實現預噴射和多次噴射，既可降低柴油機NOx，又能保證優良的動力性和經濟性。

（4）由電磁閥控制噴油，其控制精度較高，高壓油路中不會出現氣泡和殘壓為零的現象，因此在柴油機運轉范圍內，循環噴油量變動小，各缸供油不均勻可得到改善，從而減輕柴油機的振動和降低排放。 

（5）與直列泵燃油系統相比（如圖2所示），高壓共軌發動機噴油器無需增壓器。直接使用高壓共軌內壓力噴射，噴油器只需要控制噴油時間。

（6）高壓共軌管道是密閉裝置，軌道里燃油是持續高壓中，對于燃油泵的功率要求不需要太高，也減輕燃油泵的負擔。

（7）高壓共軌發動機具有燃油壓力調節閥裝置，能夠根據發動機運轉狀態對油軌內的油壓進行靈活調節，使得發動機動力表現更加充沛。

      由于高壓共軌系統具有以上的優點，現在國內外柴油機的研究機構均投入了很大的精力對其進行研究。

 

圖1  電控高壓共軌燃油噴射系統示意圖

圖2  柴油機共軌系統與直列泵對比圖

 

二、高壓共軌系統的組成

 

1、低壓供油部分

      共軌燃油噴射系統的低壓供油部分包括燃油箱（帶有濾網）、輸油泵、燃油濾清器及低壓油管。

（1）燃油箱必須抗腐蝕，且至少能承受兩倍的實際工作油壓，并在不低于0.03MPa的壓力下仍保持密封。如果燃油箱出現超壓，需經過適當的通道和安全閥自動卸壓。即使發電機組發生傾斜，或在彎道運行，甚至發生碰撞時，燃油也不會從加油口或壓力平衡裝置中流出。同時，燃油箱必須遠離柴油發電機，以減小發電機組發生交通事故時發生火災的危險。

（2）低壓供油部分除采用鋼管外，還可使用阻燃的包有鋼絲編織層的柔性管。油管的布置必須能夠避免機械損傷，并且在其上滴落的燃油既不能聚集，也不會被引燃。

（3）輸油泵是一種帶有濾網的電動泵或齒輪泵，它將燃油從燃油箱中吸出，將所需的燃油連續供給高壓泵。輸油泵的任務是在任何情況下為燃油提供所需的壓力，并在整個使用壽命期內向高壓泵提供足夠的燃油。電動輸油泵（滾子葉片）如圖3-2所示。

（4）燃油濾清器將進入高壓泵前的燃油濾清凈化，從而防止高壓泵、出油閥和噴油器等精密件過早磨損和損壞。

2、高壓供油部分

      共軌燃油噴射系統的高壓供油部分包括帶調壓閥的高壓泵、高壓油管、作為高壓燃油存儲器的共軌管（帶有共軌壓力傳感器）、限壓閥、流量限制器、噴油器和回油管。

（1）輸油泵

      輸油泵的作用是把足夠數量和一定壓力的柴油提供給高壓噴油泵，其輸油量應該是全負荷時所需噴油量的3至4倍。根據結構分為電子輸油泵和齒輪泵，如圖3所示。

（2）高壓泵

      高壓泵將到共軌管的燃油的壓力升到135MPa。高壓泵內部結構如圖4所示。

 

圖3  電控柴油機高壓油泵泵體類型

圖4  高壓泵內部結構結構圖

 

（3）共軌管

      燃油在共軌管中仍保持其壓力，即使噴油器噴油時，由于燃油的彈性而產生蓄壓作用，燃油壓力基本保持不變。燃油壓力由共軌管壓力傳感器測定，通過調壓閥調節到規定數值。限壓閥的任務是將共軌管中的燃油壓力限制在150MPa以內。

（4）噴油器

      當高壓燃油在噴油器中被電子控制的電磁閥釋放時，噴油器開啟，將燃油直接噴入柴油發電機燃燒室。電控噴油器結構如圖5所示。

（5）高壓油管

      高壓油管必須能夠經受燃油噴射系統的最大壓力和噴油間歇時的局部高頻壓力波動。該油管由鋼管制成，通常外徑為6mm，內徑為2.4mm。各缸的高壓油管長度是完全相同的，共軌管與各缸噴油器之間的不同間距通過各缸高壓油管的彎曲程度進行長度補償，但油管長度應盡可能短一些。

3、電控部分

（1）高壓傳感器

      壓力傳感器測量燃油軌中的壓力。即時的壓力被轉換為發動機控制單元ECU可以識別的電位信號。根據發動機控制單元（ECU）已記錄的性能特性，在噴射器期間壓力信號可用來做控制計算，通過高壓控制閥實現高壓調節。高壓傳感器直接固定在油軌上，用柔軟的鐵墊圈密封。

      高壓傳感器的功能：鋼薄膜(的變形與油軌中的即時壓力有關。傳感器內的阻值由于要附加到鋼膜上而被改變。阻置的改變由電子儀器(3)和發動機控制單元作為電位信號識別。

（2）控制單元（ECU）

      發動機控制單元檢查發動機系統控制的所有必須的過程。按負載的要求，計算發動機必須的輸出數據和發電機組整機數據以及檢查防盜碼。發動機控制單元與其他控制裝備的通訊，如圖6所示。

 

圖5  高壓共軌噴油器結構與油路連接圖.

圖6  ECU電子控制系統與通訊總線連接圖

 

三、高壓共軌噴油系統修正

 

1、噴油器的油量和電壓修正

      為了進行噴油器油量修正，在噴油器制造過程中對每個噴油器都要采集很多測量數據，并以數據點陣編碼的形式標示在噴油器上；對于壓電噴油器，還要附加上有關噴油器被堵塞后行程的信息。這些信息在柴油發電機制造過程中都被輸入電控單元，在發動機運轉過程中這些數值被用來補償計量和電路方面的偏差。

2、壓力波修正（DWK）

      原則上，在所有的共軌噴油系統中燃油噴射總會引起壓力波，當噴射間隔變化時，這種壓力振動會延遲噴射而影響噴油量。延遲噴射所引起的誤差與噴入的油量、噴射間隔、共軌壓力和燃油溫度有關，電控單元考慮到這些參數，用一個合適的補償算法計算出一個修正量。

3、預噴射油量的調節修正

      可靠地控制很小的預噴射油量對同時達到舒適性和排放目標具有特別的意義。為此，在博世公司第三代高壓共軌噴油系統中采用了一種實際功率調節方法，與壓力波修正一起來修正預噴射油量。

      在柴油發電機加載時，針對性地將某個小油量噴入汽缸，通過轉速傳感器可探測到由此相應產生的扭矩提升。顯然，這種駕駛者感覺不到的扭矩提升與噴入的燃油量有關，算法確定這種預噴射油量的最小變化量，并相應地修正所有預噴射。

4、λ調節修正

      與預噴射油量的調節一樣，同時調節總噴油量和進氣空氣質量的λ調節同樣具有重要意義，無論是噴油量還是進氣空氣質量的誤差都會導致混合氣的變化，從而影響到廢氣排放。

      為了進行補償，用一個寬帶λ傳感器來檢測廢氣中的氧分壓，由此就能反算出過量空氣系數λ。由于柴油發電機加載時λ傳感器用大氣中的氧分壓來標定，因此檢測的精度較高。專用的學習和調節方法確保在廢氣排放過程中重要的運行工況范圍內調節到經使用后所給定的空燃比。其匹配過程極其迅速，以至于第一個運行循環以后就可以使用到學習值。

5、高壓共軌系統優化效果

      在相同的系統壓力（如160MPa）下，電磁閥系統的全負荷特性可與壓電系統相比，這兩種系統在整個轉速范圍內都能獲得豐滿的扭矩曲線，但是在排放重要的部分負荷范圍內，新的壓電技術就顯示出其潛力來了。即使電磁閥系統達到一個非常好的水平，但是與之相比，由于壓電噴油器的噴油曲線優化，預噴射油量減小，在保持低噪聲水平的同時，微粒和NOx排放量也能降低約13～18％。由于運動質量減小，液壓控制鏈縮短，預噴射油量在必要時能夠減小到小于1mm3。

      在主噴之前增加一次預噴射,可以縮短主噴滯燃期,從而大幅度的降低NOx的排放,并能有效降低燃燒噪聲；隨著預噴油量的增加,NOx的排放水平提高,而顆粒排放水平下降，最佳預噴油量還與負荷有關。預噴與主噴之間的間隔對顆粒排放水平也有一定影響,應進行優化，采用兩次預噴射可以降低燃燒噪聲。

      對不同負荷下的預噴射的研究表明,低負荷條件下的預噴可以大幅度降低燃燒噪聲和油耗，并有效抑制煙度;在中負荷時的預噴可以大幅度降低燃燒噪聲,抑制HC的生成，并降低NOx的排放;在低速全負荷工況下,可以增加煙度限制條件下的扭矩。對后噴的研究表明,后噴是減少顆粒排放的最佳途徑,它還能有效減少煙度、HC的排放和降低油耗。

      由于應用第三代高壓共軌噴油系統能大大擴展調節燃燒過程的自由度，將優化的焦點轉移到有利于降低噪聲水平上。由于應用了兩次預噴射，中等負荷時的噪聲可降3dB(A)。

      根據所選擇的燃燒過程，后噴射為減少顆粒排放提供了很大的可能性。在后噴射相位和油量方面為柴油機開發人員提供了新的自由度。這就允許在排放、噪聲和燃油耗之間達到最佳的平衡，例如根據運行工況通過后噴射顆粒排放最多能降低35％。為了滿足未來各種不同排氣后處理方案對噴油系統的要求，第三代高壓共軌噴油系統能夠在膨脹沖程的不同相位進行后噴射，這樣一方面能在燃燒進行中就為可能存在的顆粒過濾器的再生準備好熱量，另一方面同樣也能為存儲式NOx催化器提供所必需的CO峰值。

 

總結：

      柴油機電控技術的出現，是柴油機發展過程的一次技術革命。隨著柴油機應用電子技術的不斷發展，對柴油機進行的智能控制，改善了船舶柴油機的經濟性和可靠性，達到低污染排放，使其排放符合國際公約的要求。所以，高壓共軌噴射系統將會廣泛應用于柴油發電機組行業。盡管如此，電控共軌柴油機也仍然存在著不足之處，如對電磁閥及傳感器等部件的可靠性要求高，對動力滑油的清潔要求、共軌管的密封性要求很高等。所以我們要加強對電控柴油機的日常維護管理，提高管理水平，以降低柴油發電機組運行成本。

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