性能特點和作用說明

柴油發電機的高壓共軌電控燃油噴射系統

 

摘要：柴油發電機共軌式電控燃油噴射技術是一種全新的技術，因為它集成了計算機控制技術、現代傳感檢測技術以及先進的噴油結構于一身。簡單的說就是在由高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環系統中，將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過對公共供油管內的油壓實現精確控制，使高壓油管壓力大小與發動機的轉速無關，可以大幅度減小柴油發電機供油壓力隨發動機轉速的變化，因此也就減少了傳統柴油發電機的缺陷。

 

一、高壓共軌燃油系統的特點

 

      共軌系統作為柴油發動機滿足國三或更高排放標準的最佳選擇，由高壓供油泵、高壓油軌總成、噴油器、電子控制單元(以下簡稱ECU)和傳感器等組成，其實物外形如圖1所示，結構組成如圖2所示。在該系統中，共軌噴油器總成的主要功能是：噴油器安裝在燃燒室內，根據吸入空氣量由電子精確控制燃油的噴注量，燃油與空氣充分霧化混合，使符合理論空燃比的混合氣均勻地充滿燃燒室，志在發揮每一滴燃油的所有潛能，與此同時，由于燃燒充分，可以大幅度減少未燃燒的氣體從發動機里排出，從而獲得更低的排放，在相同時間可以完成三次以上的噴射，來緩解發動機振動和嚴苛的排放要求。

      電控噴油器通過電磁閥控制噴射油量，控制范圍壓力大，通過提高噴油壓力能保證燃油霧化性能，可以保證燃油完全燃燒。在降低油耗的同時提供了迅猛動力。電控噴油器是負責將燃油霧化，并將定量的霧化燃油噴入內燃機氣缸的重要部件。隨著排放要求的提高，內燃機對燃油的霧化水平提出了更高的要求。燃油的霧化水平又與燃油系統的工作壓力密切相關，壓力越高燃油的霧化水平越好。因此，目前電控共軌系統對噴油器提出了200MPa以上高壓力的要求。

      電控噴油器控制定量燃油是通過控制壓力控制腔的壓力來實現的。在控制閥關閉的時刻，該壓力控制腔需要一個密閉的空間，該密閉的空間是控制閥密封部件與流量控制板的密封部位結合所構成，該結合部位的受力為控制閥密封部件受到控制閥上彈簧的預緊力。該預緊力要求在控制閥關閉的時刻，大于控制閥所受到的軸向液壓力。隨著系統壓力的提高至200MPa以上，共軌噴油器高壓腔的密封力要求越來越高，因此對共軌噴油器銜鐵回位彈簧預緊力的要求也越來越高，從而對電磁鐵吸力的要求的逐步提高。

      共軌系統是一個全新的燃油噴射系統，其最大的特點如下：

（1）可以實現高壓噴射與發動機的轉速無關，燃油霧化質量高，從而促進燃油空氣的混合，實現更完全的燃燒。

（2）實現了一個燃燒循環中的多次噴油，提高了燃燒控制的自由度。

（3）可以修正每次噴油量，提高噴油控制的精度。

（4）采用先進的電子控制裝置及配有高速電磁開關閥；

（5） 高速電磁開關閥頻響高，控制靈活；

（6）系統結構移植方便，適應范圍寬。

 

圖1  柴油機高壓共軌系統實物圖

圖2  柴油機高壓共軌燃油系統原理圖

 

二、高壓共軌燃油系統的結構

 

      在電控高壓共軌系統中，由各種傳感器（發動機轉速傳感器、油門開度傳感器、各種溫度壓力傳感器等）實時檢測出發動機的實際運行狀態，由微型處理器根據預先設計的計算程序進行計算后，定出適合該運行狀態的噴油量、噴油時間和噴油率模型等參數，使發動機始終都能在最佳狀態下工作。電控高壓共軌式噴油系統的基本組成是供油泵、ECU、共軌和燃油箱。從功能方面分析，電控共軌系統可分為兩大部分：

1、控制部分

      電控共軌系統可分為三大部分：傳感器、ECU和執行器。ECU是電控共軌噴油系統的核心部分。ECU根據各個傳感器的信息進行計算完成各種處理后，求出最佳噴油時間和最適合的噴油量，并且計算出在什么時刻、在多長的時間范圍向噴油器發出開啟或關閉電磁閥的指令等，從而精確控制發動機的工作過程。

2、燃料供給系統

      燃料供給系統的基本工作原理是供油泵將燃油加壓成高壓，供入共軌內；共軌實際上是一種燃油分配管。儲存在共軌內的燃油在適當的時刻通過噴油器噴入發動機氣缸內。電控共軌系統中的噴油器是一種由電磁閥控制的噴油閥，電磁閥的開啟和關閉由ECU控制。高壓共軌電控燃油噴射系統的結構有以下關鍵部件：

（1）共軌管

      共軌管將供油泵提供的高壓燃油分配到各噴油器中，起蓄壓器的作用。電控系統的供軌管實物圖如圖3所示，結構示例如圖4所示。

      它的容積應削減高壓油泵的供油壓力波動和每個噴油器由噴油過程引起的壓力震蕩，使高壓油軌中的壓力波動控制在5Mpa之下。但其容積又不能太大，以保證共軌有足夠的壓力響應速度以快速跟蹤柴油機工況的變化。ECD-U2系統的高壓泵的最大循環供油量為600mm³，共軌管容積為94000mm³。

      高壓共軌管上還安裝了壓力傳感器、液流緩沖器（限流器）和壓力限制器。壓力傳感器向ECU提供高壓油軌的壓力信號；液流緩沖器（限流器）保證在噴油器出現燃油漏泄故障時切斷向噴油器的供油，并可減小共軌和高壓油管中的壓力波動；壓力限制器保證高壓油軌在出現壓力異常時，迅速將高壓油軌中的壓力進行放泄。

      從上述分析可見，精確設計高壓共軌管的容積和形狀適合確定的柴油機是并不容易的。

 

圖3  柴油機高壓共軌（蓄能器）實物圖

圖4  電控柴油機共軌管結構示意圖

 

（2）高壓油泵

      高壓油泵的實物外形如圖5所示，內部結構如圖6所示。高壓油泵的供油量的設計準則是必須保證在任何情況下的柴油機的噴油量與控制油量之和的需求以及起動和加速時的油量變化的需求。由于共軌系統中噴油壓力的產生于燃油噴射過程無關，且噴油正時也不由高壓油泵的凸輪來保證，因此高壓油泵的壓油凸輪可以按照峰值扭矩最低、接觸應力最小和最耐磨的設計原則來設計凸輪。

 

圖5  柴油機電控高壓供油泵實物圖

圖6  電控高壓油泵內部結構剖析圖

 

（3）電控噴油器

      電控噴油器是共軌式燃油系統中最關鍵和最復雜的部件，它的作用根據ECU發出的控制信號，通過控制電磁閥的開啟和關閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率噴入柴油機的燃燒室。電控噴油器的結構基本相似，都是由于傳統噴油器相似的噴油嘴、控制活塞、控制量孔、控制電磁閥組成，圖7為電控噴油器結構圖。其工作過程如下：

① 在電磁閥不通電時，電磁閥關閉控制活塞頂部的量孔，高壓油軌的燃油壓力通過量孔作用在控制活塞上，將噴嘴關閉；當電磁閥通電時，量孔被打開，控制室的壓力迅速降低，控制活塞升起，噴油器開始噴油；當電磁閥關閉時，控制室的壓力上升，控制活塞下行關閉噴油器完成噴油過程。

② 控制了噴油率的形狀，需對其進行合理的優化設計，實現預定的噴油形狀。控制室的容積的大小決定了針閥開啟時的靈敏度，控制室的容積太大，針閥在噴油結束時不能實現快速的斷油，使后期的燃油霧化不良；控制室容積太小，不能給針閥提供足夠的有效行程，使噴射過程的流動阻力加大，因此對控制室的容積也應根據機型的最大噴油量合理選擇。針閥結構放大圖如圖8所示。

③ 控制量孔的大小對噴油嘴的開啟和關閉速度及噴油過程起著決定性的影響。雙量孔閥體的三個關鍵性結構是進油量孔、回油量孔和控制室，它們的結構尺寸對噴油器的噴油性能影響巨大。回油量孔與進油量孔的流量率之差及控制室的容積決定了噴油嘴針閥的開啟速度，而噴油嘴針閥的關閉速度由進油量孔的流量率和控制室的容積決定。進油量孔的設計應使噴油嘴針閥有足夠的關閉速度，以減少噴油嘴噴射后期霧化不良的部分。

④ 此外噴油嘴的最小噴油壓力取決于回油量孔和進油量孔的流量率及控制活塞的端面面積。這樣在確定了進油量孔、回油量孔和控制室的結構尺寸后，就確定了噴油嘴針閥完全開啟的穩定、最短噴油過程，同時就確定了噴油嘴的穩定最小噴油量。控制室容積的減少可以使針閥的響應速度更快，使燃油溫度對噴油嘴噴油量的影響更小。但控制室的容積不可能無限制減少，它應能保證噴油嘴針閥的升程以使針閥完全開啟。兩個控制量孔決定了控制室中的動態壓力，從而決定了針閥的運動規律，通過仔細調節這兩個量孔的流量系數，可以產生理想的噴油規律。

⑤ 由于高壓共軌噴射系統的噴射壓力非常高，因此其噴油嘴的噴孔截面積很小，如BOSCH公司的噴油嘴的噴孔直徑為0.169mm×6，在如此小的噴孔直徑和如此高的噴射壓力下，燃油流動處于極端不穩定狀態，油束的噴霧錐角變大，燃油霧化更好，但貫穿距離變小，因此應改變原柴油機進氣的渦流強度、燃燒室結構形狀以確保最佳的燃燒過程。

⑥ 對于噴油器電磁閥，由于共軌系統要求它有足夠的開啟速度，考慮到預噴射是改善柴油機性能的重要噴射方式，控制電磁閥的響應時間更應縮短。

（4）高壓油管

      高壓油管是連接共軌管和電控噴油器的通道，它應有足夠的燃油流量減小燃油流動時的壓降，并使高壓管路系統中的壓力波動較小，能承受高壓燃油的沖擊作用，且起動時共軌中的壓力能很快建立。各缸高壓油管的長度應盡量相等，使柴油機每一個噴油器有相同的噴油壓力，從而減少發動機各缸之間噴油量的偏差。各高壓油管應盡可能短，使從共軌到噴油嘴的壓力損失最小。

 

圖7  柴油機高壓共軌噴油器結構

圖8  高壓共軌噴油器的噴油嘴針閥偶件放大圖

 

三、高壓共軌燃油系統的功能和優點

 

      共軌系統最主要的技術參數是噴油壓力，其次是一個燃燒循環中最多可以噴油的次數，其中提高噴油壓力和增加噴油次數的目的是不同的。在每一個工作循環中進行多次噴油，這在傳統的噴油系統中是無法實現的。

1、功能

      每次噴油的噴油量不同，而且每次噴油的用途也不相同。以5次噴油為例，每次噴油都有其特殊的目的和用途，功能分解如下。

（1）先導噴油。降低噪聲、削減NO（氮氧化合物）。

（2）預噴油和主噴油。得到理想動力性。

（3）后噴油。削減PM（顆粒物）排放。

（4）遠后噴油。達到排氣后處理裝置的工作條件等。

2、優點

      高壓共軌系統可實現在傳統噴油系統中無法實現的功能，其優點有：

（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。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。

3、類型

（1）高壓共軌系統

      由高壓輸油泵（壓力在120MPa以上）直接產生高壓燃油輸送至共軌中，一般采用“時間-壓力控制”方式，又稱為第一代共軌式電控燃油噴射系統。

（2）中壓共軌系統

      由中壓輸油泵（10～13MPa）將中壓燃油輸送到共軌中，采用帶有增壓作用的噴油器使噴油壓力達到120～150MPa。一般采用“壓力控制”方式，也是第二代共軌式電控燃油噴射系統。

（3）壓電式共軌系統

       高壓共軌系統和中壓共軌系統都屬電磁閥式共軌系統。壓電式共軌系統利用壓電晶體作為執行元件，通過控制噴油器針閥的升程（或噴油開始與結束）來實現燃油噴射控制。壓電式共軌系統被稱為第三代共軌式電控燃油噴射系統。

 

總結：

      由于高壓共軌式燃油噴射系統具有可以對噴油定時、噴油持續期、噴油壓力、噴油規律進行柔性調節的特點，該系統的采用可以使柴油機的經濟性、動力性和排放性能都會有進一步的提高。這就需要我們加大對高壓共軌系統的研究力度，使我國的柴油機水平跨上一個新的臺階。

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