新聞主題	柴油機電噴燃油系統的類別、組成與原理

 

摘要：柴油機燃油噴射具有高壓、高頻、脈動等特點。其噴射壓力高達200MPa，為汽油機噴射壓力的百倍以上。對燃油高壓噴射系統實施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對噴射正時的精度要求很高，相對于柴油機活塞上止點的角度位置遠比汽油機要求準確。由于柴油機的噴射系統形式多樣，比如具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結構完全不同的系統。實施電控技術的執行機構比較復雜，形成了柴油噴射系統的多樣化；同時柴油機需要對油量、定時、噴油壓力等多參數進行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機。但是由于其獨特的先進性，采用電控已不可避免的成為當今柴油機技術的發展趨勢。

 

一、燃油系統電控技術的特點

 

      柴油機電控技術與汽油機電控技術有許多相似之處，整個系統都是由傳感器、電控單元和執行器三大部分組成，在電控柴油機上所用的傳感器中，如轉速、壓力、溫度等傳感器以及油門踏板傳感器，與汽油機電控系統都是一樣的。電控單元在硬件方面也很相似，在整車管理系統的軟件方面也有近似處。汽油機電控技術在國外已經成熟，商品化程度已很高，因此大部分傳感器和電控單元已不是難點，也不是柴油機電控技術的難點。柴油機電控技術有二個明顯的特點：一個特點是其關鍵技術和技術難點就在柴油機噴射電控執行器上；另一個特點是柴油機電控噴射系統的多樣化。

      柴油機是一個熱效率比較高的動力機械。它采用高壓噴油泵（包括提前器）和噴油嘴將適量的燃油，在適當的時期，以適當的空間狀態噴入柴油機的燃燒室，以造成最佳的燃油與空氣混合和燃燒的最有利條件，實現柴油機在功率、扭矩、轉速、燃油消耗率、怠速、噪聲、排放等多方面的要求，柴油機燃油噴射具有高壓、高頻、脈動等特點，其噴射壓力高達60～150MPa，甚至200MPa，為汽油噴射的幾百倍，上千倍。對于燃油高壓噴射系統實施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對噴射正時的精度要求很高，相對于柴油機活塞上死點的角度位置遠比汽油機要求準確，這就導致了柴油噴射的電控執行器要復雜得多。因此柴油機電控技術的關鍵和難點就是柴油噴射電控執行器，也即電控柴油噴射系統，主要控制量是噴油量和噴油正時。

      當今國際上汽油機電控技術已經成熟，且趨向一個比較單一的模式，即多點噴射。電控化油器已經淘汰，單點噴射的應用大大減少，有些公司正在研究多點缸內噴射。柴油機在機械控制時代，就已經有直列泵、分配泵、泵噴嘴、單缸泵等結構完全不同的系統，每個系統各有其特點和適用范圍，每種系統中又有多種不同結構。實施電控技術的執行機構比較復雜，因此形成了柴油噴射系統的多樣化。

      關于柴油發動機電控燃油系統的種類，大約分為四種方式。首先，按噴射方式不同，電控燃油噴射系統可分為連續噴射方式和間歇噴射方式。在采用間歇噴射方式的多點電控燃油噴射系統中，按各缸噴油器的噴射順序又可分為同時噴射系統、分組噴射和系統順序噴射系統。其次，按對進氣量的計量方式不同，電控燃油噴射系統可分為D型噴射系統和I型噴射系統。然后，按噴射位置不同，電控燃油噴射系統可分進氣管噴射和缸內直接噴射兩種類型。最后再按有無反饋信號，可分為開環控制系統和閉環控制系統。開環控制系統（無氧傳感器）不能實現最佳控制。閉環控制系統（有氧傳感器）是在發動機排氣管上加裝了氧傳感器，根據排氣中含氧量的變化，判斷實際進入汽缸的混合氣空燃比，再通過ECU與設定的目標空燃比值進行比較，并根據誤差修正噴油器噴油量，使空燃比保持在設定的目標值附近。

 

二、液壓驅動電控單體式噴油器

 

      柴油機液壓驅動電控單體式噴油器（HEUI）是一種獨特的電噴系統，一般的柴油機燃油系統是由凸輪軸驅動搖臂組成，使噴油器的噴油柱塞向下運動，升高封閉在噴油套筒內的燃油壓力到足以打開噴油器噴頭總成內的噴油針閥。而HEUI燃油系統中，增壓活塞上的高壓機油代替搖臂作用于各噴油器端部，即由高壓機油提供動力的噴油壓力，由機油壓力決定壓力的大小。

1、HEUI電噴系統工作原理簡述

      HEUI燃油系統的噴油速率采用液壓方式控制，噴油速率隨柴油機轉速而變化，使柴油機的性能提高，燃油經濟性改善并排放降低。在噴油電磁閥接到來自ECM的信號產生激勵時HEUI噴油器柱塞動作，與其他機械驅動的燃油系統不同，柴油機凸輪轉速和凸起持續時間控制噴油器的柱塞運動，所以噴油控制更加精確。

2、HEUI電噴系統的組成

      總的來說HEUI系統由三大部分組成：低壓燃油系統、高壓機油系統和由ECM控制的噴油系統。

（1）低壓燃油系統

      HEUI屬于低壓燃油系統，如圖2所示，燃油經燃油箱被吸出，經濾清器、低壓油泵、燃油集合管至噴油器，向各個噴油器的供油量大于實際噴油量，以保證充分的潤滑和冷卻噴油器，沒有噴出的燃油離開油道，最后經回油管的噴油壓力閥（釋放壓力設定為414kPa）回到燃油箱。

      低壓燃油系統中無高壓燃油流動，取消了高壓油管，目的是防止燃油的可壓縮性和油管的彈性在油管內形成壓力波動，防止打開已關閉的針閥，產生二次噴射燃燒的不正常，出現不完全燃燒。

 

圖1  柴油機液壓驅動電控單體式噴油器（HEUI）結構圖

圖2  柴油機液壓驅動電噴系統低壓燃油流程

 

（2）高壓機油系統

      柴油機的潤滑系統可分為兩部分：低壓和高壓。如圖1所示可以看出，在低壓機油泵的作用下，油底殼機油被吸起，通過機油冷卻器和過濾器，此時機油分為兩路，一路對柴油機體進行潤滑，另一路從高壓油泵進入，進入高壓油泵中的多余機油部分流回油底殼。此部分屬于潤滑系統的低壓部分。在高壓油泵的作用下，高壓機油通往噴油器，此部分就是潤滑系統的高壓部分。

      實際上，潤滑系統的高壓部分不僅僅起潤滑的作用，更重要的是控制驅動噴油器的高壓噴油。噴油壓力控制系統如圖3所示，系統內流動的都是高壓機油，由高壓機油泵、噴油壓力穩壓閥、噴油壓力控制傳感器等組成。

      它是由曲軸帶動7個活塞的高壓機油泵，在正常運行條件下，機油被加壓至3100kPa到20685kPa之間，一個路軌式壓力控制閥（RailPressure Control Valve，RPCV）控制油泵輸出的壓力，當開啟調壓控制閥時，溢流的機油回柴油機油底殼中。調壓控制閥是一個電控溢流閥，起控制液壓機油泵的泵油壓力的作用，ECM調節機油泵的輸出供油壓力，通過改變電控溢流閥的信號電流。調壓控制閥的剖面圖如圖4所示，在柴油機停機時，調壓控制閥內部的滑閥被復位彈簧推到右側，機油溢流口關閉；在啟動柴油機時，ECM發出信號給調壓控制閥，電磁線圈產生磁場將銜鐵推動菌狀閥和推桿，流入滑閥腔內的機油壓力和彈簧力共同作用使滑閥處于右端，繼續使機油溢流油口關閉，使全部機油進入各氣缸蓋內鑄造的機油油道中，直到機油油道內達到期望的機油壓力。

 

圖3  柴油機液壓驅動電噴系統噴油壓力控制系統

圖4  柴油機液壓驅動電噴系統機油調壓控制閥.

 

（3）噴油器

      噴油器由電磁閥、提動閥、酸化增強活塞、噴油嘴總成等組成，如圖5所示。

      機油液壓能量提供噴油器的噴射動力，噴油器內的活塞及柱塞的移動由液壓壓力及速度控制，由噴油器中電磁閥開關時間的長短達到控制噴油量 ECM發出脈沖的時間控制，當電磁閥通電時提動閥打開其閥座，推動活塞及柱塞在高壓機油推動下行至最低，噴油器進行噴油。ECM輸出信號控制斷開噴油器的電磁閥電源，停止噴油，關閉提動閥。當關上提動閥，高壓機油關閉輸送管道，對酸化增強活塞停止供油，轉動空槽內排入酸化增強活塞內的高壓機油。柱塞彈簧將酸化增強活塞及柱塞推回原位。當柱塞向上移動時，燃油閥打開，柱塞腔內開始注入低壓燃油。ECM通過噴油器有效控制發動機的噴射速度、噴油時間及高壓噴射壓力。

      噴射速度的控制：噴油器的執行由液壓系統控制，速度比傳統的機械式要快，柴油機速度與噴射速度及壓力無關。

      在HEUI的噴油過程中，由于電磁閥的速度響應極快，為“先導噴射”即“二次噴射”創造條件。所謂“先導噴射”，即通過噴油嘴噴入少量燃油到燃燒室，緩慢地使燃燒室內形成軟性火焰前鋒，這樣氣缸內的峰值溫度和壓力都低于普通一次噴射系統，此時由ECM檢測噴油延時，在形成火焰前鋒后，根據ECM提供的數據，噴油嘴再次持續開啟向氣缸內噴入準確的油量，燃燒室內的燃油噴入活塞頂的碗形空間內，這有助于空氣和燃油形成渦流。由于氣缸內的壓力升高率降低了，燃燒噪聲降低了，油耗下降，同時大大降低排出的廢氣濃度。

 

圖5  柴油機液壓驅動電噴系統噴油器.

圖6  柴油機液壓驅動電噴系統管理系統

 

      EUP的控制原理：在電磁閥關閉且凸輪軸推動EUP殼體內的柱塞向上移動時才會噴油，當電磁閥開啟且在柱塞回位彈簧4作用下向下移動時，低壓燃油將會發生溢流。高壓燃油從EUP通過小管徑高壓油管被輸送到噴油嘴，大約在31027～34475kPa油壓作用下克服彈簧壓力而開啟，此時噴油壓力大約為179.3MPa。

 

圖 7  柴油機DDEC系統電控泵噴嘴結構

圖8  柴油機電控單體式噴油泵EUP示意圖

 

四、電控分配泵（EDP）系統

 

      電控分配泵是在機械分配泵的基礎上發展而來的。它繼承了原機械分配泵體積小、噪聲小、運轉平穩、受力均衡的優點，又大大簡化了原機械分配泵的結構，其結構如圖9所示。

 1、分配泵工作原理

      如圖10所示。打開點火開關燃油切斷電磁閥通電開啟，這樣泵體和柱塞之間的燃油通道暢通。當輸油泵旋轉時，燃油從燃油箱中被抽吸上來，通過水沉淀器及燃油濾清器在由調節閥調定的壓力下進入泵體。通過柱塞的運動燃油被壓縮并分配到各個出油閥。燃油通過出油閥后，再通過高壓油管進入噴油嘴，并被噴入氣缸。同時，噴油泵的內部是靠燃油來潤滑和冷卻的。一部分燃油從溢流螺絲回到燃油箱，來控制泵體燃油溫度的上升。

2、泵油原理

（1）輸油泵、凸輪板和柱塞是由驅動軸驅動并且以發動機一半的轉速旋轉。

（2）兩個柱塞彈簧將柱塞及凸輪板頂在滾子上。

（3）凸輪板的板面有與氣缸相同數量的端面凸輪。(4 缸發動機有4個端面凸輪。) 凸輪板依靠固定的滾子推動柱塞向內或向外旋轉，柱塞隨著端面凸輪的運動而運動，柱塞的往復運動與端面凸輪的旋轉同步。端面凸輪旋轉一圈，柱塞完成4 次完整的往復運動。

（4）每1/4圈噴射一次燃油進入氣缸和柱塞完成一次往復運動（相對于4缸發動機而言）。

（5）柱塞有4個吸油槽、1個分配孔、1個回油孔和1個平衡槽。回油孔和分配孔與柱塞中心孔相通。

（6）燃油從柱塞的吸油槽被吸入。然后高壓燃油從分配孔通過出油閥進入噴油嘴。

3、單缸供油過程

（1）吸油過程 ：

      柱塞在向下運動過程中（如圖示向左移動時），柱塞上的 4 個吸油槽中的一個與分配頭的吸油孔相通。這樣燃油被吸入壓力室，從那里進入柱塞內部。

（2）供油過程：

      隨著凸輪板和柱塞旋轉，分配頭的吸油孔關閉、柱塞的分配孔與分配通道相通。隨著凸輪板轉上滾子，柱塞向右運動壓縮燃油。當燃油壓力超過出油閥彈簧的預緊力，燃油就被泵入噴油嘴。

（3）供油結束：

      當凸輪板繼續旋轉柱塞繼續向右運動，柱塞上的兩個回油孔將柱塞及凸輪板頂在滾子上。這樣高壓油通過回油孔流回泵體。結果燃油壓力突然下降、燃油噴射停止。

 

圖9  電控柴油機的VE型分配泵

圖10  柴油機電控分配泵工作原理

 

 總結：

      柴油機電子控制技術在環保、精度、自動控制和故障診斷等方面具有優勢，但在維護難度、價格、耐用性和安全風險等方面存在局限。因此，柴油發電機組生產企業應該在技術掌握、應用和維護等方面加強研究，使柴油機電子控制技術更好地為人們的生活服務。

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