新聞主題	電控單體泵、泵噴嘴和高壓共軌系統的優缺點

 

摘要：隨著國家排放法規的日益嚴格，柴油機的技術，尤其是排放控制技術也在逐步進行升級換代。比如，要達到國二排放標準，柴油機在機械式噴油系統基礎上采用渦輪增壓中冷技術；要達到國三排放標準，柴油機必須安裝電控燃油噴射系統，以取代傳統機械式噴油系統。預計不久將來，全國范圍內所有機型均會實現國三排放標準，這就意味著所有的柴油柴油機均須采用電控燃油噴射系統。考慮未來柴油機排放升級發展需要，現代柴油機主要采用了電控單體泵系統、電控泵噴嘴系統和電控高壓共軌燃油噴射系統，本文闡述了這三種系統的結構特點、工作原理、優缺點以及應用發展情況，指出未來柴油機燃油噴射系統的發展方向。

 

一、電控單體泵燃油噴射系統

 

1、結構特點

      電控單體泵系統是一種時間控制式的高壓燃油噴射系統。該系統由燃油供給系統（包括低壓部分和高壓部分）、電控單元和傳感器等組成。所謂單體泵，是指一個氣缸有一個噴油泵，它主要包括一個帶有出油控制閥（電磁閥）的高壓油泵、機械噴油器，以及連接所需的燃油管路、濾清系統。電控單體泵系統安裝在每個缸體外部，其基本結構是將噴油泵柱塞驅動與柴油機配氣機構驅動共用一根（頂置）凸輪軸，噴油泵由凸輪軸上的噴油凸輪驅動，這樣使得結構得到最大程度的簡化，從而實現油泵出油口到噴油器的燃油管路距離的最短化。

2、工作原理

      電控單體泵是通過與其制成一體的電磁閥（出油控制閥）來配合進行工作的，通過電磁閥直接控制柱塞腔內燃油壓力的建立和泄流，電磁閥觸發的時刻就是關閉的時刻，即供油起點，電磁閥觸發時間的長短決定著噴油量的大小。柴油機工作時，電控單元將所收集到的柴油機傳感器信息處理后，發出啟噴指令，給電磁閥通電，控制閥桿閉合泄油回路，建立高壓，高壓燃油通過高壓油管、高壓短接管進入噴油器，然后噴入氣缸內燃燒室；當電磁閥通電電流斷開時，控制閥桿在彈簧的作用下開通泄油油路，高壓燃油迅速經回油孔泄壓，停止噴油。

3、優點

（1）電控單體泵系統通過電子控制系統和油泵結構設計的優化來實現對噴油壓力的提高，噴油壓力可達1600～1800bar，從而改善柴油機的燃燒工作過程，在有效降低柴油機排放水平的同時，改善柴油機燃油經濟性和噪聲特性，具有廣闊的應用前景。通過將機械噴油器改進為電磁閥噴油器后，形成雙電磁閥單體泵系統，燃油噴射壓力可達到2000bar以上，能夠實現多次噴射，可以達到國IV，甚至國V排放水平。

（2）單體泵安裝在氣缸體的外面，結構相對簡單，對原型柴油機的改動較小，制造成本較低，而且對油品的清潔度不太敏感，尤其是因噴射壓力較大，大功率柴油機的敏感性相對更弱，在當前國內油品質量無法滿足要求的條件下，使用單體泵技術的優勢不言而喻，因此深受柴油機制造企業和用戶的歡迎。

（3）工作性能可靠，故障率低，使用壽命長，維修方便。其可靠性能已經在歐洲和北美市場上得到長時間的使用驗證，而且對生產廠家的售后服務要求也不高，用戶使用維修成本較低。

4、缺點

（1）不能自由控制燃油噴射壓力，柴油機低速性能欠佳。由于單體泵油壓的建立過程依賴于曲軸的轉速，油泵的壓力與柴油機的轉速成正比，因此在低轉速區域燃油壓力較低，不利于柴油機燃燒性能的提高。

（2）采用機械噴油器時，不具備多次噴射的能力。一旦燃油系統與整機的匹配設計完成，在每一個工況點下，燃油系統的特性將不具備調節性。

（3）在國內，為控制成本和降低技術難度，一般都是采用了外掛式單體泵（安裝在氣缸蓋上），這種設計，很難避免較大的驅動扭矩，并且噪聲較大。隨著排放水平的逐步升級，單體泵需安裝在缸體內，這需要重新設計柴油機機體。

 

電控柴油機單體泵結構示意圖	電控柴油機單體泵參數示意
電控柴油機單體泵安裝示意圖	電控柴油機單體泵噴油正時調整值

 

二、電控泵噴嘴燃油噴射系統

 

1、結構特點

      普通的柴油機通常采用泵一管一嘴燃油噴射系統，即由高壓油泵產生高壓燃油，再經過油管把高壓燃油輸送到噴油嘴來完成噴油動作，由于燃油具有可壓縮性，高壓燃油在傳遞過程中會出現時間滯后的問題，影響到噴油的正時，且難以實現燃油噴射的精確控制，不利于燃料的燃燒，產生較多的排放物質。在電控泵噴嘴系統中，電控的高壓油泵和噴油嘴之間沒有管路連接，它把高壓油泵、噴油嘴和電磁閥集成在一起，直接安裝在氣缸蓋上，這樣不占用更多的空間，每一個高壓油泵（每缸一個）與進排氣門一樣，都由同一根凸輪軸同時驅動。

2、工作原理

      泵噴嘴系統分為機械驅動式和蓄壓式兩種，目前發展最完善的電控泵噴嘴系統是機械驅動式的。泵噴嘴燃油噴射系統工作過程分為進油、壓油、噴油和回油四個階段，原理如圖5所示。泵噴嘴的噴油始點和噴油終點由快速啟閉的電磁閥控制，當電磁閥關閉時，將柱塞高壓油腔與低壓油路切斷，燃油加壓并開始噴射；當電磁閥開啟時，則泄掉噴射壓力，結束噴油。通過電磁閥的多次動作可產生多次噴射，實現對噴油速率的控制，從而使燃燒過程得到優化，其可靠性和燃燒效率得到保證。電磁閥在工作狀態時電流曲線變化如圖6所示。

3、優點

（1）電控泵噴嘴系統結構緊湊，噴油嘴孔徑非常小，不僅消除了高壓油管中壓力波動的影響，提高了燃油噴射的響應速度，而且很容易產生高噴油壓力（最高噴油壓力達到2200bar以上），燃油霧化良好，燃燒效率很高，從而提高柴油機的動力性和燃油經濟性，降低排放。

（2）燃油的噴射過程實現了全電子控制，由安裝在泵噴嘴上的高速電磁閥精確控制，不僅利于徹底燃燒，提高動力性，而且可降低噪聲和廢氣排放。同時柴油機在低速和小負荷時燃油噴射的穩定性好，具有較好的控制靈活性，低速時的柴油機綜合性能得到改善，采用該技術的柴油機可滿足國IV、國V排放標準。因此，該系統被看作是柴油機滿足苛刻排放標準和燃油經濟性要求的最佳選擇之一。

4、缺點

（1）電控泵噴嘴系統最大的缺點在于燃油噴射壓力不能保持恒定，仍然受柴油機轉速的限制。

（2）由于該系統噴射壓力很高，因而對氣缸套和氣缸蓋的剛度要求很高，此外，高壓油泵的凸輪和曲軸的距離較遠，對傳動系統的剛度要求也很高。

（3）電控泵噴嘴系統由于需要重新設計柴油機本體，尤其是柴油機缸蓋，加工難度大，制造成本高。

 

圖5  電控柴油機泵噴嘴系統工作狀態

圖6  柴油機泵噴嘴電磁閥電流變化曲線

 

三、電控高壓共軌燃油噴射系統

 

1、結構特點

      電控高壓共軌燃油噴射系統是建立在直噴技術、預噴技術和電控技術基礎之上的一種時間一壓力控制式的高壓燃油噴射系統。它主要由高壓泵、帶壓力傳感器和調壓閥的共軌管、帶電磁閥或壓電式的噴油器、電控單元和傳感器組成。共軌系統與之前以凸輪軸驅動的柴油噴射系統不同，共軌式柴油噴射系統將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開，電磁閥控制的噴油器替代了傳統的機械式噴油器。

2、工作原理

      電控高壓共軌燃油噴射系統共軌管中的燃油壓力由一個徑向柱塞式高壓泵產生（高壓泵結構如圖7所示），壓力大小與柴油機的轉速無關，可在一定范圍內自由設定，其大小由一個電磁壓力調節閥控制，根據柴油機的工作需要進行連續壓力調節。電控單元作用于噴油器電磁閥上的脈沖信號控制燃油的噴射過程，噴油量的大小取決于共軌管中的油壓和噴油器電磁閥開啟時間的長短，及噴油嘴液體流動特性。工作時，該系統將共軌管內形成的恒定高壓燃油，通過高壓油管分送到每個噴油器，并借助于集成在每個噴油器上的高速電磁閥的開啟與閉合，控制噴油器定時、定量地將燃油噴射至燃燒室。

3、優點

（1）燃油噴射壓力獨立于柴油機轉速，壓力恒定，且噴油壓力較大，大大改善了柴油機低速、大負荷時的工作性能，在有效降低柴油機排放水平的同時，提高柴油機的燃油經濟性和降低燃燒噪聲。

（2）噴油壓力柔性可調，在不同負荷和轉速下都可確定所需的最佳噴油壓力。油計量閥工作原理如圖8所示。

（3）實現了對噴油正時、噴油量和噴油速率的最優控制，因而改善了柴油機的燃燒過程，提高了燃油經濟性，減少了污染物的排放，降低了燃燒噪聲。

（4）結構簡單、性能可靠、實用性強，應用范圍廣，目前已廣泛應用于各種型號、各種排量的柴油機。

4、缺點

（1）該系統的共軌管燃油壓力調整十分復雜，存在建立時間和建立精度的矛盾，即縮短調節時間將很可能導致共軌管內的燃油壓力超調，一般共軌管燃油壓力需要在柴油機的幾個循環內才能完成調整，在一個循環中不能實現各缸的獨立調節。

（2）隨著共軌管燃油壓力的不斷提高，對系統各部件的性能要求越來越苛刻，對傳感器的精度要求也較高。另外，采用電控高壓共軌燃油噴射系統后，需對柴油機結構進行相應的改進。

（3）油品適應性差，用戶維修保養成本高，必須使用符合國三標準以上的低硫柴油，共軌柴油機電控系統的故障必須依靠專業故障診斷儀器進行檢測和維修。

5、應用情況

      電控高壓共軌燃油噴射系統是應用最為廣泛的一種高壓燃油噴射系統，不僅技術先進，而且成熟可靠，還最有利于柴油機以后的排放升級，目前幾乎所有的高端品牌柴油發電機組生產廠家都在使用該系統。電控高壓共軌燃油噴射系統正逐步向著更高的噴射壓力、更小的噴孔直徑、更短的響應時間、更低的功率消耗和功能更完善的軟件的方向發展，是現在以至未來柴油機燃油噴射系統的最佳選擇。目前該系統已發展到第四代，第一代是采用噴油壓力為1350bar的電磁閥式噴油器；第二代是采用噴油壓力為1600bar的電磁閥式噴油器；第三代是采用噴油壓力為1600～2000bar的壓電式噴油器。該噴油器體積小，響應速度快（0.1ms），可實現更精確的噴油量，有利于提高噴油的霧化質量；第四代是采用噴油壓力可達2500bar的液力增壓式噴油器，其燃油霧化質量更高。現在，市場上使用的電控高壓共軌燃油噴射系統正向著第三代壓電式噴油器發展。

 

圖7  共軌式柴油機高壓油泵結構圖

圖8  高壓共軌柴油機進油計量閥工作原理

 

總結：

      綜上所述，電控泵噴嘴系統和電控高壓共軌燃油噴射系統可以達到很高的燃油噴射壓力，可以靈活控制燃油分配、噴油正時、噴射壓力和噴射速率，并實現多次噴射（預噴射、主噴射和后噴射），使柴油機在低速工況下也能實現完全燃燒，獲得大扭矩的輸出，有著高效的燃油經濟性和出色的排放性能，并且大大降低了柴油柴油機噪聲和振動，給柴油機帶來了技術性能的全面提高。因此，它適用于對排放和噪聲要求相對較高的柴油發電機組，而對于普通的低端柴油發電機組來說，采用電控單體泵系統則是較好的選擇。隨著排放水平的逐步升級，代表著目前最高發展水平的電控高壓共軌燃油噴射系統將是未來柴油機燃油噴射系統發展的最佳選擇。

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