性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

柴油發(fā)電機的高壓共軌電控燃油噴射系統

 

摘要：柴油發(fā)電機共軌式電控燃油噴射技術(shù)是一種全新的技術(shù)，因為它集成了計算機控制技術(shù)、現代傳感檢測技術(shù)以及先進(jìn)的噴油結構于一身。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在由高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)程彼此完全分開(kāi)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(guò)對公共供油管內的油壓實(shí)現精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機的轉速無(wú)關(guān)，可以大幅度減小柴油發(fā)電機供油壓力隨發(fā)動(dòng)機轉速的變化，因此也就減少了傳統柴油發(fā)電機的缺陷。

 

一、高壓共軌燃油系統的特點(diǎn)

 

      共軌系統作為柴油發(fā)動(dòng)機滿(mǎn)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(jiǎn)稱(chēng)ECU)和傳感器等組成，其實(shí)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(mǎn)燃燒室，志在發(fā)揮每一滴燃油的所有潛能，與此同時(shí)，由于燃燒充分，可以大幅度減少未燃燒的氣體從發(fā)動(dòng)機里排出，從而獲得更低的排放，在相同時(shí)間可以完成三次以上的噴射，來(lái)緩解發(fā)動(dòng)機振動(dòng)和嚴苛的排放要求。

      電控噴油器通過(guò)電磁閥控制噴射油量，控制范圍壓力大，通過(guò)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(shí)提供了迅猛動(dòng)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(zhù)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(guān)，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(guò)控制壓力控制腔的壓力來(lái)實(shí)現的。在控制閥關(guān)閉的時(shí)刻，該壓力控制腔需要一個(gè)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(guān)閉的時(shí)刻，大于控制閥所受到的軸向液壓力。隨著(zhù)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(lái)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(lái)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(gè)全新的燃油噴射系統，其最大的特點(diǎn)如下：

（1）可以實(shí)現高壓噴射與發(fā)動(dòng)機的轉速無(wú)關(guān)，燃油霧化質(zhì)量高，從而促進(jìn)燃油空氣的混合，實(shí)現更完全的燃燒。

（2）實(shí)現了一個(gè)燃燒循環(huán)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(jìn)的電子控制裝置及配有高速電磁開(kāi)關(guān)閥；

（5） 高速電磁開(kāi)關(guān)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(shí)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(fā)動(dòng)機轉速傳感器、油門(mén)開(kāi)度傳感器、各種溫度壓力傳感器等）實(shí)時(shí)檢測出發(fā)動(dòng)機的實(shí)際運行狀態(tài)，由微型處理器根據預先設計的計算程序進(jìn)行計算后，定出適合該運行狀態(tài)的噴油量、噴油時(shí)間和噴油率模型等參數，使發(fā)動(dòng)機始終都能在最佳狀態(tài)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(gè)傳感器的信息進(jìn)行計算完成各種處理后，求出最佳噴油時(shí)間和最適合的噴油量，并且計算出在什么時(shí)刻、在多長(cháng)的時(shí)間范圍向噴油器發(fā)出開(kāi)啟或關(guān)閉電磁閥的指令等，從而精確控制發(fā)動(dòng)機的工作過(guò)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(shí)際上是一種燃油分配管。儲存在共軌內的燃油在適當的時(shí)刻通過(guò)噴油器噴入發(fā)動(dòng)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(kāi)啟和關(guān)閉由ECU控制。高壓共軌電控燃油噴射系統的結構有以下關(guān)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(shí)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(dòng)和每個(gè)噴油器由噴油過(guò)程引起的壓力震蕩，使高壓油軌中的壓力波動(dòng)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(huán)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(shí)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(dòng)；壓力限制器保證高壓油軌在出現壓力異常時(shí)，迅速將高壓油軌中的壓力進(jìn)行放泄。

      從上述分析可見(jiàn)，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(shí)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(shí)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(dòng)和加速時(shí)的油量變化的需求。由于共軌系統中噴油壓力的產(chǎn)生于燃油噴射過(guò)程無(wú)關(guān)，且噴油正時(shí)也不由高壓油泵的凸輪來(lái)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(lái)設計凸輪。

 

圖5  柴油機電控高壓供油泵實(shí)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(guān)鍵和最復雜的部件，它的作用根據ECU發(fā)出的控制信號，通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時(shí)、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(guò)程如下：

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

② 控制了噴油率的形狀，需對其進(jìn)行合理的優(yōu)化設計，實(shí)現預定的噴油形狀?？刂剖业娜莘e的大小決定了針閥開(kāi)啟時(shí)的靈敏度，控制室的容積太大，針閥在噴油結束時(shí)不能實(shí)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(guò)程的流動(dòng)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(kāi)啟和關(guān)閉速度及噴油過(guò)程起著(zhù)決定性的影響。雙量孔閥體的三個(gè)關(guān)鍵性結構是進(jìn)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?；赜土靠着c進(jìn)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(kāi)啟速度，而噴油嘴針閥的關(guān)閉速度由進(jìn)油量孔的流量率和控制室的容積決定。進(jìn)油量孔的設計應使噴油嘴針閥有足夠的關(guān)閉速度，以減少?lài)娪妥靽娚浜笃陟F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(jìn)油量孔的流量率及控制活塞的端面面積。這樣在確定了進(jìn)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(kāi)啟的穩定、最短噴油過(guò)程，同時(shí)就確定了噴油嘴的穩定最小噴油量?？刂剖胰莘e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(wú)限制減少，它應能保證噴油嘴針閥的升程以使針閥完全開(kāi)啟。兩個(gè)控制量孔決定了控制室中的動(dòng)態(tài)壓力，從而決定了針閥的運動(dòng)規律，通過(guò)仔細調節這兩個(gè)量孔的流量系數，可以產(chǎn)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(dòng)處于極端不穩定狀態(tài)，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(jìn)氣的渦流強度、燃燒室結構形狀以確保最佳的燃燒過(guò)程。

⑥ 對于噴油器電磁閥，由于共軌系統要求它有足夠的開(kāi)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(shí)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(dòng)時(shí)的壓降，并使高壓管路系統中的壓力波動(dòng)較小，能承受高壓燃油的沖擊作用，且起動(dòng)時(shí)共軌中的壓力能很快建立。各缸高壓油管的長(cháng)度應盡量相等，使柴油機每一個(gè)噴油器有相同的噴油壓力，從而減少發(fā)動(dòng)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(yōu)點(diǎn)

 

      共軌系統最主要的技術(shù)參數是噴油壓力，其次是一個(gè)燃燒循環(huán)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(gè)工作循環(huán)中進(jìn)行多次噴油，這在傳統的噴油系統中是無(wú)法實(shí)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(dòng)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(yōu)點(diǎn)

      高壓共軌系統可實(shí)現在傳統噴油系統中無(wú)法實(shí)現的功能，其優(yōu)點(diǎn)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(yōu)化柴油機綜合性能。

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

（3）柔性控制噴油速率變化，實(shí)現理想噴油規律，容易實(shí)現預噴射和多次噴射，既可降低柴油機NOx，又能保證優(yōu)良的動(dòng)力性和經(jīng)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(huì )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(huán)噴油量變動(dòng)小，各缸供油不均勻可得到改善，從而減輕柴油機的振動(dòng)和降低排放。由于高壓共軌系統具有以上的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行研究。

3、類(lèi)型

（1）高壓共軌系統

      由高壓輸油泵（壓力在120MPa以上）直接產(chǎn)生高壓燃油輸送至共軌中，一般采用“時(shí)間-壓力控制”方式，又稱(chēng)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(guò)控制噴油器針閥的升程（或噴油開(kāi)始與結束）來(lái)實(shí)現燃油噴射控制。壓電式共軌系統被稱(chēng)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(shí)、噴油持續期、噴油壓力、噴油規律進(jìn)行柔性調節的特點(diǎn)，該系統的采用可以使柴油機的經(jīng)濟性、動(dòng)力性和排放性能都會(huì )有進(jìn)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(gè)新的臺階。

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