性能特點(diǎn)和作用說明

單體泵、泵噴嘴和高壓共軌噴射系統(tǒng)三者性能比較

 

摘要：柴油機(jī)電控燃油技術(shù)是一種全新的現(xiàn)代技術(shù)，它集成了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)以及先進(jìn)的噴油控制技術(shù)于一身。其不僅能達(dá)到較高的噴射壓力、實(shí)現(xiàn)噴油量的精準(zhǔn)控制，從而優(yōu)化噴油特性形狀并降低柴油機(jī)噪聲和大大減少廢氣的排放量。電控系統(tǒng)主要分為共軌系統(tǒng)和單體泵兩種結(jié)構(gòu)，從使用角度而言，隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，對(duì)高速型柴油發(fā)電機(jī)，多采用響應(yīng)特性優(yōu)越的高壓共軌系統(tǒng)；而對(duì)使用重型柴油發(fā)電機(jī)采用單體泵的較多，因?yàn)閱误w泵對(duì)燃料的適應(yīng)性更好。但兩者對(duì)比后從放熱規(guī)律控制精度上考慮，直接控制噴油器的高壓共軌系統(tǒng)，特別是壓電式高壓共軌噴射系統(tǒng)，其發(fā)展?jié)摿Ω臃喜裼桶l(fā)電機(jī)組的未來發(fā)展。

 

一、電控柴油機(jī)技術(shù)概述

 

       電控柴油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制功能如圖2所示。

      電控柴油噴射系統(tǒng)按控制方式分類，可以分為位置控制式系統(tǒng)和時(shí)間控制式系統(tǒng)。時(shí)間控制式噴射系統(tǒng)，是通過電磁閥的接通和斷開時(shí)刻來控制噴油（供油）時(shí)刻和噴射量的，可以說這是柴油發(fā)電機(jī)電控噴射技術(shù)逐步成熟的標(biāo)志。時(shí)間控制式噴射系統(tǒng)根據(jù)供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為泵-管-噴油器型和泵噴嘴型兩種。如時(shí)間控制式VE型分配泵電控系統(tǒng)、單體泵及高壓共軌系統(tǒng)均屬于泵-管-噴油器型時(shí)間控制式噴射系統(tǒng)，而電控泵噴嘴系統(tǒng)屬于后者。位置式噴射系統(tǒng)包括機(jī)械式的和電控式的，都屬于泵-管-噴油器型。

      根據(jù)噴射壓力的不同，噴射系統(tǒng)又分為低壓（18～24MPa）、中壓（60～80MPa）和高壓（＞100MPa）噴射系統(tǒng)。目前常用的高壓共軌、單體泵和泵噴嘴這三種電控噴射系統(tǒng)的最高噴射壓力均超過200MPa，其中高壓共軌噴射系統(tǒng)的噴射壓力也可以實(shí)現(xiàn)柔性控制，因此這種控制方式又稱為時(shí)間-壓力式控制。柴油發(fā)電機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)從低壓的機(jī)械式噴射系統(tǒng)逐步向電控位置控制式、電控時(shí)間控制式、電控高壓時(shí)間-壓力控制式發(fā)展。目前，國外已開發(fā)研究出基于壓電式噴油器的時(shí)間-壓力式高壓高響應(yīng)電控噴射系統(tǒng)。這種噴射技術(shù)的發(fā)展，使高速發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)向直噴化發(fā)展，同時(shí)滿足日趨嚴(yán)格的節(jié)能和排放法規(guī)。

      柴油發(fā)電機(jī)電控噴射技術(shù)，經(jīng)歷了位置控制式、時(shí)間控制式和時(shí)間-壓力控制式等發(fā)展過程。對(duì)VE型分配泵改進(jìn)的時(shí)間控制式電控系統(tǒng)，雖然提高了噴油泵的控制精度和靈活性，但這種以噴油泵控制為核心的、通過供油規(guī)律間接控制噴油規(guī)律的方式，已不再適合越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。為了更有效地控制放熱規(guī)律，在控制策略上，從原來以噴油泵控制為核心的供油規(guī)律的控制模式，發(fā)展到以噴油器控制為核心的直接控制噴油規(guī)律的控制模式。20世紀(jì)80年代成功開發(fā)的高壓共軌噴射系統(tǒng)，可以說是柴油發(fā)電機(jī)噴射技術(shù)發(fā)展史上一個(gè)新的里程碑，它實(shí)現(xiàn)了在傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)上不可能實(shí)現(xiàn)的噴油規(guī)律的直接控制，成為現(xiàn)代發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)燃料噴射技術(shù)的主流。高壓共軌噴射系統(tǒng)的最大特征是，不僅噴射壓力高壓化，而且可實(shí)現(xiàn)噴射壓力的柔性控制。其他時(shí)間控制式高壓電控系統(tǒng)還有泵噴嘴和單體泵兩種，雖然這兩種噴射系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)高壓噴射，但對(duì)噴射壓力的柔性控制受到結(jié)構(gòu)限制。

      泵噴嘴在高壓、均勻分布和可控性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在成本高、維護(hù)要求高、易堵塞和使用壽命有限等潛在缺點(diǎn)。因此，在中國國內(nèi)采用該系統(tǒng)的產(chǎn)品較少，屬于小眾化品牌范圍，在本文中不再具體進(jìn)行對(duì)比和討論。

1、成本較高

      由于泵噴嘴的制造工藝復(fù)雜，材料成本較高，因此它們的價(jià)格通常高于其他類型的噴嘴。

2、維護(hù)要求

      泵噴嘴需要定期進(jìn)行維護(hù)和清洗，以保持其性能和效率。這可能需要專業(yè)的知識(shí)和設(shè)備。

3、易堵塞

      由于泵噴嘴的高壓特性，較小的顆?；螂s質(zhì)容易在噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生堵塞。這可能導(dǎo)致噴嘴性能下降，甚至需要更換。

4、使用壽命

      泵噴嘴的使用壽命取決于其工作環(huán)境和使用頻率。在某些高壓力和高溫環(huán)境下，泵噴嘴可能會(huì)更容易磨損和損壞。

 

圖1  電控柴油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（四缸機(jī)）

圖2  電子控制柴油機(jī)的控制框圖

 

 

二、單體泵與共軌系統(tǒng)的各自特點(diǎn)

 

1、高壓共軌噴射系統(tǒng)特點(diǎn)

      高壓共軌噴射系統(tǒng)（CR）在結(jié)構(gòu)上仍然采用了泵-管-噴油器型，原理如圖3所示。但是從控制角度，高壓泵和噴油器互相獨(dú)立。在噴射方式上采用直接控制噴油器的方法，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油規(guī)律的直接控制。而高壓泵的控制是通過ECU根據(jù)軌壓傳感器反饋控制其節(jié)流閥或PCV電磁閥來調(diào)節(jié)泵油量的，使共軌的軌壓達(dá)到設(shè)定值，只為噴油器的噴射過程創(chuàng)造條件。所以，噴射壓力不受柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的影響，可任意控制。因此，這種方式在放熱規(guī)律控制精度和響應(yīng)特性方面更具有優(yōu)越性，但需要在高壓系統(tǒng)的高壓密封及可靠性方面采取相應(yīng)的措施。高壓共軌系統(tǒng)最大特點(diǎn)如下：

（1）采用先進(jìn)的電子控制技術(shù)裝置及配有高速電磁開關(guān)閥，使得噴油過程的控制十分方便，并且可控參數(shù)多，有利于柴油機(jī)燃燒過程的全程優(yōu)化；

（2）采用共軌方式供油，噴油系統(tǒng)壓力波動(dòng)小，各噴油嘴間相互影響小噴射壓力控制精度較高，噴油量控制精準(zhǔn)；

（3）高速電磁閥開關(guān)頻率高，控制靈活，使得噴油系統(tǒng)的噴射壓力可調(diào)范圍大，并且能方便地實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射，后噴射等功能，為優(yōu)化柴油機(jī)噴射規(guī)律、改善其性能和降低廢氣排放提供了有效的手段；

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)移植方便適應(yīng)范圍寬，不像單體泵柴油機(jī)對(duì)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有專門要求。高壓共軌系統(tǒng)均能與目前小型、中型重型柴油機(jī)很好的匹配。

2、單體泵的特點(diǎn)

      單體泵（UP）工作原理如圖4所示。它在結(jié)構(gòu)上改善了高壓共軌噴射系統(tǒng)中高壓油管長而帶來的高壓密封及可靠性等問題，避免了安裝在氣缸蓋上的泵噴嘴型噴射系統(tǒng)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。但是在控制方法上采用控制單體泵的供油特性來間接地控制噴油規(guī)律的方式。由于高壓化且高壓油管短，所以供油規(guī)律和噴油規(guī)律不一致的問題得到很大的改善，但是在噴油規(guī)律的控制精度及高速響應(yīng)特性等方面，單體泵不及高壓共軌噴射系統(tǒng)和泵噴嘴型噴射系統(tǒng)。單體泵的噴油規(guī)律控制精度及其響應(yīng)特性主要取決于高壓系統(tǒng)的容積大小和其內(nèi)部的壓力波動(dòng)狀態(tài)。所以，在安裝條件允許的情況下應(yīng)盡可能縮短高壓油管長度，而且必須保證具有一定的承壓能力和承受高頻壓力波動(dòng)的能力。

      電控單體泵的外形和傳統(tǒng)機(jī)械泵相似，但它是每缸一個(gè)單獨(dú)的油泵和噴油器，有幾個(gè)缸就有幾個(gè)獨(dú)立的單體泵。它由ECU根據(jù)采集的數(shù)據(jù)通過油泵上的電磁閥來控制油泵的升程來達(dá)到控制噴油壓力目的，與此同時(shí)ECU還能根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，調(diào)整最佳噴油時(shí)間和噴油量，與機(jī)械泵相比使得燃燒更好排放更低的作用。

       簡單的說，高壓共軌就像是一個(gè)噴泉，一個(gè)加壓泵將水送到管子里，管子上帶著N個(gè)噴水頭。而電控單體泵就像是噴泉中心噴的最高的幾根水柱，那幾根水柱就是一個(gè)泵只帶動(dòng)一個(gè)噴嘴，就像電控單體泵一樣，有幾個(gè)缸就有幾個(gè)單體泵逐一對(duì)應(yīng)。電控單體泵則不同，他是每個(gè)單體泵上都有電磁閥，通過它來控制噴油的正時(shí)和噴油量，噴油器則只是一個(gè)機(jī)械式噴油器，相對(duì)于共軌的電控噴油器精度就低很多。相對(duì)于高壓共軌，單體泵對(duì)柴油的要求較低，但是排放要比高壓共軌差很多，達(dá)不到非道路國三以及以上排放標(biāo)準(zhǔn)。

 

圖3  高壓共軌系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖

圖4  單體泵電控燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

 

三、單體泵與共軌系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)對(duì)比

 

      從具體細(xì)節(jié)對(duì)比單體泵與共軌系統(tǒng)的區(qū)別看看各自的優(yōu)勢(shì)。

1、噴油壓力的控制比較

（1）電控單體泵的噴射壓力是通過油泵驅(qū)動(dòng)凸輪型線的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，且與噴油器的孔徑以及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。即噴油嘴孔徑越小，最高噴射壓力越大；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，則噴射壓力越小。不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能。該系統(tǒng)目前能實(shí)現(xiàn)的最高噴射壓力為180MPa。

（2）共軌系統(tǒng)的噴射壓力可以完全獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能，噴射壓力由高壓泵上的電磁閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，并由相關(guān)MAP實(shí)現(xiàn)靈活控制，同時(shí)噴射壓力也與噴油嘴孔徑無關(guān)。該系統(tǒng)目前能實(shí)現(xiàn)的最高噴射壓力為160MPa。

      因此，在噴油壓力控制方面，高壓共軌系統(tǒng)優(yōu)于電控單體泵，這對(duì)于滿足更嚴(yán)格的排放有利。

2、噴油量的控制比較

（1）如圖5所示。電控單體泵和共軌系統(tǒng)都能在各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量的靈活精確調(diào)節(jié)。電控單體泵能實(shí)現(xiàn)的最小噴油量為3mm³/st，但不能實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射。不利于冷啟動(dòng)。

（2）如圖6所示。共軌系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的最小噴油量為2mm³/st，且能實(shí)現(xiàn)預(yù)噴和后噴，通過預(yù)噴射可以有利于冷起動(dòng)，并降低噪聲；而后噴射，則可以應(yīng)用于后處理，為滿足將來歐IV等更嚴(yán)格的排放法規(guī)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

 

圖5  柴油機(jī)單體泵的控制功能

圖6  柴油機(jī)共軌系統(tǒng)的控制功能

 

3、噴油正時(shí)比較

      電控單體泵和共軌系統(tǒng)都能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況的需要，靈活調(diào)節(jié)噴油正時(shí)，這對(duì)于調(diào)節(jié)和改善發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)工況的油耗、NO_x以及煙度非常有利。

4、噴油規(guī)律比較

（1）電控單體泵的噴油規(guī)律與機(jī)械直列泵相同，為三角形，燃燒柔和，爆發(fā)壓力低，有利于降低NO_x。

（2）共軌系統(tǒng)的噴油規(guī)律為矩形，爆發(fā)壓力高，燃燒粗暴一些，不利于降低NO_x。

      因此電控單體泵的噴油規(guī)律優(yōu)于共軌系統(tǒng)。

5、快速斷油能力比較

（1）電控單體泵依靠噴油器的針閥彈簧斷油，由于從高壓泵到噴油器較長的高壓油管，高壓油管的燃油壓力波會(huì)影響噴油器的快速斷油，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗以及煙度不利。

（2）高壓共軌系統(tǒng)通過電磁閥控制噴油器柱塞上下腔的燃油壓差，加上針閥彈簧的共同作用，使得噴油器噴油結(jié)束后的斷油很迅速，這對(duì)于改善顆粒排放及煙度有利。

6、油泵的吸收功率比較

（1）電控單體泵為每個(gè)噴油器對(duì)應(yīng)一個(gè)單體泵，6個(gè)單體泵由一個(gè)泵箱集成為一體，因而其體積較大，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)笨重，油泵的吸收功率較大。

（2）共軌系統(tǒng)的HP0高壓泵采用兩個(gè)三角形凸輪驅(qū)動(dòng)，每個(gè)凸輪有三個(gè)凸起，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，便于安裝，且油泵的吸收功率小。

7、控制策略比較

（1）電控單體泵由于不能實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和后噴射，因此其控制策略也簡單，補(bǔ)償MAP較少，電控單體泵共有57張控制MAP。

（2）高壓共軌系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和后噴射，其控制策略要復(fù)雜得多，相關(guān)的補(bǔ)償MAP很多，共有310張控制MAP，為發(fā)動(dòng)機(jī)以及整車性能的優(yōu)化提供了技術(shù)接口。

8、對(duì)燃油清潔度的要求比較

（1）電控單體泵對(duì)燃油清潔度的要求較低，燃油的過濾精度與機(jī)械直列泵相當(dāng)。

（2）共軌系統(tǒng)對(duì)燃油品質(zhì)的要求較高，要求燃油的過濾精度達(dá)到5u，遠(yuǎn)高于機(jī)械直列泵。燃油系統(tǒng)的雜質(zhì)容易導(dǎo)致共軌系統(tǒng)失靈。

9、國產(chǎn)化程度比較

（1）電控單體泵無論高壓油泵、電磁閥、噴油器還是ECU都可以完全國產(chǎn)化，價(jià)格低。

（2）高壓共軌系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，包括高壓泵、共軌管、電控噴油器和ECU都只能進(jìn)口，成本較高。

       綜上所述，高壓共軌與單體泵的噴油綜合性能對(duì)比如圖7所示，高壓共軌與單體泵的重量、噪音和安全性對(duì)比如圖8所示。

 

圖7  高壓共軌與單體泵的噴油性能對(duì)比圖

圖8  高壓共軌與單體泵的噪音和安全性對(duì)比圖

 

總結(jié)：

      康明斯系列發(fā)電機(jī)組選用電噴高壓共軌柴油機(jī)，排放完全滿足非道路國三GB20891-2014排放標(biāo)準(zhǔn)，國家進(jìn)一步對(duì)排放要求國四時(shí)候只需增加后處理等一系列措施就可以滿足要求。單體泵柴油機(jī)只是一個(gè)過渡產(chǎn)品，介于機(jī)械泵柴油機(jī)與高壓共軌柴油機(jī)之間的一個(gè)產(chǎn)品，存在著很多的不足，比如由于結(jié)構(gòu)的原因無法實(shí)現(xiàn)多次噴射，排放控制較難，機(jī)械噴油器會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槟p和彈簧疲勞造成的噴油壓力過低，造成噴油時(shí)間過早影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。單體泵在排放控制上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如高壓共軌，這也是為什么單體泵在國內(nèi)環(huán)境下適應(yīng)性好，卻一直沒能大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的主要原因。此外，單體泵柴油機(jī)在對(duì)排放要求較高的場(chǎng)合，不能滿足現(xiàn)階段國家對(duì)排放要求嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

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