性能特點(diǎn)和作用說明

柴油發(fā)電機(jī)的高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)共軌式電控燃油噴射技術(shù)是一種全新的技術(shù)，因?yàn)樗闪擞?jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感檢測(cè)技術(shù)以及先進(jìn)的噴油結(jié)構(gòu)于一身。簡(jiǎn)單的說就是在由高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)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(duì)公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油發(fā)電機(jī)供油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，因此也就減少了傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的缺陷。

 

一、高壓共軌燃油系統(tǒng)的特點(diǎn)

 

      共軌系統(tǒng)作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)滿足國三或更高排放標(biāo)準(zhǔn)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ECU)和傳感器等組成，其實(shí)物外形如圖1所示，結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。在該系統(tǒng)中，共軌噴油器總成的主要功能是：噴油器安裝在燃燒室內(nèi)，根據(jù)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(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(jī)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，來緩解發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和嚴(yán)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(shí)提供了迅猛動(dòng)力。電控噴油器是負(fù)責(zé)將燃油霧化，并將定量的霧化燃油噴入內(nèi)燃機(jī)氣缸的重要部件。隨著排放要求的提高，內(nèi)燃機(jī)對(duì)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(tǒng)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(tǒng)對(duì)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(shí)現(xiàn)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(jié)合所構(gòu)成，該結(jié)合部位的受力為控制閥密封部件受到控制閥上彈簧的預(yù)緊力。該預(yù)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。隨著系統(tǒng)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(duì)共軌噴油器銜鐵回位彈簧預(yù)緊力的要求也越來越高，從而對(duì)電磁鐵吸力的要求的逐步提高。

      共軌系統(tǒng)是一個(gè)全新的燃油噴射系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)如下：

（1）可以實(shí)現(xiàn)高壓噴射與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，燃油霧化質(zhì)量高，從而促進(jìn)燃油空氣的混合，實(shí)現(xiàn)更完全的燃燒。

（2）實(shí)現(xiàn)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關(guān)閥；

（5） 高速電磁開關(guān)閥頻響高，控制靈活；

（6）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)移植方便，適應(yīng)范圍寬。

 

圖1  柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2  柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)原理圖

 

二、高壓共軌燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

 

      在電控高壓共軌系統(tǒng)中，由各種傳感器（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、油門開度傳感器、各種溫度壓力傳感器等）實(shí)時(shí)檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，由微型處理器根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算后，定出適合該運(yùn)行狀態(tài)的噴油量、噴油時(shí)間和噴油率模型等參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終都能在最佳狀態(tài)下工作。電控高壓共軌式噴油系統(tǒng)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(tǒng)可分為兩大部分：

1、控制部分

      電控共軌系統(tǒng)可分為三大部分：傳感器、ECU和執(zhí)行器。ECU是電控共軌噴油系統(tǒng)的核心部分。ECU根據(jù)各個(gè)傳感器的信息進(jìn)行計(jì)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(jì)算出在什么時(shí)刻、在多長(zhǎng)的時(shí)間范圍向噴油器發(fā)出開啟或關(guān)閉電磁閥的指令等，從而精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程。

2、燃料供給系統(tǒng)

      燃料供給系統(tǒng)的基本工作原理是供油泵將燃油加壓成高壓，供入共軌內(nèi)；共軌實(shí)際上是一種燃油分配管。儲(chǔ)存在共軌內(nèi)的燃油在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻通過噴油器噴入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)。電控共軌系統(tǒng)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(guān)閉由ECU控制。高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(tǒng)的供軌管實(shí)物圖如圖3所示，結(jié)構(gòu)示例如圖4所示。

      它的容積應(yīng)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(yīng)速度以快速跟蹤柴油機(jī)工況的變化。ECD-U2系統(tǒng)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(hào)；液流緩沖器（限流器）保證在噴油器出現(xiàn)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(xiàn)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，精確設(shè)計(jì)高壓共軌管的容積和形狀適合確定的柴油機(jī)是并不容易的。

 

圖3  柴油機(jī)高壓共軌（蓄能器）實(shí)物圖

圖4  電控柴油機(jī)共軌管結(jié)構(gòu)示意圖

 

（2）高壓油泵

      高壓油泵的實(shí)物外形如圖5所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。高壓油泵的供油量的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是必須保證在任何情況下的柴油機(jī)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(tǒng)中噴油壓力的產(chǎn)生于燃油噴射過程無關(guān)，且噴油正時(shí)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(yīng)力最小和最耐磨的設(shè)計(jì)原則來設(shè)計(jì)凸輪。

 

圖5  柴油機(jī)電控高壓供油泵實(shí)物圖

圖6  電控高壓油泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖析圖

 

（3）電控噴油器

      電控噴油器是共軌式燃油系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件，它的作用根據(jù)ECU發(fā)出的控制信號(hào)，通過控制電磁閥的開啟和關(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(jī)的燃燒室。電控噴油器的結(jié)構(gòu)基本相似，都是由于傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)圖。其工作過程如下：

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量孔作用在控制活塞上，將噴嘴關(guān)閉；當(dāng)電磁閥通電時(shí)，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(dāng)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程。

② 控制了噴油率的形狀，需對(duì)其進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的噴油形狀?？刂剖业娜莘e的大小決定了針閥開啟時(shí)的靈敏度，控制室的容積太大，針閥在噴油結(jié)束時(shí)不能實(shí)現(xiàn)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(dòng)阻力加大，因此對(duì)控制室的容積也應(yīng)根據(jù)機(jī)型的最大噴油量合理選擇。針閥結(jié)構(gòu)放大圖如圖8所示。

③ 控制量孔的大小對(duì)噴油嘴的開啟和關(guān)閉速度及噴油過程起著決定性的影響。雙量孔閥體的三個(gè)關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)是進(jìn)油量孔、回油量孔和控制室，它們的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)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(shè)計(jì)應(yīng)使噴油嘴針閥有足夠的關(guān)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(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(jié)構(gòu)尺寸后，就確定了噴油嘴針閥完全開啟的穩(wěn)定、最短噴油過程，同時(shí)就確定了噴油嘴的穩(wěn)定最小噴油量?？刂剖胰莘e的減少可以使針閥的響應(yīng)速度更快，使燃油溫度對(duì)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(yīng)能保證噴油嘴針閥的升程以使針閥完全開啟。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(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過仔細(xì)調(diào)節(jié)這兩個(gè)量孔的流量系數(shù)，可以產(chǎn)生理想的噴油規(guī)律。

⑤ 由于高壓共軌噴射系統(tǒng)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(wěn)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(yīng)改變?cè)裼蜋C(jī)進(jìn)氣的渦流強(qiáng)度、燃燒室結(jié)構(gòu)形狀以確保最佳的燃燒過程。

⑥ 對(duì)于噴油器電磁閥，由于共軌系統(tǒng)要求它有足夠的開啟速度，考慮到預(yù)噴射是改善柴油機(jī)性能的重要噴射方式，控制電磁閥的響應(yīng)時(shí)間更應(yīng)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(yīng)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(tǒng)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(zhǎng)度應(yīng)盡量相等，使柴油機(jī)每一個(gè)噴油器有相同的噴油壓力，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)各缸之間噴油量的偏差。各高壓油管應(yīng)盡可能短，使從共軌到噴油嘴的壓力損失最小。

 

圖7  柴油機(jī)高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)

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(tǒng)的功能和優(yōu)點(diǎn)

 

      共軌系統(tǒng)最主要的技術(shù)參數(shù)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(shù)，其中提高噴油壓力和增加噴油次數(shù)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(tǒng)的噴油系統(tǒng)中是無法實(shí)現(xiàn)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(dǎo)噴油。降低噪聲、削減NO（氮氧化合物）。

（2）預(yù)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(yuǎn)后噴油。達(dá)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(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)的功能，其優(yōu)點(diǎn)有：

（1）共軌系統(tǒng)中的噴油壓力柔性可調(diào)，對(duì)不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。

（2）可獨(dú)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(shù)值內(nèi)，以滿足排放要求。

（3）柔性控制噴油速率變化，實(shí)現(xiàn)理想噴油規(guī)律，容易實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和多次噴射，既可降低柴油機(jī)NOx，又能保證優(yōu)良的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)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(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象，因此在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，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(jī)的振動(dòng)和降低排放。由于高壓共軌系統(tǒng)具有以上的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在國內(nèi)外柴油機(jī)的研究機(jī)構(gòu)均投入了很大的精力對(duì)其進(jìn)行研究。

3、類型

（1）高壓共軌系統(tǒng)

      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，又稱為第一代共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)。

（2）中壓共軌系統(tǒng)

      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(dá)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(tǒng)。

（3）壓電式共軌系統(tǒng)

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

 

總結(jié)：

      由于高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)具有可以對(duì)噴油定時(shí)、噴油持續(xù)期、噴油壓力、噴油規(guī)律進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，該系統(tǒng)的采用可以使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)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(duì)高壓共軌系統(tǒng)的研究力度，使我國的柴油機(jī)水平跨上一個(gè)新的臺(tái)階。

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