新聞主題	柴油機(jī)電噴燃油系統(tǒng)的類別、組成與原理

 

摘要：柴油機(jī)燃油噴射具有高壓、高頻、脈動(dòng)等特點(diǎn)。其噴射壓力高達(dá)200MPa，為汽油機(jī)噴射壓力的百倍以上。對(duì)燃油高壓噴射系統(tǒng)實(shí)施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對(duì)噴射正時(shí)的精度要求很高，相對(duì)于柴油機(jī)活塞上止點(diǎn)的角度位置遠(yuǎn)比汽油機(jī)要求準(zhǔn)確。由于柴油機(jī)的噴射系統(tǒng)形式多樣，比如具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結(jié)構(gòu)完全不同的系統(tǒng)。實(shí)施電控技術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，形成了柴油噴射系統(tǒng)的多樣化；同時(shí)柴油機(jī)需要對(duì)油量、定時(shí)、噴油壓力等多參數(shù)進(jìn)行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機(jī)。但是由于其獨(dú)特的先進(jìn)性，采用電控已不可避免的成為當(dāng)今柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

 

一、燃油系統(tǒng)電控技術(shù)的特點(diǎn)

 

      柴油機(jī)電控技術(shù)與汽油機(jī)電控技術(shù)有許多相似之處，整個(gè)系統(tǒng)都是由傳感器、電控單元和執(zhí)行器三大部分組成，在電控柴油機(jī)上所用的傳感器中，如轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等傳感器以及油門踏板傳感器，與汽油機(jī)電控系統(tǒng)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(tǒng)的軟件方面也有近似處。汽油機(jī)電控技術(shù)在國外已經(jīng)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(diǎn)，也不是柴油機(jī)電控技術(shù)的難點(diǎn)。柴油機(jī)電控技術(shù)有二個(gè)明顯的特點(diǎn)：一個(gè)特點(diǎn)是其關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點(diǎn)就在柴油機(jī)噴射電控執(zhí)行器上；另一個(gè)特點(diǎn)是柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)的多樣化。

      柴油機(jī)是一個(gè)熱效率比較高的動(dòng)力機(jī)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(dāng)?shù)臅r(shí)期，以適當(dāng)?shù)目臻g狀態(tài)噴入柴油機(jī)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(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、燃油消耗率、怠速、噪聲、排放等多方面的要求，柴油機(jī)燃油噴射具有高壓、高頻、脈動(dòng)等特點(diǎn)，其噴射壓力高達(dá)60～150MPa，甚至200MPa，為汽油噴射的幾百倍，上千倍。對(duì)于燃油高壓噴射系統(tǒng)實(shí)施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對(duì)噴射正時(shí)的精度要求很高，相對(duì)于柴油機(jī)活塞上死點(diǎn)的角度位置遠(yuǎn)比汽油機(jī)要求準(zhǔn)確，這就導(dǎo)致了柴油噴射的電控執(zhí)行器要復(fù)雜得多。因此柴油機(jī)電控技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)就是柴油噴射電控執(zhí)行器，也即電控柴油噴射系統(tǒng)，主要控制量是噴油量和噴油正時(shí)。

      當(dāng)今國際上汽油機(jī)電控技術(shù)已經(jīng)成熟，且趨向一個(gè)比較單一的模式，即多點(diǎn)噴射。電控化油器已經(jīng)淘汰，單點(diǎn)噴射的應(yīng)用大大減少，有些公司正在研究多點(diǎn)缸內(nèi)噴射。柴油機(jī)在機(jī)械控制時(shí)代，就已經(jīng)有直列泵、分配泵、泵噴嘴、單缸泵等結(jié)構(gòu)完全不同的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)各有其特點(diǎn)和適用范圍，每種系統(tǒng)中又有多種不同結(jié)構(gòu)。實(shí)施電控技術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，因此形成了柴油噴射系統(tǒng)的多樣化。

      關(guān)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油系統(tǒng)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(tǒng)可分為連續(xù)噴射方式和間歇噴射方式。在采用間歇噴射方式的多點(diǎn)電控燃油噴射系統(tǒng)中，按各缸噴油器的噴射順序又可分為同時(shí)噴射系統(tǒng)、分組噴射和系統(tǒng)順序噴射系統(tǒng)。其次，按對(duì)進(jìn)氣量的計(jì)量方式不同，電控燃油噴射系統(tǒng)可分為D型噴射系統(tǒng)和I型噴射系統(tǒng)。然后，按噴射位置不同，電控燃油噴射系統(tǒng)可分進(jìn)氣管噴射和缸內(nèi)直接噴射兩種類型。最后再按有無反饋信號(hào)，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)（無氧傳感器）不能實(shí)現(xiàn)最佳控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)（有氧傳感器）是在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上加裝了氧傳感器，根據(jù)排氣中含氧量的變化，判斷實(shí)際進(jìn)入汽缸的混合氣空燃比，再通過ECU與設(shè)定的目標(biāo)空燃比值進(jìn)行比較，并根據(jù)誤差修正噴油器噴油量，使空燃比保持在設(shè)定的目標(biāo)值附近。

 

二、液壓驅(qū)動(dòng)電控單體式噴油器

 

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

1、HEUI電噴系統(tǒng)工作原理簡述

      HEUI燃油系統(tǒng)的噴油速率采用液壓方式控制，噴油速率隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速而變化，使柴油機(jī)的性能提高，燃油經(jīng)濟(jì)性改善并排放降低。在噴油電磁閥接到來自ECM的信號(hào)產(chǎn)生激勵(lì)時(shí)HEUI噴油器柱塞動(dòng)作，與其他機(jī)械驅(qū)動(dòng)的燃油系統(tǒng)不同，柴油機(jī)凸輪轉(zhuǎn)速和凸起持續(xù)時(shí)間控制噴油器的柱塞運(yùn)動(dòng)，所以噴油控制更加精確。

2、HEUI電噴系統(tǒng)的組成

      總的來說HEUI系統(tǒng)由三大部分組成：低壓燃油系統(tǒng)、高壓機(jī)油系統(tǒng)和由ECM控制的噴油系統(tǒng)。

（1）低壓燃油系統(tǒng)

      HEUI屬于低壓燃油系統(tǒng)，如圖2所示，燃油經(jīng)燃油箱被吸出，經(jīng)濾清器、低壓油泵、燃油集合管至噴油器，向各個(gè)噴油器的供油量大于實(shí)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(jīng)回油管的噴油壓力閥（釋放壓力設(shè)定為414kPa）回到燃油箱。

      低壓燃油系統(tǒng)中無高壓燃油流動(dòng)，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(nèi)形成壓力波動(dòng)，防止打開已關(guān)閉的針閥，產(chǎn)生二次噴射燃燒的不正常，出現(xiàn)不完全燃燒。

 

圖1  柴油機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)電控單體式噴油器（HEUI）結(jié)構(gòu)圖

圖2  柴油機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)電噴系統(tǒng)低壓燃油流程

 

（2）高壓機(jī)油系統(tǒng)

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

      實(shí)際上，潤滑系統(tǒng)的高壓部分不僅僅起潤滑的作用，更重要的是控制驅(qū)動(dòng)噴油器的高壓噴油。噴油壓力控制系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的都是高壓機(jī)油，由高壓機(jī)油泵、噴油壓力穩(wěn)壓閥、噴油壓力控制傳感器等組成。

      它是由曲軸帶動(dòng)7個(gè)活塞的高壓機(jī)油泵，在正常運(yùn)行條件下，機(jī)油被加壓至3100kPa到20685kPa之間，一個(gè)路軌式壓力控制閥（RailPressure Control Valve，RPCV）控制油泵輸出的壓力，當(dāng)開啟調(diào)壓控制閥時(shí)，溢流的機(jī)油回柴油機(jī)油底殼中。調(diào)壓控制閥是一個(gè)電控溢流閥，起控制液壓機(jī)油泵的泵油壓力的作用，ECM調(diào)節(jié)機(jī)油泵的輸出供油壓力，通過改變電控溢流閥的信號(hào)電流。調(diào)壓控制閥的剖面圖如圖4所示，在柴油機(jī)停機(jī)時(shí)，調(diào)壓控制閥內(nèi)部的滑閥被復(fù)位彈簧推到右側(cè)，機(jī)油溢流口關(guān)閉；在啟動(dòng)柴油機(jī)時(shí)，ECM發(fā)出信號(hào)給調(diào)壓控制閥，電磁線圈產(chǎn)生磁場將銜鐵推動(dòng)菌狀閥和推桿，流入滑閥腔內(nèi)的機(jī)油壓力和彈簧力共同作用使滑閥處于右端，繼續(xù)使機(jī)油溢流油口關(guān)閉，使全部機(jī)油進(jìn)入各氣缸蓋內(nèi)鑄造的機(jī)油油道中，直到機(jī)油油道內(nèi)達(dá)到期望的機(jī)油壓力。

 

圖3  柴油機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)電噴系統(tǒng)噴油壓力控制系統(tǒng)

圖4  柴油機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)電噴系統(tǒng)機(jī)油調(diào)壓控制閥.

 

（3）噴油器

      噴油器由電磁閥、提動(dòng)閥、酸化增強(qiáng)活塞、噴油嘴總成等組成，如圖5所示。

      機(jī)油液壓能量提供噴油器的噴射動(dòng)力，噴油器內(nèi)的活塞及柱塞的移動(dòng)由液壓壓力及速度控制，由噴油器中電磁閥開關(guān)時(shí)間的長短達(dá)到控制噴油量 ECM發(fā)出脈沖的時(shí)間控制，當(dāng)電磁閥通電時(shí)提動(dòng)閥打開其閥座，推動(dòng)活塞及柱塞在高壓機(jī)油推動(dòng)下行至最低，噴油器進(jìn)行噴油。ECM輸出信號(hào)控制斷開噴油器的電磁閥電源，停止噴油，關(guān)閉提動(dòng)閥。當(dāng)關(guān)上提動(dòng)閥，高壓機(jī)油關(guān)閉輸送管道，對(duì)酸化增強(qiáng)活塞停止供油，轉(zhuǎn)動(dòng)空槽內(nèi)排入酸化增強(qiáng)活塞內(nèi)的高壓機(jī)油。柱塞彈簧將酸化增強(qiáng)活塞及柱塞推回原位。當(dāng)柱塞向上移動(dòng)時(shí)，燃油閥打開，柱塞腔內(nèi)開始注入低壓燃油。ECM通過噴油器有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射速度、噴油時(shí)間及高壓噴射壓力。

      噴射速度的控制：噴油器的執(zhí)行由液壓系統(tǒng)控制，速度比傳統(tǒng)的機(jī)械式要快，柴油機(jī)速度與噴射速度及壓力無關(guān)。

      在HEUI的噴油過程中，由于電磁閥的速度響應(yīng)極快，為“先導(dǎo)噴射”即“二次噴射”創(chuàng)造條件。所謂“先導(dǎo)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(nèi)形成軟性火焰前鋒，這樣氣缸內(nèi)的峰值溫度和壓力都低于普通一次噴射系統(tǒng)，此時(shí)由ECM檢測噴油延時(shí)，在形成火焰前鋒后，根據(jù)ECM提供的數(shù)據(jù)，噴油嘴再次持續(xù)開啟向氣缸內(nèi)噴入準(zhǔn)確的油量，燃燒室內(nèi)的燃油噴入活塞頂?shù)耐胄慰臻g內(nèi)，這有助于空氣和燃油形成渦流。由于氣缸內(nèi)的壓力升高率降低了，燃燒噪聲降低了，油耗下降，同時(shí)大大降低排出的廢氣濃度。

 

圖5  柴油機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)電噴系統(tǒng)噴油器.

圖6  柴油機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)電噴系統(tǒng)管理系統(tǒng)

 

      EUP的控制原理：在電磁閥關(guān)閉且凸輪軸推動(dòng)EUP殼體內(nèi)的柱塞向上移動(dòng)時(shí)才會(huì)噴油，當(dāng)電磁閥開啟且在柱塞回位彈簧4作用下向下移動(dòng)時(shí)，低壓燃油將會(huì)發(fā)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(shí)噴油壓力大約為179.3MPa。

 

圖 7  柴油機(jī)DDEC系統(tǒng)電控泵噴嘴結(jié)構(gòu)

圖8  柴油機(jī)電控單體式噴油泵EUP示意圖

 

四、電控分配泵（EDP）系統(tǒng)

 

      電控分配泵是在機(jī)械分配泵的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。它繼承了原機(jī)械分配泵體積小、噪聲小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、受力均衡的優(yōu)點(diǎn)，又大大簡化了原機(jī)械分配泵的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

 1、分配泵工作原理

      如圖10所示。打開點(diǎn)火開關(guān)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(dāng)輸油泵旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(diào)節(jié)閥調(diào)定的壓力下進(jìn)入泵體。通過柱塞的運(yùn)動(dòng)燃油被壓縮并分配到各個(gè)出油閥。燃油通過出油閥后，再通過高壓油管進(jìn)入噴油嘴，并被噴入氣缸。同時(shí)，噴油泵的內(nèi)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(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)并且以發(fā)動(dòng)機(jī)一半的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

（2）兩個(gè)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(shù)量的端面凸輪。(4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)有4個(gè)端面凸輪。) 凸輪板依靠固定的滾子推動(dòng)柱塞向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)，柱塞隨著端面凸輪的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與端面凸輪的旋轉(zhuǎn)同步。端面凸輪旋轉(zhuǎn)一圈，柱塞完成4 次完整的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

（4）每1/4圈噴射一次燃油進(jìn)入氣缸和柱塞完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)（相對(duì)于4缸發(fā)動(dòng)機(jī)而言）。

（5）柱塞有4個(gè)吸油槽、1個(gè)分配孔、1個(gè)回油孔和1個(gè)平衡槽?；赜涂缀头峙淇着c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(jìn)入噴油嘴。

3、單缸供油過程

（1）吸油過程 ：

      柱塞在向下運(yùn)動(dòng)過程中（如圖示向左移動(dòng)時(shí)），柱塞上的 4 個(gè)吸油槽中的一個(gè)與分配頭的吸油孔相通。這樣燃油被吸入壓力室，從那里進(jìn)入柱塞內(nèi)部。

（2）供油過程：

      隨著凸輪板和柱塞旋轉(zhuǎn)，分配頭的吸油孔關(guān)閉、柱塞的分配孔與分配通道相通。隨著凸輪板轉(zhuǎn)上滾子，柱塞向右運(yùn)動(dòng)壓縮燃油。當(dāng)燃油壓力超過出油閥彈簧的預(yù)緊力，燃油就被泵入噴油嘴。

（3）供油結(jié)束：

      當(dāng)凸輪板繼續(xù)旋轉(zhuǎn)柱塞繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，柱塞上的兩個(gè)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(jié)果燃油壓力突然下降、燃油噴射停止。

 

圖9  電控柴油機(jī)的VE型分配泵

圖10  柴油機(jī)電控分配泵工作原理

 

 總結(jié)：

      柴油機(jī)電子控制技術(shù)在環(huán)保、精度、自動(dòng)控制和故障診斷等方面具有優(yōu)勢，但在維護(hù)難度、價(jià)格、耐用性和安全風(fēng)險(xiǎn)等方面存在局限。因此，柴油發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該在技術(shù)掌握、應(yīng)用和維護(hù)等方面加強(qiáng)研究，使柴油機(jī)電子控制技術(shù)更好地為人們的生活服務(wù)。

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