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新聞主題 |
電控單體泵、泵噴嘴和高壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) |
摘要：隨著國家排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油機(jī)的技術(shù)，尤其是排放控制技術(shù)也在逐步進(jìn)行升級換代。比如，要達(dá)到國二排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)在機(jī)械式噴油系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用渦輪增壓中冷技術(shù)；要達(dá)到國三排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)必須安裝電控燃油噴射系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)機(jī)械式噴油系統(tǒng)。預(yù)計(jì)不久將來，全國范圍內(nèi)所有機(jī)型均會實(shí)現(xiàn)國三排放標(biāo)準(zhǔn)，這就意味著所有的柴油柴油機(jī)均須采用電控燃油噴射系統(tǒng)。考慮未來柴油機(jī)排放升級發(fā)展需要，現(xiàn)代柴油機(jī)主要采用了電控單體泵系統(tǒng)、電控泵噴嘴系統(tǒng)和電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，本文闡述了這三種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用發(fā)展情況，指出未來柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展方向。
一、電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)
1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
電控單體泵系統(tǒng)是一種時間控制式的高壓燃油噴射系統(tǒng)。該系統(tǒng)由燃油供給系統(tǒng)（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(jī)械噴油器，以及連接所需的燃油管路、濾清系統(tǒng)。電控單體泵系統(tǒng)安裝在每個缸體外部，其基本結(jié)構(gòu)是將噴油泵柱塞驅(qū)動與柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)驅(qū)動共用一根（頂置）凸輪軸，噴油泵由凸輪軸上的噴油凸輪驅(qū)動，這樣使得結(jié)構(gòu)得到最大程度的簡化，從而實(shí)現(xiàn)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(jìn)行工作的，通過電磁閥直接控制柱塞腔內(nèi)燃油壓力的建立和泄流，電磁閥觸發(fā)的時刻就是關(guān)閉的時刻，即供油起點(diǎn)，電磁閥觸發(fā)時間的長短決定著噴油量的大小。柴油機(jī)工作時，電控單元將所收集到的柴油機(jī)傳感器信息處理后，發(fā)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(jìn)入噴油器，然后噴入氣缸內(nèi)燃燒室；當(dāng)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(jīng)回油孔泄壓，停止噴油。
3、優(yōu)點(diǎn)
（1）電控單體泵系統(tǒng)通過電子控制系統(tǒng)和油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)對噴油壓力的提高，噴油壓力可達(dá)1600～1800bar，從而改善柴油機(jī)的燃燒工作過程，在有效降低柴油機(jī)排放水平的同時，改善柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和噪聲特性，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過將機(jī)械噴油器改進(jìn)為電磁閥噴油器后，形成雙電磁閥單體泵系統(tǒng)，燃油噴射壓力可達(dá)到2000bar以上，能夠?qū)崿F(xiàn)多次噴射，可以達(dá)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(jié)構(gòu)相對簡單，對原型柴油機(jī)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(jī)的敏感性相對更弱，在當(dāng)前國內(nèi)油品質(zhì)量無法滿足要求的條件下，使用單體泵技術(shù)的優(yōu)勢不言而喻，因此深受柴油機(jī)制造企業(yè)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(jīng)在歐洲和北美市場上得到長時間的使用驗(yàn)證，而且對生產(chǎn)廠家的售后服務(wù)要求也不高，用戶使用維修成本較低。
4、缺點(diǎn)
（1）不能自由控制燃油噴射壓力，柴油機(jī)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(zhuǎn)速，油泵的壓力與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，因此在低轉(zhuǎn)速區(qū)域燃油壓力較低，不利于柴油機(jī)燃燒性能的提高。
（2）采用機(jī)械噴油器時，不具備多次噴射的能力。一旦燃油系統(tǒng)與整機(jī)的匹配設(shè)計(jì)完成，在每一個工況點(diǎn)下，燃油系統(tǒng)的特性將不具備調(diào)節(jié)性。
（3）在國內(nèi)，為控制成本和降低技術(shù)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(shè)計(jì)，很難避免較大的驅(qū)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(nèi)，這需要重新設(shè)計(jì)柴油機(jī)機(jī)體。
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電控柴油機(jī)單體泵結(jié)構(gòu)示意圖 |
電控柴油機(jī)單體泵參數(shù)示意 |
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電控柴油機(jī)單體泵安裝示意圖 |
電控柴油機(jī)單體泵噴油正時調(diào)整值 |
二、電控泵噴嘴燃油噴射系統(tǒng)
1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
普通的柴油機(jī)通常采用泵一管一嘴燃油噴射系統(tǒng)，即由高壓油泵產(chǎn)生高壓燃油，再經(jīng)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(xiàn)時間滯后的問題，影響到噴油的正時，且難以實(shí)現(xiàn)燃油噴射的精確控制，不利于燃料的燃燒，產(chǎn)生較多的排放物質(zhì)。在電控泵噴嘴系統(tǒng)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(jìn)排氣門一樣，都由同一根凸輪軸同時驅(qū)動。
2、工作原理
泵噴嘴系統(tǒng)分為機(jī)械驅(qū)動式和蓄壓式兩種，目前發(fā)展最完善的電控泵噴嘴系統(tǒng)是機(jī)械驅(qū)動式的。泵噴嘴燃油噴射系統(tǒng)工作過程分為進(jìn)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(diǎn)和噴油終點(diǎn)由快速啟閉的電磁閥控制，當(dāng)電磁閥關(guān)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(dāng)電磁閥開啟時，則泄掉噴射壓力，結(jié)束噴油。通過電磁閥的多次動作可產(chǎn)生多次噴射，實(shí)現(xiàn)對噴油速率的控制，從而使燃燒過程得到優(yōu)化，其可靠性和燃燒效率得到保證。電磁閥在工作狀態(tài)時電流曲線變化如圖6所示。
3、優(yōu)點(diǎn)
（1）電控泵噴嘴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yīng)速度，而且很容易產(chǎn)生高噴油壓力（最高噴油壓力達(dá)到2200bar以上），燃油霧化良好，燃燒效率很高，從而提高柴油機(jī)的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放。
（2）燃油的噴射過程實(shí)現(xiàn)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(jī)在低速和小負(fù)荷時燃油噴射的穩(wěn)定性好，具有較好的控制靈活性，低速時的柴油機(jī)綜合性能得到改善，采用該技術(shù)的柴油機(jī)可滿足國IV、國V排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，該系統(tǒng)被看作是柴油機(jī)滿足苛刻排放標(biāo)準(zhǔn)和燃油經(jīng)濟(jì)性要求的最佳選擇之一。
4、缺點(diǎn)
（1）電控泵噴嘴系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)在于燃油噴射壓力不能保持恒定，仍然受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的限制。
（2）由于該系統(tǒng)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(yuǎn)，對傳動系統(tǒng)的剛度要求也很高。
（3）電控泵噴嘴系統(tǒng)由于需要重新設(shè)計(jì)柴油機(jī)本體，尤其是柴油機(jī)缸蓋，加工難度大，制造成本高。
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圖5 電控柴油機(jī)泵噴嘴系統(tǒng)工作狀態(tài) |
圖6 柴油機(jī)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(tǒng)
1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是建立在直噴技術(shù)、預(yù)噴技術(shù)和電控技術(shù)基礎(chǔ)之上的一種時間一壓力控制式的高壓燃油噴射系統(tǒng)。它主要由高壓泵、帶壓力傳感器和調(diào)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(tǒng)與之前以凸輪軸驅(qū)動的柴油噴射系統(tǒng)不同，共軌式柴油噴射系統(tǒng)將噴射壓力的產(chǎn)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(tǒng)的機(jī)械式噴油器。
2、工作原理
電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)共軌管中的燃油壓力由一個徑向柱塞式高壓泵產(chǎn)生（高壓泵結(jié)構(gòu)如圖7所示），壓力大小與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定，其大小由一個電磁壓力調(diào)節(jié)閥控制，根據(jù)柴油機(jī)的工作需要進(jìn)行連續(xù)壓力調(diào)節(jié)。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(tǒng)將共軌管內(nèi)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(yōu)點(diǎn)
（1）燃油噴射壓力獨(dú)立于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，壓力恒定，且噴油壓力較大，大大改善了柴油機(jī)低速、大負(fù)荷時的工作性能，在有效降低柴油機(jī)排放水平的同時，提高柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低燃燒噪聲。
（2）噴油壓力柔性可調(diào)，在不同負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下都可確定所需的最佳噴油壓力。油計(jì)量閥工作原理如圖8所示。
（3）實(shí)現(xiàn)了對噴油正時、噴油量和噴油速率的最優(yōu)控制，因而改善了柴油機(jī)的燃燒過程，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，減少了污染物的排放，降低了燃燒噪聲。
（4）結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，目前已廣泛應(yīng)用于各種型號、各種排量的柴油機(jī)。
4、缺點(diǎn)
（1）該系統(tǒng)的共軌管燃油壓力調(diào)整十分復(fù)雜，存在建立時間和建立精度的矛盾，即縮短調(diào)節(jié)時間將很可能導(dǎo)致共軌管內(nèi)的燃油壓力超調(diào)，一般共軌管燃油壓力需要在柴油機(jī)的幾個循環(huán)內(nèi)才能完成調(diào)整，在一個循環(huán)中不能實(shí)現(xiàn)各缸的獨(dú)立調(diào)節(jié)。
（2）隨著共軌管燃油壓力的不斷提高，對系統(tǒng)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(tǒng)后，需對柴油機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。
（3）油品適應(yīng)性差，用戶維修保養(yǎng)成本高，必須使用符合國三標(biāo)準(zhǔn)以上的低硫柴油，共軌柴油機(jī)電控系統(tǒng)的故障必須依靠專業(yè)故障診斷儀器進(jìn)行檢測和維修。
5、應(yīng)用情況
電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛的一種高壓燃油噴射系統(tǒng)，不僅技術(shù)先進(jìn)，而且成熟可靠，還最有利于柴油機(jī)以后的排放升級，目前幾乎所有的高端品牌柴油發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)廠家都在使用該系統(tǒng)。電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)正逐步向著更高的噴射壓力、更小的噴孔直徑、更短的響應(yīng)時間、更低的功率消耗和功能更完善的軟件的方向發(fā)展，是現(xiàn)在以至未來柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的最佳選擇。目前該系統(tǒng)已發(fā)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(yīng)速度快（0.1ms），可實(shí)現(xiàn)更精確的噴油量，有利于提高噴油的霧化質(zhì)量；第四代是采用噴油壓力可達(dá)2500bar的液力增壓式噴油器，其燃油霧化質(zhì)量更高?，F(xiàn)在，市場上使用的電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)正向著第三代壓電式噴油器發(fā)展。
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圖7 共軌式柴油機(jī)高壓油泵結(jié)構(gòu)圖 |
圖8 高壓共軌柴油機(jī)進(jìn)油計(jì)量閥工作原理 |
總結(jié)：
綜上所述，電控泵噴嘴系統(tǒng)和電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)可以達(dá)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(shí)現(xiàn)多次噴射（預(yù)噴射、主噴射和后噴射），使柴油機(jī)在低速工況下也能實(shí)現(xiàn)完全燃燒，獲得大扭矩的輸出，有著高效的燃油經(jīng)濟(jì)性和出色的排放性能，并且大大降低了柴油柴油機(jī)噪聲和振動，給柴油機(jī)帶來了技術(shù)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(fā)電機(jī)組，而對于普通的低端柴油發(fā)電機(jī)組來說，采用電控單體泵系統(tǒng)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(fā)展水平的電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)將是未來柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)發(fā)展的最佳選擇。
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