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性能特點和作用說明 |
柴油發(fā)電機的泵噴嘴電控燃油噴射系統(tǒng) |
泵噴嘴顧名思義就是噴油泵與控制單元和噴嘴組合在一起，即高壓油管長度為零的燃油系統(tǒng)。它安裝在缸蓋上，每個缸都有一個。由于無高壓油管，所以可消除長的高壓油管中壓力波和燃油壓縮的影響，高壓容積大大減少，因此可產(chǎn)生所需的高噴射壓力，與帶噴嘴的分配式噴射系統(tǒng)一樣原理。康明斯公司在本文中除了介紹泵噴嘴電控燃油噴射系統(tǒng)特點與結(jié)構(gòu)組成，同時總結(jié)了第二代柴油電控燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)缺點。
一、泵噴嘴電控燃油噴射系統(tǒng)
早在1905年，柴油發(fā)電機創(chuàng)始人就提出了泵噴嘴的概念，設(shè)想將噴油泵和噴油器合成一體，省去高壓油管，獲得高的噴油壓力。隨著近代電子技術(shù)的發(fā)展，電控泵噴嘴應(yīng)運而生。
1、特點
泵噴嘴安裝在柴油發(fā)電機原普通噴油器的位置上（見圖1），其外形與普通噴油器類似，由氣缸蓋上方的凸輪軸經(jīng)搖臂使噴油器內(nèi)柱塞下移而加壓燃油。泵噴嘴的上半部為柱塞、柱塞套與柱塞彈簧等，噴油器的下半部為噴油器、調(diào)壓彈簧及進、回油道。泵噴嘴系統(tǒng)的最大特點是噴油泵和噴油器做成一體，高壓油管長度為零。泵噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖2-22所示，由挺柱或搖臂驅(qū)動泵噴嘴內(nèi)的柱塞使燃油加壓，在柱塞腔內(nèi)形成高壓。ECU適時地發(fā)出脈沖信號，命令高速電磁線圈控制噴油的始點和終點，而脈沖信號的長短控制循環(huán)噴油量。ECU通過程序MAP對泵噴嘴內(nèi)部的高速電磁閥的動作進行閉環(huán)控制，只有當電磁閥關(guān)閉時，燃油才會噴射。因此，電磁閥的關(guān)閉點就決定了噴油始點，電磁閥再次打開之前所經(jīng)過的時間長度決定噴油量。
主要優(yōu)點如下：
（1）噴油壓力高，噴油霧化良好。
（2）采用ECU集中控制，噴油量、噴油時間控制更精確。
（3）采用先預(yù)噴再主噴的噴油方式，能實現(xiàn)先緩后急的噴油，滿足柴油機工作的要求。
（4）功率提高，油耗下降。
（5）廢氣中的有害氣體少，排氣凈化性好。
（6）噪聲小，工作平穩(wěn)性好。
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圖1 泵噴嘴安裝位置圖 |
2、燃油系統(tǒng)和泵噴嘴的結(jié)構(gòu)
電子控制泵噴嘴系統(tǒng)主要由泵噴嘴、驅(qū)動搖臂機構(gòu)、電子控制單元(ECU)、各種傳感器等組成，如圖2所示。泵噴嘴實際上由噴油泵、噴油器和電磁控制閥三部分組成，如圖3所示。電子控制泵噴嘴系統(tǒng)的特點是燃油壓力升高仍然是機械式的，噴油始點和終點由電磁閥控制，即噴油量和噴油時間是由電磁閥控制的。電子控制泵噴嘴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點如下：
（1）采用大容量齒輪式供油泵，確保將燃油穩(wěn)定地供到安裝在氣缸蓋內(nèi)部的噴油器
（2）主供油管和氣缸蓋上的各個噴油器之間由支管連接，溢出燃油通過連接各噴油器的溢油管經(jīng)調(diào)壓閥排出到氣缸蓋外部。
（3）ECU直接安裝在柴油發(fā)電機機體上，縮短了線束長度；為了減低因柴油發(fā)電機引起的振動，采用橡膠固定，同時，采用燃油冷卻ECU的背面。
（4）ECU根據(jù)安裝在飛輪以及凸輪相關(guān)部位的兩個轉(zhuǎn)速傳感器檢測到的柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速和曲軸轉(zhuǎn)角傳感器信號及其他的傳感器信號進行最佳燃油噴射控制。
（5）柱塞通過搖臂由凸輪軸驅(qū)動，壓縮燃油，建立高壓。
（6）噴油器的高速電磁閥是常開的，燃油通過氣缸蓋內(nèi)部的油路流動；但電磁閥關(guān)閉時，柱塞開始向噴油嘴壓油，燃油從噴油嘴噴入氣缸；當電磁閥打開時，溢油開始，噴油結(jié)束。
（7）因為沒有噴油管，不僅可以實現(xiàn)高壓噴射，而且可以通過適當組合噴油嘴的噴孔流通截面積和驅(qū)動凸輪的形狀，使噴油率的形狀徐徐上升，減少預(yù)混合期間的噴油量，從而達到控制預(yù)混合燃燒。
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圖2 泵噴嘴燃油系統(tǒng)組成圖 |
圖3 泵噴嘴結(jié)構(gòu)圖 |
3、泵噴嘴的工作過程
電控泵噴嘴的工作原理如圖3所示。
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圖3 電控泵噴嘴工作原理圖 |
（1）泵噴嘴進油過程
泵油柱塞在彈簧的作用下上移，高壓腔容積增大。高速電磁閥處于初始開啟狀態(tài)，柴油進入高壓腔。
（2）泵噴嘴噴油過程
利用收縮活塞將噴射過程分為預(yù)噴射和主噴射兩個階段；利用緩沖活塞控制針閥上升時的升程變化，實現(xiàn)“先緩后急”的理想噴油規(guī)律。
① 預(yù)噴射過程
噴射凸輪驅(qū)動泵油柱塞下移。初期電磁閥仍未關(guān)閉，高壓腔內(nèi)的部分柴油被壓回到進油管。ECU控制電磁閥通電，關(guān)閉高壓腔到進油管的通道，高壓腔內(nèi)壓力大于18MPa時，針閥承壓錐面上承受的上升力高于噴油器彈簧力，針閥上升開啟噴油孔，預(yù)噴射開始。在預(yù)噴射過程中，緩沖活塞起到限制針閥上升速度的作用，借以實現(xiàn)理想噴油規(guī)律的“先緩”。針閥上升，針閥室內(nèi)的柴油被壓回彈簧室的過程中，緩沖活塞使泄油間隙逐漸減小，節(jié)流增大，針閥上升速度變緩。 預(yù)噴射開始后（如圖4所示），高壓腔油壓隨著柱塞壓油繼續(xù)提高，達到一定壓力時，收縮活塞瞬間下移，使高壓腔油壓瞬間下降，針閥關(guān)閉噴油孔，預(yù)噴射結(jié)束。預(yù)噴射后，由于收縮活塞的下移增加了噴油器彈簧的預(yù)緊力，使主噴射階段時針閥開啟所需的油壓比預(yù)噴射過程高。
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圖4 泵噴嘴預(yù)噴油示意圖 |
圖5 泵噴嘴主噴油示意圖 |
② 主噴油階段
預(yù)噴射結(jié)束后，電磁閥仍然關(guān)閉，隨著泵油柱塞繼續(xù)壓油，高壓腔內(nèi)油壓重新上升。當油壓上升到約30MPa時，針閥再次上升開啟噴油孔，主噴射階段開始。在主噴射階段中，最高噴油壓力可達205MPa。當ECU控制電磁閥開啟時，高壓腔柴油回流到進油管，壓力迅速下降，噴油器彈簧迅速使針閥關(guān)閉噴油孔，同時收縮活塞和緩沖活塞也回到初始位置，主噴射階段結(jié)束。當電控系統(tǒng)停止向電磁控制閥供電時，電磁控制閥針閥在電磁控制針閥回位彈簧的作用下向右移動，接通高壓油腔與低壓油道。這時，高壓油腔內(nèi)的燃油經(jīng)電磁控制閥流向低壓油道，高壓油腔里的燃油壓力下降，噴油針閥在噴油針閥回位彈簧的作用下復(fù)位，輔助柱塞則在噴油針閥回位彈簧的作用下關(guān)閉高壓油腔與噴油針閥回位彈簧之間的油道，主噴油結(jié)束，如圖5所示。
● 高壓油腔進油：
如圖6所示，當凸輪的下降段與搖臂接觸時，泵油柱塞在泵油柱塞回位彈簧的作用下向上運動，高壓油腔因體積增大而產(chǎn)生真空。這時，低壓油道（與進油管相連接）內(nèi)的燃油經(jīng)電磁控制閥流向高壓油腔，直到充滿高壓油腔為止，從而為下一次噴油做好準備。
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圖6 高壓油腔進油示意圖 |
二、第二代柴油電控燃油噴射系統(tǒng)總結(jié)
1、特點
第二代控制系統(tǒng)包括電控分配泵、直列泵、泵噴嘴和單體泵，其共有的控制特點如下：
1）依靠傳統(tǒng)的脈動泵產(chǎn)生高壓。
2）噴油量控制和噴油脈寬完全由電磁閥控制。
3）電磁閥關(guān)閉時刻決定噴射定時。
4）電磁閥關(guān)閉持續(xù)時間決定噴油量。
2、缺點
1）仍然依賴于傳統(tǒng)的脈動高壓系統(tǒng)，使高壓噴射的區(qū)間受到凸輪型線的限制，無法實現(xiàn)大范圍的噴射定時控制。
2）噴射壓力的大小只和凸輪型線以及柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，不能根據(jù)柴油發(fā)電機的工況靈活調(diào)節(jié)。
3）無法實現(xiàn)靈活的預(yù)噴射和多次噴射。
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