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性能特点和作用说明 |
电控柴油发电机组的高压共轨喷射系统 |
摘要：高压共轨喷射系统，是针对发电用柴油发电机理想燃油喷射系统的要求而开发的新型时间-压力式电控燃油喷射系统。其特点是，在结构上把传统的泵-管-喷油器三个单元，按各自功能相互独立起来，极大地提高了燃油喷射系统的控制自由度；在功能上实现了高压喷射，并且对喷射压力、喷射时刻、喷油规律都能实现直接调控，为直接控制放热规律提供了必要的技术条件。典型的高压共轨喷射系统有德国博世公司的CR型高压共轨喷射系统和日本电装的ECD-U2型高压共轨喷射系统。
一、CR型高压共轨喷射系统
图1所示为博世公司的CR型高压共轨喷射系统，主要由三缸“Y”字形径向布置的高压泵、共轨、共轨压力传感器、二位二通电磁阀式电控喷油器及ECU等组成。ECU通过各传感器的信息，分别控制高压泵和喷油器，因此喷射压力（共轨压力）的控制和喷射过程的控制完全独立。共轨压力（轨压）可根据柴油发电机工况任意设定，而喷油器的喷射量取决于共轨压力和喷油器电磁阀的开启持续时间。因此，通过共轨压力和喷射过程的独立控制可提高喷射系统的控制自由度和控制精度。
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图1 CR型高压共轨喷射系统 |
1、高压泵
高压泵的作用是按一定的供油速率向共轨（蓄压室）供油，保证在任意工况下共轨中的油压恒定。由于发电用柴油发电机负荷（喷射量）变化范围很宽，所以为了保证一定的喷射压力（共轨压力），要求喷油泵具有足够的供油速率。为此，CR型高压共轨喷射系统的高压泵主要由泵体、泵盖、进油阀、柱塞泵组件、柱塞弹簧、驱动轴等组成。其主要特点是三个柱塞泵以120°夹角“Y”字形径向均匀布置，每个柱塞泵的柱塞在其弹簧的作用下分别压在由偏心轮驱动的三角平面环6的三个平面上，并且为了减少零件数，有利于高压泵的轻量化，将柱塞和挺柱一体化。当偏心轮随驱动轴旋转一转时，三个柱塞泵各供油一次，由此保证供油频率。此外，驱动轴前端驱动低压供油泵，向高压油泵供油。驱动轴轴承采用滑动轴承以减小摩擦损失，驱动轴前后端采用油封以防漏油。
当柴油发电机工作时，曲轴前端定时齿轮驱动高压泵的驱动轴，高压泵的偏心轮随驱动轴旋转。对某一个柱塞泵，当偏心轮偏过时柱塞在其弹簧作用下下移，柱塞顶上设置的单向阀打开，柱塞压油腔内进油；当偏心轮顶起三角平面环时，柱塞上移，此时通过弹簧作用使单向阀关闭（预行程），随着柱塞的进一步上移，柱塞腔的油压升高，推开出油阀，向共轨供油（图2）。高压泵驱动轴旋转一转时，三个柱塞泵各泵油一次。为了调节轨压的控制，博世公司的第二代高压共轨喷射系统，在高压泵进油口处设置节流阀，由ECU控制。ECU根据不同工况对轨压的要求，调节节流阀的开度，由此控制高压泵的供油量，实现对轨压的控制。由于高压共轨喷射系统的喷油压力的产生与燃油喷射过程无关，且喷油时刻也与高压油泵的供油时刻无关，因此高压油泵的压油凸轮可以按照接触应力最小和耐磨性原则来设计，即采用偏心轮驱动三角形驱动环来驱动柱塞的方式。
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图2 Y字形高压泵工作原理图 |
图3 CR型高压共轨管结构图 |
2、共轨及高压油管
共轨的作用是将高压泵提供的高压燃油进行蓄压后，按一定的设定压力均匀分配到各缸的喷油器Фc共轨的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力振荡，使高压油轨中的压力波动控制在5MPa之下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油发电机工况的变化。图3所示为CR型高压共轨管的结构示意图。
在共轨中安装压力传感器，由ECU随时检测轨压，以此反馈控制高压泵的泵油量，达到精确控制喷射压力的目的。为了在喷射（或供油）过程中减小轨压的波动，在进油口和出油口处设置了液流缓冲器。高压油管是连接共轨管和喷油器（或高压泵）的管道，它应有足够的燃油流量，减小燃油流动时的压力降，并且要求高压管路系统中的压力波动小，能承受高压燃油的冲击作用，同时在起动时共轨中能迅速建立轨压。为了保证各缸均匀性，要求各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油发电机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少柴油发电机各缸之间喷射量的偏差；并要求高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。
3、二位二通电磁阀式喷油器
喷油器的主要作用是根据ECU的控制指令按一定的喷雾质量完成喷射量的定量、定时及喷油规律的控制过程。喷射量是通过喷油器的开启持续时间（通电脉宽）来控制的，并通过喷油器的开启时刻控制喷油时刻（定时）。喷雾质量主要取决于喷射压力（取决于轨压）和喷孔总截面积以及燃烧室内的气流状态。而喷油规律的控制可通过多次喷射等方式来实现。高压共轨系统的特点就是高压泵的供油过程（即轨压）控制和喷油器的喷射过程控制分别进行，由于喷射压力主要取决于共轨压力，所以可实现喷射压力和喷射过程的柔性控制，有利于放热规律的控制，而不受二次喷射等不正常喷射现象的限制。但其控制精度主要取决于喷油器的响应特性，而影响喷油器响应特性的主要因素取决于喷油器的结构特点。
CR型高压共轨喷射系统采用二位二通电磁阀式喷油器，其结构如图4所示，主要由电磁阀系统、液压控制系统和针阀偶件等组成。电磁阀系统包括电磁阀、电磁阀弹簧及球阀等，球阀的作用是打开或关闭液压控制室的出油孔，根据ECU的指令通过电磁阀直接控制；液压控制系统包括柱塞、柱塞套（球阀体一体）、进出油孔及其弹簧，主要控制针阀的升起或落座；针阀偶件主要包括针阀及针阀体，两者配合间隙为2μm左右。
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图4 二位二通电磁阀式喷油器结构图 |
（1）当柴油发电机运行时，高压共轨中的高压燃油在进入喷油器针阀的承压锥面的同时，通过液控制系统的进油孔进入液压控制室，此时如果ECU接通电磁阀，则球阀升起，液压控制室出油孔被打开，作用在柱塞顶上的油压迅速降低，使得作用于针阀顶部的柱塞弹簧压力和柱顶部油压之和，小于作用在针阀承压锥面上使针阀升起的油压，针阀升起，开始喷油；当EC关闭电磁阀时，球阀在其弹簧的作用下落座，关闭液压控制室的出油孔，来自共轨中的高压油由进油孔进入液压控制室，并立即建立油压，加上柱塞弹簧压力，使得作用在针阀顶部的力大于针阀承压锥面上使针阀升起的油压，针阀迅速落座，喷射过程结束。
（2）喷油器是高压共轨喷射系统中最关键和最复杂的部件，其作用是通过ECU的控制指控制电磁阀的接通和关闭，将共轨中的燃油以最佳喷油定时和喷油速率，按确定的喷射量入燃烧室。
（3）喷油定时是通过电磁阀的通电时刻来精确控制的，喷射过程中的喷油速率取决于轨喷油器喷孔的总喷射面积和针阀的升程规律，而喷射量是通过电磁阀的通电持续时间制脉宽，即关闭时刻来控制的。
（4）如前所示，轨压是根据各工况确定的目标值，由ECU通过轨压传感器的信息反馈高压泵来实现的，所以工况一定，一般喷射压力（轨压）就可以确定。因此，喷射过的喷射速率，就取决于喷孔直径、喷孔数和针阀的升程规律。在选择喷孔数时，主要考雾和燃烧室空间的匹配情况，如果喷孔数过少，喷雾与燃烧室空间匹配不好，燃烧室内利用率低；反之，喷孔数过多，有可能造成相邻喷孔的喷注在燃烧室内涡流的作用下相涉现象，直接影响混合气的形成质量。在喷孔数一定的条件下，喷孔直径直接影响喷总喷射面积，从而影响喷射速率和喷雾质量。对于一定的喷射压力和喷射量，随着喷射总面积的增加，喷射时间缩短，但雾化质量有所下降。初期喷油速率过快，是造成柴油发电机燃烧噪声和NO，排放增加的主要原因之一。为此降低喷射速率，则喷射持续期间延长，后燃增加，不仅不利于经济性，而且会造成碳烟排放增加，所以针对一定的燃烧系统需要合理设计喷油器。博世公司的第二代高压共轨喷射系统的喷孔数一般取5～7，喷孔直径为0.125～0.169mm，针阀升程为0.20～0.25mm。
（5）喷油器针阀的升程规律
喷油器针阀的升程规律取决于液压控制室内的油压变化速率。为了提高喷油器的响应特性，液压控制室的容积不宜过大，否则针阀升起和落座速度减慢（图5、图6），不仅影响喷油器的响应特性，而且喷油结束时不能实现快速断油，使后期的燃油雾化不良；但是如果液压控制室容积过小，则不能给针阀提供足够的有效行程，影响喷油器的喷油能力，因此对液压控制室容积应根据实际柴油发电机的最大喷射量合理选择。根据图4所示的二位二通电磁阀式喷油器的结构特点，对一定的液压控制室容积，
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图5 控制容积对针阀升程规律的影响曲线图 |
图6 进出油孔直径对针阀升程规律的影响曲线图 |
其内部油压的变化规律取决于出油孔的出油速率和进油孔的进油速率之差。因此，如果出油孔和进油孔的流通面积之比过小，则液压控制室内油压的降低速度缓慢，因而不能使针阀达到最大升程；否则，如果出油孔和进油孔面积之比过大（进油孔直径过小），相对出油速率，进油速率过小，当出油阀打开后控制室油压迅速衰减，而当出油孔关闭时液压控制室内油压建立速度缓慢，造成针阀关闭不严、关闭时间延长，从而使针阀的响应特性下降，喷射过程延迟，后续喷射雾化不良（26b）。因此，对一定的液压控制室容积需要优化匹配其进出油孔直径的大小。
二、ECD-U2型高压共轨喷射系统
ECD-U2型高压共轨喷射系统的总体布置形式与上述CR型高压共轨喷射系统相似，主要区别在高压泵和喷油器的结构上。
1、高压泵
为了保证喷油泵具有足够的供油速率，以满足发电用柴油发电机工况变化范围内一定喷射压力（共轨压力）的要求，在ECD-U2型高压共轨喷射系统中采用图7所示的柱塞直列型三山凸轮高压泵。其主要特点是凸轮的一个工作断面上设有三个凸起，所以凸轮轴每转一圈凸轮泵油三次，由此提高每缸高压泵的供油频率，对应每缸喷油，共轨油压可得到及时的补充。为了获得平缓而稳定的共轨压力，要求高压泵的供油频率与柴油发电机喷射频率相一致。同时，对高压泵每一缸都设置一个PCV电磁阀。当喷油泵柱塞下行时，PCV电磁阀打开，燃油经PCV电磁阀进入泵室，完成进油过程。当柱塞上行时，如果此时PCV电磁阀尚未通电，则PCV电磁阀始终处在开启状态，已进入的燃油在柱塞的压缩作用下，经PCV电磁阀回流，共轨油压不变化。如果共轨压力下降到小于设定值时，在需要供油时刻，通过ECU接通PCV电磁阀使之关闭，由此关闭回油通路，则泵室内的燃油受压而压力升高，推开出油阀迅速将燃油送往共轨中及时补充轨压（图8）。高压泵的供油量主要取决于PCV阀关闭之后的柱塞升程，此行程称为供油有效行程。可通过改变PCV电磁阀的关闭时刻，即通过改变高压泵凸轮的有效行程来改变高压泵的供油量，由此控制共轨压力。这种高压泵的特点是，可以减小其功率消耗。但需要确定控制脉宽及其与高压泵凸轮轴的相位关系，所以控制系统比较复杂。
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图7 直列型高压泵结构图 |
图8 直列型高压泵控制原理图 |
2、共轨
图9所示为ECD-U2型高压共轨喷射系统的共轨结构，其结构特点基本上与上述CR高压共轨喷射系统的共轨类似，都安装有压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向ECU提供高压共轨中的油压信号；液流缓冲器（限流器）用来保证在喷油器出现燃油泄漏故障时，切断向喷油器供油，同时减小共轨和高压油管中的压力波动；当高压共轨出现压力异常时，压力限制器能迅速地将高压共轨中的压力泄掉。对一台柴油发电机，精确设计合适的高压共轨容积和形状并非是一件容易的事。在ECD-U2型高压共轨喷射系统中，当高压输油泵的最大循环供油量为600mm3时，其共轨容积约为94000mm3。
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图9 ECD-U2型高压共轨喷射系统的共轨结构图 |
3、喷油器
在ECD-U2型高压共轨喷射系统中采用的喷油器结构与CR型高压共轨喷射系统不同，是一种三通电磁阀式喷油器（图10），主要由针阀偶件、液压柱塞、节流阀及三通电磁阀（TWV）等组成。三通电磁阀的通电时刻决定喷油定时，而其通电持续时间（控制脉宽）决定喷射量的大小。
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图10 三通电磁阀式喷油器结构图 |
图11 三通电磁阀式喷油器工作过程图 |
（1）三通电磁阀结构
三通电磁阀主要由内阀、外阀和阀体组成。内阀是一个被固定的柱塞，外阀与电磁阀的衔铁做成一体，由线圈通电方式控制其上下运动，而阀体是用来支承外阀的。这三个部件的配合精度很高，分别形成两个密封面。在结构设计上使两个密封面不能同时接通。第一个密封面控制液压柱塞顶部的控制室与高压共轨的连通，而第二个密封面则控制液压柱塞顶部的控制室与泄油孔连通。在ECU的控制下，接通三通电磁阀时，在电磁阀线圈中产生的磁场力的作用下，外阀上移，关闭第一个密封面，使共轨中的高压燃油无法进入液压柱塞顶部的控制室。此时第二个密封面打开，液压柱塞顶部控制室内的高压油经第二个密封面（泄油孔）向燃油箱泄油，造成液压柱塞顶部的油压迅速降低，喷油器针阀在其承压锥面上的高压燃油的推力下，克服液压柱塞及其弹簧的合力而升起，开始喷油。当三通电磁阀断电时，磁场消失，外阀在其弹簧力的作用下下移，关闭第二个密封面，此时第一个密封面被打开。这样，来自共轨中的高压燃油进入喷油器针阀的承压锥面室的同时，也进入液压柱塞顶部的控制室。液压柱塞在高压燃油和弹簧力的作用下，使针阀落座，停止喷油，完成高压喷射过程。
（2）三通电磁阀控制原理
三通电磁阀的接通和断开时刻，是根据事先通过柴油发电机台架试验标定的不同工况下的目标控制MAP图，由ECU进行工况判断、运算之后确定控制量来进行控制的。这里，液压柱塞顶部控制室容积的大小决定了喷油器针阀开启的灵敏度。如果该容积过大，针阀在喷油结束时不能实现快速断油，造成后期的燃油雾化不良；否则，控制容积过小，就不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大。因此，对控制室容积也应根据不同柴油发电机的最大喷射量合理选择。
为了控制初期喷油速率，以控制放热规律，适应降低柴油发电机排放的要求，这种喷油器在液压柱塞上方专门设置了一个单向阀和一个小孔节流阀。单向阀的作用是阻止液压柱塞上方的燃油回流，只允许高压共轨中的燃油流入控制室。控制室内的燃油只通过小孔节流阀逐渐泄油，以控制液压柱塞上方控制室内压力的降低速率，由此控制喷油器针阀的升起速度，实现对初期喷射规律的控制。单向阀的孔径（进油量孔）和节流阀的最小直径（泄油量孔）以及液压柱塞上部的控制室容积对喷油器的喷油规律影响很大。泄油量孔和控制室容积决定喷油器针阀的开启速度，而喷油器针阀的关闭速度取决于单向阀的（进油量孔）流量特性和控制室的容积。所以，在设计单向阀时，应保证喷油器针阀有足够快的关闭速度，以避免喷油器喷射后期雾化不良的现象。若适当减小控制室容积可以使针阀的响应速度加快，使燃油温度对喷油器喷射量的影响减小。但控制室容积过小，直接影响喷油器针阀的最大升程。而且单向阀和节流阀的流量特性直接影响控制室内油压的动态特性，从而影响针阀的运动规律。
一般三通电磁阀的开启响应时间为0.35ms，关闭响应时间为0.40ms，全负荷状态下能量消耗为50W左右。由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，其喷油器的喷孔截面积很小，因此在高压喷射时燃油流动处于极端不稳定状态，喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此可适当改善燃烧室内的气流强度以及燃烧室的结构形状，以确保最佳的燃烧过程。
三、多阶段喷射及压电式喷油器
高压共轨喷射系统对喷油规律的精确柔性控制，可实现对燃烧速率的精确控制。现阶段，高压共轨喷射系统正向着多阶段（多脉冲）喷射方式“Multijet”发展。这种喷射方式，将每个循环燃油喷射量分成多阶段进行喷射，由此精确控制燃烧室内的温度和压力，达到既提高循环热效率又有效降低排放的目的。
1、喷射过程
图12所示为将一个循环喷射量分成六次喷射的六阶段喷射模式。其中，主喷射过程也分为两次进行，由此有效地降低了气缸内的最高燃烧温度，以抑制NO的生成，但这要求喷油器具备很高的响应特性。
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图12 六阶段喷射模式示意图 |
（1）先导喷射
是指进气终了或压缩初期的某一时刻进行的少量喷射过程，其目的是快速提高压缩行程中燃烧室内的温度和压力，由此缩短柴油发电机起动、暖车时间，降低怠速惰转噪声，减小暖机运行时的碳烟排放，改善柴油发电机的低速转矩特性。这种先导喷射方式只在柴油发电机冷态下使用。
（2）预喷射
是指在主喷射之前某一时刻进行的少量的事先喷射过程，其主要作用是提高燃烧室内的温度，为主喷射做准备，即由此缩短主喷射的着火延迟期，降低燃烧温度，抑制NO的生成，降低燃烧噪声。
（3）后喷射
是指主喷射之后在膨胀过程中的某一设定时刻进行的少量的喷射过程，其目的是保证膨胀过程中气缸内温度的降低速率不至于过快或保持足够高的温度，以改善废气在膨胀过程中的氧化环境，由此减少燃烧过程中的碳烟排放，同时提高排气温度，有利于后处理装置的催化反应。
（4）迟后喷射
最后一个阶段的喷射称为迟后喷射，是在柴油发电机排气过程中进行的少量喷射过程，其目的是由此增加废气排气中的HC含量，以提高NO，催化还原装置的转化效率。
对多阶段喷射方式，根据柴油发电机实际情况需要确定或控制的因素有：确定分几个阶段进行喷射、每个阶段喷射的起始点、喷射持续期，以及各喷射阶段之间的时间间隔等。特别是预喷射和主喷射之间的时间间隔，以及两次主喷射之间的时间间隔对柴油发电机的燃烧过程及性能比较敏感。
2、响应特性
上述高压共轨喷射系统的电磁阀式喷油器，由于其响应特性受电磁阀结构特性的影响，所以要实现多阶段喷射过程时会受到限制。如博世第二代高压共轨喷射系统的喷油器，其预喷射和主喷射之间的最短时间间隔不能小于900μs，因此要实现将主喷射过程分两个阶段喷射或主喷射和预喷射之间最小时间间隔的控制均会受到限制。为此，又开发研究出压电式高压共轨喷射系统。它与原高压共轨喷射系统的区别仅在于将电磁阀式喷油器改为压电式喷油器，其他部分相同。即将原用高频电磁阀来驱动针阀的喷油器，改为用压电晶体来驱动针阀。由于压电石英晶体的变形速度很快，所以压电式喷油器的开关响应速度比电磁阀更快，对于同样的燃油喷射量，只需要更短的喷油持续时间。同时采用压电晶体片取代了电磁线圈，因此可进一步减小喷油器内整个喷射控制链上的累积误差，从而提高了喷射精度，可更精确地控制燃油喷射量。这种压电式喷油器，是在多层压电薄片叠加而形成的压电堆的基础上，利用液压放大机构来放大压电堆驱动的位移，以满足高速开关阀的流量要求的。这种在厚度方向上伸缩变形的积层型压电晶体，在力学上串联、电学上并联，其输出的位移为各压电片输出位移的之和。但是，压电晶体片在电学上是纯电容负载，级联后电容将成倍增加，故级联过多，势必使充放电时间增加而产生较大迟滞现象。因此，在实际应用时压电晶体片的积层量要适当。
3、压电式喷油器的结构
压电式喷油器主要由压电执行器、液压放大器及针阀等组成。压电执行器由压电晶体单元构成，每个压电晶体单元产生的晶体变形量非常小，所以常通过压电晶体的薄层技术，将多层压电石英晶体烧结成一定长度的立方体，并通过液力放大器将其变形量进行放大后再传递给针阀，以保证针阀的最大升程。在压电模块和液压放大器里充满压力（系统压力）约为1MPa的柴油，以保证不同环境下压电执行器和液压放大器的稳定工作环境。图13所示为压电式喷油器和电磁阀式喷油器的性能对比。在相同的轨压下对一定的喷射脉宽，压电式喷油器的喷射能力明显高于电磁阀式喷油器，而且其喷射速率快，峰值高，持续时间也短，因此压电式喷油器的响应特性更快。
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图13 压电式喷油器和电磁阀式喷油器的性能对比 |
注：st表示冲程
压电式喷油器的运动部件数和自重比电磁式喷油器少，而且因压电式喷油器是通过对压电晶体的变形速度来控制的，所以喷油器每次开启和关闭时的噪声水平也比较低。到目前为止，只有压电式喷油器能够实现多阶段喷射过程的精确控制，而这一功能是通过燃油喷油规律的有效控制，实现放热规律控制所必不可少的。所以，不管是电控汽油喷射还是柴油发电机的电控技术，压电式电控喷油器是发展趋势，具有更大的潜力。
四、高压共轨喷射系统的特点
时间压力控制式高压共轨电控喷射系统，其共轨压力波动很小，没有常规电控喷射系统中存在的因压力波而产生的难控区、失控区及调速能力不足等问题。喷射压力的控制完全独立于转速和负荷。
高压共轨喷射系统，如ECD-U2型高压共轨喷射系统，是通过三通电磁阀、单向阀和节流阀等来控制液压柱塞顶部的油压的，而CR型高压共轨喷射系统则是通过出油孔和进油孔直径大小来控制液压柱塞顶部的油压的，所以两者都易实现初期喷射速率低、快速停止喷射的“d”形（三角形）喷射速率控制，也很容易实现多阶段喷射过程，只要在主喷射之前给三通电磁阀一个不同的小宽度脉冲信号，即可实现。因此，高压共轨喷射系统可实现柴油发电机所需要的理想喷油规律的控制特性。由于高压共轨喷射系统是一种压力-时间式控制系统，所以喷射量仅取决于共轨压力和喷油器电磁阀的控制脉宽。图14所示为不同共轨压力条件下，喷射量随控制脉宽的变化特性。对一定的喷射量，共轨压力越高，喷射脉宽越小，即整个喷射过程缩短，而且在整个喷射过程中始终保持一定的喷射压力。
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图14 喷油器流量特性曲线图 |
高压共轨喷射系统在喷射时期、喷射量、喷射压力及喷射速率等方面都能实现柔性控制，而且喷射时期的控制范围宽，所以整个系统的响应特性和适应性好。但是，高压共轨喷射系统由于长时间维持系统内的高压，所以高压泵的驱动损失增加，而且存在需要耐高压和高压密封等问题。
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