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性能特点和作用说明 |
高压共轨式柴油机的喷油压力控制原理 |
摘要：柴油发电机电控高压共轨燃油喷射系统由低压供油部分和高压供油部分组成，高压油泵是电驱动，将油箱里的燃油抽上来，像我们常见的抽水机一样。被快速抽上来的燃油通过油管来到喷油器附近的油轨里，在这里形成很高压力的燃油。柴油发电机电脑控制喷油器开关，喷油器打开就喷油，关闭就停止喷油。由于高压共轨组成部件精度要求特别高，因此对油品的质量要求也特别高。除此之外高压共轨部件成本十分昂贵，不按使用说明书定期更换滤清器会造成喷油器、高压泵损坏，维修成本相当昂贵。
一、高压共轨发动机发展与优点
共轨式喷油系统于二十世纪90年代中后期才正式进入实用化阶段。这类电控系统可分为：蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，结构组成如图1所示。
1、电控共轨与传统喷射系统的比较
（1）传统的柴油机燃油喷射系统，是机械式喷射系统。由调速器控制喷油量，凸轮控制喷油定时、进排气定时和喷油及进、排气规律。在额定工况下，能实现性能的优化。但是当柴油机的工况、海况、外界环境、燃油品质发生变化、凸轮轴磨损等因素，造成柴油机工作偏离其设计工况最佳值时，则会影响柴油机的经济性和排放性能。另外，随着燃烧理论的发展和成熟，对喷射规律控制的要求更为精确，传统喷射系统已不能满足经济性和排放性的要求。
（2）电控共轨柴油机，也称为智能型柴油机，其高压共轨燃油喷射系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种全新概念的燃油喷射系统。根据柴油机燃烧理论应用电控技术，通过控制燃油喷射正时、喷油量、喷射速率、压力以及进、排气阀正时，能有效地实现柴油机在各种负荷下的性能最优化，从而达到在满足最新排放要求下，提高其经济性、可靠性、操纵灵活性，并延长使用寿命的目的。
2、电控共轨系统优点
（1）共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。
（2）可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（120MPa~200MPa），可同时控制NOx和微粒（PM）在较小的数值内，以满足排放要求。
（3）柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机NOx，又能保证优良的动力性和经济性。
（4）由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。
（5）与直列泵燃油系统相比（如图2所示），高压共轨发动机喷油器无需增压器。直接使用高压共轨内压力喷射，喷油器只需要控制喷油时间。
（6）高压共轨管道是密闭装置，轨道里燃油是持续高压中，对于燃油泵的功率要求不需要太高，也减轻燃油泵的负担。
（7）高压共轨发动机具有燃油压力调节阀装置，能够根据发动机运转状态对油轨内的油压进行灵活调节，使得发动机动力表现更加充沛。
由于高压共轨系统具有以上的优点，现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。
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图1 电控高压共轨燃油喷射系统示意图 |
图2 柴油机共轨系统与直列泵对比图 |
二、高压共轨系统的组成
1、低压供油部分
共轨燃油喷射系统的低压供油部分包括燃油箱（带有滤网）、输油泵、燃油滤清器及低压油管。
（1）燃油箱必须抗腐蚀，且至少能承受两倍的实际工作油压，并在不低于0.03MPa的压力下仍保持密封。如果燃油箱出现超压，需经过适当的通道和安全阀自动卸压。即使发电机组发生倾斜，或在弯道运行，甚至发生碰撞时，燃油也不会从加油口或压力平衡装置中流出。同时，燃油箱必须远离柴油发电机，以减小发电机组发生交通事故时发生火灾的危险。
（2）低压供油部分除采用钢管外，还可使用阻燃的包有钢丝编织层的柔性管。油管的布置必须能够避免机械损伤，并且在其上滴落的燃油既不能聚集，也不会被引燃。
（3）输油泵是一种带有滤网的电动泵或齿轮泵，它将燃油从燃油箱中吸出，将所需的燃油连续供给高压泵。输油泵的任务是在任何情况下为燃油提供所需的压力，并在整个使用寿命期内向高压泵提供足够的燃油。电动输油泵（滚子叶片）如图3-2所示。
（4）燃油滤清器将进入高压泵前的燃油滤清净化，从而防止高压泵、出油阀和喷油器等精密件过早磨损和损坏。
2、高压供油部分
共轨燃油喷射系统的高压供油部分包括带调压阀的高压泵、高压油管、作为高压燃油存储器的共轨管（带有共轨压力传感器）、限压阀、流量限制器、喷油器和回油管。
（1）输油泵
输油泵的作用是把足够数量和一定压力的柴油提供给高压喷油泵，其输油量应该是全负荷时所需喷油量的3至4倍。根据结构分为电子输油泵和齿轮泵，如图3所示。
（2）高压泵
高压泵将到共轨管的燃油的压力升到135MPa。高压泵内部结构如图4所示。
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图3 电控柴油机高压油泵泵体类型 |
图4 高压泵内部结构结构图 |
（3）共轨管
燃油在共轨管中仍保持其压力，即使喷油器喷油时，由于燃油的弹性而产生蓄压作用，燃油压力基本保持不变。燃油压力由共轨管压力传感器测定，通过调压阀调节到规定数值。限压阀的任务是将共轨管中的燃油压力限制在150MPa以内。
（4）喷油器
当高压燃油在喷油器中被电子控制的电磁阀释放时，喷油器开启，将燃油直接喷入柴油发电机燃烧室。电控喷油器结构如图5所示。
（5）高压油管
高压油管必须能够经受燃油喷射系统的最大压力和喷油间歇时的局部高频压力波动。该油管由钢管制成，通常外径为6mm，内径为2.4mm。各缸的高压油管长度是完全相同的，共轨管与各缸喷油器之间的不同间距通过各缸高压油管的弯曲程度进行长度补偿，但油管长度应尽可能短一些。
3、电控部分
（1）高压传感器
压力传感器测量燃油轨中的压力。即时的压力被转换为发动机控制单元ECU可以识别的电位信号。根据发动机控制单元（ECU）已记录的性能特性，在喷射器期间压力信号可用来做控制计算，通过高压控制阀实现高压调节。高压传感器直接固定在油轨上，用柔软的铁垫圈密封。
高压传感器的功能：钢薄膜(的变形与油轨中的即时压力有关。传感器内的阻值由于要附加到钢膜上而被改变。阻置的改变由电子仪器(3)和发动机控制单元作为电位信号识别。
（2）控制单元（ECU）
发动机控制单元检查发动机系统控制的所有必须的过程。按负载的要求，计算发动机必须的输出数据和发电机组整机数据以及检查防盗码。发动机控制单元与其他控制装备的通讯，如图6所示。
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图5 高压共轨喷油器结构与油路连接图. |
图6 ECU电子控制系统与通讯总线连接图 |
三、高压共轨喷油系统修正
1、喷油器的油量和电压修正
为了进行喷油器油量修正，在喷油器制造过程中对每个喷油器都要采集很多测量数据，并以数据点阵编码的形式标示在喷油器上；对于压电喷油器，还要附加上有关喷油器被堵塞后行程的信息。这些信息在柴油发电机制造过程中都被输入电控单元，在发动机运转过程中这些数值被用来补偿计量和电路方面的偏差。
2、压力波修正（DWK）
原则上，在所有的共轨喷油系统中燃油喷射总会引起压力波，当喷射间隔变化时，这种压力振动会延迟喷射而影响喷油量。延迟喷射所引起的误差与喷入的油量、喷射间隔、共轨压力和燃油温度有关，电控单元考虑到这些参数，用一个合适的补偿算法计算出一个修正量。
3、预喷射油量的调节修正
可靠地控制很小的预喷射油量对同时达到舒适性和排放目标具有特别的意义。为此，在博世公司第三代高压共轨喷油系统中采用了一种实际功率调节方法，与压力波修正一起来修正预喷射油量。
在柴油发电机加载时，针对性地将某个小油量喷入汽缸，通过转速传感器可探测到由此相应产生的扭矩提升。显然，这种驾驶者感觉不到的扭矩提升与喷入的燃油量有关，算法确定这种预喷射油量的最小变化量，并相应地修正所有预喷射。
4、λ调节修正
与预喷射油量的调节一样，同时调节总喷油量和进气空气质量的λ调节同样具有重要意义，无论是喷油量还是进气空气质量的误差都会导致混合气的变化，从而影响到废气排放。
为了进行补偿，用一个宽带λ传感器来检测废气中的氧分压，由此就能反算出过量空气系数λ。由于柴油发电机加载时λ传感器用大气中的氧分压来标定，因此检测的精度较高。专用的学习和调节方法确保在废气排放过程中重要的运行工况范围内调节到经使用后所给定的空燃比。其匹配过程极其迅速，以至于第一个运行循环以后就可以使用到学习值。
5、高压共轨系统优化效果
在相同的系统压力（如160MPa）下，电磁阀系统的全负荷特性可与压电系统相比，这两种系统在整个转速范围内都能获得丰满的扭矩曲线，但是在排放重要的部分负荷范围内，新的压电技术就显示出其潜力来了。即使电磁阀系统达到一个非常好的水平，但是与之相比，由于压电喷油器的喷油曲线优化，预喷射油量减小，在保持低噪声水平的同时，微粒和NOx排放量也能降低约13～18％。由于运动质量减小，液压控制链缩短，预喷射油量在必要时能够减小到小于1mm3。
在主喷之前增加一次预喷射,可以缩短主喷滞燃期,从而大幅度的降低NOx的排放,并能有效降低燃烧噪声；随着预喷油量的增加,NOx的排放水平提高,而颗粒排放水平下降，最佳预喷油量还与负荷有关。预喷与主喷之间的间隔对颗粒排放水平也有一定影响,应进行优化，采用两次预喷射可以降低燃烧噪声。
对不同负荷下的预喷射的研究表明,低负荷条件下的预喷可以大幅度降低燃烧噪声和油耗，并有效抑制烟度;在中负荷时的预喷可以大幅度降低燃烧噪声,抑制HC的生成，并降低NOx的排放;在低速全负荷工况下,可以增加烟度限制条件下的扭矩。对后喷的研究表明,后喷是减少颗粒排放的最佳途径,它还能有效减少烟度、HC的排放和降低油耗。
由于应用第三代高压共轨喷油系统能大大扩展调节燃烧过程的自由度，将优化的焦点转移到有利于降低噪声水平上。由于应用了两次预喷射，中等负荷时的噪声可降3dB(A)。
根据所选择的燃烧过程，后喷射为减少颗粒排放提供了很大的可能性。在后喷射相位和油量方面为柴油机开发人员提供了新的自由度。这就允许在排放、噪声和燃油耗之间达到最佳的平衡，例如根据运行工况通过后喷射颗粒排放最多能降低35％。为了满足未来各种不同排气后处理方案对喷油系统的要求，第三代高压共轨喷油系统能够在膨胀冲程的不同相位进行后喷射，这样一方面能在燃烧进行中就为可能存在的颗粒过滤器的再生准备好热量，另一方面同样也能为存储式NOx催化器提供所必需的CO峰值。
总结：
柴油机电控技术的出现，是柴油机发展过程的一次技术革命。随着柴油机应用电子技术的不断发展，对柴油机进行的智能控制，改善了船舶柴油机的经济性和可靠性，达到低污染排放，使其排放符合国际公约的要求。所以，高压共轨喷射系统将会广泛应用于柴油发电机组行业。尽管如此，电控共轨柴油机也仍然存在着不足之处，如对电磁阀及传感器等部件的可靠性要求高，对动力滑油的清洁要求、共轨管的密封性要求很高等。所以我们要加强对电控柴油机的日常维护管理，提高管理水平，以降低柴油发电机组运行成本。
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