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性能特点和作用说明 |
单体泵、泵喷嘴和高压共轨喷射系统三者性能比较 |
摘要：柴油机电控燃油技术是一种全新的现代技术，它集成了计算机控制技术、传感器检测技术以及先进的喷油控制技术于一身。其不仅能达到较高的喷射压力、实现喷油量的精准控制，从而优化喷油特性形状并降低柴油机噪声和大大减少废气的排放量。电控系统主要分为共轨系统和单体泵两种结构，从使用角度而言，随着柴油机强化程度的不断提高，对高速型柴油发电机，多采用响应特性优越的高压共轨系统；而对使用重型柴油发电机采用单体泵的较多，因为单体泵对燃料的适应性更好。但两者对比后从放热规律控制精度上考虑，直接控制喷油器的高压共轨系统，特别是压电式高压共轨喷射系统，其发展潜力更加符合柴油发电机组的未来发展。
一、电控柴油机技术概述
电控柴油机的燃油喷射系统的内部结构如图1所示，控制功能如图2所示。
电控柴油喷射系统按控制方式分类，可以分为位置控制式系统和时间控制式系统。时间控制式喷射系统，是通过电磁阀的接通和断开时刻来控制喷油（供油）时刻和喷射量的，可以说这是柴油发电机电控喷射技术逐步成熟的标志。时间控制式喷射系统根据供油系统结构特点又分为泵-管-喷油器型和泵喷嘴型两种。如时间控制式VE型分配泵电控系统、单体泵及高压共轨系统均属于泵-管-喷油器型时间控制式喷射系统，而电控泵喷嘴系统属于后者。位置式喷射系统包括机械式的和电控式的，都属于泵-管-喷油器型。
根据喷射压力的不同，喷射系统又分为低压（18～24MPa）、中压（60～80MPa）和高压（＞100MPa）喷射系统。目前常用的高压共轨、单体泵和泵喷嘴这三种电控喷射系统的最高喷射压力均超过200MPa，其中高压共轨喷射系统的喷射压力也可以实现柔性控制，因此这种控制方式又称为时间-压力式控制。柴油发电机的燃油喷射系统从低压的机械式喷射系统逐步向电控位置控制式、电控时间控制式、电控高压时间-压力控制式发展。目前，国外已开发研究出基于压电式喷油器的时间-压力式高压高响应电控喷射系统。这种喷射技术的发展，使高速发电用柴油发电机向直喷化发展，同时满足日趋严格的节能和排放法规。
柴油发电机电控喷射技术，经历了位置控制式、时间控制式和时间-压力控制式等发展过程。对VE型分配泵改进的时间控制式电控系统，虽然提高了喷油泵的控制精度和灵活性，但这种以喷油泵控制为核心的、通过供油规律间接控制喷油规律的方式，已不再适合越来越严格的排放法规要求。为了更有效地控制放热规律，在控制策略上，从原来以喷油泵控制为核心的供油规律的控制模式，发展到以喷油器控制为核心的直接控制喷油规律的控制模式。20世纪80年代成功开发的高压共轨喷射系统，可以说是柴油发电机喷射技术发展史上一个新的里程碑，它实现了在传统的柴油发电机上不可能实现的喷油规律的直接控制，成为现代发电用柴油发电机燃料喷射技术的主流。高压共轨喷射系统的最大特征是，不仅喷射压力高压化，而且可实现喷射压力的柔性控制。其他时间控制式高压电控系统还有泵喷嘴和单体泵两种，虽然这两种喷射系统也能实现高压喷射，但对喷射压力的柔性控制受到结构限制。
泵喷嘴在高压、均匀分布和可控性方面具有显著优势，但同时也存在成本高、维护要求高、易堵塞和使用寿命有限等潜在缺点。因此，在中国国内采用该系统的产品较少，属于小众化品牌范围，在本文中不再具体进行对比和讨论。
1、成本较高
由于泵喷嘴的制造工艺复杂，材料成本较高，因此它们的价格通常高于其他类型的喷嘴。
2、维护要求
泵喷嘴需要定期进行维护和清洗，以保持其性能和效率。这可能需要专业的知识和设备。
3、易堵塞
由于泵喷嘴的高压特性，较小的颗粒或杂质容易在喷嘴内部产生堵塞。这可能导致喷嘴性能下降，甚至需要更换。
4、使用寿命
泵喷嘴的使用寿命取决于其工作环境和使用频率。在某些高压力和高温环境下，泵喷嘴可能会更容易磨损和损坏。
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图1 电控柴油机内部结构图（四缸机） |
图2 电子控制柴油机的控制框图 |
二、单体泵与共轨系统的各自特点
1、高压共轨喷射系统特点
高压共轨喷射系统（CR）在结构上仍然采用了泵-管-喷油器型，原理如图3所示。但是从控制角度，高压泵和喷油器互相独立。在喷射方式上采用直接控制喷油器的方法，由此实现对喷油规律的直接控制。而高压泵的控制是通过ECU根据轨压传感器反馈控制其节流阀或PCV电磁阀来调节泵油量的，使共轨的轨压达到设定值，只为喷油器的喷射过程创造条件。所以，喷射压力不受柴油发电机转速、负荷的影响，可任意控制。因此，这种方式在放热规律控制精度和响应特性方面更具有优越性，但需要在高压系统的高压密封及可靠性方面采取相应的措施。高压共轨系统最大特点如下：
（1）采用先进的电子控制技术装置及配有高速电磁开关阀，使得喷油过程的控制十分方便，并且可控参数多，有利于柴油机燃烧过程的全程优化；
（2）采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油嘴间相互影响小喷射压力控制精度较高，喷油量控制精准；
（3）高速电磁阀开关频率高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围大，并且能方便地实现预喷射，后喷射等功能，为优化柴油机喷射规律、改善其性能和降低废气排放提供了有效的手段；
（4）系统结构移植方便适应范围宽，不像单体泵柴油机对柴油机的结构形式有专门要求。高压共轨系统均能与目前小型、中型重型柴油机很好的匹配。
2、单体泵的特点
单体泵（UP）工作原理如图4所示。它在结构上改善了高压共轨喷射系统中高压油管长而带来的高压密封及可靠性等问题，避免了安装在气缸盖上的泵喷嘴型喷射系统体积大、结构复杂的缺点。但是在控制方法上采用控制单体泵的供油特性来间接地控制喷油规律的方式。由于高压化且高压油管短，所以供油规律和喷油规律不一致的问题得到很大的改善，但是在喷油规律的控制精度及高速响应特性等方面，单体泵不及高压共轨喷射系统和泵喷嘴型喷射系统。单体泵的喷油规律控制精度及其响应特性主要取决于高压系统的容积大小和其内部的压力波动状态。所以，在安装条件允许的情况下应尽可能缩短高压油管长度，而且必须保证具有一定的承压能力和承受高频压力波动的能力。
电控单体泵的外形和传统机械泵相似，但它是每缸一个单独的油泵和喷油器，有几个缸就有几个独立的单体泵。它由ECU根据采集的数据通过油泵上的电磁阀来控制油泵的升程来达到控制喷油压力目的，与此同时ECU还能根据实时数据，调整最佳喷油时间和喷油量，与机械泵相比使得燃烧更好排放更低的作用。
简单的说，高压共轨就像是一个喷泉，一个加压泵将水送到管子里，管子上带着N个喷水头。而电控单体泵就像是喷泉中心喷的最高的几根水柱，那几根水柱就是一个泵只带动一个喷嘴，就像电控单体泵一样，有几个缸就有几个单体泵逐一对应。电控单体泵则不同，他是每个单体泵上都有电磁阀，通过它来控制喷油的正时和喷油量，喷油器则只是一个机械式喷油器，相对于共轨的电控喷油器精度就低很多。相对于高压共轨，单体泵对柴油的要求较低，但是排放要比高压共轨差很多，达不到非道路国三以及以上排放标准。
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图3 高压共轨系统组成结构和工作原理示意图 |
图4 单体泵电控燃油喷射系统结构组成 |
三、单体泵与共轨系统的优势对比
从具体细节对比单体泵与共轨系统的区别看看各自的优势。
1、喷油压力的控制比较
（1）电控单体泵的喷射压力是通过油泵驱动凸轮型线的设计来实现的，且与喷油器的孔径以及发动机的转速有关。即喷油嘴孔径越小，最高喷射压力越大；发动机转速越低，则喷射压力越小。不利于发动机的低速性能。该系统目前能实现的最高喷射压力为180MPa。
（2）共轨系统的喷射压力可以完全独立于发动机的转速，有利于改善发动机的低速性能，喷射压力由高压泵上的电磁阀进行调节，并由相关MAP实现灵活控制，同时喷射压力也与喷油嘴孔径无关。该系统目前能实现的最高喷射压力为160MPa。
因此，在喷油压力控制方面，高压共轨系统优于电控单体泵，这对于满足更严格的排放有利。
2、喷油量的控制比较
（1）如图5所示。电控单体泵和共轨系统都能在各个发动机工况实现对喷油量的灵活精确调节。电控单体泵能实现的最小喷油量为3mm3/st，但不能实现预喷射。不利于冷启动。
（2）如图6所示。共轨系统能实现的最小喷油量为2mm3/st，且能实现预喷和后喷，通过预喷射可以有利于冷起动，并降低噪声；而后喷射，则可以应用于后处理，为满足将来欧IV等更严格的排放法规提供技术储备。
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图5 柴油机单体泵的控制功能 |
图6 柴油机共轨系统的控制功能 |
3、喷油正时比较
电控单体泵和共轨系统都能根据发动机各个工况的需要，灵活调节喷油正时，这对于调节和改善发动机在各个工况的油耗、NOx以及烟度非常有利。
4、喷油规律比较
（1）电控单体泵的喷油规律与机械直列泵相同，为三角形，燃烧柔和，爆发压力低，有利于降低NOx。
（2）共轨系统的喷油规律为矩形，爆发压力高，燃烧粗暴一些，不利于降低NOx。
因此电控单体泵的喷油规律优于共轨系统。
5、快速断油能力比较
（1）电控单体泵依靠喷油器的针阀弹簧断油，由于从高压泵到喷油器较长的高压油管，高压油管的燃油压力波会影响喷油器的快速断油，对发动机的燃油耗以及烟度不利。
（2）高压共轨系统通过电磁阀控制喷油器柱塞上下腔的燃油压差，加上针阀弹簧的共同作用，使得喷油器喷油结束后的断油很迅速，这对于改善颗粒排放及烟度有利。
6、油泵的吸收功率比较
（1）电控单体泵为每个喷油器对应一个单体泵，6个单体泵由一个泵箱集成为一体，因而其体积较大，驱动机构笨重，油泵的吸收功率较大。
（2）共轨系统的HP0高压泵采用两个三角形凸轮驱动，每个凸轮有三个凸起，结构紧凑，重量轻，便于安装，且油泵的吸收功率小。
7、控制策略比较
（1）电控单体泵由于不能实现预喷射和后喷射，因此其控制策略也简单，补偿MAP较少，电控单体泵共有57张控制MAP。
（2）高压共轨系统能实现预喷射和后喷射，其控制策略要复杂得多，相关的补偿MAP很多，共有310张控制MAP，为发动机以及整车性能的优化提供了技术接口。
8、对燃油清洁度的要求比较
（1）电控单体泵对燃油清洁度的要求较低，燃油的过滤精度与机械直列泵相当。
（2）共轨系统对燃油品质的要求较高，要求燃油的过滤精度达到5u，远高于机械直列泵。燃油系统的杂质容易导致共轨系统失灵。
9、国产化程度比较
（1）电控单体泵无论高压油泵、电磁阀、喷油器还是ECU都可以完全国产化，价格低。
（2）高压共轨系统的关键零部件，包括高压泵、共轨管、电控喷油器和ECU都只能进口，成本较高。
综上所述，高压共轨与单体泵的喷油综合性能对比如图7所示，高压共轨与单体泵的重量、噪音和安全性对比如图8所示。
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图7 高压共轨与单体泵的喷油性能对比图 |
图8 高压共轨与单体泵的噪音和安全性对比图 |
总结：
康明斯系列发电机组选用电喷高压共轨柴油机，排放完全满足非道路国三GB20891-2014排放标准，国家进一步对排放要求国四时候只需增加后处理等一系列措施就可以满足要求。单体泵柴油机只是一个过渡产品，介于机械泵柴油机与高压共轨柴油机之间的一个产品，存在着很多的不足，比如由于结构的原因无法实现多次喷射，排放控制较难，机械喷油器会出现因为磨损和弹簧疲劳造成的喷油压力过低，造成喷油时间过早影响发动机的动力。单体泵在排放控制上远远不如高压共轨，这也是为什么单体泵在国内环境下适应性好，却一直没能大规模生产应用的主要原因。此外，单体泵柴油机在对排放要求较高的场合，不能满足现阶段国家对排放要求严格的标准。
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