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高压共轨式柴油发电机的工作原理 |
引言：高压共轨技术是指在由高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油发电机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油发电机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。
一、燃油系统优化的原因
从上世纪80年代起，特别是第一代共轨喷油系统引入柴油发电机喷油系统领域以来。直喷式柴油机燃烧过程开发的理念就发生了划时代的变化，为了较大幅度地降低废气排放和燃油消耗，应尽可能采用越来越高的喷油压力。这就涉及到如何充分利用高喷油压力的潜力，其中包括提高柴油机的功率、有害物排放量和燃油经济性，而不损害其运转的稳定性和柔和性。共轨燃油系统的喷射过程如图1所示。
（1）随着柴油机平均有效压力的提高，活塞侧压力的急剧升高使得柴油机的运转噪声明显增大，此时采用位于主喷射之前的预喷射为最合适的应对措施，它可以平缓汽缸压力升高率，从而降低噪声排放。
（2）在喷油压力继续提高和更严格的排放法规形势下，在主喷射前后补充附加喷射是进一步优化直喷式柴油机燃烧过程的有效途径。
（3）喷油压力进一步升高时，必须采用多次喷射使得燃烧过程始终具有柔和的压力升高率，以便进一步降低燃烧噪声。
（4）机内净化炭烟颗粒始终是直喷式柴油机燃烧过程开发的重要目标，为使缸内燃烧过程中形成的碳烟颗粒能更好地燃烧，还应附加合适的后喷射。这特别适合于发动机中低转速范围，在这些运转工况范围内喷油控制的灵活性显得尤为重要。
（5）为满足欧三及以上的排放法规的要求，柴油发电机越来越多地装用吸附式NOx和颗粒捕集器，这又对喷油系统提出了另一个要求：
为在柴油机运转期间实现这两种装置的再生，以持续地保持它们的净化功能，须在主喷射主后再补充一部分燃油，以便为吸附式NOx催化器还原净化NOx，提供所需的还原剂（CO、HC），为颗粒捕集器再生提供定期烧掉累积起来的碳烟颗粒所需热量，并提高催化器和颗粒捕集器中的温度，这在中低转速区域更显得特别重要，否则就不能确保它们在该区域中每个运转工况下都能达到进行循环再生所必需的温度。
（6）喷油系统必须具备每循环尽量多次的喷射能力，最理想的状况是：在转速低于2500/min的运转工况区最多达5次喷射，在中等转速区2次或3次喷射．而在标定转速区只需单次喷射。
（6）喷油器中的控制阀必须具有很高的工作频响和控制柔性（如图2所示），而且对喷油计量精度和重复性提出了更高的要求。但是，电磁阀控制的喷油器因受电磁线圈的电感和磁滞回线的影响而具有较长的滞后时间，限制了其达到更高的工作频响和控制柔性。
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图1 柴油机电控喷油器喷射过程 |
图2 电控喷油器控制阀工作原理图 |
二、高压共轨系统工作原理
高压共轨系统原理如图3所示。喷油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生与燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由喷油泵的凸轮来保证，因此喷油泵的凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。
1、开始喷油
ECU控制压电执行器伸长，推动液压位移放大器活塞向下运动；伺服控制阀活塞在液压位移放大器输出端作用下，向下运动较大位移，推动伺服控制阀下座落座，针阀背压腔与低压油连通；在针阀腔高压油压强作用下，针阀开启喷油。
2、结束喷油
ECU控制压电执行器缩短，伺服控制阀活塞上表面的液压力消失，伺服控制阀在底部弹簧力以及向上的液压合力的作用下向上运动，伺服控制阀上座落座；则针阀背压腔与高压油连通，在背压腔中弹簧对针阀向下的压力和向下的液压合力的作用下向下，针阀落座停止喷油。
3、喷油器基本参数
由于压电共轨喷油系统工作的压力高达180MPa，因此压电喷油器对零件表面质量和几何精度等方面的机械性能提出了极高的耍求。其最小的喷孔直径可达到0.12mm，并有意加工成圆锥形，喷孔内侧进孔处还要采用液力研磨（液力冲蚀）工艺倒成圆角。所有的喷嘴针阀体孔直径都经气动量仪测量，针阀直径则按测得的喷嘴针阀体孔直径尺寸进行自动配磨，确保该对精密偶件的配合间隙保持在大约2μm。
正因为针阀体和针阀偶件必须以如此小的公差来相互配对，因此机械加工的要求十分苛刻。毛坯要在23℃的恒温车间内进行加工，喷嘴针阀体内孔的表面粗糙度要求达到Rz=0.6μm，并采用激光干涉仪进行无缺陷检验。确保喷嘴针阀体孔和针阀几何精度的正确性和一致性，从而使针阀在针阀体孔中的自由滑动达到最理想的状态。
为了证实加工质量完全一致，另外还要进行喷射油束形状检验来控制最终的实际应用质量，标准的喷射油束形状如图4所示。喷油器的最后装配则要求在净化室内进行，因为公差极其小，并必须确保性能的高可靠性，因此即使50μm大小的微粒就会妨害喷油器的正常功能，尤其是200μm大小以上的微粒决不允许进入喷油器。从功能和可靠性观点出发，压电共轨喷油系统对高压零件的清洁度的要求比通常行程控制的喷油系统更高。
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图3 康明斯发动机电喷燃油系统原理图 |
图4 电控喷油器喷油油束形状 |
三、高压共轨燃油喷射系统主要部件
高压共轨系统主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的map图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。
1、共轨
共轨的任务是存储高压燃油，高压泵的供油和喷油所产生的压力波动由共轨的容积进行缓冲，在输出较大燃油量时，所有气缸共用的共轨压力也应近似保持为恒定值，从而确保喷油器打开时喷油压力不变。图5为高压共轨的结构。它是一根锻造钢管，油轨的内径为10mm，长度范围在280~600mm之间，具体长度按柴油发电机的要求而定，高压柴油经流量限制器通过各自的油管与喷油器联接。共轨压力传感器安装在高压共轨管上，感应燃油压力。它采用压力作用在硅体上，可改变电阻值的半导体压力传感器。
2、压力限制阀
（1）作用
压力限制与过烁阀或溢流阀的作用相同，相当于安全阀，它限制共轨中的压力，在压力限定值超出时，限压阀通过打开溢流口来限制油轨中的压力限制阀元件油轨中短时的最大压力为160MPa。
（2）结构
压力限制阀的构造如图6所示，它属于一种机械液压控制装置，以螺纹紧固在轨道端部，主要由限压阀、移动活塞、弹簧、限位块等部件组成。
（3）工作原理
压力限制阀与轨道联接端有进油孔，与轨道内腔相通，轨道内的高压燃油由进油孔]进入力限制阀内，直接作用在限压阀上。限压阀在弹簧的作用下，其座面处于关团状态。在正常工况下最大油压力小于允许的最大值160MPa，弹簧力始终能把限压阀靠在密封座面上，共轨内的高压燃油不能由此流出。但当轨道内燃油压力超过最大允许值后，作用在限压阀上的燃油压力大于弹的压力，会顶开限压阀，这时轨道内的部分高压油能从打开的座面处，流入压力限制阀内，并经燃油通道由回油螺钉流回油允许值后，弹簧力又会使限压阀上的密封座面关团，轨道压力不再下降。这样把轨道压力始终控制在许可范围内。
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图5 高压共轨结构图 |
图6 共轨系统压力阀构造图 |
3、电控喷油器
电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，其结构如图7所示。它的作用根据ECU发出的控制信号，通过电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油时间及喷油量喷入燃烧室。
4、高压油泵
高压油泵是一个由流量计量阀、压力调节阀综合控制输出压力的柱塞式油泵，其结构如图8所示。
从油箱通过输油泵泵出的燃油进入高压油泵，燃油计量阀将燃油均匀分配到两个泵活塞的进油通道，发动机传动驱动轴的凸轮驱动泵活塞上下运动给燃油加压，它能产生的最大喷射压力为 1800 bar，未来更高。
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图7 柴油机高压共轨喷油器结构示意图 |
图8 共轨燃油系统高压油泵结构图 |
5、流量限制阀
（1）作用
流量限制阀的作用是控制最大燃油流量，防止喷油器可能出现持续喷油现象，如果某一缸从轨道输出的油量超出规定值时，流量限制器将流向相应喷油器的进油管关闭。由于该部件结构较为复杂，属于选装件，有被省略的可能。
（2）结构与原理
两端带有外螺纹的螺套，一端固定在轨道接头上，另一端与喷油器管接头联接，螺套的中孔内装有限位块、活塞、弹簧等零件。在正常情况下，由于弹簧的作用，把活塞向上压到与限位块相接触的位置。这时螺套5的座面（通道）处于开启状态，轨道内的高压燃油由进油孔进入流量限制器内，从中心孔经径向节流孔，通过座面、通油孔流进喷油器，整个流量限制器成为沟通轨道与喷油器的重要燃油通道。
在补充的油量由进油孔进入流量限制阀后，会从中心孔经节流孔流入弹簧室内，使活塞上下承受着相同的燃油压力，因此，喷油后能恢复到平衡状态，但由于弹簧4的作用，又会将活塞3压回到与限位块相接触的位置。
（3）喷油过程
通常，喷油过程结束，活塞移动停止，由于每循环喷油量很小，所以直到喷油终点，活塞的移动量不大，到达不了关闭座面7的位置。在活塞向上回位过程中，轨道内的高压燃油会很快从节流孔流入弹簧室，补充活塞向上移动时所让出的空间。使联接喷油器端的燃油压力又恢复到喷油前的水平，为下一次喷油做好准备，这样能保证每循环喷油压力的一致性。
喷油时，流量限制器的喷油器端由于燃油的喷出，压力会下降，为使进入喷油器的燃油压力保持不变，轨道内的高压燃油应迅速向喷油器端补充，才能保证整个喷油过程中每一循环达到的喷油压力保持不变，都在高压下进行。如果燃油喷出后，不能及时补充燃油，喷油器端就会产生压力降，下一循环的喷油压力就会降低，这样，不能保证每次喷油都是在相同压力下进行。通常喷油器端因喷油引起压力下降的同时，活塞3的另一端由于轨道压力基本不变，因此产生了压差，活塞在轨道压力的作用下克服了弹簧的压力，向喷油器端移动，活塞移动所让出的空间，能从轨道内获得相同排量的油量来补充喷出的油量。
（4）流量限制阀常见故障
在运行中如出现下列故障时，流量限制阀会自动停止供油，以防止发生严重事故。当发生泄漏现象，可采用泄漏量检测装置进行试验，如图9所示。其泄漏量和压力曲线如图10所示。
（1）燃油大量泄漏时的故障运行情况
燃油由轨道从喷油器喷出，必经流量限制阀座面处的通道。当燃油从轨道中流入流量限制阀时，会把活塞推离限位块，燃油流入量越多，活塞行程越大，会被推向更远离限位块的位置。而同时活塞3的座面通道愈小。当燃油流入量超过极限值时，活塞会下移到座面关闭位置，从而能阻挡燃油流向喷油器，使柴油发电机停机。
（2）燃油少量泄漏时的故障运行情况
燃油从轨道流入流量限制阀，再从流鼠限制阀流出，经喷油器喷射，当流入量和流出量相等时，每次喷油后，活塞总能回到与限位块的接触位置。但若轨道流入量增加，而流出量不变，则将出现进的多、出的少的现象。每次喷油后，活塞就无法再回到与限位块相接触的位置。这时由轨道泄漏进入流量限制阀的燃油，即使每次量不多，但也会使活塞无法再回到与限位块的接触位置，连续几次喷油后，泄漏量的积累，也会把活塞压到关闭座面的位置，从而切断燃油流向喷油器，也能使柴油发电机停机。
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图9 电控喷油器泄漏量测试装置 |
图10 电控喷油器间隙泄漏量和压力曲线图 |
总结：
由于应用第三代压电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，第三代压电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。
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