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性能特点和作用说明 |
柴油发电机的高压共轨电控燃油喷射系统 |
摘要：柴油发电机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，因为它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。简单的说就是在由高压油泵、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。
一、高压共轨燃油系统的特点
共轨系统作为柴油发动机满足国三或更高排放标准的最佳选择，由高压供油泵、高压油轨总成、喷油器、电子控制单元(以下简称ECU)和传感器等组成，其实物外形如图1所示，结构组成如图2所示。在该系统中，共轨喷油器总成的主要功能是：喷油器安装在燃烧室内，根据吸入空气量由电子精确控制燃油的喷注量，燃油与空气充分雾化混合，使符合理论空燃比的混合气均匀地充满燃烧室，志在发挥每一滴燃油的所有潜能，与此同时，由于燃烧充分，可以大幅度减少未燃烧的气体从发动机里排出，从而获得更低的排放，在相同时间可以完成三次以上的喷射，来缓解发动机振动和严苛的排放要求。
电控喷油器通过电磁阀控制喷射油量，控制范围压力大，通过提高喷油压力能保证燃油雾化性能，可以保证燃油完全燃烧。在降低油耗的同时提供了迅猛动力。电控喷油器是负责将燃油雾化，并将定量的雾化燃油喷入内燃机气缸的重要部件。随着排放要求的提高，内燃机对燃油的雾化水平提出了更高的要求。燃油的雾化水平又与燃油系统的工作压力密切相关，压力越高燃油的雾化水平越好。因此，目前电控共轨系统对喷油器提出了200MPa以上高压力的要求。
电控喷油器控制定量燃油是通过控制压力控制腔的压力来实现的。在控制阀关闭的时刻，该压力控制腔需要一个密闭的空间，该密闭的空间是控制阀密封部件与流量控制板的密封部位结合所构成，该结合部位的受力为控制阀密封部件受到控制阀上弹簧的预紧力。该预紧力要求在控制阀关闭的时刻，大于控制阀所受到的轴向液压力。随着系统压力的提高至200MPa以上，共轨喷油器高压腔的密封力要求越来越高，因此对共轨喷油器衔铁回位弹簧预紧力的要求也越来越高，从而对电磁铁吸力的要求的逐步提高。
共轨系统是一个全新的燃油喷射系统，其最大的特点如下：
（1）可以实现高压喷射与发动机的转速无关，燃油雾化质量高，从而促进燃油空气的混合，实现更完全的燃烧。
（2）实现了一个燃烧循环中的多次喷油，提高了燃烧控制的自由度。
（3）可以修正每次喷油量，提高喷油控制的精度。
（4）采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀；
（5） 高速电磁开关阀频响高，控制灵活；
（6）系统结构移植方便，适应范围宽。
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图1 柴油机高压共轨系统实物图 |
图2 柴油机高压共轨燃油系统原理图 |
二、高压共轨燃油系统的结构
在电控高压共轨系统中，由各种传感器（发动机转速传感器、油门开度传感器、各种温度压力传感器等）实时检测出发动机的实际运行状态，由微型处理器根据预先设计的计算程序进行计算后，定出适合该运行状态的喷油量、喷油时间和喷油率模型等参数，使发动机始终都能在最佳状态下工作。电控高压共轨式喷油系统的基本组成是供油泵、ECU、共轨和燃油箱。从功能方面分析，电控共轨系统可分为两大部分：
1、控制部分
电控共轨系统可分为三大部分：传感器、ECU和执行器。ECU是电控共轨喷油系统的核心部分。ECU根据各个传感器的信息进行计算完成各种处理后，求出最佳喷油时间和最适合的喷油量，并且计算出在什么时刻、在多长的时间范围向喷油器发出开启或关闭电磁阀的指令等，从而精确控制发动机的工作过程。
2、燃料供给系统
燃料供给系统的基本工作原理是供油泵将燃油加压成高压，供入共轨内；共轨实际上是一种燃油分配管。储存在共轨内的燃油在适当的时刻通过喷油器喷入发动机气缸内。电控共轨系统中的喷油器是一种由电磁阀控制的喷油阀，电磁阀的开启和关闭由ECU控制。高压共轨电控燃油喷射系统的结构有以下关键部件：
（1）共轨管
共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用。电控系统的供轨管实物图如图3所示，结构示例如图4所示。
它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震荡，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机工况的变化。ECD-U2系统的高压泵的最大循环供油量为600mm3，共轨管容积为94000mm3。
高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向ECU提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。
从上述分析可见，精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油机是并不容易的。
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图3 柴油机高压共轨（蓄能器）实物图 |
图4 电控柴油机共轨管结构示意图 |
（2）高压油泵
高压油泵的实物外形如图5所示，内部结构如图6所示。高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的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于燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油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。
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图5 柴油机电控高压供油泵实物图 |
图6 电控高压油泵内部结构剖析图 |
（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，它的作用根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。电控喷油器的结构基本相似，都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成，图7为电控喷油器结构图。其工作过程如下：
① 在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔，高压油轨的燃油压力通过量孔作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀通电时，量孔被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，喷油器开始喷油；当电磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。
② 控制了喷油率的形状，需对其进行合理的优化设计，实现预定的喷油形状。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，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，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。针阀结构放大图如图8所示。
③ 控制量孔的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。
④ 此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷油嘴喷油量的影响更小。但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。
⑤ 由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，如BOSCH公司的喷油嘴的喷孔直径为0.169mm×6，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。
⑥ 对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。
（4）高压油管
高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短，使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。
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图7 柴油机高压共轨喷油器结构 |
图8 高压共轨喷油器的喷油嘴针阀偶件放大图 |
三、高压共轨燃油系统的功能和优点
共轨系统最主要的技术参数是喷油压力，其次是一个燃烧循环中最多可以喷油的次数，其中提高喷油压力和增加喷油次数的目的是不同的。在每一个工作循环中进行多次喷油，这在传统的喷油系统中是无法实现的。
1、功能
每次喷油的喷油量不同，而且每次喷油的用途也不相同。以5次喷油为例，每次喷油都有其特殊的目的和用途，功能分解如下。
（1）先导喷油。降低噪声、削减NO（氮氧化合物）。
（2）预喷油和主喷油。得到理想动力性。
（3）后喷油。削减PM（颗粒物）排放。
（4）远后喷油。达到排气后处理装置的工作条件等。
2、优点
高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有：
（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。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。
3、类型
（1）高压共轨系统
由高压输油泵（压力在120MPa以上）直接产生高压燃油输送至共轨中，一般采用“时间-压力控制”方式，又称为第一代共轨式电控燃油喷射系统。
（2）中压共轨系统
由中压输油泵（10～13MPa）将中压燃油输送到共轨中，采用带有增压作用的喷油器使喷油压力达到120～150MPa。一般采用“压力控制”方式，也是第二代共轨式电控燃油喷射系统。
（3）压电式共轨系统
高压共轨系统和中压共轨系统都属电磁阀式共轨系统。压电式共轨系统利用压电晶体作为执行元件，通过控制喷油器针阀的升程（或喷油开始与结束）来实现燃油喷射控制。压电式共轨系统被称为第三代共轨式电控燃油喷射系统。
总结：
由于高压共轨式燃油喷射系统具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节的特点，该系统的采用可以使柴油机的经济性、动力性和排放性能都会有进一步的提高。这就需要我们加大对高压共轨系统的研究力度，使我国的柴油机水平跨上一个新的台阶。
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