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电控单体泵、泵喷嘴和高压共轨系统的优缺点 |
摘要：随着国家排放法规的日益严格，柴油机的技术，尤其是排放控制技术也在逐步进行升级换代。比如，要达到国二排放标准，柴油机在机械式喷油系统基础上采用涡轮增压中冷技术；要达到国三排放标准，柴油机必须安装电控燃油喷射系统，以取代传统机械式喷油系统。预计不久将来，全国范围内所有机型均会实现国三排放标准，这就意味着所有的柴油柴油机均须采用电控燃油喷射系统。考虑未来柴油机排放升级发展需要，现代柴油机主要采用了电控单体泵系统、电控泵喷嘴系统和电控高压共轨燃油喷射系统，本文阐述了这三种系统的结构特点、工作原理、优缺点以及应用发展情况，指出未来柴油机燃油喷射系统的发展方向。
一、电控单体泵燃油喷射系统
1、结构特点
电控单体泵系统是一种时间控制式的高压燃油喷射系统。该系统由燃油供给系统（包括低压部分和高压部分）、电控单元和传感器等组成。所谓单体泵，是指一个气缸有一个喷油泵，它主要包括一个带有出油控制阀（电磁阀）的高压油泵、机械喷油器，以及连接所需的燃油管路、滤清系统。电控单体泵系统安装在每个缸体外部，其基本结构是将喷油泵柱塞驱动与柴油机配气机构驱动共用一根（顶置）凸轮轴，喷油泵由凸轮轴上的喷油凸轮驱动，这样使得结构得到最大程度的简化，从而实现油泵出油口到喷油器的燃油管路距离的最短化。
2、工作原理
电控单体泵是通过与其制成一体的电磁阀（出油控制阀）来配合进行工作的，通过电磁阀直接控制柱塞腔内燃油压力的建立和泄流，电磁阀触发的时刻就是关闭的时刻，即供油起点，电磁阀触发时间的长短决定着喷油量的大小。柴油机工作时，电控单元将所收集到的柴油机传感器信息处理后，发出启喷指令，给电磁阀通电，控制阀杆闭合泄油回路，建立高压，高压燃油通过高压油管、高压短接管进入喷油器，然后喷入气缸内燃烧室；当电磁阀通电电流断开时，控制阀杆在弹簧的作用下开通泄油油路，高压燃油迅速经回油孔泄压，停止喷油。
3、优点
（1）电控单体泵系统通过电子控制系统和油泵结构设计的优化来实现对喷油压力的提高，喷油压力可达1600～1800bar，从而改善柴油机的燃烧工作过程，在有效降低柴油机排放水平的同时，改善柴油机燃油经济性和噪声特性，具有广阔的应用前景。通过将机械喷油器改进为电磁阀喷油器后，形成双电磁阀单体泵系统，燃油喷射压力可达到2000bar以上，能够实现多次喷射，可以达到国IV，甚至国V排放水平。
（2）单体泵安装在气缸体的外面，结构相对简单，对原型柴油机的改动较小，制造成本较低，而且对油品的清洁度不太敏感，尤其是因喷射压力较大，大功率柴油机的敏感性相对更弱，在当前国内油品质量无法满足要求的条件下，使用单体泵技术的优势不言而喻，因此深受柴油机制造企业和用户的欢迎。
（3）工作性能可靠，故障率低，使用寿命长，维修方便。其可靠性能已经在欧洲和北美市场上得到长时间的使用验证，而且对生产厂家的售后服务要求也不高，用户使用维修成本较低。
4、缺点
（1）不能自由控制燃油喷射压力，柴油机低速性能欠佳。由于单体泵油压的建立过程依赖于曲轴的转速，油泵的压力与柴油机的转速成正比，因此在低转速区域燃油压力较低，不利于柴油机燃烧性能的提高。
（2）采用机械喷油器时，不具备多次喷射的能力。一旦燃油系统与整机的匹配设计完成，在每一个工况点下，燃油系统的特性将不具备调节性。
（3）在国内，为控制成本和降低技术难度，一般都是采用了外挂式单体泵（安装在气缸盖上），这种设计，很难避免较大的驱动扭矩，并且噪声较大。随着排放水平的逐步升级，单体泵需安装在缸体内，这需要重新设计柴油机机体。
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电控柴油机单体泵结构示意图 |
电控柴油机单体泵参数示意 |
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电控柴油机单体泵安装示意图 |
电控柴油机单体泵喷油正时调整值 |
二、电控泵喷嘴燃油喷射系统
1、结构特点
普通的柴油机通常采用泵一管一嘴燃油喷射系统，即由高压油泵产生高压燃油，再经过油管把高压燃油输送到喷油嘴来完成喷油动作，由于燃油具有可压缩性，高压燃油在传递过程中会出现时间滞后的问题，影响到喷油的正时，且难以实现燃油喷射的精确控制，不利于燃料的燃烧，产生较多的排放物质。在电控泵喷嘴系统中，电控的高压油泵和喷油嘴之间没有管路连接，它把高压油泵、喷油嘴和电磁阀集成在一起，直接安装在气缸盖上，这样不占用更多的空间，每一个高压油泵（每缸一个）与进排气门一样，都由同一根凸轮轴同时驱动。
2、工作原理
泵喷嘴系统分为机械驱动式和蓄压式两种，目前发展最完善的电控泵喷嘴系统是机械驱动式的。泵喷嘴燃油喷射系统工作过程分为进油、压油、喷油和回油四个阶段，原理如图5所示。泵喷嘴的喷油始点和喷油终点由快速启闭的电磁阀控制，当电磁阀关闭时，将柱塞高压油腔与低压油路切断，燃油加压并开始喷射；当电磁阀开启时，则泄掉喷射压力，结束喷油。通过电磁阀的多次动作可产生多次喷射，实现对喷油速率的控制，从而使燃烧过程得到优化，其可靠性和燃烧效率得到保证。电磁阀在工作状态时电流曲线变化如图6所示。
3、优点
（1）电控泵喷嘴系统结构紧凑，喷油嘴孔径非常小，不仅消除了高压油管中压力波动的影响，提高了燃油喷射的响应速度，而且很容易产生高喷油压力（最高喷油压力达到2200bar以上），燃油雾化良好，燃烧效率很高，从而提高柴油机的动力性和燃油经济性，降低排放。
（2）燃油的喷射过程实现了全电子控制，由安装在泵喷嘴上的高速电磁阀精确控制，不仅利于彻底燃烧，提高动力性，而且可降低噪声和废气排放。同时柴油机在低速和小负荷时燃油喷射的稳定性好，具有较好的控制灵活性，低速时的柴油机综合性能得到改善，采用该技术的柴油机可满足国IV、国V排放标准。因此，该系统被看作是柴油机满足苛刻排放标准和燃油经济性要求的最佳选择之一。
4、缺点
（1）电控泵喷嘴系统最大的缺点在于燃油喷射压力不能保持恒定，仍然受柴油机转速的限制。
（2）由于该系统喷射压力很高，因而对气缸套和气缸盖的刚度要求很高，此外，高压油泵的凸轮和曲轴的距离较远，对传动系统的刚度要求也很高。
（3）电控泵喷嘴系统由于需要重新设计柴油机本体，尤其是柴油机缸盖，加工难度大，制造成本高。
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图5 电控柴油机泵喷嘴系统工作状态 |
图6 柴油机泵喷嘴电磁阀电流变化曲线 |
三、电控高压共轨燃油喷射系统
1、结构特点
电控高压共轨燃油喷射系统是建立在直喷技术、预喷技术和电控技术基础之上的一种时间一压力控制式的高压燃油喷射系统。它主要由高压泵、带压力传感器和调压阀的共轨管、带电磁阀或压电式的喷油器、电控单元和传感器组成。共轨系统与之前以凸轮轴驱动的柴油喷射系统不同，共轨式柴油喷射系统将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器。
2、工作原理
电控高压共轨燃油喷射系统共轨管中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生（高压泵结构如图7所示），压力大小与柴油机的转速无关，可在一定范围内自由设定，其大小由一个电磁压力调节阀控制，根据柴油机的工作需要进行连续压力调节。电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程，喷油量的大小取决于共轨管中的油压和喷油器电磁阀开启时间的长短，及喷油嘴液体流动特性。工作时，该系统将共轨管内形成的恒定高压燃油，通过高压油管分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁阀的开启与闭合，控制喷油器定时、定量地将燃油喷射至燃烧室。
3、优点
（1）燃油喷射压力独立于柴油机转速，压力恒定，且喷油压力较大，大大改善了柴油机低速、大负荷时的工作性能，在有效降低柴油机排放水平的同时，提高柴油机的燃油经济性和降低燃烧噪声。
（2）喷油压力柔性可调，在不同负荷和转速下都可确定所需的最佳喷油压力。油计量阀工作原理如图8所示。
（3）实现了对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控制，因而改善了柴油机的燃烧过程，提高了燃油经济性，减少了污染物的排放，降低了燃烧噪声。
（4）结构简单、性能可靠、实用性强，应用范围广，目前已广泛应用于各种型号、各种排量的柴油机。
4、缺点
（1）该系统的共轨管燃油压力调整十分复杂，存在建立时间和建立精度的矛盾，即缩短调节时间将很可能导致共轨管内的燃油压力超调，一般共轨管燃油压力需要在柴油机的几个循环内才能完成调整，在一个循环中不能实现各缸的独立调节。
（2）随着共轨管燃油压力的不断提高，对系统各部件的性能要求越来越苛刻，对传感器的精度要求也较高。另外，采用电控高压共轨燃油喷射系统后，需对柴油机结构进行相应的改进。
（3）油品适应性差，用户维修保养成本高，必须使用符合国三标准以上的低硫柴油，共轨柴油机电控系统的故障必须依靠专业故障诊断仪器进行检测和维修。
5、应用情况
电控高压共轨燃油喷射系统是应用最为广泛的一种高压燃油喷射系统，不仅技术先进，而且成熟可靠，还最有利于柴油机以后的排放升级，目前几乎所有的高端品牌柴油发电机组生产厂家都在使用该系统。电控高压共轨燃油喷射系统正逐步向着更高的喷射压力、更小的喷孔直径、更短的响应时间、更低的功率消耗和功能更完善的软件的方向发展，是现在以至未来柴油机燃油喷射系统的最佳选择。目前该系统已发展到第四代，第一代是采用喷油压力为1350bar的电磁阀式喷油器；第二代是采用喷油压力为1600bar的电磁阀式喷油器；第三代是采用喷油压力为1600～2000bar的压电式喷油器。该喷油器体积小，响应速度快（0.1ms），可实现更精确的喷油量，有利于提高喷油的雾化质量；第四代是采用喷油压力可达2500bar的液力增压式喷油器，其燃油雾化质量更高。现在，市场上使用的电控高压共轨燃油喷射系统正向着第三代压电式喷油器发展。
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图7 共轨式柴油机高压油泵结构图 |
图8 高压共轨柴油机进油计量阀工作原理 |
总结：
综上所述，电控泵喷嘴系统和电控高压共轨燃油喷射系统可以达到很高的燃油喷射压力，可以灵活控制燃油分配、喷油正时、喷射压力和喷射速率，并实现多次喷射（预喷射、主喷射和后喷射），使柴油机在低速工况下也能实现完全燃烧，获得大扭矩的输出，有着高效的燃油经济性和出色的排放性能，并且大大降低了柴油柴油机噪声和振动，给柴油机带来了技术性能的全面提高。因此，它适用于对排放和噪声要求相对较高的柴油发电机组，而对于普通的低端柴油发电机组来说，采用电控单体泵系统则是较好的选择。随着排放水平的逐步升级，代表着目前最高发展水平的电控高压共轨燃油喷射系统将是未来柴油机燃油喷射系统发展的最佳选择。
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