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设备装配与结构组成 |
柴油发电机燃油共轨系统构成与特点 |
摘要：高压共轨燃油系统控制设计的基本理念是实现比以前的柴油机直接喷射系统更大的雾化，以优化在喷射燃油时在室内形成的混合物的自燃过程，这是燃油循环的基本原理。 为此，在喷油器（喷嘴）的尖端径向布置小得多的孔，以更高的压力补偿这个小通道部分。高压共轨系统将燃油压力产生和燃油喷射分离开来，如果把单体泵燃油喷射技术比做柴油机技术的革命的话，那共轨就可以称作反叛了，因为它背离了传统的直喷式柴油机，并开辟了降低柴油发电机组排放和噪音的新途径。
一、电控高压共轨技术的概述
电控高压共轨技术是指高压油泵、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。
第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致能量的浪费和很高的燃油温度。第二代可根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能。预喷射降低了发动机噪音：在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了气缸压燃，预加热燃烧室。预热后的气缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200～250℃，降低了排气中的碳氢化合物。
由于其强大的技术潜力，今天各制造商已经把目光定在了共轨系统第3代——压电式(piezo)共轨系统，压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。没有了回油管，在结构上更简单。压力从200～2000巴弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOx的排放。
1、电控的定义
“电控”是指喷油系统由电脑控制，ECU（俗称电脑）对每个喷油嘴的喷油量、喷油时刻进行精确控制，能使柴油机的燃油经济性和动力性达到最佳的平衡，而传统的柴油机则是由机械控制，控制精度无法得以保障。
2、高压的定义
“高压”是指喷油系统压力比传统柴油机要高出3倍，最高能达到200MPa（而传统柴油机喷油压力在60—70 MPa），压力大雾化好燃烧充分，从而提高了动力性，最终达到省油的目的。
3、共轨的定义
“共轨”是通过公共供油管同时供给各个喷油嘴，喷油量经过ECU精确的计算，同时向各个喷油嘴提供同样质量、同样压力的燃油，使发动机运转更加平顺，从而优化柴油机综合性能。而传统柴油发动机由各缸各自喷油，喷油量和压力不一致，运转不均匀，造成燃烧不平稳，噪音大，油耗高。
现在，国内制造的具备国际先进的电控高压系统技术的柴油发动机采用了欧美柴油机的最新核心技术，明显优于传统增压柴油机。它比传统增压柴油机燃烧效率提高8%、二氧化碳排放低10%、噪音下降15%，彻底改变了柴油机在人们心目中“噪音大、冒黑烟”的形象。
二、高压共轨系统原理与特点
燃油高压共轨系统是安装在柴油发电机上的电控式燃油喷射系统。，结构如图1所示 共轨柴油系统现在能够保证柴油发电机的最大性能和可靠性，降低噪音和排放。
1、特点
高压共轨系统由巴里物理学家马里奥·里科发明，由燃油计量单元、喷射泵、导轨、喷射器、检测发动机运行状况的传感器和管理所有组件的控制单元 (ECU) 组成。该系统彻底改变了发动机的喷射模型，从汽油发动机中汲取灵感，并偏离了传统的柴油发电机。与后者的主要区别在于，共轨发动机的单个喷油器不是被动的（它们只有在接收到压力下的柴油时才打开）而是主动的，因为燃油的喷射是由一个由电子控制的阀门控制的。这种机制允许以极高的精度调节燃油喷射，这也可以在多个阶段进行。这有利于排放水平显着降低，以及发动机的安静性。由于其创新和高性能的品质，共轨系统已成为以前机械系统和使用泵式喷射器的更复杂系统的替代品。
（1）共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。
（2）通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据柴油机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了柴油机的低速性能。
（3）通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。
2、原理
高压共轨系统的工作原理如图2所示。高压泵将燃油置于压力下并将其输送到用作 压力储存罐的公共管道。压力通过电子控制阀进行调节，以保持公共管道中电子控制单元所需的压力。然后燃油到达喷油器并占据两个隔间，一个在雾化器针头上方，一个在雾化器针头下方。两个相反的力相互抵消，由于一个小弹簧，针保持关闭。称为控制室的上部隔室有一个由螺线管 或 压电 控制阀调节的通风口。当电子控制单元打开阀门时，针头上方的隔室被清空，下部隔室中的压力控制针阀的打开并开始燃烧室中的喷射过程，该过程仅在中断命令时结束阀门；控制室中的压力积聚导致雾化针关闭。
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图1 柴油机高压共轨燃油系统结构图 |
图2 柴油机高压共轨燃油系统原理图 |
三、高压共轨系统构成
柴油发电机的低压油路部分包括燃油箱、输油泵、柴油滤清器以及低压管路等。共轨燃油系统低压油路部分如图1所示。各零部件的构造与作用如下：
1、输油泵
输油泵的主要作用是供给高压油泵足够的具有现定力的燃油。目前输油泵常见有滚柱式和齿轮式两种。滚柱式输油泵为电动式，可装在油箱内或油箱外低压油管上；并有油泵控制电路，当柴油发电机停止运转，而起动开关在ON位置时，电动燃油泵停止运转。齿轮式输油泵为机械式，它与高压泵组合在一起，或用柴油发电机直接驱动。
齿轮式输油泵用于共轨喷油系统中，向高压油泵输送燃油，其装在高压泵中与高压泵共用驱动装置，或装在柴油发电机旁，配有单独的驱动装置。
（1）齿轮泵的构造和工作原理
齿轮式输油泵的基本构造是由2个互相啮合反向转动的齿轮，将齿隙中的燃油从吸油端送往压油端，齿轮的接触面将吸油端和压油端互相密封以防止燃油倒流，其输出量与柴油发电机转速成正比，因此，输油量的调节借助于吸油端的节流调节阀或压油端的溢流阀进行。
（2）齿轮式输油泵的工作特点
齿轮式输油泵输出的油量比较均匀，油压的波动也比滚柱式输油泵小，且在工作期间不需要保养。为了在第一次起动时或燃油箱放空排尽燃油管路系统中的空气，在齿轮式输油泵或低压管路上需设置手动泵。
注意：输油泵坏将导致低压油路中不油，供油不足，供油不稳及漏气等常见故障；造成供油量不足，功率下降，加不上油，严重时还会有缺缸、排气呈蓝白黑烟等现象；当柴油发电机无法起动时，且无故障码，用故障诊断仪测得油轨压力为2~3MPa（油轨有燃油进入但压力不足）。
2、柴油滤清器
柴油中的杂质，可能导致泵零件、出油阀及喷油嘴等的磨损；另外，柴油中含水，可能变成乳状物或因温度变化而凝结，若水进入喷射系统，则可能导致零件锈蚀。与其他喷射系统相同，共轨式喷射系统也需要附有水分储存室的柴油滤清器，如图3所示，必须定期打开放水螺钉放水。
3、 燃油箱
燃油箱即储存燃油的容器装置，一般用于由汽油机或柴油发电机驱动的机器上。这是燃油箱最基本的作用，此外，还发挥着散热、沉淀油料中的杂质以及分离油体中的气泡等功能。
燃油箱通常有两个出口，一个是注油口，另一个是内置的出口，燃油泵和燃油计量仪器等部件装置就是从这个口进入的。另外，随着燃油的消耗殆尽，油量的减少以及油面的降低，燃油箱内外气压差随之增大，这种情况下极易造成燃油箱的变形，为了避免出现此问题，燃油箱上都会装有通风装置。
4、低压管路
很大一部分柴油发电机起动困难的主要原因是柴油低压管路密封性差，导致发动机在前一天停机熄火后，低压管路开始进入空气，经过一夜的积累，第二天发动机无法起动，严重影响工作。而在柴油发电机试验开发过程中，低压管路的密封性差同样会导致试验结果的不准确，试验重复率高，提高开发成本。
柴油发电机低压管路的油压保障装置，结构示意图如图4所示。该柴油发电机低压管路的油压保障装置通过在油桶上注入压缩空气，使得低压管路中的油压处于正压，既便于管路排空及使停车时间内外围空气无法进入管路，又可通过进一步提升压力反查低压管路的漏油点便于解决故障，也可通过其稳压作用保证冷冻后的柴油管路处于某一设定的压力，其主要用途是解决柴油发电机在起动试验前由于管路中无柴油导致的无法起动或者是发动机停机后由于柴油低压管路的漏气导致的发动机无法起动。
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图3 柴油滤清器构造图 |
图4 低压管路的油压保障装置 |
总结：
随着柴油机缸内燃烧控制理论的发展，常规直接喷射燃油系统已经不能完全满足控制、优化燃烧过程的技术需求，因此，高压共轨系统应运而生。上述文章中综合分析国内外对柴油机电控燃油喷射系统的研究历史和现状，电控高压共轨系统具有很大的发展空间，主要是进一步挖掘电控的灵活多样性和共轨系统压力-时间控制原理的潜力，以获得理想喷油规律。重点在于提高喷射压力和改善喷油速率控制的柔性度。主要的技术措施是多级压力控制和多次喷射。
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