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性能特点和作用说明 |
柴油发电机的泵喷嘴电控燃油喷射系统 |
泵喷嘴顾名思义就是喷油泵与控制单元和喷嘴组合在一起，即高压油管长度为零的燃油系统。它安装在缸盖上，每个缸都有一个。由于无高压油管，所以可消除长的高压油管中压力波和燃油压缩的影响，高压容积大大减少，因此可产生所需的高喷射压力，与带喷嘴的分配式喷射系统一样原理。康明斯公司在本文中除了介绍泵喷嘴电控燃油喷射系统特点与结构组成，同时总结了第二代柴油电控燃油喷射系统的优缺点。
一、泵喷嘴电控燃油喷射系统
早在1905年，柴油发电机创始人就提出了泵喷嘴的概念，设想将喷油泵和喷油器合成一体，省去高压油管，获得高的喷油压力。随着近代电子技术的发展，电控泵喷嘴应运而生。
1、特点
泵喷嘴安装在柴油发电机原普通喷油器的位置上（见图1），其外形与普通喷油器类似，由气缸盖上方的凸轮轴经摇臂使喷油器内柱塞下移而加压燃油。泵喷嘴的上半部为柱塞、柱塞套与柱塞弹簧等，喷油器的下半部为喷油器、调压弹簧及进、回油道。泵喷嘴系统的最大特点是喷油泵和喷油器做成一体，高压油管长度为零。泵喷嘴的结构如图2-22所示，由挺柱或摇臂驱动泵喷嘴内的柱塞使燃油加压，在柱塞腔内形成高压。ECU适时地发出脉冲信号，命令高速电磁线圈控制喷油的始点和终点，而脉冲信号的长短控制循环喷油量。ECU通过程序MAP对泵喷嘴内部的高速电磁阀的动作进行闭环控制，只有当电磁阀关闭时，燃油才会喷射。因此，电磁阀的关闭点就决定了喷油始点，电磁阀再次打开之前所经过的时间长度决定喷油量。
主要优点如下：
（1）喷油压力高，喷油雾化良好。
（2）采用ECU集中控制，喷油量、喷油时间控制更精确。
（3）采用先预喷再主喷的喷油方式，能实现先缓后急的喷油，满足柴油机工作的要求。
（4）功率提高，油耗下降。
（5）废气中的有害气体少，排气净化性好。
（6）噪声小，工作平稳性好。
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图1 泵喷嘴安装位置图 |
2、燃油系统和泵喷嘴的结构
电子控制泵喷嘴系统主要由泵喷嘴、驱动摇臂机构、电子控制单元(ECU)、各种传感器等组成，如图2所示。泵喷嘴实际上由喷油泵、喷油器和电磁控制阀三部分组成，如图3所示。电子控制泵喷嘴系统的特点是燃油压力升高仍然是机械式的，喷油始点和终点由电磁阀控制，即喷油量和喷油时间是由电磁阀控制的。电子控制泵喷嘴系统的结构特点如下：
（1）采用大容量齿轮式供油泵，确保将燃油稳定地供到安装在气缸盖内部的喷油器
（2）主供油管和气缸盖上的各个喷油器之间由支管连接，溢出燃油通过连接各喷油器的溢油管经调压阀排出到气缸盖外部。
（3）ECU直接安装在柴油发电机机体上，缩短了线束长度；为了减低因柴油发电机引起的振动，采用橡胶固定，同时，采用燃油冷却ECU的背面。
（4）ECU根据安装在飞轮以及凸轮相关部位的两个转速传感器检测到的柴油发电机转速和曲轴转角传感器信号及其他的传感器信号进行最佳燃油喷射控制。
（5）柱塞通过摇臂由凸轮轴驱动，压缩燃油，建立高压。
（6）喷油器的高速电磁阀是常开的，燃油通过气缸盖内部的油路流动；但电磁阀关闭时，柱塞开始向喷油嘴压油，燃油从喷油嘴喷入气缸；当电磁阀打开时，溢油开始，喷油结束。
（7）因为没有喷油管，不仅可以实现高压喷射，而且可以通过适当组合喷油嘴的喷孔流通截面积和驱动凸轮的形状，使喷油率的形状徐徐上升，减少预混合期间的喷油量，从而达到控制预混合燃烧。
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图2 泵喷嘴燃油系统组成图 |
图3 泵喷嘴结构图 |
3、泵喷嘴的工作过程
电控泵喷嘴的工作原理如图3所示。
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图3 电控泵喷嘴工作原理图 |
（1）泵喷嘴进油过程
泵油柱塞在弹簧的作用下上移，高压腔容积增大。高速电磁阀处于初始开启状态，柴油进入高压腔。
（2）泵喷嘴喷油过程
利用收缩活塞将喷射过程分为预喷射和主喷射两个阶段；利用缓冲活塞控制针阀上升时的升程变化，实现“先缓后急”的理想喷油规律。
① 预喷射过程
喷射凸轮驱动泵油柱塞下移。初期电磁阀仍未关闭，高压腔内的部分柴油被压回到进油管。ECU控制电磁阀通电，关闭高压腔到进油管的通道，高压腔内压力大于18MPa时，针阀承压锥面上承受的上升力高于喷油器弹簧力，针阀上升开启喷油孔，预喷射开始。在预喷射过程中，缓冲活塞起到限制针阀上升速度的作用，借以实现理想喷油规律的“先缓”。针阀上升，针阀室内的柴油被压回弹簧室的过程中，缓冲活塞使泄油间隙逐渐减小，节流增大，针阀上升速度变缓。 预喷射开始后（如图4所示），高压腔油压随着柱塞压油继续提高，达到一定压力时，收缩活塞瞬间下移，使高压腔油压瞬间下降，针阀关闭喷油孔，预喷射结束。预喷射后，由于收缩活塞的下移增加了喷油器弹簧的预紧力，使主喷射阶段时针阀开启所需的油压比预喷射过程高。
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图4 泵喷嘴预喷油示意图 |
图5 泵喷嘴主喷油示意图 |
② 主喷油阶段
预喷射结束后，电磁阀仍然关闭，随着泵油柱塞继续压油，高压腔内油压重新上升。当油压上升到约30MPa时，针阀再次上升开启喷油孔，主喷射阶段开始。在主喷射阶段中，最高喷油压力可达205MPa。当ECU控制电磁阀开启时，高压腔柴油回流到进油管，压力迅速下降，喷油器弹簧迅速使针阀关闭喷油孔，同时收缩活塞和缓冲活塞也回到初始位置，主喷射阶段结束。当电控系统停止向电磁控制阀供电时，电磁控制阀针阀在电磁控制针阀回位弹簧的作用下向右移动，接通高压油腔与低压油道。这时，高压油腔内的燃油经电磁控制阀流向低压油道，高压油腔里的燃油压力下降，喷油针阀在喷油针阀回位弹簧的作用下复位，辅助柱塞则在喷油针阀回位弹簧的作用下关闭高压油腔与喷油针阀回位弹簧之间的油道，主喷油结束，如图5所示。
● 高压油腔进油：
如图6所示，当凸轮的下降段与摇臂接触时，泵油柱塞在泵油柱塞回位弹簧的作用下向上运动，高压油腔因体积增大而产生真空。这时，低压油道（与进油管相连接）内的燃油经电磁控制阀流向高压油腔，直到充满高压油腔为止，从而为下一次喷油做好准备。
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图6 高压油腔进油示意图 |
二、第二代柴油电控燃油喷射系统总结
1、特点
第二代控制系统包括电控分配泵、直列泵、泵喷嘴和单体泵，其共有的控制特点如下：
1）依靠传统的脉动泵产生高压。
2）喷油量控制和喷油脉宽完全由电磁阀控制。
3）电磁阀关闭时刻决定喷射定时。
4）电磁阀关闭持续时间决定喷油量。
2、缺点
1）仍然依赖于传统的脉动高压系统，使高压喷射的区间受到凸轮型线的限制，无法实现大范围的喷射定时控制。
2）喷射压力的大小只和凸轮型线以及柴油发电机转速等结构参数有关，不能根据柴油发电机的工况灵活调节。
3）无法实现灵活的预喷射和多次喷射。
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