性能特點(diǎn)和作用說明

電控柴油發(fā)電機(jī)組的高壓共軌噴射系統(tǒng)

 

摘要：高壓共軌噴射系統(tǒng)，是針對(duì)發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)理想燃油噴射系統(tǒng)的要求而開發(fā)的新型時(shí)間-壓力式電控燃油噴射系統(tǒng)。其特點(diǎn)是，在結(jié)構(gòu)上把傳統(tǒng)的泵-管-噴油器三個(gè)單元，按各自功能相互獨(dú)立起來，極大地提高了燃油噴射系統(tǒng)的控制自由度；在功能上實(shí)現(xiàn)了高壓噴射，并且對(duì)噴射壓力、噴射時(shí)刻、噴油規(guī)律都能實(shí)現(xiàn)直接調(diào)控，為直接控制放熱規(guī)律提供了必要的技術(shù)條件。典型的高壓共軌噴射系統(tǒng)有德國(guó)博世公司的CR型高壓共軌噴射系統(tǒng)和日本電裝的ECD-U2型高壓共軌噴射系統(tǒng)。

 

一、CR型高壓共軌噴射系統(tǒng)

 

圖1所示為博世公司的CR型高壓共軌噴射系統(tǒng)，主要由三缸“Y”字形徑向布置的高壓泵、共軌、共軌壓力傳感器、二位二通電磁閥式電控噴油器及ECU等組成。ECU通過各傳感器的信息，分別控制高壓泵和噴油器，因此噴射壓力（共軌壓力）的控制和噴射過程的控制完全獨(dú)立。共軌壓力（軌壓）可根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)工況任意設(shè)定，而噴油器的噴射量取決于共軌壓力和噴油器電磁閥的開啟持續(xù)時(shí)間。因此，通過共軌壓力和噴射過程的獨(dú)立控制可提高噴射系統(tǒng)的控制自由度和控制精度。

 

圖1 CR型高壓共軌噴射系統(tǒng)

 

 

1、高壓泵

 

高壓泵的作用是按一定的供油速率向共軌（蓄壓室）供油，保證在任意工況下共軌中的油壓恒定。由于發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)負(fù)荷（噴射量）變化范圍很寬，所以為了保證一定的噴射壓力（共軌壓力），要求噴油泵具有足夠的供油速率。為此，CR型高壓共軌噴射系統(tǒng)的高壓泵主要由泵體、泵蓋、進(jìn)油閥、柱塞泵組件、柱塞彈簧、驅(qū)動(dòng)軸等組成。其主要特點(diǎn)是三個(gè)柱塞泵以120°夾角“Y”字形徑向均勻布置，每個(gè)柱塞泵的柱塞在其彈簧的作用下分別壓在由偏心輪驅(qū)動(dòng)的三角平面環(huán)6的三個(gè)平面上，并且為了減少零件數(shù)，有利于高壓泵的輕量化，將柱塞和挺柱一體化。當(dāng)偏心輪隨驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)柱塞泵各供油一次，由此保證供油頻率。此外，驅(qū)動(dòng)軸前端驅(qū)動(dòng)低壓供油泵，向高壓油泵供油。驅(qū)動(dòng)軸軸承采用滑動(dòng)軸承以減小摩擦損失，驅(qū)動(dòng)軸前后端采用油封以防漏油。

 

當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)工作時(shí)，曲軸前端定時(shí)齒輪驅(qū)動(dòng)高壓泵的驅(qū)動(dòng)軸，高壓泵的偏心輪隨驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。對(duì)某一個(gè)柱塞泵，當(dāng)偏心輪偏過時(shí)柱塞在其彈簧作用下下移，柱塞頂上設(shè)置的單向閥打開，柱塞壓油腔內(nèi)進(jìn)油；當(dāng)偏心輪頂起三角平面環(huán)時(shí)，柱塞上移，此時(shí)通過彈簧作用使單向閥關(guān)閉（預(yù)行程），隨著柱塞的進(jìn)一步上移，柱塞腔的油壓升高，推開出油閥，向共軌供油（圖2）。高壓泵驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)柱塞泵各泵油一次。為了調(diào)節(jié)軌壓的控制，博世公司的第二代高壓共軌噴射系統(tǒng)，在高壓泵進(jìn)油口處設(shè)置節(jié)流閥，由ECU控制。ECU根據(jù)不同工況對(duì)軌壓的要求，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，由此控制高壓泵的供油量，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌壓的控制。由于高壓共軌噴射系統(tǒng)的噴油壓力的產(chǎn)生與燃油噴射過程無關(guān)，且噴油時(shí)刻也與高壓油泵的供油時(shí)刻無關(guān)，因此高壓油泵的壓油凸輪可以按照接觸應(yīng)力最小和耐磨性原則來設(shè)計(jì)，即采用偏心輪驅(qū)動(dòng)三角形驅(qū)動(dòng)環(huán)來驅(qū)動(dòng)柱塞的方式。

 

圖2 Y字形高壓泵工作原理圖

圖3 CR型高壓共軌管結(jié)構(gòu)圖

 

 

2、共軌及高壓油管

 

共軌的作用是將高壓泵提供的高壓燃油進(jìn)行蓄壓后，按一定的設(shè)定壓力均勻分配到各缸的噴油器Фc共軌的容積應(yīng)削減高壓油泵的供油壓力波動(dòng)和每個(gè)噴油器由噴油過程引起的壓力振蕩，使高壓油軌中的壓力波動(dòng)控制在5MPa之下。但其容積又不能太大，以保證共軌有足夠的壓力響應(yīng)速度以快速跟蹤柴油發(fā)電機(jī)工況的變化。圖3所示為CR型高壓共軌管的結(jié)構(gòu)示意圖。

 

在共軌中安裝壓力傳感器，由ECU隨時(shí)檢測(cè)軌壓，以此反饋控制高壓泵的泵油量，達(dá)到精確控制噴射壓力的目的。為了在噴射（或供油）過程中減小軌壓的波動(dòng)，在進(jìn)油口和出油口處設(shè)置了液流緩沖器。高壓油管是連接共軌管和噴油器（或高壓泵）的管道，它應(yīng)有足夠的燃油流量，減小燃油流動(dòng)時(shí)的壓力降，并且要求高壓管路系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)小，能承受高壓燃油的沖擊作用，同時(shí)在起動(dòng)時(shí)共軌中能迅速建立軌壓。為了保證各缸均勻性，要求各缸高壓油管的長(zhǎng)度應(yīng)盡量相等，使柴油發(fā)電機(jī)每一個(gè)噴油器有相同的噴油壓力，從而減少柴油發(fā)電機(jī)各缸之間噴射量的偏差；并要求高壓油管應(yīng)盡可能短，使從共軌到噴油嘴的壓力損失最小。

 

3、二位二通電磁閥式噴油器

 

噴油器的主要作用是根據(jù)ECU的控制指令按一定的噴霧質(zhì)量完成噴射量的定量、定時(shí)及噴油規(guī)律的控制過程。噴射量是通過噴油器的開啟持續(xù)時(shí)間（通電脈寬）來控制的，并通過噴油器的開啟時(shí)刻控制噴油時(shí)刻（定時(shí)）。噴霧質(zhì)量主要取決于噴射壓力（取決于軌壓）和噴孔總截面積以及燃燒室內(nèi)的氣流狀態(tài)。而噴油規(guī)律的控制可通過多次噴射等方式來實(shí)現(xiàn)。高壓共軌系統(tǒng)的特點(diǎn)就是高壓泵的供油過程（即軌壓）控制和噴油器的噴射過程控制分別進(jìn)行，由于噴射壓力主要取決于共軌壓力，所以可實(shí)現(xiàn)噴射壓力和噴射過程的柔性控制，有利于放熱規(guī)律的控制，而不受二次噴射等不正常噴射現(xiàn)象的限制。但其控制精度主要取決于噴油器的響應(yīng)特性，而影響噴油器響應(yīng)特性的主要因素取決于噴油器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

CR型高壓共軌噴射系統(tǒng)采用二位二通電磁閥式噴油器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由電磁閥系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和針閥偶件等組成。電磁閥系統(tǒng)包括電磁閥、電磁閥彈簧及球閥等，球閥的作用是打開或關(guān)閉液壓控制室的出油孔，根據(jù)ECU的指令通過電磁閥直接控制；液壓控制系統(tǒng)包括柱塞、柱塞套（球閥體一體）、進(jìn)出油孔及其彈簧，主要控制針閥的升起或落座；針閥偶件主要包括針閥及針閥體，兩者配合間隙為2μm左右。

 

圖4 二位二通電磁閥式噴油器結(jié)構(gòu)圖

 

（1）當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，高壓共軌中的高壓燃油在進(jìn)入噴油器針閥的承壓錐面的同時(shí)，通過液控制系統(tǒng)的進(jìn)油孔進(jìn)入液壓控制室，此時(shí)如果ECU接通電磁閥，則球閥升起，液壓控制室出油孔被打開，作用在柱塞頂上的油壓迅速降低，使得作用于針閥頂部的柱塞彈簧壓力和柱頂部油壓之和，小于作用在針閥承壓錐面上使針閥升起的油壓，針閥升起，開始噴油；當(dāng)EC關(guān)閉電磁閥時(shí)，球閥在其彈簧的作用下落座，關(guān)閉液壓控制室的出油孔，來自共軌中的高壓油由進(jìn)油孔進(jìn)入液壓控制室，并立即建立油壓，加上柱塞彈簧壓力，使得作用在針閥頂部的力大于針閥承壓錐面上使針閥升起的油壓，針閥迅速落座，噴射過程結(jié)束。

（2）噴油器是高壓共軌噴射系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件，其作用是通過ECU的控制指控制電磁閥的接通和關(guān)閉，將共軌中的燃油以最佳噴油定時(shí)和噴油速率，按確定的噴射量入燃燒室。

（3）噴油定時(shí)是通過電磁閥的通電時(shí)刻來精確控制的，噴射過程中的噴油速率取決于軌噴油器噴孔的總噴射面積和針閥的升程規(guī)律，而噴射量是通過電磁閥的通電持續(xù)時(shí)間制脈寬，即關(guān)閉時(shí)刻來控制的。

（4）如前所示，軌壓是根據(jù)各工況確定的目標(biāo)值，由ECU通過軌壓傳感器的信息反饋高壓泵來實(shí)現(xiàn)的，所以工況一定，一般噴射壓力（軌壓）就可以確定。因此，噴射過的噴射速率，就取決于噴孔直徑、噴孔數(shù)和針閥的升程規(guī)律。在選擇噴孔數(shù)時(shí)，主要考霧和燃燒室空間的匹配情況，如果噴孔數(shù)過少，噴霧與燃燒室空間匹配不好，燃燒室內(nèi)利用率低；反之，噴孔數(shù)過多，有可能造成相鄰噴孔的噴注在燃燒室內(nèi)渦流的作用下相涉現(xiàn)象，直接影響混合氣的形成質(zhì)量。在噴孔數(shù)一定的條件下，噴孔直徑直接影響噴總噴射面積，從而影響噴射速率和噴霧質(zhì)量。對(duì)于一定的噴射壓力和噴射量，隨著噴射總面積的增加，噴射時(shí)間縮短，但霧化質(zhì)量有所下降。初期噴油速率過快，是造成柴油發(fā)電機(jī)燃燒噪聲和NO，排放增加的主要原因之一。為此降低噴射速率，則噴射持續(xù)期間延長(zhǎng)，后燃增加，不僅不利于經(jīng)濟(jì)性，而且會(huì)造成碳煙排放增加，所以針對(duì)一定的燃燒系統(tǒng)需要合理設(shè)計(jì)噴油器。博世公司的第二代高壓共軌噴射系統(tǒng)的噴孔數(shù)一般取5～7，噴孔直徑為0.125～0.169mm，針閥升程為0.20～0.25mm。

（5）噴油器針閥的升程規(guī)律

噴油器針閥的升程規(guī)律取決于液壓控制室內(nèi)的油壓變化速率。為了提高噴油器的響應(yīng)特性，液壓控制室的容積不宜過大，否則針閥升起和落座速度減慢（圖5、圖6），不僅影響噴油器的響應(yīng)特性，而且噴油結(jié)束時(shí)不能實(shí)現(xiàn)快速斷油，使后期的燃油霧化不良；但是如果液壓控制室容積過小，則不能給針閥提供足夠的有效行程，影響噴油器的噴油能力，因此對(duì)液壓控制室容積應(yīng)根據(jù)實(shí)際柴油發(fā)電機(jī)的最大噴射量合理選擇。根據(jù)圖4所示的二位二通電磁閥式噴油器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)一定的液壓控制室容積，

 

圖5 控制容積對(duì)針閥升程規(guī)律的影響曲線圖

圖6 進(jìn)出油孔直徑對(duì)針閥升程規(guī)律的影響曲線圖

 

 

其內(nèi)部油壓的變化規(guī)律取決于出油孔的出油速率和進(jìn)油孔的進(jìn)油速率之差。因此，如果出油孔和進(jìn)油孔的流通面積之比過小，則液壓控制室內(nèi)油壓的降低速度緩慢，因而不能使針閥達(dá)到最大升程；否則，如果出油孔和進(jìn)油孔面積之比過大（進(jìn)油孔直徑過小），相對(duì)出油速率，進(jìn)油速率過小，當(dāng)出油閥打開后控制室油壓迅速衰減，而當(dāng)出油孔關(guān)閉時(shí)液壓控制室內(nèi)油壓建立速度緩慢，造成針閥關(guān)閉不嚴(yán)、關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)，從而使針閥的響應(yīng)特性下降，噴射過程延遲，后續(xù)噴射霧化不良（26b）。因此，對(duì)一定的液壓控制室容積需要優(yōu)化匹配其進(jìn)出油孔直徑的大小。

 

二、ECD-U2型高壓共軌噴射系統(tǒng)

 

ECD-U2型高壓共軌噴射系統(tǒng)的總體布置形式與上述CR型高壓共軌噴射系統(tǒng)相似，主要區(qū)別在高壓泵和噴油器的結(jié)構(gòu)上。

 

1、高壓泵

 

為了保證噴油泵具有足夠的供油速率，以滿足發(fā)電用柴油發(fā)電機(jī)工況變化范圍內(nèi)一定噴射壓力（共軌壓力）的要求，在ECD-U2型高壓共軌噴射系統(tǒng)中采用圖7所示的柱塞直列型三山凸輪高壓泵。其主要特點(diǎn)是凸輪的一個(gè)工作斷面上設(shè)有三個(gè)凸起，所以凸輪軸每轉(zhuǎn)一圈凸輪泵油三次，由此提高每缸高壓泵的供油頻率，對(duì)應(yīng)每缸噴油，共軌油壓可得到及時(shí)的補(bǔ)充。為了獲得平緩而穩(wěn)定的共軌壓力，要求高壓泵的供油頻率與柴油發(fā)電機(jī)噴射頻率相一致。同時(shí)，對(duì)高壓泵每一缸都設(shè)置一個(gè)PCV電磁閥。當(dāng)噴油泵柱塞下行時(shí)，PCV電磁閥打開，燃油經(jīng)PCV電磁閥進(jìn)入泵室，完成進(jìn)油過程。當(dāng)柱塞上行時(shí)，如果此時(shí)PCV電磁閥尚未通電，則PCV電磁閥始終處在開啟狀態(tài)，已進(jìn)入的燃油在柱塞的壓縮作用下，經(jīng)PCV電磁閥回流，共軌油壓不變化。如果共軌壓力下降到小于設(shè)定值時(shí)，在需要供油時(shí)刻，通過ECU接通PCV電磁閥使之關(guān)閉，由此關(guān)閉回油通路，則泵室內(nèi)的燃油受壓而壓力升高，推開出油閥迅速將燃油送往共軌中及時(shí)補(bǔ)充軌壓（圖8）。高壓泵的供油量主要取決于PCV閥關(guān)閉之后的柱塞升程，此行程稱為供油有效行程。可通過改變PCV電磁閥的關(guān)閉時(shí)刻，即通過改變高壓泵凸輪的有效行程來改變高壓泵的供油量，由此控制共軌壓力。這種高壓泵的特點(diǎn)是，可以減小其功率消耗。但需要確定控制脈寬及其與高壓泵凸輪軸的相位關(guān)系，所以控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。

 

圖7 直列型高壓泵結(jié)構(gòu)圖

圖8 直列型高壓泵控制原理圖

 

2、共軌

圖9所示為ECD-U2型高壓共軌噴射系統(tǒng)的共軌結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基本上與上述CR高壓共軌噴射系統(tǒng)的共軌類似，都安裝有壓力傳感器、液流緩沖器（限流器）和壓力限制器。壓力傳感器向ECU提供高壓共軌中的油壓信號(hào)；液流緩沖器（限流器）用來保證在噴油器出現(xiàn)燃油泄漏故障時(shí)，切斷向噴油器供油，同時(shí)減小共軌和高壓油管中的壓力波動(dòng)；當(dāng)高壓共軌出現(xiàn)壓力異常時(shí)，壓力限制器能迅速地將高壓共軌中的壓力泄掉。對(duì)一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，精確設(shè)計(jì)合適的高壓共軌容積和形狀并非是一件容易的事。在ECD-U2型高壓共軌噴射系統(tǒng)中，當(dāng)高壓輸油泵的最大循環(huán)供油量為600mm³時(shí)，其共軌容積約為94000mm³。

 

圖9 ECD-U2型高壓共軌噴射系統(tǒng)的共軌結(jié)構(gòu)圖

 

3、噴油器

 

在ECD-U2型高壓共軌噴射系統(tǒng)中采用的噴油器結(jié)構(gòu)與CR型高壓共軌噴射系統(tǒng)不同，是一種三通電磁閥式噴油器（圖10），主要由針閥偶件、液壓柱塞、節(jié)流閥及三通電磁閥（TWV）等組成。三通電磁閥的通電時(shí)刻決定噴油定時(shí)，而其通電持續(xù)時(shí)間（控制脈寬）決定噴射量的大小。

 

圖10 三通電磁閥式噴油器結(jié)構(gòu)圖

圖11 三通電磁閥式噴油器工作過程圖

（1）三通電磁閥結(jié)構(gòu)

三通電磁閥主要由內(nèi)閥、外閥和閥體組成。內(nèi)閥是一個(gè)被固定的柱塞，外閥與電磁閥的銜鐵做成一體，由線圈通電方式控制其上下運(yùn)動(dòng)，而閥體是用來支承外閥的。這三個(gè)部件的配合精度很高，分別形成兩個(gè)密封面。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上使兩個(gè)密封面不能同時(shí)接通。第一個(gè)密封面控制液壓柱塞頂部的控制室與高壓共軌的連通，而第二個(gè)密封面則控制液壓柱塞頂部的控制室與泄油孔連通。在ECU的控制下，接通三通電磁閥時(shí)，在電磁閥線圈中產(chǎn)生的磁場(chǎng)力的作用下，外閥上移，關(guān)閉第一個(gè)密封面，使共軌中的高壓燃油無法進(jìn)入液壓柱塞頂部的控制室。此時(shí)第二個(gè)密封面打開，液壓柱塞頂部控制室內(nèi)的高壓油經(jīng)第二個(gè)密封面（泄油孔）向燃油箱泄油，造成液壓柱塞頂部的油壓迅速降低，噴油器針閥在其承壓錐面上的高壓燃油的推力下，克服液壓柱塞及其彈簧的合力而升起，開始噴油。當(dāng)三通電磁閥斷電時(shí)，磁場(chǎng)消失，外閥在其彈簧力的作用下下移，關(guān)閉第二個(gè)密封面，此時(shí)第一個(gè)密封面被打開。這樣，來自共軌中的高壓燃油進(jìn)入噴油器針閥的承壓錐面室的同時(shí)，也進(jìn)入液壓柱塞頂部的控制室。液壓柱塞在高壓燃油和彈簧力的作用下，使針閥落座，停止噴油，完成高壓噴射過程。

（2）三通電磁閥控制原理

三通電磁閥的接通和斷開時(shí)刻，是根據(jù)事先通過柴油發(fā)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定的不同工況下的目標(biāo)控制MAP圖，由ECU進(jìn)行工況判斷、運(yùn)算之后確定控制量來進(jìn)行控制的。這里，液壓柱塞頂部控制室容積的大小決定了噴油器針閥開啟的靈敏度。如果該容積過大，針閥在噴油結(jié)束時(shí)不能實(shí)現(xiàn)快速斷油，造成后期的燃油霧化不良；否則，控制容積過小，就不能給針閥提供足夠的有效行程，使噴射過程的流動(dòng)阻力加大。因此，對(duì)控制室容積也應(yīng)根據(jù)不同柴油發(fā)電機(jī)的最大噴射量合理選擇。

為了控制初期噴油速率，以控制放熱規(guī)律，適應(yīng)降低柴油發(fā)電機(jī)排放的要求，這種噴油器在液壓柱塞上方專門設(shè)置了一個(gè)單向閥和一個(gè)小孔節(jié)流閥。單向閥的作用是阻止液壓柱塞上方的燃油回流，只允許高壓共軌中的燃油流入控制室。控制室內(nèi)的燃油只通過小孔節(jié)流閥逐漸泄油，以控制液壓柱塞上方控制室內(nèi)壓力的降低速率，由此控制噴油器針閥的升起速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)初期噴射規(guī)律的控制。單向閥的孔徑（進(jìn)油量孔）和節(jié)流閥的最小直徑（泄油量孔）以及液壓柱塞上部的控制室容積對(duì)噴油器的噴油規(guī)律影響很大。泄油量孔和控制室容積決定噴油器針閥的開啟速度，而噴油器針閥的關(guān)閉速度取決于單向閥的（進(jìn)油量孔）流量特性和控制室的容積。所以，在設(shè)計(jì)單向閥時(shí)，應(yīng)保證噴油器針閥有足夠快的關(guān)閉速度，以避免噴油器噴射后期霧化不良的現(xiàn)象。若適當(dāng)減小控制室容積可以使針閥的響應(yīng)速度加快，使燃油溫度對(duì)噴油器噴射量的影響減小。但控制室容積過小，直接影響噴油器針閥的最大升程。而且單向閥和節(jié)流閥的流量特性直接影響控制室內(nèi)油壓的動(dòng)態(tài)特性，從而影響針閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

一般三通電磁閥的開啟響應(yīng)時(shí)間為0.35ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為0.40ms，全負(fù)荷狀態(tài)下能量消耗為50W左右。由于高壓共軌噴射系統(tǒng)的噴射壓力非常高，其噴油器的噴孔截面積很小，因此在高壓噴射時(shí)燃油流動(dòng)處于極端不穩(wěn)定狀態(tài)，噴霧錐角變大，燃油霧化更好，但貫穿距離變小，因此可適當(dāng)改善燃燒室內(nèi)的氣流強(qiáng)度以及燃燒室的結(jié)構(gòu)形狀，以確保最佳的燃燒過程。

 

三、多階段噴射及壓電式噴油器

 

高壓共軌噴射系統(tǒng)對(duì)噴油規(guī)律的精確柔性控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒速率的精確控制。現(xiàn)階段，高壓共軌噴射系統(tǒng)正向著多階段（多脈沖）噴射方式“Multijet”發(fā)展。這種噴射方式，將每個(gè)循環(huán)燃油噴射量分成多階段進(jìn)行噴射，由此精確控制燃燒室內(nèi)的溫度和壓力，達(dá)到既提高循環(huán)熱效率又有效降低排放的目的。

 

1、噴射過程

 

圖12所示為將一個(gè)循環(huán)噴射量分成六次噴射的六階段噴射模式。其中，主噴射過程也分為兩次進(jìn)行，由此有效地降低了氣缸內(nèi)的最高燃燒溫度，以抑制NO的生成，但這要求噴油器具備很高的響應(yīng)特性。

 

圖12 六階段噴射模式示意圖

 

（1）先導(dǎo)噴射

是指進(jìn)氣終了或壓縮初期的某一時(shí)刻進(jìn)行的少量噴射過程，其目的是快速提高壓縮行程中燃燒室內(nèi)的溫度和壓力，由此縮短柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)、暖車時(shí)間，降低怠速惰轉(zhuǎn)噪聲，減小暖機(jī)運(yùn)行時(shí)的碳煙排放，改善柴油發(fā)電機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩特性。這種先導(dǎo)噴射方式只在柴油發(fā)電機(jī)冷態(tài)下使用。

（2）預(yù)噴射

是指在主噴射之前某一時(shí)刻進(jìn)行的少量的事先噴射過程，其主要作用是提高燃燒室內(nèi)的溫度，為主噴射做準(zhǔn)備，即由此縮短主噴射的著火延遲期，降低燃燒溫度，抑制NO的生成，降低燃燒噪聲。

（3）后噴射

是指主噴射之后在膨脹過程中的某一設(shè)定時(shí)刻進(jìn)行的少量的噴射過程，其目的是保證膨脹過程中氣缸內(nèi)溫度的降低速率不至于過快或保持足夠高的溫度，以改善廢氣在膨脹過程中的氧化環(huán)境，由此減少燃燒過程中的碳煙排放，同時(shí)提高排氣溫度，有利于后處理裝置的催化反應(yīng)。

（4）遲后噴射

最后一個(gè)階段的噴射稱為遲后噴射，是在柴油發(fā)電機(jī)排氣過程中進(jìn)行的少量噴射過程，其目的是由此增加廢氣排氣中的HC含量，以提高NO，催化還原裝置的轉(zhuǎn)化效率。

對(duì)多階段噴射方式，根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)實(shí)際情況需要確定或控制的因素有：確定分幾個(gè)階段進(jìn)行噴射、每個(gè)階段噴射的起始點(diǎn)、噴射持續(xù)期，以及各噴射階段之間的時(shí)間間隔等。特別是預(yù)噴射和主噴射之間的時(shí)間間隔，以及兩次主噴射之間的時(shí)間間隔對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的燃燒過程及性能比較敏感。

 

2、響應(yīng)特性

 

上述高壓共軌噴射系統(tǒng)的電磁閥式噴油器，由于其響應(yīng)特性受電磁閥結(jié)構(gòu)特性的影響，所以要實(shí)現(xiàn)多階段噴射過程時(shí)會(huì)受到限制。如博世第二代高壓共軌噴射系統(tǒng)的噴油器，其預(yù)噴射和主噴射之間的最短時(shí)間間隔不能小于900μs，因此要實(shí)現(xiàn)將主噴射過程分兩個(gè)階段噴射或主噴射和預(yù)噴射之間最小時(shí)間間隔的控制均會(huì)受到限制。為此，又開發(fā)研究出壓電式高壓共軌噴射系統(tǒng)。它與原高壓共軌噴射系統(tǒng)的區(qū)別僅在于將電磁閥式噴油器改為壓電式噴油器，其他部分相同。即將原用高頻電磁閥來驅(qū)動(dòng)針閥的噴油器，改為用壓電晶體來驅(qū)動(dòng)針閥。由于壓電石英晶體的變形速度很快，所以壓電式噴油器的開關(guān)響應(yīng)速度比電磁閥更快，對(duì)于同樣的燃油噴射量，只需要更短的噴油持續(xù)時(shí)間。同時(shí)采用壓電晶體片取代了電磁線圈，因此可進(jìn)一步減小噴油器內(nèi)整個(gè)噴射控制鏈上的累積誤差，從而提高了噴射精度，可更精確地控制燃油噴射量。這種壓電式噴油器，是在多層壓電薄片疊加而形成的壓電堆的基礎(chǔ)上，利用液壓放大機(jī)構(gòu)來放大壓電堆驅(qū)動(dòng)的位移，以滿足高速開關(guān)閥的流量要求的。這種在厚度方向上伸縮變形的積層型壓電晶體，在力學(xué)上串聯(lián)、電學(xué)上并聯(lián)，其輸出的位移為各壓電片輸出位移的之和。但是，壓電晶體片在電學(xué)上是純電容負(fù)載，級(jí)聯(lián)后電容將成倍增加，故級(jí)聯(lián)過多，勢(shì)必使充放電時(shí)間增加而產(chǎn)生較大遲滯現(xiàn)象。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)壓電晶體片的積層量要適當(dāng)。

 

3、壓電式噴油器的結(jié)構(gòu)

 

壓電式噴油器主要由壓電執(zhí)行器、液壓放大器及針閥等組成。壓電執(zhí)行器由壓電晶體單元構(gòu)成，每個(gè)壓電晶體單元產(chǎn)生的晶體變形量非常小，所以常通過壓電晶體的薄層技術(shù)，將多層壓電石英晶體燒結(jié)成一定長(zhǎng)度的立方體，并通過液力放大器將其變形量進(jìn)行放大后再傳遞給針閥，以保證針閥的最大升程。在壓電模塊和液壓放大器里充滿壓力（系統(tǒng)壓力）約為1MPa的柴油，以保證不同環(huán)境下壓電執(zhí)行器和液壓放大器的穩(wěn)定工作環(huán)境。圖13所示為壓電式噴油器和電磁閥式噴油器的性能對(duì)比。在相同的軌壓下對(duì)一定的噴射脈寬，壓電式噴油器的噴射能力明顯高于電磁閥式噴油器，而且其噴射速率快，峰值高，持續(xù)時(shí)間也短，因此壓電式噴油器的響應(yīng)特性更快。

 

圖13 壓電式噴油器和電磁閥式噴油器的性能對(duì)比

 

注：st表示沖程

壓電式噴油器的運(yùn)動(dòng)部件數(shù)和自重比電磁式噴油器少，而且因壓電式噴油器是通過對(duì)壓電晶體的變形速度來控制的，所以噴油器每次開啟和關(guān)閉時(shí)的噪聲水平也比較低。到目前為止，只有壓電式噴油器能夠?qū)崿F(xiàn)多階段噴射過程的精確控制，而這一功能是通過燃油噴油規(guī)律的有效控制，實(shí)現(xiàn)放熱規(guī)律控制所必不可少的。所以，不管是電控汽油噴射還是柴油發(fā)電機(jī)的電控技術(shù)，壓電式電控噴油器是發(fā)展趨勢(shì)，具有更大的潛力。

 

四、高壓共軌噴射系統(tǒng)的特點(diǎn)

 

時(shí)間壓力控制式高壓共軌電控噴射系統(tǒng)，其共軌壓力波動(dòng)很小，沒有常規(guī)電控噴射系統(tǒng)中存在的因壓力波而產(chǎn)生的難控區(qū)、失控區(qū)及調(diào)速能力不足等問題。噴射壓力的控制完全獨(dú)立于轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。

 

高壓共軌噴射系統(tǒng)，如ECD-U2型高壓共軌噴射系統(tǒng)，是通過三通電磁閥、單向閥和節(jié)流閥等來控制液壓柱塞頂部的油壓的，而CR型高壓共軌噴射系統(tǒng)則是通過出油孔和進(jìn)油孔直徑大小來控制液壓柱塞頂部的油壓的，所以兩者都易實(shí)現(xiàn)初期噴射速率低、快速停止噴射的“d”形（三角形）噴射速率控制，也很容易實(shí)現(xiàn)多階段噴射過程，只要在主噴射之前給三通電磁閥一個(gè)不同的小寬度脈沖信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)。因此，高壓共軌噴射系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)所需要的理想噴油規(guī)律的控制特性。由于高壓共軌噴射系統(tǒng)是一種壓力-時(shí)間式控制系統(tǒng)，所以噴射量?jī)H取決于共軌壓力和噴油器電磁閥的控制脈寬。圖14所示為不同共軌壓力條件下，噴射量隨控制脈寬的變化特性。對(duì)一定的噴射量，共軌壓力越高，噴射脈寬越小，即整個(gè)噴射過程縮短，而且在整個(gè)噴射過程中始終保持一定的噴射壓力。

 

圖14 噴油器流量特性曲線圖

 

高壓共軌噴射系統(tǒng)在噴射時(shí)期、噴射量、噴射壓力及噴射速率等方面都能實(shí)現(xiàn)柔性控制，而且噴射時(shí)期的控制范圍寬，所以整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)特性和適應(yīng)性好。但是，高壓共軌噴射系統(tǒng)由于長(zhǎng)時(shí)間維持系統(tǒng)內(nèi)的高壓，所以高壓泵的驅(qū)動(dòng)損失增加，而且存在需要耐高壓和高壓密封等問題。

 

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