性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

高壓共軌式柴油機(jī)的噴油壓力控制原理

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)由低壓供油部分和高壓供油部分組成，高壓油泵是電驅(qū)動(dòng)，將油箱里的燃油抽上來(lái)，像我們常見(jiàn)的抽水機(jī)一樣。被快速抽上來(lái)的燃油通過(guò)油管來(lái)到噴油器附近的油軌里，在這里形成很高壓力的燃油。柴油發(fā)電機(jī)電腦控制噴油器開關(guān)，噴油器打開就噴油，關(guān)閉就停止噴油。由于高壓共軌組成部件精度要求特別高，因此對(duì)油品的質(zhì)量要求也特別高。除此之外高壓共軌部件成本十分昂貴，不按使用說(shuō)明書定期更換濾清器會(huì)造成噴油器、高壓泵損壞，維修成本相當(dāng)昂貴。

 

一、高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展與優(yōu)點(diǎn)

 

      共軌式噴油系統(tǒng)于二十世紀(jì)90年代中后期才正式進(jìn)入實(shí)用化階段。這類電控系統(tǒng)可分為：蓄壓式電控燃油噴射系統(tǒng)、液力增壓式電控燃油噴射系統(tǒng)和高壓共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)。高壓共軌系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1、電控共軌與傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的比較

（1）傳統(tǒng)的柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)，是機(jī)械式噴射系統(tǒng)。由調(diào)速器控制噴油量，凸輪控制噴油定時(shí)、進(jìn)排氣定時(shí)和噴油及進(jìn)、排氣規(guī)律。在額定工況下，能實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化。但是當(dāng)柴油機(jī)的工況、海況、外界環(huán)境、燃油品質(zhì)發(fā)生變化、凸輪軸磨損等因素，造成柴油機(jī)工作偏離其設(shè)計(jì)工況最佳值時(shí)，則會(huì)影響柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性能。另外，隨著燃燒理論的發(fā)展和成熟，對(duì)噴射規(guī)律控制的要求更為精確，傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)已不能滿足經(jīng)濟(jì)性和排放性的要求。

（2）電控共軌柴油機(jī)，也稱為智能型柴油機(jī)，其高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是建立在直噴技術(shù)、預(yù)噴射技術(shù)和電控技術(shù)基礎(chǔ)之上的一種全新概念的燃油噴射系統(tǒng)。根據(jù)柴油機(jī)燃燒理論應(yīng)用電控技術(shù)，通過(guò)控制燃油噴射正時(shí)、噴油量、噴射速率、壓力以及進(jìn)、排氣閥正時(shí)，能有效地實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在各種負(fù)荷下的性能最優(yōu)化，從而達(dá)到在滿足最新排放要求下，提高其經(jīng)濟(jì)性、可靠性、操縱靈活性，并延長(zhǎng)使用壽命的目的。

2、電控共軌系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）共軌系統(tǒng)中的噴油壓力柔性可調(diào)，對(duì)不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。

（2）可獨(dú)立地柔性控制噴油正時(shí)，配合高的噴射壓力（120MPa~200MPa），可同時(shí)控制NOx和微粒（PM）在較小的數(shù)值內(nèi)，以滿足排放要求。

（3）柔性控制噴油速率變化，實(shí)現(xiàn)理想噴油規(guī)律，容易實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和多次噴射，既可降低柴油機(jī)NOx，又能保證優(yōu)良的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

（4）由電磁閥控制噴油，其控制精度較高，高壓油路中不會(huì)出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象，因此在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，循環(huán)噴油量變動(dòng)小，各缸供油不均勻可得到改善，從而減輕柴油機(jī)的振動(dòng)和降低排放。 

（5）與直列泵燃油系統(tǒng)相比（如圖2所示），高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器無(wú)需增壓器。直接使用高壓共軌內(nèi)壓力噴射，噴油器只需要控制噴油時(shí)間。

（6）高壓共軌管道是密閉裝置，軌道里燃油是持續(xù)高壓中，對(duì)于燃油泵的功率要求不需要太高，也減輕燃油泵的負(fù)擔(dān)。

（7）高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)具有燃油壓力調(diào)節(jié)閥裝置，能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)油軌內(nèi)的油壓進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力表現(xiàn)更加充沛。

      由于高壓共軌系統(tǒng)具有以上的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)的研究機(jī)構(gòu)均投入了很大的精力對(duì)其進(jìn)行研究。

 

圖1  電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)示意圖

圖2  柴油機(jī)共軌系統(tǒng)與直列泵對(duì)比圖

 

二、高壓共軌系統(tǒng)的組成

 

1、低壓供油部分

      共軌燃油噴射系統(tǒng)的低壓供油部分包括燃油箱（帶有濾網(wǎng)）、輸油泵、燃油濾清器及低壓油管。

（1）燃油箱必須抗腐蝕，且至少能承受兩倍的實(shí)際工作油壓，并在不低于0.03MPa的壓力下仍保持密封。如果燃油箱出現(xiàn)超壓，需經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)耐ǖ篮桶踩y自動(dòng)卸壓。即使發(fā)電機(jī)組發(fā)生傾斜，或在彎道運(yùn)行，甚至發(fā)生碰撞時(shí)，燃油也不會(huì)從加油口或壓力平衡裝置中流出。同時(shí)，燃油箱必須遠(yuǎn)離柴油發(fā)電機(jī)，以減小發(fā)電機(jī)組發(fā)生交通事故時(shí)發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)。

（2）低壓供油部分除采用鋼管外，還可使用阻燃的包有鋼絲編織層的柔性管。油管的布置必須能夠避免機(jī)械損傷，并且在其上滴落的燃油既不能聚集，也不會(huì)被引燃。

（3）輸油泵是一種帶有濾網(wǎng)的電動(dòng)泵或齒輪泵，它將燃油從燃油箱中吸出，將所需的燃油連續(xù)供給高壓泵。輸油泵的任務(wù)是在任何情況下為燃油提供所需的壓力，并在整個(gè)使用壽命期內(nèi)向高壓泵提供足夠的燃油。電動(dòng)輸油泵（滾子葉片）如圖3-2所示。

（4）燃油濾清器將進(jìn)入高壓泵前的燃油濾清凈化，從而防止高壓泵、出油閥和噴油器等精密件過(guò)早磨損和損壞。

2、高壓供油部分

      共軌燃油噴射系統(tǒng)的高壓供油部分包括帶調(diào)壓閥的高壓泵、高壓油管、作為高壓燃油存儲(chǔ)器的共軌管（帶有共軌壓力傳感器）、限壓閥、流量限制器、噴油器和回油管。

（1）輸油泵

      輸油泵的作用是把足夠數(shù)量和一定壓力的柴油提供給高壓噴油泵，其輸油量應(yīng)該是全負(fù)荷時(shí)所需噴油量的3至4倍。根據(jù)結(jié)構(gòu)分為電子輸油泵和齒輪泵，如圖3所示。

（2）高壓泵

      高壓泵將到共軌管的燃油的壓力升到135MPa。高壓泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

 

圖3  電控柴油機(jī)高壓油泵泵體類型

圖4  高壓泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

 

（3）共軌管

      燃油在共軌管中仍保持其壓力，即使噴油器噴油時(shí)，由于燃油的彈性而產(chǎn)生蓄壓作用，燃油壓力基本保持不變。燃油壓力由共軌管壓力傳感器測(cè)定，通過(guò)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)到規(guī)定數(shù)值。限壓閥的任務(wù)是將共軌管中的燃油壓力限制在150MPa以內(nèi)。

（4）噴油器

      當(dāng)高壓燃油在噴油器中被電子控制的電磁閥釋放時(shí)，噴油器開啟，將燃油直接噴入柴油發(fā)電機(jī)燃燒室。電控噴油器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

（5）高壓油管

      高壓油管必須能夠經(jīng)受燃油噴射系統(tǒng)的最大壓力和噴油間歇時(shí)的局部高頻壓力波動(dòng)。該油管由鋼管制成，通常外徑為6mm，內(nèi)徑為2.4mm。各缸的高壓油管長(zhǎng)度是完全相同的，共軌管與各缸噴油器之間的不同間距通過(guò)各缸高壓油管的彎曲程度進(jìn)行長(zhǎng)度補(bǔ)償，但油管長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短一些。

3、電控部分

（1）高壓傳感器

      壓力傳感器測(cè)量燃油軌中的壓力。即時(shí)的壓力被轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU可以識(shí)別的電位信號(hào)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）已記錄的性能特性，在噴射器期間壓力信號(hào)可用來(lái)做控制計(jì)算，通過(guò)高壓控制閥實(shí)現(xiàn)高壓調(diào)節(jié)。高壓傳感器直接固定在油軌上，用柔軟的鐵墊圈密封。

      高壓傳感器的功能：鋼薄膜(的變形與油軌中的即時(shí)壓力有關(guān)。傳感器內(nèi)的阻值由于要附加到鋼膜上而被改變。阻置的改變由電子儀器(3)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元作為電位信號(hào)識(shí)別。

（2）控制單元（ECU）

      發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元檢查發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制的所有必須的過(guò)程。按負(fù)載的要求，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)必須的輸出數(shù)據(jù)和發(fā)電機(jī)組整機(jī)數(shù)據(jù)以及檢查防盜碼。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元與其他控制裝備的通訊，如圖6所示。

 

圖5  高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)與油路連接圖.

圖6  ECU電子控制系統(tǒng)與通訊總線連接圖

 

三、高壓共軌噴油系統(tǒng)修正

 

1、噴油器的油量和電壓修正

      為了進(jìn)行噴油器油量修正，在噴油器制造過(guò)程中對(duì)每個(gè)噴油器都要采集很多測(cè)量數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)點(diǎn)陣編碼的形式標(biāo)示在噴油器上；對(duì)于壓電噴油器，還要附加上有關(guān)噴油器被堵塞后行程的信息。這些信息在柴油發(fā)電機(jī)制造過(guò)程中都被輸入電控單元，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中這些數(shù)值被用來(lái)補(bǔ)償計(jì)量和電路方面的偏差。

2、壓力波修正（DWK）

      原則上，在所有的共軌噴油系統(tǒng)中燃油噴射總會(huì)引起壓力波，當(dāng)噴射間隔變化時(shí)，這種壓力振動(dòng)會(huì)延遲噴射而影響噴油量。延遲噴射所引起的誤差與噴入的油量、噴射間隔、共軌壓力和燃油溫度有關(guān)，電控單元考慮到這些參數(shù)，用一個(gè)合適的補(bǔ)償算法計(jì)算出一個(gè)修正量。

3、預(yù)噴射油量的調(diào)節(jié)修正

      可靠地控制很小的預(yù)噴射油量對(duì)同時(shí)達(dá)到舒適性和排放目標(biāo)具有特別的意義。為此，在博世公司第三代高壓共軌噴油系統(tǒng)中采用了一種實(shí)際功率調(diào)節(jié)方法，與壓力波修正一起來(lái)修正預(yù)噴射油量。

      在柴油發(fā)電機(jī)加載時(shí)，針對(duì)性地將某個(gè)小油量噴入汽缸，通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器可探測(cè)到由此相應(yīng)產(chǎn)生的扭矩提升。顯然，這種駕駛者感覺(jué)不到的扭矩提升與噴入的燃油量有關(guān)，算法確定這種預(yù)噴射油量的最小變化量，并相應(yīng)地修正所有預(yù)噴射。

4、λ調(diào)節(jié)修正

      與預(yù)噴射油量的調(diào)節(jié)一樣，同時(shí)調(diào)節(jié)總噴油量和進(jìn)氣空氣質(zhì)量的λ調(diào)節(jié)同樣具有重要意義，無(wú)論是噴油量還是進(jìn)氣空氣質(zhì)量的誤差都會(huì)導(dǎo)致混合氣的變化，從而影響到廢氣排放。

      為了進(jìn)行補(bǔ)償，用一個(gè)寬帶λ傳感器來(lái)檢測(cè)廢氣中的氧分壓，由此就能反算出過(guò)量空氣系數(shù)λ。由于柴油發(fā)電機(jī)加載時(shí)λ傳感器用大氣中的氧分壓來(lái)標(biāo)定，因此檢測(cè)的精度較高。專用的學(xué)習(xí)和調(diào)節(jié)方法確保在廢氣排放過(guò)程中重要的運(yùn)行工況范圍內(nèi)調(diào)節(jié)到經(jīng)使用后所給定的空燃比。其匹配過(guò)程極其迅速，以至于第一個(gè)運(yùn)行循環(huán)以后就可以使用到學(xué)習(xí)值。

5、高壓共軌系統(tǒng)優(yōu)化效果

      在相同的系統(tǒng)壓力（如160MPa）下，電磁閥系統(tǒng)的全負(fù)荷特性可與壓電系統(tǒng)相比，這兩種系統(tǒng)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能獲得豐滿的扭矩曲線，但是在排放重要的部分負(fù)荷范圍內(nèi)，新的壓電技術(shù)就顯示出其潛力來(lái)了。即使電磁閥系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)非常好的水平，但是與之相比，由于壓電噴油器的噴油曲線優(yōu)化，預(yù)噴射油量減小，在保持低噪聲水平的同時(shí)，微粒和NOx排放量也能降低約13～18％。由于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量減小，液壓控制鏈縮短，預(yù)噴射油量在必要時(shí)能夠減小到小于1mm3。

      在主噴之前增加一次預(yù)噴射,可以縮短主噴滯燃期,從而大幅度的降低NOx的排放,并能有效降低燃燒噪聲；隨著預(yù)噴油量的增加,NOx的排放水平提高,而顆粒排放水平下降，最佳預(yù)噴油量還與負(fù)荷有關(guān)。預(yù)噴與主噴之間的間隔對(duì)顆粒排放水平也有一定影響,應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，采用兩次預(yù)噴射可以降低燃燒噪聲。

      對(duì)不同負(fù)荷下的預(yù)噴射的研究表明,低負(fù)荷條件下的預(yù)噴可以大幅度降低燃燒噪聲和油耗，并有效抑制煙度;在中負(fù)荷時(shí)的預(yù)噴可以大幅度降低燃燒噪聲,抑制HC的生成，并降低NOx的排放;在低速全負(fù)荷工況下,可以增加煙度限制條件下的扭矩。對(duì)后噴的研究表明,后噴是減少顆粒排放的最佳途徑,它還能有效減少煙度、HC的排放和降低油耗。

      由于應(yīng)用第三代高壓共軌噴油系統(tǒng)能大大擴(kuò)展調(diào)節(jié)燃燒過(guò)程的自由度，將優(yōu)化的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到有利于降低噪聲水平上。由于應(yīng)用了兩次預(yù)噴射，中等負(fù)荷時(shí)的噪聲可降3dB(A)。

      根據(jù)所選擇的燃燒過(guò)程，后噴射為減少顆粒排放提供了很大的可能性。在后噴射相位和油量方面為柴油機(jī)開發(fā)人員提供了新的自由度。這就允許在排放、噪聲和燃油耗之間達(dá)到最佳的平衡，例如根據(jù)運(yùn)行工況通過(guò)后噴射顆粒排放最多能降低35％。為了滿足未來(lái)各種不同排氣后處理方案對(duì)噴油系統(tǒng)的要求，第三代高壓共軌噴油系統(tǒng)能夠在膨脹沖程的不同相位進(jìn)行后噴射，這樣一方面能在燃燒進(jìn)行中就為可能存在的顆粒過(guò)濾器的再生準(zhǔn)備好熱量，另一方面同樣也能為存儲(chǔ)式NOx催化器提供所必需的CO峰值。

 

總結(jié)：

      柴油機(jī)電控技術(shù)的出現(xiàn)，是柴油機(jī)發(fā)展過(guò)程的一次技術(shù)革命。隨著柴油機(jī)應(yīng)用電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行的智能控制，改善了船舶柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，達(dá)到低污染排放，使其排放符合國(guó)際公約的要求。所以，高壓共軌噴射系統(tǒng)將會(huì)廣泛應(yīng)用于柴油發(fā)電機(jī)組行業(yè)。盡管如此，電控共軌柴油機(jī)也仍然存在著不足之處，如對(duì)電磁閥及傳感器等部件的可靠性要求高，對(duì)動(dòng)力滑油的清潔要求、共軌管的密封性要求很高等。所以我們要加強(qiáng)對(duì)電控柴油機(jī)的日常維護(hù)管理，提高管理水平，以降低柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本。

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