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性能特點(diǎn)和作用說明 |
柴油發(fā)電機(jī)的高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng) |
摘要：柴油發(fā)電機(jī)共軌式電控燃油噴射技術(shù)是一種全新的技術(shù)，因為它集成了計算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感檢測技術(shù)以及先進(jìn)的噴油結(jié)構(gòu)于一身。簡單的說就是在由高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過對公共供油管內(nèi)的油壓實現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油發(fā)電機(jī)供油壓力隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，因此也就減少了傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的缺陷。
一、高壓共軌燃油系統(tǒng)的特點(diǎn)
共軌系統(tǒng)作為柴油發(fā)動機(jī)滿足國三或更高排放標(biāo)準(zhǔn)的最佳選擇，由高壓供油泵、高壓油軌總成、噴油器、電子控制單元(以下簡稱ECU)和傳感器等組成，其實物外形如圖1所示，結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。在該系統(tǒng)中，共軌噴油器總成的主要功能是：噴油器安裝在燃燒室內(nèi)，根據(jù)吸入空氣量由電子精確控制燃油的噴注量，燃油與空氣充分霧化混合，使符合理論空燃比的混合氣均勻地充滿燃燒室，志在發(fā)揮每一滴燃油的所有潛能，與此同時，由于燃燒充分，可以大幅度減少未燃燒的氣體從發(fā)動機(jī)里排出，從而獲得更低的排放，在相同時間可以完成三次以上的噴射，來緩解發(fā)動機(jī)振動和嚴(yán)苛的排放要求。
電控噴油器通過電磁閥控制噴射油量，控制范圍壓力大，通過提高噴油壓力能保證燃油霧化性能，可以保證燃油完全燃燒。在降低油耗的同時提供了迅猛動力。電控噴油器是負(fù)責(zé)將燃油霧化，并將定量的霧化燃油噴入內(nèi)燃機(jī)氣缸的重要部件。隨著排放要求的提高，內(nèi)燃機(jī)對燃油的霧化水平提出了更高的要求。燃油的霧化水平又與燃油系統(tǒng)的工作壓力密切相關(guān)，壓力越高燃油的霧化水平越好。因此，目前電控共軌系統(tǒng)對噴油器提出了200MPa以上高壓力的要求。
電控噴油器控制定量燃油是通過控制壓力控制腔的壓力來實現(xiàn)的。在控制閥關(guān)閉的時刻，該壓力控制腔需要一個密閉的空間，該密閉的空間是控制閥密封部件與流量控制板的密封部位結(jié)合所構(gòu)成，該結(jié)合部位的受力為控制閥密封部件受到控制閥上彈簧的預(yù)緊力。該預(yù)緊力要求在控制閥關(guān)閉的時刻，大于控制閥所受到的軸向液壓力。隨著系統(tǒng)壓力的提高至200MPa以上，共軌噴油器高壓腔的密封力要求越來越高，因此對共軌噴油器銜鐵回位彈簧預(yù)緊力的要求也越來越高，從而對電磁鐵吸力的要求的逐步提高。
共軌系統(tǒng)是一個全新的燃油噴射系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)如下：
（1）可以實現(xiàn)高壓噴射與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，燃油霧化質(zhì)量高，從而促進(jìn)燃油空氣的混合，實現(xiàn)更完全的燃燒。
（2）實現(xiàn)了一個燃燒循環(huán)中的多次噴油，提高了燃燒控制的自由度。
（3）可以修正每次噴油量，提高噴油控制的精度。
（4）采用先進(jìn)的電子控制裝置及配有高速電磁開關(guān)閥；
（5） 高速電磁開關(guān)閥頻響高，控制靈活；
（6）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)移植方便，適應(yīng)范圍寬。
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圖1 柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)實物圖 |
圖2 柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)原理圖 |
二、高壓共軌燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
在電控高壓共軌系統(tǒng)中，由各種傳感器（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、油門開度傳感器、各種溫度壓力傳感器等）實時檢測出發(fā)動機(jī)的實際運(yùn)行狀態(tài)，由微型處理器根據(jù)預(yù)先設(shè)計的計算程序進(jìn)行計算后，定出適合該運(yùn)行狀態(tài)的噴油量、噴油時間和噴油率模型等參數(shù)，使發(fā)動機(jī)始終都能在最佳狀態(tài)下工作。電控高壓共軌式噴油系統(tǒng)的基本組成是供油泵、ECU、共軌和燃油箱。從功能方面分析，電控共軌系統(tǒng)可分為兩大部分：
1、控制部分
電控共軌系統(tǒng)可分為三大部分：傳感器、ECU和執(zhí)行器。ECU是電控共軌噴油系統(tǒng)的核心部分。ECU根據(jù)各個傳感器的信息進(jìn)行計算完成各種處理后，求出最佳噴油時間和最適合的噴油量，并且計算出在什么時刻、在多長的時間范圍向噴油器發(fā)出開啟或關(guān)閉電磁閥的指令等，從而精確控制發(fā)動機(jī)的工作過程。
2、燃料供給系統(tǒng)
燃料供給系統(tǒng)的基本工作原理是供油泵將燃油加壓成高壓，供入共軌內(nèi)；共軌實際上是一種燃油分配管。儲存在共軌內(nèi)的燃油在適當(dāng)?shù)臅r刻通過噴油器噴入發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)。電控共軌系統(tǒng)中的噴油器是一種由電磁閥控制的噴油閥，電磁閥的開啟和關(guān)閉由ECU控制。高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有以下關(guān)鍵部件：
（1）共軌管
共軌管將供油泵提供的高壓燃油分配到各噴油器中，起蓄壓器的作用。電控系統(tǒng)的供軌管實物圖如圖3所示，結(jié)構(gòu)示例如圖4所示。
它的容積應(yīng)削減高壓油泵的供油壓力波動和每個噴油器由噴油過程引起的壓力震蕩，使高壓油軌中的壓力波動控制在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機(jī)工況的變化。ECD-U2系統(tǒng)的高壓泵的最大循環(huán)供油量為600mm3，共軌管容積為94000mm3。
高壓共軌管上還安裝了壓力傳感器、液流緩沖器（限流器）和壓力限制器。壓力傳感器向ECU提供高壓油軌的壓力信號；液流緩沖器（限流器）保證在噴油器出現(xiàn)燃油漏泄故障時切斷向噴油器的供油，并可減小共軌和高壓油管中的壓力波動；壓力限制器保證高壓油軌在出現(xiàn)壓力異常時，迅速將高壓油軌中的壓力進(jìn)行放泄。
從上述分析可見，精確設(shè)計高壓共軌管的容積和形狀適合確定的柴油機(jī)是并不容易的。
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圖3 柴油機(jī)高壓共軌（蓄能器）實物圖 |
圖4 電控柴油機(jī)共軌管結(jié)構(gòu)示意圖 |
（2）高壓油泵
高壓油泵的實物外形如圖5所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。高壓油泵的供油量的設(shè)計準(zhǔn)則是必須保證在任何情況下的柴油機(jī)的噴油量與控制油量之和的需求以及起動和加速時的油量變化的需求。由于共軌系統(tǒng)中噴油壓力的產(chǎn)生于燃油噴射過程無關(guān)，且噴油正時也不由高壓油泵的凸輪來保證，因此高壓油泵的壓油凸輪可以按照峰值扭矩最低、接觸應(yīng)力最小和最耐磨的設(shè)計原則來設(shè)計凸輪。
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圖5 柴油機(jī)電控高壓供油泵實物圖 |
圖6 電控高壓油泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖析圖 |
（3）電控噴油器
電控噴油器是共軌式燃油系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件，它的作用根據(jù)ECU發(fā)出的控制信號，通過控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率噴入柴油機(jī)的燃燒室。電控噴油器的結(jié)構(gòu)基本相似，都是由于傳統(tǒng)噴油器相似的噴油嘴、控制活塞、控制量孔、控制電磁閥組成，圖7為電控噴油器結(jié)構(gòu)圖。其工作過程如下：
① 在電磁閥不通電時，電磁閥關(guān)閉控制活塞頂部的量孔，高壓油軌的燃油壓力通過量孔作用在控制活塞上，將噴嘴關(guān)閉；當(dāng)電磁閥通電時，量孔被打開，控制室的壓力迅速降低，控制活塞升起，噴油器開始噴油；當(dāng)電磁閥關(guān)閉時，控制室的壓力上升，控制活塞下行關(guān)閉噴油器完成噴油過程。
② 控制了噴油率的形狀，需對其進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)預(yù)定的噴油形狀。控制室的容積的大小決定了針閥開啟時的靈敏度，控制室的容積太大，針閥在噴油結(jié)束時不能實現(xiàn)快速的斷油，使后期的燃油霧化不良；控制室容積太小，不能給針閥提供足夠的有效行程，使噴射過程的流動阻力加大，因此對控制室的容積也應(yīng)根據(jù)機(jī)型的最大噴油量合理選擇。針閥結(jié)構(gòu)放大圖如圖8所示。
③ 控制量孔的大小對噴油嘴的開啟和關(guān)閉速度及噴油過程起著決定性的影響。雙量孔閥體的三個關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)是進(jìn)油量孔、回油量孔和控制室，它們的結(jié)構(gòu)尺寸對噴油器的噴油性能影響巨大。回油量孔與進(jìn)油量孔的流量率之差及控制室的容積決定了噴油嘴針閥的開啟速度，而噴油嘴針閥的關(guān)閉速度由進(jìn)油量孔的流量率和控制室的容積決定。進(jìn)油量孔的設(shè)計應(yīng)使噴油嘴針閥有足夠的關(guān)閉速度，以減少噴油嘴噴射后期霧化不良的部分。
④ 此外噴油嘴的最小噴油壓力取決于回油量孔和進(jìn)油量孔的流量率及控制活塞的端面面積。這樣在確定了進(jìn)油量孔、回油量孔和控制室的結(jié)構(gòu)尺寸后，就確定了噴油嘴針閥完全開啟的穩(wěn)定、最短噴油過程，同時就確定了噴油嘴的穩(wěn)定最小噴油量。控制室容積的減少可以使針閥的響應(yīng)速度更快，使燃油溫度對噴油嘴噴油量的影響更小。但控制室的容積不可能無限制減少，它應(yīng)能保證噴油嘴針閥的升程以使針閥完全開啟。兩個控制量孔決定了控制室中的動態(tài)壓力，從而決定了針閥的運(yùn)動規(guī)律，通過仔細(xì)調(diào)節(jié)這兩個量孔的流量系數(shù)，可以產(chǎn)生理想的噴油規(guī)律。
⑤ 由于高壓共軌噴射系統(tǒng)的噴射壓力非常高，因此其噴油嘴的噴孔截面積很小，如BOSCH公司的噴油嘴的噴孔直徑為0.169mm×6，在如此小的噴孔直徑和如此高的噴射壓力下，燃油流動處于極端不穩(wěn)定狀態(tài)，油束的噴霧錐角變大，燃油霧化更好，但貫穿距離變小，因此應(yīng)改變原柴油機(jī)進(jìn)氣的渦流強(qiáng)度、燃燒室結(jié)構(gòu)形狀以確保最佳的燃燒過程。
⑥ 對于噴油器電磁閥，由于共軌系統(tǒng)要求它有足夠的開啟速度，考慮到預(yù)噴射是改善柴油機(jī)性能的重要噴射方式，控制電磁閥的響應(yīng)時間更應(yīng)縮短。
（4）高壓油管
高壓油管是連接共軌管和電控噴油器的通道，它應(yīng)有足夠的燃油流量減小燃油流動時的壓降，并使高壓管路系統(tǒng)中的壓力波動較小，能承受高壓燃油的沖擊作用，且起動時共軌中的壓力能很快建立。各缸高壓油管的長度應(yīng)盡量相等，使柴油機(jī)每一個噴油器有相同的噴油壓力，從而減少發(fā)動機(jī)各缸之間噴油量的偏差。各高壓油管應(yīng)盡可能短，使從共軌到噴油嘴的壓力損失最小。
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圖7 柴油機(jī)高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu) |
圖8 高壓共軌噴油器的噴油嘴針閥偶件放大圖 |
三、高壓共軌燃油系統(tǒng)的功能和優(yōu)點(diǎn)
共軌系統(tǒng)最主要的技術(shù)參數(shù)是噴油壓力，其次是一個燃燒循環(huán)中最多可以噴油的次數(shù)，其中提高噴油壓力和增加噴油次數(shù)的目的是不同的。在每一個工作循環(huán)中進(jìn)行多次噴油，這在傳統(tǒng)的噴油系統(tǒng)中是無法實現(xiàn)的。
1、功能
每次噴油的噴油量不同，而且每次噴油的用途也不相同。以5次噴油為例，每次噴油都有其特殊的目的和用途，功能分解如下。
（1）先導(dǎo)噴油。降低噪聲、削減NO（氮氧化合物）。
（2）預(yù)噴油和主噴油。得到理想動力性。
（3）后噴油。削減PM（顆粒物）排放。
（4）遠(yuǎn)后噴油。達(dá)到排氣后處理裝置的工作條件等。
2、優(yōu)點(diǎn)
高壓共軌系統(tǒng)可實現(xiàn)在傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)中無法實現(xiàn)的功能，其優(yōu)點(diǎn)有：
（1）共軌系統(tǒng)中的噴油壓力柔性可調(diào)，對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，配合高的噴射壓力（120MPa-200MPa），可同時控制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，實現(xiàn)理想噴油規(guī)律，容易實現(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)噴油量變動小，各缸供油不均勻可得到改善，從而減輕柴油機(jī)的振動和降低排放。由于高壓共軌系統(tǒng)具有以上的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在國內(nèi)外柴油機(jī)的研究機(jī)構(gòu)均投入了很大的精力對其進(jìn)行研究。
3、類型
（1）高壓共軌系統(tǒng)
由高壓輸油泵（壓力在120MPa以上）直接產(chǎn)生高壓燃油輸送至共軌中，一般采用“時間-壓力控制”方式，又稱為第一代共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)。
（2）中壓共軌系統(tǒng)
由中壓輸油泵（10～13MPa）將中壓燃油輸送到共軌中，采用帶有增壓作用的噴油器使噴油壓力達(dá)到120～150MPa。一般采用“壓力控制”方式，也是第二代共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)。
（3）壓電式共軌系統(tǒng)
高壓共軌系統(tǒng)和中壓共軌系統(tǒng)都屬電磁閥式共軌系統(tǒng)。壓電式共軌系統(tǒng)利用壓電晶體作為執(zhí)行元件，通過控制噴油器針閥的升程（或噴油開始與結(jié)束）來實現(xiàn)燃油噴射控制。壓電式共軌系統(tǒng)被稱為第三代共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)。
總結(jié)：
由于高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)具有可以對噴油定時、噴油持續(xù)期、噴油壓力、噴油規(guī)律進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，該系統(tǒng)的采用可以使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動力性和排放性能都會有進(jìn)一步的提高。這就需要我們加大對高壓共軌系統(tǒng)的研究力度，使我國的柴油機(jī)水平跨上一個新的臺階。
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