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)，像我們常見的抽水機(jī)一樣。被快速抽上來(lái)的燃油通過油管來(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)制造過程中都被輸入電控單元，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中這些數(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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