性能特點和作用說明

單體泵、泵噴嘴和高壓共軌噴射系統三者性能比較

 

摘要：柴油機電控燃油技術是一種全新的現代技術，它集成了計算機控制技術、傳感器檢測技術以及先進的噴油控制技術于一身。其不僅能達到較高的噴射壓力、實現噴油量的精準控制，從而優化噴油特性形狀并降低柴油機噪聲和大大減少廢氣的排放量。電控系統主要分為共軌系統和單體泵兩種結構，從使用角度而言，隨著柴油機強化程度的不斷提高，對高速型柴油發電機，多采用響應特性優越的高壓共軌系統；而對使用重型柴油發電機采用單體泵的較多，因為單體泵對燃料的適應性更好。但兩者對比后從放熱規律控制精度上考慮，直接控制噴油器的高壓共軌系統，特別是壓電式高壓共軌噴射系統，其發展潛力更加符合柴油發電機組的未來發展。

 

一、電控柴油機技術概述

 

       電控柴油機的燃油噴射系統的內部結構如圖1所示，控制功能如圖2所示。

      電控柴油噴射系統按控制方式分類，可以分為位置控制式系統和時間控制式系統。時間控制式噴射系統，是通過電磁閥的接通和斷開時刻來控制噴油（供油）時刻和噴射量的，可以說這是柴油發電機電控噴射技術逐步成熟的標志。時間控制式噴射系統根據供油系統結構特點又分為泵-管-噴油器型和泵噴嘴型兩種。如時間控制式VE型分配泵電控系統、單體泵及高壓共軌系統均屬于泵-管-噴油器型時間控制式噴射系統，而電控泵噴嘴系統屬于后者。位置式噴射系統包括機械式的和電控式的，都屬于泵-管-噴油器型。

      根據噴射壓力的不同，噴射系統又分為低壓（18～24MPa）、中壓（60～80MPa）和高壓（＞100MPa）噴射系統。目前常用的高壓共軌、單體泵和泵噴嘴這三種電控噴射系統的最高噴射壓力均超過200MPa，其中高壓共軌噴射系統的噴射壓力也可以實現柔性控制，因此這種控制方式又稱為時間-壓力式控制。柴油發電機的燃油噴射系統從低壓的機械式噴射系統逐步向電控位置控制式、電控時間控制式、電控高壓時間-壓力控制式發展。目前，國外已開發研究出基于壓電式噴油器的時間-壓力式高壓高響應電控噴射系統。這種噴射技術的發展，使高速發電用柴油發電機向直噴化發展，同時滿足日趨嚴格的節能和排放法規。

      柴油發電機電控噴射技術，經歷了位置控制式、時間控制式和時間-壓力控制式等發展過程。對VE型分配泵改進的時間控制式電控系統，雖然提高了噴油泵的控制精度和靈活性，但這種以噴油泵控制為核心的、通過供油規律間接控制噴油規律的方式，已不再適合越來越嚴格的排放法規要求。為了更有效地控制放熱規律，在控制策略上，從原來以噴油泵控制為核心的供油規律的控制模式，發展到以噴油器控制為核心的直接控制噴油規律的控制模式。20世紀80年代成功開發的高壓共軌噴射系統，可以說是柴油發電機噴射技術發展史上一個新的里程碑，它實現了在傳統的柴油發電機上不可能實現的噴油規律的直接控制，成為現代發電用柴油發電機燃料噴射技術的主流。高壓共軌噴射系統的最大特征是，不僅噴射壓力高壓化，而且可實現噴射壓力的柔性控制。其他時間控制式高壓電控系統還有泵噴嘴和單體泵兩種，雖然這兩種噴射系統也能實現高壓噴射，但對噴射壓力的柔性控制受到結構限制。

      泵噴嘴在高壓、均勻分布和可控性方面具有顯著優勢，但同時也存在成本高、維護要求高、易堵塞和使用壽命有限等潛在缺點。因此，在中國國內采用該系統的產品較少，屬于小眾化品牌范圍，在本文中不再具體進行對比和討論。

1、成本較高

      由于泵噴嘴的制造工藝復雜，材料成本較高，因此它們的價格通常高于其他類型的噴嘴。

2、維護要求

      泵噴嘴需要定期進行維護和清洗，以保持其性能和效率。這可能需要專業的知識和設備。

3、易堵塞

      由于泵噴嘴的高壓特性，較小的顆粒或雜質容易在噴嘴內部產生堵塞。這可能導致噴嘴性能下降，甚至需要更換。

4、使用壽命

      泵噴嘴的使用壽命取決于其工作環境和使用頻率。在某些高壓力和高溫環境下，泵噴嘴可能會更容易磨損和損壞。

 

圖1  電控柴油機內部結構圖（四缸機）

圖2  電子控制柴油機的控制框圖

 

 

二、單體泵與共軌系統的各自特點

 

1、高壓共軌噴射系統特點

      高壓共軌噴射系統（CR）在結構上仍然采用了泵-管-噴油器型，原理如圖3所示。但是從控制角度，高壓泵和噴油器互相獨立。在噴射方式上采用直接控制噴油器的方法，由此實現對噴油規律的直接控制。而高壓泵的控制是通過ECU根據軌壓傳感器反饋控制其節流閥或PCV電磁閥來調節泵油量的，使共軌的軌壓達到設定值，只為噴油器的噴射過程創造條件。所以，噴射壓力不受柴油發電機轉速、負荷的影響，可任意控制。因此，這種方式在放熱規律控制精度和響應特性方面更具有優越性，但需要在高壓系統的高壓密封及可靠性方面采取相應的措施。高壓共軌系統最大特點如下：

（1）采用先進的電子控制技術裝置及配有高速電磁開關閥，使得噴油過程的控制十分方便，并且可控參數多，有利于柴油機燃燒過程的全程優化；

（2）采用共軌方式供油，噴油系統壓力波動小，各噴油嘴間相互影響小噴射壓力控制精度較高，噴油量控制精準；

（3）高速電磁閥開關頻率高，控制靈活，使得噴油系統的噴射壓力可調范圍大，并且能方便地實現預噴射，后噴射等功能，為優化柴油機噴射規律、改善其性能和降低廢氣排放提供了有效的手段；

（4）系統結構移植方便適應范圍寬，不像單體泵柴油機對柴油機的結構形式有專門要求。高壓共軌系統均能與目前小型、中型重型柴油機很好的匹配。

2、單體泵的特點

      單體泵（UP）工作原理如圖4所示。它在結構上改善了高壓共軌噴射系統中高壓油管長而帶來的高壓密封及可靠性等問題，避免了安裝在氣缸蓋上的泵噴嘴型噴射系統體積大、結構復雜的缺點。但是在控制方法上采用控制單體泵的供油特性來間接地控制噴油規律的方式。由于高壓化且高壓油管短，所以供油規律和噴油規律不一致的問題得到很大的改善，但是在噴油規律的控制精度及高速響應特性等方面，單體泵不及高壓共軌噴射系統和泵噴嘴型噴射系統。單體泵的噴油規律控制精度及其響應特性主要取決于高壓系統的容積大小和其內部的壓力波動狀態。所以，在安裝條件允許的情況下應盡可能縮短高壓油管長度，而且必須保證具有一定的承壓能力和承受高頻壓力波動的能力。

      電控單體泵的外形和傳統機械泵相似，但它是每缸一個單獨的油泵和噴油器，有幾個缸就有幾個獨立的單體泵。它由ECU根據采集的數據通過油泵上的電磁閥來控制油泵的升程來達到控制噴油壓力目的，與此同時ECU還能根據實時數據，調整最佳噴油時間和噴油量，與機械泵相比使得燃燒更好排放更低的作用。

       簡單的說，高壓共軌就像是一個噴泉，一個加壓泵將水送到管子里，管子上帶著N個噴水頭。而電控單體泵就像是噴泉中心噴的最高的幾根水柱，那幾根水柱就是一個泵只帶動一個噴嘴，就像電控單體泵一樣，有幾個缸就有幾個單體泵逐一對應。電控單體泵則不同，他是每個單體泵上都有電磁閥，通過它來控制噴油的正時和噴油量，噴油器則只是一個機械式噴油器，相對于共軌的電控噴油器精度就低很多。相對于高壓共軌，單體泵對柴油的要求較低，但是排放要比高壓共軌差很多，達不到非道路國三以及以上排放標準。

 

圖3  高壓共軌系統組成結構和工作原理示意圖

圖4  單體泵電控燃油噴射系統結構組成

 

三、單體泵與共軌系統的優勢對比

 

      從具體細節對比單體泵與共軌系統的區別看看各自的優勢。

1、噴油壓力的控制比較

（1）電控單體泵的噴射壓力是通過油泵驅動凸輪型線的設計來實現的，且與噴油器的孔徑以及發動機的轉速有關。即噴油嘴孔徑越小，最高噴射壓力越大；發動機轉速越低，則噴射壓力越小。不利于發動機的低速性能。該系統目前能實現的最高噴射壓力為180MPa。

（2）共軌系統的噴射壓力可以完全獨立于發動機的轉速，有利于改善發動機的低速性能，噴射壓力由高壓泵上的電磁閥進行調節，并由相關MAP實現靈活控制，同時噴射壓力也與噴油嘴孔徑無關。該系統目前能實現的最高噴射壓力為160MPa。

      因此，在噴油壓力控制方面，高壓共軌系統優于電控單體泵，這對于滿足更嚴格的排放有利。

2、噴油量的控制比較

（1）如圖5所示。電控單體泵和共軌系統都能在各個發動機工況實現對噴油量的靈活精確調節。電控單體泵能實現的最小噴油量為3mm³/st，但不能實現預噴射。不利于冷啟動。

（2）如圖6所示。共軌系統能實現的最小噴油量為2mm³/st，且能實現預噴和后噴，通過預噴射可以有利于冷起動，并降低噪聲；而后噴射，則可以應用于后處理，為滿足將來歐IV等更嚴格的排放法規提供技術儲備。

 

圖5  柴油機單體泵的控制功能

圖6  柴油機共軌系統的控制功能

 

3、噴油正時比較

      電控單體泵和共軌系統都能根據發動機各個工況的需要，靈活調節噴油正時，這對于調節和改善發動機在各個工況的油耗、NO_x以及煙度非常有利。

4、噴油規律比較

（1）電控單體泵的噴油規律與機械直列泵相同，為三角形，燃燒柔和，爆發壓力低，有利于降低NO_x。

（2）共軌系統的噴油規律為矩形，爆發壓力高，燃燒粗暴一些，不利于降低NO_x。

      因此電控單體泵的噴油規律優于共軌系統。

5、快速斷油能力比較

（1）電控單體泵依靠噴油器的針閥彈簧斷油，由于從高壓泵到噴油器較長的高壓油管，高壓油管的燃油壓力波會影響噴油器的快速斷油，對發動機的燃油耗以及煙度不利。

（2）高壓共軌系統通過電磁閥控制噴油器柱塞上下腔的燃油壓差，加上針閥彈簧的共同作用，使得噴油器噴油結束后的斷油很迅速，這對于改善顆粒排放及煙度有利。

6、油泵的吸收功率比較

（1）電控單體泵為每個噴油器對應一個單體泵，6個單體泵由一個泵箱集成為一體，因而其體積較大，驅動機構笨重，油泵的吸收功率較大。

（2）共軌系統的HP0高壓泵采用兩個三角形凸輪驅動，每個凸輪有三個凸起，結構緊湊，重量輕，便于安裝，且油泵的吸收功率小。

7、控制策略比較

（1）電控單體泵由于不能實現預噴射和后噴射，因此其控制策略也簡單，補償MAP較少，電控單體泵共有57張控制MAP。

（2）高壓共軌系統能實現預噴射和后噴射，其控制策略要復雜得多，相關的補償MAP很多，共有310張控制MAP，為發動機以及整車性能的優化提供了技術接口。

8、對燃油清潔度的要求比較

（1）電控單體泵對燃油清潔度的要求較低，燃油的過濾精度與機械直列泵相當。

（2）共軌系統對燃油品質的要求較高，要求燃油的過濾精度達到5u，遠高于機械直列泵。燃油系統的雜質容易導致共軌系統失靈。

9、國產化程度比較

（1）電控單體泵無論高壓油泵、電磁閥、噴油器還是ECU都可以完全國產化，價格低。

（2）高壓共軌系統的關鍵零部件，包括高壓泵、共軌管、電控噴油器和ECU都只能進口，成本較高。

       綜上所述，高壓共軌與單體泵的噴油綜合性能對比如圖7所示，高壓共軌與單體泵的重量、噪音和安全性對比如圖8所示。

 

圖7  高壓共軌與單體泵的噴油性能對比圖

圖8  高壓共軌與單體泵的噪音和安全性對比圖

 

總結：

      康明斯系列發電機組選用電噴高壓共軌柴油機，排放完全滿足非道路國三GB20891-2014排放標準，國家進一步對排放要求國四時候只需增加后處理等一系列措施就可以滿足要求。單體泵柴油機只是一個過渡產品，介于機械泵柴油機與高壓共軌柴油機之間的一個產品，存在著很多的不足，比如由于結構的原因無法實現多次噴射，排放控制較難，機械噴油器會出現因為磨損和彈簧疲勞造成的噴油壓力過低，造成噴油時間過早影響發動機的動力。單體泵在排放控制上遠遠不如高壓共軌，這也是為什么單體泵在國內環境下適應性好，卻一直沒能大規模生產應用的主要原因。此外，單體泵柴油機在對排放要求較高的場合，不能滿足現階段國家對排放要求嚴格的標準。

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