新聞主題	高壓共軌式柴油發電機的工作原理

 

引言：高壓共軌技術是指在由高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環系統中，將噴射壓力的產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的油壓實現精確控制，使高壓油管壓力大小與發動機的轉速無關，可以大幅度減小柴油發電機供油壓力隨發動機轉速的變化，因此也就減少了傳統柴油發電機的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量，噴油量大小取決于燃油軌（公共供油管）壓力和電磁閥開啟時間的長短。

 

一、燃油系統優化的原因

 

      從上世紀80年代起，特別是第一代共軌噴油系統引入柴油發電機噴油系統領域以來。直噴式柴油機燃燒過程開發的理念就發生了劃時代的變化，為了較大幅度地降低廢氣排放和燃油消耗，應盡可能采用越來越高的噴油壓力。這就涉及到如何充分利用高噴油壓力的潛力，其中包括提高柴油機的功率、有害物排放量和燃油經濟性，而不損害其運轉的穩定性和柔和性。共軌燃油系統的噴射過程如圖1所示。

（1）隨著柴油機平均有效壓力的提高，活塞側壓力的急劇升高使得柴油機的運轉噪聲明顯增大，此時采用位于主噴射之前的預噴射為最合適的應對措施，它可以平緩汽缸壓力升高率，從而降低噪聲排放。

（2）在噴油壓力繼續提高和更嚴格的排放法規形勢下，在主噴射前后補充附加噴射是進一步優化直噴式柴油機燃燒過程的有效途徑。

（3）噴油壓力進一步升高時，必須采用多次噴射使得燃燒過程始終具有柔和的壓力升高率，以便進一步降低燃燒噪聲。

（4）機內凈化炭煙顆粒始終是直噴式柴油機燃燒過程開發的重要目標，為使缸內燃燒過程中形成的碳煙顆粒能更好地燃燒，還應附加合適的后噴射。這特別適合于發動機中低轉速范圍，在這些運轉工況范圍內噴油控制的靈活性顯得尤為重要。

（5）為滿足歐三及以上的排放法規的要求，柴油發電機越來越多地裝用吸附式NOx和顆粒捕集器，這又對噴油系統提出了另一個要求：

      為在柴油機運轉期間實現這兩種裝置的再生，以持續地保持它們的凈化功能，須在主噴射主后再補充一部分燃油，以便為吸附式NOx催化器還原凈化NOx，提供所需的還原劑（CO、HC），為顆粒捕集器再生提供定期燒掉累積起來的碳煙顆粒所需熱量，并提高催化器和顆粒捕集器中的溫度，這在中低轉速區域更顯得特別重要，否則就不能確保它們在該區域中每個運轉工況下都能達到進行循環再生所必需的溫度。

（6）噴油系統必須具備每循環盡量多次的噴射能力，最理想的狀況是：在轉速低于2500/min的運轉工況區最多達5次噴射，在中等轉速區2次或3次噴射．而在標定轉速區只需單次噴射。

（6）噴油器中的控制閥必須具有很高的工作頻響和控制柔性（如圖2所示），而且對噴油計量精度和重復性提出了更高的要求。但是，電磁閥控制的噴油器因受電磁線圈的電感和磁滯回線的影響而具有較長的滯后時間，限制了其達到更高的工作頻響和控制柔性。

 

圖1  柴油機電控噴油器噴射過程

圖2  電控噴油器控制閥工作原理圖

 

二、高壓共軌系統工作原理

 

      高壓共軌系統原理如圖3所示。噴油泵的供油量的設計準則是必須保證在任何情況下柴油機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。由于共軌系統中噴油壓力的產生與燃油噴射過程無關，且噴油正時也不由噴油泵的凸輪來保證，因此噴油泵的凸輪可以按照峰值扭矩最低、接觸應力最小和最耐磨的設計原則來設計凸輪。

1、開始噴油

      ECU控制壓電執行器伸長，推動液壓位移放大器活塞向下運動；伺服控制閥活塞在液壓位移放大器輸出端作用下，向下運動較大位移，推動伺服控制閥下座落座，針閥背壓腔與低壓油連通；在針閥腔高壓油壓強作用下，針閥開啟噴油。

2、結束噴油

      ECU控制壓電執行器縮短，伺服控制閥活塞上表面的液壓力消失，伺服控制閥在底部彈簧力以及向上的液壓合力的作用下向上運動，伺服控制閥上座落座；則針閥背壓腔與高壓油連通，在背壓腔中彈簧對針閥向下的壓力和向下的液壓合力的作用下向下，針閥落座停止噴油。

3、噴油器基本參數

      由于壓電共軌噴油系統工作的壓力高達180MPa，因此壓電噴油器對零件表面質量和幾何精度等方面的機械性能提出了極高的耍求。其最小的噴孔直徑可達到0.12mm，并有意加工成圓錐形，噴孔內側進孔處還要采用液力研磨（液力沖蝕）工藝倒成圓角。所有的噴嘴針閥體孔直徑都經氣動量儀測量，針閥直徑則按測得的噴嘴針閥體孔直徑尺寸進行自動配磨，確保該對精密偶件的配合間隙保持在大約2μm。

      正因為針閥體和針閥偶件必須以如此小的公差來相互配對，因此機械加工的要求十分苛刻。毛坯要在23℃的恒溫車間內進行加工，噴嘴針閥體內孔的表面粗糙度要求達到Rz=0.6μm，并采用激光干涉儀進行無缺陷檢驗。確保噴嘴針閥體孔和針閥幾何精度的正確性和一致性，從而使針閥在針閥體孔中的自由滑動達到最理想的狀態。

      為了證實加工質量完全一致，另外還要進行噴射油束形狀檢驗來控制最終的實際應用質量，標準的噴射油束形狀如圖4所示。噴油器的最后裝配則要求在凈化室內進行，因為公差極其小，并必須確保性能的高可靠性，因此即使50μm大小的微粒就會妨害噴油器的正常功能，尤其是200μm大小以上的微粒決不允許進入噴油器。從功能和可靠性觀點出發，壓電共軌噴油系統對高壓零件的清潔度的要求比通常行程控制的噴油系統更高。

 

圖3  康明斯發動機電噴燃油系統原理圖

圖4  電控噴油器噴油油束形狀

 

三、高壓共軌燃油噴射系統主要部件

 

      高壓共軌系統主要由電控單元、高壓油泵、共軌管、電控噴油器以及各種傳感器等組成。低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌，高壓油軌中的壓力由電控單元根據油軌壓力傳感器測量的油軌壓力以及需要進行調節，高壓油軌內的燃油經過高壓油管，根據機器的運行狀態，由電控單元從預設的map圖中確定合適的噴油定時、噴油持續期由電液控制的電子噴油器將燃油噴入氣缸。

1、共軌

      共軌的任務是存儲高壓燃油，高壓泵的供油和噴油所產生的壓力波動由共軌的容積進行緩沖，在輸出較大燃油量時，所有氣缸共用的共軌壓力也應近似保持為恒定值，從而確保噴油器打開時噴油壓力不變。圖5為高壓共軌的結構。它是一根鍛造鋼管，油軌的內徑為10mm，長度范圍在280~600mm之間，具體長度按柴油發電機的要求而定，高壓柴油經流量限制器通過各自的油管與噴油器聯接。共軌壓力傳感器安裝在高壓共軌管上，感應燃油壓力。它采用壓力作用在硅體上，可改變電阻值的半導體壓力傳感器。

2、壓力限制閥

（1）作用

      壓力限制與過爍閥或溢流閥的作用相同，相當于安全閥，它限制共軌中的壓力，在壓力限定值超出時，限壓閥通過打開溢流口來限制油軌中的壓力限制閥元件油軌中短時的最大壓力為160MPa。

（2）結構

      壓力限制閥的構造如圖6所示，它屬于一種機械液壓控制裝置，以螺紋緊固在軌道端部，主要由限壓閥、移動活塞、彈簧、限位塊等部件組成。

（3）工作原理

      壓力限制閥與軌道聯接端有進油孔，與軌道內腔相通，軌道內的高壓燃油由進油孔]進入力限制閥內，直接作用在限壓閥上。限壓閥在彈簧的作用下，其座面處于關團狀態。在正常工況下最大油壓力小于允許的最大值160MPa，彈簧力始終能把限壓閥靠在密封座面上，共軌內的高壓燃油不能由此流出。但當軌道內燃油壓力超過最大允許值后，作用在限壓閥上的燃油壓力大于彈的壓力，會頂開限壓閥，這時軌道內的部分高壓油能從打開的座面處，流入壓力限制閥內，并經燃油通道由回油螺釘流回油允許值后，彈簧力又會使限壓閥上的密封座面關團，軌道壓力不再下降。這樣把軌道壓力始終控制在許可范圍內。

圖5  高壓共軌結構圖

圖6  共軌系統壓力閥構造圖

3、電控噴油器

      電控噴油器是共軌式燃油系統中最關鍵和最復雜的部件，其結構如圖7所示。它的作用根據ECU發出的控制信號，通過電磁閥的開啟和關閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油時間及噴油量噴入燃燒室。

4、高壓油泵

      高壓油泵是一個由流量計量閥、壓力調節閥綜合控制輸出壓力的柱塞式油泵，其結構如圖8所示。

      從油箱通過輸油泵泵出的燃油進入高壓油泵，燃油計量閥將燃油均勻分配到兩個泵活塞的進油通道，發動機傳動驅動軸的凸輪驅動泵活塞上下運動給燃油加壓，它能產生的最大噴射壓力為 1800 bar，未來更高。

 

圖7  柴油機高壓共軌噴油器結構示意圖

圖8  共軌燃油系統高壓油泵結構圖

 

5、流量限制閥

（1）作用

      流量限制閥的作用是控制最大燃油流量，防止噴油器可能出現持續噴油現象，如果某一缸從軌道輸出的油量超出規定值時，流量限制器將流向相應噴油器的進油管關閉。由于該部件結構較為復雜，屬于選裝件，有被省略的可能。

（2）結構與原理

      兩端帶有外螺紋的螺套，一端固定在軌道接頭上，另一端與噴油器管接頭聯接，螺套的中孔內裝有限位塊、活塞、彈簧等零件。在正常情況下，由于彈簧的作用，把活塞向上壓到與限位塊相接觸的位置。這時螺套5的座面（通道）處于開啟狀態，軌道內的高壓燃油由進油孔進入流量限制器內，從中心孔經徑向節流孔，通過座面、通油孔流進噴油器，整個流量限制器成為溝通軌道與噴油器的重要燃油通道。
在補充的油量由進油孔進入流量限制閥后，會從中心孔經節流孔流入彈簧室內，使活塞上下承受著相同的燃油壓力，因此，噴油后能恢復到平衡狀態，但由于彈簧4的作用，又會將活塞3壓回到與限位塊相接觸的位置。

（3）噴油過程

      通常，噴油過程結束，活塞移動停止，由于每循環噴油量很小，所以直到噴油終點，活塞的移動量不大，到達不了關閉座面7的位置。在活塞向上回位過程中，軌道內的高壓燃油會很快從節流孔流入彈簧室，補充活塞向上移動時所讓出的空間。使聯接噴油器端的燃油壓力又恢復到噴油前的水平，為下一次噴油做好準備，這樣能保證每循環噴油壓力的一致性。

      噴油時，流量限制器的噴油器端由于燃油的噴出，壓力會下降，為使進入噴油器的燃油壓力保持不變，軌道內的高壓燃油應迅速向噴油器端補充，才能保證整個噴油過程中每一循環達到的噴油壓力保持不變，都在高壓下進行。如果燃油噴出后，不能及時補充燃油，噴油器端就會產生壓力降，下一循環的噴油壓力就會降低，這樣，不能保證每次噴油都是在相同壓力下進行。通常噴油器端因噴油引起壓力下降的同時，活塞3的另一端由于軌道壓力基本不變，因此產生了壓差，活塞在軌道壓力的作用下克服了彈簧的壓力，向噴油器端移動，活塞移動所讓出的空間，能從軌道內獲得相同排量的油量來補充噴出的油量。

（4）流量限制閥常見故障

      在運行中如出現下列故障時，流量限制閥會自動停止供油，以防止發生嚴重事故。當發生泄漏現象，可采用泄漏量檢測裝置進行試驗，如圖9所示。其泄漏量和壓力曲線如圖10所示。

（1）燃油大量泄漏時的故障運行情況

      燃油由軌道從噴油器噴出，必經流量限制閥座面處的通道。當燃油從軌道中流入流量限制閥時，會把活塞推離限位塊，燃油流入量越多，活塞行程越大，會被推向更遠離限位塊的位置。而同時活塞3的座面通道愈小。當燃油流入量超過極限值時，活塞會下移到座面關閉位置，從而能阻擋燃油流向噴油器，使柴油發電機停機。

（2）燃油少量泄漏時的故障運行情況

      燃油從軌道流入流量限制閥，再從流鼠限制閥流出，經噴油器噴射，當流入量和流出量相等時，每次噴油后，活塞總能回到與限位塊的接觸位置。但若軌道流入量增加，而流出量不變，則將出現進的多、出的少的現象。每次噴油后，活塞就無法再回到與限位塊相接觸的位置。這時由軌道泄漏進入流量限制閥的燃油，即使每次量不多，但也會使活塞無法再回到與限位塊的接觸位置，連續幾次噴油后，泄漏量的積累，也會把活塞壓到關閉座面的位置，從而切斷燃油流向噴油器，也能使柴油發電機停機。

 

圖9  電控噴油器泄漏量測試裝置

圖10  電控噴油器間隙泄漏量和壓力曲線圖

 

總結：

      由于應用第三代壓電共軌噴油系統能大大擴展調節燃燒過程的自由度，將優化的焦點轉移到有利于降低噪聲水平上。由于應用了兩次預噴射，中等負荷時的噪聲可降3dB(A)。根據所選擇的燃燒過程，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開發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到最佳的平衡，例如根據運行工況通過后噴射顆粒排放最多能降低35％。為了滿足未來各種不同排氣后處理方案對噴油系統的要求，第三代壓電共軌噴油系統能夠在膨脹沖程的不同相位進行后噴射，這樣一方面能在燃燒進行中就為可能存在的顆粒過濾器的再生準備好熱量，另一方面同樣也能為存儲式NOx催化器提供所必需的CO峰值。

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