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柴油機共軌電控燃油噴射技術的原理與發展方向 |
摘要：柴油發電機共軌電控燃油噴射系統利用先進的電子技術、高頻高速電磁閥技術，能夠自由控制噴油量、噴油壓力、噴油正時和噴油頻率，目前正迅速發展。康明斯公司在本文簡要介紹康明斯發電機組燃油系統的發展過程、基本原理和類型，并闡述共軌系統的優點及發展方向。
一、共軌電控燃油噴射技術的發展歷程
1、柴油機技術的發展過程
20世紀，柴油發電機技術發展史上經歷了三次重大的飛躍：機械式燃油系統、中冷增壓和電控噴射。在20世紀60年代后期，瑞士的Hiher教授研制了柴油發電機共軌電控系統的“原型”，其后以瑞士工業大學的Ganser教授為中心對共軌電控系統進行了一系列的研究。從20世紀70年代開始，鑒于柴油發電機有害氣體排放嚴重污染自然環境、石油資源的有限開采和利用，人們主動而有效地利用電子技術、計算機技術、傳感技術和控制理論推動柴油發電機燃油噴射技術的發展。1995年末，日本電裝公司將ECD-U2型共軌電控系統成功的應用于載柴油發電機上并批量生產，從此開始了柴油發電機共軌電控燃油噴射系統的新時代，隨后，德國的博世公司、美國的康明斯公司、瑞典的沃爾沃公司、意大利的Fiat公司和日本五十鈴公司等相繼將自行開發。
柴油機的電控燃油噴射技術的發展歷程可以分為三代。
（1）第一代柴油機電控燃油噴射系統被稱為位置控制系統，采用電子伺服機構（如線性螺線管、線性直流電機等）代替機械式調速器來控制供油齒桿的位置（直列泵）或控制溢油環的位置（分配泵）實現噴油量的控制，由EUC控制的電液執行機構改變發動機驅動軸與噴油泵凸輪軸之間的相位或控制提前器活塞的移動實施噴油時間的控制。
（2）第二代電控燃油噴射系統被稱為時間控制系統，和傳統的柱塞泵供油方式相比，它仍然采用傳統方式提供高壓油，但是在燃油的噴射上，則是由ECU控制的安裝在噴油器上的高速電磁閥的動作來控制噴油閥的開啟時機、時間，從而更加精確的控制燃油的噴射量和時機。因為采用了高速電磁閥，其控制精度較第一代產品有了較大的提升。
（3）第三代柴油機電控燃油噴射系統，時間-壓力控制系統，也稱為高壓共軌電控燃油噴射系統，它是20世紀90年代中期研制成功的全新的電控燃油噴射系統，打破了傳統的噴油泵、分缸燃油供油方式，可以實現噴油壓力、時間、噴油量、各種復雜噴油特性的綜合控制，比一二代電控燃油噴射系統更加準確優秀。
2、柴油機技術的發展方向
共軌燃油系統組成如圖1所示，控制原理如圖2所示。正是由于共軌電控燃油噴射技術具有很多優點，所以該技術一經問世，就得到世界上大多數柴油發電機制造廠商的青睞，其中，高壓共軌系統被認為是20世紀內燃機技術的三大突破之一。現在國內外許多內燃機專家學者都在致力于該項新技術的研究，并著手開發新一代的高壓共軌系統產品及其與之配套的產品。目前，這一項技術的發展方向有：
（1）可靠保證高壓共軌系統的恒高壓密封性；
（2）盡量降低高壓共軌系統中共軌壓力的微小波動所造成的噴油量不均勻；
（3）進一步優化高壓共軌系統三維控制數據；
（4）解決微結構、高頻響電磁開關閥涉及與制造過程中的關鍵技術。
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圖1 共軌電控燃油系統組成 |
圖2 共軌電控燃油噴射系統控制圖 |
二、共軌電控燃油噴射技術的原理
現代電控噴油技術的崛起，是計算機技術和傳感檢測技術迅猛發展的結果。目前，電控噴油技術已從初期的位置控制型發展到時間控制型，共軌電控燃油噴射設技術正是屬于后者。共軌電控系統利用各種相關傳感器采集并輸送柴油發電機運行狀態參數給控制器(ECU)，ECU根據目標設定值計算出噴油量、噴油壓力、噴油正時和噴油速率，隨后發出指令給執行器，驅動其動作，讓柴油發電機處于最佳狀態下運轉。
共軌電控噴射技術是指在高壓油泵、壓力傳感器和電子控制裝置(BCU)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。它是由高壓油泵將高壓燃油輸送到公共供油管，通過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油壓隨發動機轉速變化的程度，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，其大小取決于燃油軌道壓力和電磁閥開啟時間的長短。該技術不再采用傳統的柱塞泵脈動供油的原理，而是通過共軌直接或間接的形成恒定的高壓燃油，分送到每個噴油器，并借助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關閥的啟閉，定時定量的控制噴油器噴射至柴油發電機燃燒室的油量，從而保證柴油發電機達到最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的發火時間、足夠的能量和最少的污染排放。
1、高壓油泵
主要分為柱塞泵和齒輪泵兩種，工作原理如圖3所示。作用是將充足的燃油及時的送到高壓油泵，保證燃油供應，油泵使燃油產生一定的壓力，以克服濾清器和油道的阻力，并保證連續不斷地向噴油泵輸送足夠數量的燃油。
2、高壓共軌管
這部分主要由高壓管體、軌壓傳感器、軌壓限制流量限制閥和高壓進油口組成。其中，高壓管體負責將高壓油泵輸送的高壓油儲存在共軌油腔內，維持ECU設定的共軌壓力，向個氣缸提供高壓燃料，并在必要的時候打開軌壓限制閥保護系統；軌壓限制閥負責保護系統，在其打開之后軌壓會下降到30兆帕；流量限制閥的作用是處理某一個氣缸的燃油泄漏事故，在氣缸泄露或者噴油器故障導致了燃油噴射量過多時，該機構將會切斷對應氣缸的燃油供應，每一個氣缸都對應一個流量限制閥；軌壓傳感器的作用是向ECU提供高壓共軌管內燃油的壓力信號。
3、電控噴油器
噴油器是整個電控系統最關鍵和最核心的部件，結構如圖4所示。它的作用是在ECU的控制下適時適量的噴射高壓柴油。結構上主要有噴油器體、電磁閥、柱塞閥組件、噴油嘴針閥組件和彈簧組成。負責針閥開閉的電磁閥具有極快的動作速度，其開啟時間不超過110±10μs，關閉時間不超過30±5μs。
其基本動作過程如圖5所示。在噴油器的上部，柱塞的閥體上表面有細小回流節油油道，該油道被一小球密封（小球被電磁閥彈簧通過銜鐵間接壓緊），高壓油可以到達柱塞上腔，所以高壓油在對柱塞閥體施加壓力的同時不會從回流節油道泄露，這樣就保證了柱塞對噴油嘴針閥一個較大的向下的壓力，使得噴油嘴針閥緊密的壓在出油口上，雖然針閥下端也受到高壓油的作用而有向上運動的趨勢，但是這個力遠小于柱塞上表面受到的力，所以針閥可以穩穩地壓緊在噴油口上，從而密封住高壓油。
當需要噴油時，電磁閥就受到ECU的控制，線圈在由ECU提供的電壓的作用下，產生磁力克服彈簧的壓緊力，將銜鐵向上吸起。同時，小球也打開了回油通道，柱塞上腔與回油管連通，由于回油管內油壓約為大氣壓力，所以柱塞受到的油的壓力迅速減小。而因為回流節油油道本身很小，故進油壓力不會在柱塞閥體組件上方卸荷。而針閥下方壓力基本為進油壓力，所以針閥受到的合力向上，針閥打開，噴油過程開始。當線圈斷電時，彈簧力使小球重新壓緊，柱塞閥體組件所受高壓重新建立，等待下一次噴射。噴油器電路如圖6所示。
4、高壓油管
高壓油管是聯通共軌管和電控噴油器的通道。它應該有足夠的燃油流量減小燃油流動時的壓降，并且使高壓管路系統中的的壓力波動較小。能夠承受高壓燃油的沖擊，且啟動時油壓可以盡快建立。每一個氣缸所連接的高壓管應該基本等長，以使噴油壓力盡量相同。并且使長度盡量小，以減小壓力的損失。
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圖3 高壓油泵燃油壓力示意圖 |
圖4 電磁閥噴油器結構示意圖 |
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圖5 電磁閥噴油器工作過程 |
圖6 電磁閥噴油器噴射特性曲線圖 |
三、共軌電控燃油噴射技術的分類與優點
1、類型區分
按照噴油高壓形成的不同，共軌式電控燃油噴射系統有兩種基本形式，即中壓共軌式和高壓共軌式。
（1）中壓共軌系統
中壓輸油泵(壓力為10～13MPa)將中壓燃油輸送到共軌中消除壓力的脈動，再分送至帶有增壓柱塞的噴油器中：當高速電磁閥開關閥接收到電子控制裝置發送的指令信號后，就迅速開啟或關閉，從而控制燃油器工作，迅即通過高壓柱塞的增壓作用，將從共軌中來的中壓燃油加壓至高壓(120～150MPa)后噴出或停噴。
（2）高壓共軌系統
高壓輸油泵(壓力在120MPa以上)直接產生高壓燃油后，輸送至共軌中消除壓力的脈動，再分送到各噴油器：當電子控制裝置按需要發出指令信號后，高速電磁閥(響應在200s左右)迅速打開或關閉，進而控制噴油器工作，即按設定的要求噴出或停噴高壓燃油。
上述兩個系統的主要區別在于高壓燃油的獲得方式不同，高壓共軌系統由高壓燃油泵直接提供，而中壓共軌系統則借助于增壓柱塞增壓后獲得。
2、共軌電控燃油噴射技術的優點
柴油發電機共軌電控燃油噴射技術集計算機控制技術、現代傳感檢測技術以及先進的噴油器結構于一身，不僅能達到較高的噴射壓力、實現噴射壓力和噴油量的控制，而且還能實現預噴射和后噴，從而優化噴油特性、減低柴油發電機噪聲和大大減少廢氣的排放量。具體優點如下：
（1）采用先進的電子控制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，利于柴油發電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，各噴油器間相互影響小，噴射壓力控制精度較高，噴油量控制較準確。
（3）高速電測開關閥頻率高，控制靈活，使得噴油系統的噴射壓力可調范圍大，并且能方便的實現預噴射、后噴等功能，為優化柴油發電機噴油規律、改善其性能和降低廢氣排放提供了有效手段。
（4）系統結構移植方便，適應范圍廣，不像其他的電控燃料噴射系統，對柴油發電機的結構形式有專門要求，尤其是高壓共軌系統，與目前的中小型及重型柴油發電機均都能很好地匹配。
總結：
由于高壓共軌式燃油噴射系統具有可以對噴油定時、噴油持續期、噴油壓力、噴油規律進行柔性調節的特點，該系統的采用可以使柴油發電機的經濟性、動力性和排放性能都有進一步的提高》在有利于環境保護的同時》也必將促進柴油發電機、發電機組工業及與之相關產業的向前發展。
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