新聞主題	柴油發電機電控燃油噴射系統的分類

 

摘要：近年來，人們的環保意識日益增強，對柴油發電機的工作性能，要求其具有高動力性的同時，還應達到低排放、低油耗，這不僅要求柴油機的噴油量和噴油正時隨轉速及負荷的變化而發生模式較為復雜的變化，而且必須要對進氣溫度、壓力等因素加以補償，故傳統的機械式燃油噴射系統因其存在控制自由度小、控制精度低、響應速度慢等缺點而無法滿足高性能的使用要求，因而電控柴油噴射系統的應用也就成為必然的趨勢。

 

一、電子控制燃油噴射系統的組成

 

      柴油機電子控制燃油噴射系統主要由傳感器、控制器和執行器三部分組成，其主要構成如圖1所示，原理框圖如圖2所示。

1、傳感器

（1）大氣壓力位置傳感器

（2）凸輪軸位置傳感器

（3）燃油壓力傳感器

（4）其他傳感器和信號開關

（5）曲軸位置傳感器

2、電子控制系統ECU

      根據各傳感器輸入信號和內存程序，計算出供（噴）油量和供（噴）油開始時刻，并向執行元件發出執行令信號。

3、執行器

      執行ECU的指令，調節柴油機的供（噴）油量和供（噴）油正時。

      柴油機氣缸內燃燒過程極為復雜，影響因素很多，除轉速和負荷外，進氣溫度、冷卻水溫、進氣壓力等因素對噴油量和噴油正時都有影響。普通機械控制式噴油泵只能對轉速和負荷的變化做出反應，而電子控制系統則可對多種影響因素通過相應的傳感器向控制器輸入信號，經分析處理后向執行器發出控制指令，其控制精度大大提高。

      現有產品化的電噴系統采用的基本控制方法大多為：以發動機轉速和負荷為反映發動機實際工況的基本信號，參照由發動機試驗得出的三維MAP來確定其基本噴油量和噴油正時，然后對其進行各種補償，從而得到更佳的噴油量和噴油正時。

 

圖1  電控高壓共軌系統的基本構成

圖2  柴油機電子控制燃油噴射系統原理框圖

 

二、電子控制燃油噴射系統的主要功能

 

1、噴油量控制

      基本噴油量控制、怠速穩定性控制、啟動時噴油量控制、加速時噴油量控制、各缸噴油量偏差補償控制、恒定車速控制。

2、噴油正時控制

      基本噴油正時控制、啟動時噴油正時控制、低溫時噴油正時控制。

3、噴油壓力控制

      基本噴油壓力控制。

4、噴油速率控制

      預噴射和可變噴油速率控制。

5、附加功能

      故障自診斷、數據通信、傳動系統控制、廢氣再循環控制、進氣管吸氣量控制等。

 

三、控制技術分類

 

      隨著微電子技術和新型傳感器的不斷發展，柴油機電控系統也得到了快速發展，先后推出了位置控制、時間控制、時間控制＋共軌控制以及泵-噴嘴電子控制系統。

1、位置控制系統

      位置控制式電噴系統是一種電控噴油泵系統，傳統柱塞式噴油泵中的調節齒桿、滑套和柱塞上的斜槽等控制油量的機械傳動機構都原樣保留，只有將原有的機械控制機構用電控元件來取代，使控制精度和響應速度得以提高。這種系統的優點是只要用電控泵及其控制部件代替原有的機械式泵就可轉為電噴系統，柴油機的結構幾乎無需改動，故生產繼承性好，便于對現有機械進行升級改造。缺點是控制自由度小，控制精度較差，噴油速率和噴油壓力難于控制。

      圖3所示為日本電裝公司ECD-V1系統，它是在VE型分配泵上進行電子控制的系統。該系統保留了VE型分配泵上控制噴油量的溢流環，取消了原來的機械調速機構，采用一個布置在泵上方的線性電磁鐵，通過一根杠桿來控制溢流環的位置，從而實現油量的控制，并有溢流環位置傳感器作為反饋信號，實現閉環控制。噴油正時控制也保留了VE型分配泵上原有的液壓提前器，它用一個正時控制電磁閥來控制液壓提前器活塞的高壓室和低壓室之間的壓差。當電磁閥通電時，吸動鐵芯，高壓室與低壓室形成通路，兩室之間壓力差消失，在回位彈簧的作用下，提前器活塞復位，帶動滾輪架轉動，形成噴油提前。同時系統中還設置了供油提前器活塞位置傳感器，形成了噴油正時的閉環控制。

2、時間控制系統

      時間控制式電噴系統是將原有的機械式噴油器改用帶有高速強力電磁鐵的噴油器，以脈沖信號來控制電磁鐵的吸合與放開，該動作又控制噴油器的開啟與關閉，從而使噴油正時和噴油量的控制極為靈活，控制自由度和控制性能都比位置控制系統高得多。該系統的難點在于加快高速強力電磁鐵的響應速度，其不足為噴油壓力無法控制。

      圖4為時間控制直列泵電控燃油噴射系統示意圖。該系統保留了泵-管-嘴系統，但是在高壓管上加一個高速電磁閥，變成了泵-管-閥-嘴系統。采用高速電磁溢流閥控制噴油量和噴油正時后，柱塞只承擔供油加壓功能，使噴油泵結構簡化和強化，高壓供油能力提高。凸輪和柱塞的強化設計，使主供油速率進一步提高。當高速電磁閥快速打開，高壓燃油高速泄流，噴射就結束。

 

圖3  柴油機ECD-V1電控噴油系統

圖4  柴油機時間控制直列泵電噴系統示意圖 1-凸輪角度編碼器；2-凸輪；3-噴油泵；4-低壓系統；5-油管；6-溢流閥；7-電磁鐵；8-噴油器；9-控制單元；10-開關電路

 

3、共軌＋時間控制系統

      共軌式電控燃油噴射系統是指該系統中有一條公共油管，用高壓（或中壓）輸油泵向共軌（公共油道）中泵油，用電磁閥進行壓力調節并由壓力傳感器反饋控制。有一定壓力的柴油經由共軌分別通向各缸噴油器，

      噴油器上的電磁閥控制噴油正時和噴油量。噴油壓力或直接取決于共軌中的高壓壓力，或由噴油器中增壓活塞對共軌來的油壓予以增壓。共軌式電控燃油噴射系統的噴油壓力高且可控制，還可實現噴油速率的柔性控制，以滿足排放法規的要求。圖5所示為美國BKM公司開發的Servojet系統示意圖。該系統輸油泵為一低壓電動葉片泵，共軌壓力軸向柱塞泵為一中壓泵，輸油壓力為2～10MPa。軸向柱塞泵把燃油送到共軌中，共軌壓力由壓力調節器根據電控單元（ECU）指令予以調節。

      Servojet系統的工作原理如圖6所示。當電磁閥通電時，關閉了回油道，共軌燃油進入增壓活塞上方，活塞下行。增壓活塞面積比增壓柱塞面積大10～16倍，因此10MPa的共軌燃油在增壓柱塞下方增壓到100～160MPa。高壓燃油通過蓄壓室單向閥進入蓄壓室及噴油嘴存油槽和針閥上部，此時針閥由于針閥尾部的壓力和噴油嘴彈簧的彈力不會升起噴油。當電磁閥斷電時，回油通路打開，由于三通閥的聯動作用，共軌燃油將不能進入增壓活塞的上方，增壓活塞上方的燃油通過回油管道而卸壓，增壓活塞和增壓柱塞上行，導致增壓柱塞下方和針閥尾部上的油壓也降下來，蓄壓室中高壓燃油通過噴油嘴存油槽作用在針閥上使針閥向上抬起，實現高壓噴射。噴油始點取決于電磁閥打開的時刻，而噴油量卻取決于共軌中的油壓。共軌中電磁壓力調節閥根據運行工況要求，由ECU控制將共軌中燃油的壓力升高或降低。由于增壓活塞和增壓柱塞面積之比對某種機型來說是一個定值，共軌中油壓高，蓄壓室內的油壓也高，噴油開始后，隨著燃油的噴出，油壓不斷下降，當蓄壓室內的油壓下降到針閥存油槽內的作用力低于噴油嘴彈簧預緊力，針閥就關閉。針閥關閉的壓力是不變的，因此共軌中的壓力調節就起到了噴油量調節的作用。

 

圖5  柴油機Servojet系統示意圖

圖6   柴油機Servojet系統工作原理圖

 

4、泵-噴嘴電子控制系統

      電控泵-噴嘴由噴油器、供油柱塞、電磁閥組成，工作原理如圖7所示。在不供油狀態下，供油柱塞在彈簧作用下，處于上部位置。泵-噴嘴內充滿輸泵經進油道、進油口供給的低壓燃油。當凸輪通過搖臂驅動柱塞向下運動時，柱塞將進油口關閉，燃油經電磁閥的內油道、回油道流出［圖8（a）］。如果電控單元送出一個關閉電磁閥的信號，電磁閥柱塞向上運動，關閉通往回油道的內油道。燃油在柱塞向下運動時受壓，并克服噴油器上的彈簧作用力噴入氣缸內［圖8（b）］。經過一定時間后，電磁閥開啟，燃油卸壓，噴油結束。從噴油器上部漏出的燃油經回油道流出。

      電控泵-噴嘴的噴油時間和噴油量只取決于驅動電磁閥的信號時間和信號時間長短。快速、精確、重復性好的電磁閥是電控泵-噴嘴的核心部件。高響應的電磁閥和很小的高壓系統容積，不但使電控泵-噴嘴的燃油噴射壓力可超過150MPa，而且可很快結束噴射，使有足夠的時間產生具有適當燃燒速率的高壓燃燒氣體。

 

圖7  柴油機泵噴嘴燃油供給主系統

圖8  柴油機電控泵-噴嘴工作過程

 

四、柴油機電控燃油噴射系統的優點

 

1、改善低溫起動性

      電子控制系統能夠以最佳的程序替代駕駛員進行這種麻煩的起動操作，使柴油機低溫起動更容易。

2、降低氮氧化物和煙度的排放

      采用柴油機電控技術，可精確地將噴油量控制在不超過冒煙界限的適當范圍內，同時根據發動機工況調節噴油時刻，從而有效地抑制排煙。

3、提高發動機運轉穩定性

      采用柴油機電控系統，無論負荷怎樣增減，都能保證發動機怠速工況下以最低的轉速穩定運轉，有利于提高其經濟性。

4、提高發動機的動力性和經濟性

      柴油機電控系統中，ECU根據傳感器信號精確計算噴油量和噴油正時。從而提高發動機動力性和經濟性。

5、控制渦輪增壓

      采用電子控制技術可以對增壓裝置進行精確的控制。

6、適應性廣

      只要改變ECU的控制程序和數據，一種噴油泵就能廣泛用在各種柴油機上，而且柴油機燃油噴射控制可與各種控制系統進行組合實現集中控制，有利于縮短柴油機電控系統開發周期，并降低成本，從而擴大柴油機電控系統的應用范圍。

 

總結：

      柴油機電控技術是在解決能源危機和排放污染兩大難題的背景下，在飛速發展的電子控制技術平臺上發展起來的。汽油機電控技術的發展為柴油機電控技術的發展提供了寶貴經驗，改變了傳統燃油供給系統的組成和結構，主要以電控共軌（各缸噴油器共用一個高壓油管）式噴油系統為特征，直接對噴油器的噴油量、噴油正時、噴油速率和噴油規律、噴油壓力等進行“時間－壓力控制”或“壓力控制”。

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