新聞主題	柴油機(jī)共軌電控燃油噴射技術(shù)的原理與發(fā)展方向

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)共軌電控燃油噴射系統(tǒng)利用先進(jìn)的電子技術(shù)、高頻高速電磁閥技術(shù)，能夠自由控制噴油量、噴油壓力、噴油正時(shí)和噴油頻率，目前正迅速發(fā)展?？得魉构驹诒疚暮?jiǎn)要介紹康明斯發(fā)電機(jī)組燃油系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程、基本原理和類型，并闡述共軌系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展方向。

一、共軌電控燃油噴射技術(shù)的發(fā)展歷程

1、柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

      20世紀(jì)，柴油發(fā)電機(jī)技術(shù)發(fā)展史上經(jīng)歷了三次重大的飛躍：機(jī)械式燃油系統(tǒng)、中冷增壓和電控噴射。在20世紀(jì)60年代后期，瑞士的Hiher教授研制了柴油發(fā)電機(jī)共軌電控系統(tǒng)的“原型”，其后以瑞士工業(yè)大學(xué)的Ganser教授為中心對(duì)共軌電控系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究。從20世紀(jì)70年代開始，鑒于柴油發(fā)電機(jī)有害氣體排放嚴(yán)重污染自然環(huán)境、石油資源的有限開采和利用，人們主動(dòng)而有效地利用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和控制理論推動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)燃油噴射技術(shù)的發(fā)展。1995年末，日本電裝公司將ECD-U2型共軌電控系統(tǒng)成功的應(yīng)用于載柴油發(fā)電機(jī)上并批量生產(chǎn)，從此開始了柴油發(fā)電機(jī)共軌電控燃油噴射系統(tǒng)的新時(shí)代，隨后，德國(guó)的博世公司、美國(guó)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(fā)。

      柴油機(jī)的電控燃油噴射技術(shù)的發(fā)展歷程可以分為三代。

（1）第一代柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)被稱為位置控制系統(tǒng)，采用電子伺服機(jī)構(gòu)（如線性螺線管、線性直流電機(jī)等）代替機(jī)械式調(diào)速器來(lái)控制供油齒桿的位置（直列泵）或控制溢油環(huán)的位置（分配泵）實(shí)現(xiàn)噴油量的控制，由EUC控制的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸與噴油泵凸輪軸之間的相位或控制提前器活塞的移動(dòng)實(shí)施噴油時(shí)間的控制。

（2）第二代電控燃油噴射系統(tǒng)被稱為時(shí)間控制系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的柱塞泵供油方式相比，它仍然采用傳統(tǒng)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(dòng)作來(lái)控制噴油閥的開啟時(shí)機(jī)、時(shí)間，從而更加精確的控制燃油的噴射量和時(shí)機(jī)。因?yàn)椴捎昧烁咚匐姶砰y，其控制精度較第一代產(chǎn)品有了較大的提升。

（3）第三代柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)，時(shí)間-壓力控制系統(tǒng)，也稱為高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)，它是20世紀(jì)90年代中期研制成功的全新的電控燃油噴射系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)的噴油泵、分缸燃油供油方式，可以實(shí)現(xiàn)噴油壓力、時(shí)間、噴油量、各種復(fù)雜噴油特性的綜合控制，比一二代電控燃油噴射系統(tǒng)更加準(zhǔn)確優(yōu)秀。

2、柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向

      共軌燃油系統(tǒng)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(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以該技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世，就得到世界上大多數(shù)柴油發(fā)電機(jī)制造廠商的青睞，其中，高壓共軌系統(tǒng)被認(rèn)為是20世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的三大突破之一?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外許多內(nèi)燃機(jī)專家學(xué)者都在致力于該項(xiàng)新技術(shù)的研究，并著手開發(fā)新一代的高壓共軌系統(tǒng)產(chǎn)品及其與之配套的產(chǎn)品。目前，這一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展方向有：

（1）可靠保證高壓共軌系統(tǒng)的恒高壓密封性；

（2）盡量降低高壓共軌系統(tǒng)中共軌壓力的微小波動(dòng)所造成的噴油量不均勻；

（3）進(jìn)一步優(yōu)化高壓共軌系統(tǒng)三維控制數(shù)據(jù)；

（4）解決微結(jié)構(gòu)、高頻響電磁開關(guān)閥涉及與制造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。

 

圖1  共軌電控燃油系統(tǒng)組成

圖2  共軌電控燃油噴射系統(tǒng)控制圖

 

二、共軌電控燃油噴射技術(shù)的原理

 

      現(xiàn)代電控噴油技術(shù)的崛起，是計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感檢測(cè)技術(shù)迅猛發(fā)展的結(jié)果。目前，電控噴油技術(shù)已從初期的位置控制型發(fā)展到時(shí)間控制型，共軌電控燃油噴射設(shè)技術(shù)正是屬于后者。共軌電控系統(tǒng)利用各種相關(guān)傳感器采集并輸送柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)給控制器(ECU)，ECU根據(jù)目標(biāo)設(shè)定值計(jì)算出噴油量、噴油壓力、噴油正時(shí)和噴油速率，隨后發(fā)出指令給執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)其動(dòng)作，讓柴油發(fā)電機(jī)處于最佳狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。

      共軌電控噴射技術(shù)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(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)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(guò)公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，可以大幅度減小柴油發(fā)電機(jī)供油油壓隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的程度，因此，也就減少了傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)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(shí)間的長(zhǎng)短。該技術(shù)不再采用傳統(tǒng)的柱塞泵脈動(dòng)供油的原理，而是通過(guò)共軌直接或間接的形成恒定的高壓燃油，分送到每個(gè)噴油器，并借助于集成在每個(gè)噴油器上的高速電磁開關(guān)閥的啟閉，定時(shí)定量的控制噴油器噴射至柴油發(fā)電機(jī)燃燒室的油量，從而保證柴油發(fā)電機(jī)達(dá)到最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的發(fā)火時(shí)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(shí)的送到高壓油泵，保證燃油供應(yīng)，油泵使燃油產(chǎn)生一定的壓力，以克服濾清器和油道的阻力，并保證連續(xù)不斷地向噴油泵輸送足夠數(shù)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(jìn)油口組成。其中，高壓管體負(fù)責(zé)將高壓油泵輸送的高壓油儲(chǔ)存在共軌油腔內(nèi)，維持ECU設(shè)定的共軌壓力，向個(gè)氣缸提供高壓燃料，并在必要的時(shí)候打開軌壓限制閥保護(hù)系統(tǒng)；軌壓限制閥負(fù)責(zé)保護(hù)系統(tǒng)，在其打開之后軌壓會(huì)下降到30兆帕；流量限制閥的作用是處理某一個(gè)氣缸的燃油泄漏事故，在氣缸泄露或者噴油器故障導(dǎo)致了燃油噴射量過(guò)多時(shí)，該機(jī)構(gòu)將會(huì)切斷對(duì)應(yīng)氣缸的燃油供應(yīng)，每一個(gè)氣缸都對(duì)應(yīng)一個(gè)流量限制閥；軌壓傳感器的作用是向ECU提供高壓共軌管內(nèi)燃油的壓力信號(hào)。

3、電控噴油器

      噴油器是整個(gè)電控系統(tǒng)最關(guān)鍵和最核心的部件，結(jié)構(gòu)如圖4所示。它的作用是在ECU的控制下適時(shí)適量的噴射高壓柴油。結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)針閥開閉的電磁閥具有極快的動(dòng)作速度，其開啟時(shí)間不超過(guò)110±10μs，關(guān)閉時(shí)間不超過(guò)30±5μs。

      其基本動(dòng)作過(guò)程如圖5所示。在噴油器的上部，柱塞的閥體上表面有細(xì)小回流節(jié)油油道，該油道被一小球密封（小球被電磁閥彈簧通過(guò)銜鐵間接壓緊），高壓油可以到達(dá)柱塞上腔，所以高壓油在對(duì)柱塞閥體施加壓力的同時(shí)不會(huì)從回流節(jié)油道泄露，這樣就保證了柱塞對(duì)噴油嘴針閥一個(gè)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(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但是這個(gè)力遠(yuǎn)小于柱塞上表面受到的力，所以針閥可以穩(wěn)穩(wěn)地壓緊在噴油口上，從而密封住高壓油。

      當(dāng)需要噴油時(shí)，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(chǎn)生磁力克服彈簧的壓緊力，將銜鐵向上吸起。同時(shí)，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(nèi)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?yàn)榛亓鞴?jié)油油道本身很小，故進(jìn)油壓力不會(huì)在柱塞閥體組件上方卸荷。而針閥下方壓力基本為進(jìn)油壓力，所以針閥受到的合力向上，針閥打開，噴油過(guò)程開始。當(dāng)線圈斷電時(shí)，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(lián)通共軌管和電控噴油器的通道。它應(yīng)該有足夠的燃油流量減小燃油流動(dòng)時(shí)的壓降，并且使高壓管路系統(tǒng)中的的壓力波動(dòng)較小。能夠承受高壓燃油的沖擊，且啟動(dòng)時(shí)油壓可以盡快建立。每一個(gè)氣缸所連接的高壓管應(yīng)該基本等長(zhǎng)，以使噴油壓力盡量相同。并且使長(zhǎng)度盡量小，以減小壓力的損失。

 

圖3  高壓油泵燃油壓力示意圖	圖4  電磁閥噴油器結(jié)構(gòu)示意圖
圖5  電磁閥噴油器工作過(guò)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(shù)的分類與優(yōu)點(diǎn)

 

1、類型區(qū)分

      按照噴油高壓形成的不同，共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)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(tǒng)

      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(dòng)，再分送至帶有增壓柱塞的噴油器中：當(dāng)高速電磁閥開關(guān)閥接收到電子控制裝置發(fā)送的指令信號(hào)后，就迅速開啟或關(guān)閉，從而控制燃油器工作，迅即通過(guò)高壓柱塞的增壓作用，將從共軌中來(lái)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(tǒng)

      高壓輸油泵(壓力在120MPa以上)直接產(chǎn)生高壓燃油后，輸送至共軌中消除壓力的脈動(dòng)，再分送到各噴油器：當(dāng)電子控制裝置按需要發(fā)出指令信號(hào)后，高速電磁閥(響應(yīng)在200s左右)迅速打開或關(guān)閉，進(jìn)而控制噴油器工作，即按設(shè)定的要求噴出或停噴高壓燃油。

      上述兩個(gè)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于高壓燃油的獲得方式不同，高壓共軌系統(tǒng)由高壓燃油泵直接提供，而中壓共軌系統(tǒng)則借助于增壓柱塞增壓后獲得。

2、共軌電控燃油噴射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

      柴油發(fā)電機(jī)共軌電控燃油噴射技術(shù)集計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代傳感檢測(cè)技術(shù)以及先進(jìn)的噴油器結(jié)構(gòu)于一身，不僅能達(dá)到較高的噴射壓力、實(shí)現(xiàn)噴射壓力和噴油量的控制，而且還能實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射和后噴，從而優(yōu)化噴油特性、減低柴油發(fā)電機(jī)噪聲和大大減少?gòu)U氣的排放量。具體優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）采用先進(jìn)的電子控制裝置及配有高速電磁開關(guān)閥，使得噴油過(guò)程的控制十分方便，并且可控參數(shù)多，利于柴油發(fā)電機(jī)燃燒過(guò)程的全程優(yōu)化。

（2）采用共軌方式供油，噴油系統(tǒng)壓力波動(dòng)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(zhǔn)確。

（3）高速電測(cè)開關(guān)閥頻率高，控制靈活，使得噴油系統(tǒng)的噴射壓力可調(diào)范圍大，并且能方便的實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射、后噴等功能，為優(yōu)化柴油發(fā)電機(jī)噴油規(guī)律、改善其性能和降低廢氣排放提供了有效手段。

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)移植方便，適應(yīng)范圍廣，不像其他的電控燃料噴射系統(tǒng)，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有專門要求，尤其是高壓共軌系統(tǒng)，與目前的中小型及重型柴油發(fā)電機(jī)均都能很好地匹配。

總結(jié)：

      由于高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)具有可以對(duì)噴油定時(shí)、噴油持續(xù)期、噴油壓力、噴油規(guī)律進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，該系統(tǒng)的采用可以使柴油發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能都有進(jìn)一步的提高》在有利于環(huán)境保護(hù)的同時(shí)》也必將促進(jìn)柴油發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)組工業(yè)及與之相關(guān)產(chǎn)業(yè)的向前發(fā)展。

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