柴油发电机共轨电控燃油喷射技术的机理与发展方向

摘要：柴油发电机共轨电喷燃油喷射系统利用先进的电子技术、高频高速电磁阀技术，能够自由控制喷油量、喷油压力、喷油正时和喷油频率，目前正迅速发展。康明斯公司在本文简要讲解柴油发电机组燃油装置的发展步骤、基本机理和类型，并叙述共轨装置的长处及发展方向。

      20世纪，柴油发电机技术发展史上经历了三次重大的飞跃：机械式燃油系统、中冷增压和电喷喷射。在20世纪60年代后期，瑞士的Hiher教授研制了柴油发电机共轨电控装置的“原型”，其后以瑞士工业大学的Ganser教授为中心对共轨电控系统进行了一系列的研讨。从20世纪70年代开始，鉴于柴油发电机有害气体排放严重污染自然环境、石油资源的有限开采和利用，人们主动而高效地利用电子技术、计算机技术、传感技术和控制理论推动柴油发电机燃油喷射技术的发展。1995年末，日本电装公司将ECD-U2型共轨电喷系统成功的运用于载柴油发电机上并批量生产，从此开始了柴油发电机共轨电喷燃油喷射系统的新时代，随后，德国的博世公司、美国的康明斯公司、瑞典的康明斯公司、意大利的Fiat公司和日本五十铃公司等相继将自行开发。

      柴油发电机的电控燃油喷射技术的发展历程可以分为三代。

（1）第一代柴油发电机电控燃油喷射系统被称为位置控制装置，采用电子伺服装置（如线性螺线管、线性直流发电机等）代替机械式调速器来控制供油齿杆的位置（直列泵）或控制溢油环的位置（分配泵）实现喷油量的控制，由EUC控制的电液执行机构改变发电机驱动轴与喷油泵凸轮轴之间的相位或控制提前器活塞的移动实施喷油时间的控制。

（2）第二代电喷燃油喷射装置被称为时间控制系统，和传统的柱塞泵供油方式相比，它仍然采用传统步骤供应高压油，但是在燃油的喷射上，则是由ECM控制的安装在喷油器上的高速电磁阀的动作来控制喷油阀的开启时机、时间，从而更加精确的控制燃油的喷射量和时机。因为采用了高速电磁阀，其控制精度较第一代产品有了较大的提升。

（3）第三代柴油发电机电喷燃油喷射装置，时间-压力控制系统，也称为高压共轨电喷燃油喷射系统，它是20世纪90年代中期研制成功的全新的电控燃油喷射装置，打破了传统的喷油泵、分缸燃油供油步骤，可以实现喷油压力、时间、喷油量、各种复杂喷油特征的综合控制，比一二代电控燃油喷射装置更加正确优秀。

      共轨燃油系统构造如图1所示，控制机理如图2所示。正是因为共轨电控燃油喷射技术具有很多亮点，故而该技术一经问世，就得到世界上大多数柴油发电制度造厂商的青睐，其中，高压共轨系统被认为是20世纪内燃机技术的三大突破之一。现在国内外许多内燃机专家学者都在致力于该项新技术的探求，并着手开发新一代的高压共轨装置产品及其与之配套的产品。目前，这一项技术的发展方向有：

      现代电控喷油技术的崛起，是计算机技术和传感检测技术迅猛发展的结果。目前，电控喷油技术已从初期的位置控制型发展到时间控制型，共轨电喷燃油喷射设技术正是属于后者。共轨电控装置利用各种相关传感器采集并输送柴油发电机运行状态参数给控制屏(ECU)，ECM根据目标设定值计算出喷油量、喷油压力、喷油正时和喷油速率，随后发出指令给执行器，驱动其动作，让柴油发电机处于较佳状态下运转。

      共轨电控喷射技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制装置(BCU)组成的闭环系统中，将喷射压力的发生和喷射过程彼此完全分开的一种供油程序。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发电机的转速无关，可以大幅度减轻柴油发电机供油油压随发电机转速变化的程度，因此，也就减轻了传统柴油发电机的缺陷。ECU控制喷油嘴的喷油量，其大小取决于燃油轨道压力和电磁阀开启时间的长短。该技术不再采用传统的柱塞泵脉动供油的机理，而是通过共轨直接或间接的形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油嘴上的高速电磁开关阀的启闭，定时定量的控制喷油器喷射至柴油发电机燃烧室的油量，从而保证柴油发电机达到较佳的燃烧比和良好的雾化，以及较佳的发火时间、足够的能量和较少的污染排放。

      主要分为柱塞泵和齿轮泵两种，工作原理如图3所示。作用是将充足的燃油及时的送到高压油泵，保证燃油提供，油泵使燃油发生一定的压力，以克服滤清器和油道的阻力，并保证连续不断地向燃油泵输送足够数量的燃油。

      这部分具体由高压管体、轨压传感器、轨压限制流量限制阀和高压进油口结构。其中，高压管体负责将高压油泵输送的高压油储存在共轨油腔内，维持ECM设定的共轨压力，向个汽缸供应高压燃料，并在必要的时候打开轨压限制阀保护系统；轨压限制阀负责保护系统，在其打开之后轨压会下降到30兆帕；流量限制阀的用途是处理某一个气缸的燃油泄漏故障，在汽缸泄露或者喷油嘴损坏致使了燃油喷射量过多时，该系统将会切断对应汽缸的燃油提供，每一个汽缸都对应一个流量限制阀；轨压传感器的作用是向ECM提供高压共轨管内燃油的压力信号。

      喷油嘴是整个电喷系统较关键和较核心的部件，组成如图4所示。它的功能是在ECU的控制下适时适量的喷射高压柴油。构造上具体有喷油嘴体、电磁阀、柱塞阀组件、喷油嘴针阀组件和弹簧组成。负责针阀开闭的电磁阀具有极快的动作速度，其开启时间不超过110±10μs，关闭时间不超过30±5μs。

      其基础动作流程如图5所示。在喷油器的上部，柱塞的阀体上表面有细小回流省油油道，该油道被一小球密封（小球被电磁阀弹簧通过衔铁间接压紧），高压油可以到达柱塞上腔，所以高压油在对柱塞阀体施加压力的同时不会从回流省油道泄露，这样就保证了柱塞对喷油器针阀一个较大的向下的压力，使得喷油器针阀紧密的压在出油口上，虽然针阀下端也受到高压油的用途而有向上运动的趋势，但是这个力远小于柱塞上表面受到的力，故而针阀可以稳稳地压紧在喷油口上，从而密封住高压油。

      当需要喷油时，电磁阀就受到ECM的控制，线圈在由ECM提供的电压的功能下，发生磁力克服弹簧的压紧力，将衔铁向上吸起。同时，小球也打开了回油通道，柱塞上腔与回油管连通，由于回油管内油压约为大气压力，所以柱塞受到的油的压力迅速减小。而由于回流节油油道本身很小，故进油压力不会在柱塞阀体组件上方卸荷。而针阀下方压力基本为进油压力，所以针阀受到的合力向上，针阀打开，喷油流程开始。当线圈断电时，弹簧力使小球重新压紧，柱塞阀体组件所受高压重新建立，等待下一次喷射。喷油器电路如图6所示。

      高压油管是联通共轨管和电控喷油器的通道。它应该有足够的燃油流量减轻燃油流动时的压降，并且使高压管路装置中的的压力波动较小。能够承受高压燃油的冲击，且起动时油压可以尽快建立。每一个汽缸所连接的高压管应该基础等长，以使喷油压力尽量相同。并且使长度尽量小，以降低压力的损失。

      按照喷油高压形成的不一样，共轨式电控燃油喷射装置有两种基本形式，即中压共轨式和高压共轨式。

      中压输油泵(压力为10～13MPa)将中压燃油输送到共轨中解除压力的脉动，再分送至带有增压柱塞的喷油器中：当高速电磁阀开关阀接收到电子控制装置发送的指令信号后，就迅速开启或关闭，从而控制燃油器作业，迅即通太高压柱塞的增压作用，将从共轨中来的中压燃油加压**压(120～150MPa)后喷出或停喷。

      高压输油泵(压力在120MPa以上)直接发生高压燃油后，输送至共轨中清除压力的脉动，再分送到各喷油嘴：当电子控制装置按需要发出指令信号后，高速电磁阀(响应在200s左右)迅速打开或关闭，进而控制喷油器工作，即按设定的要求喷出或停喷高压燃油。

      上述两个系统的详细差异在于高压燃油的获得方式不一样，高压共轨装置由高压燃油泵直接提供，而中压共轨系统则借助于增压柱塞增压后获得。

      柴油发电机共轨电喷燃油喷射技术集计算机控制技术、现代传感检验技术以及领先的喷油嘴构造于一身，不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力和喷油量的控制，而且还能实现预喷射和后喷，从而优化喷油特征、减低柴油发电机噪声和大大减少废气的排放量。主要长处如下：

（1）采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，使得喷油流程的控制十分方便，并且可控参数多，利于柴油发电机燃烧程序的全程优化。

（2）采用共轨方式供油，喷油装置压力波动小，各喷油嘴间相互危害小，喷射压力控制精度偏高，喷油量控制较准确。

（3）高速电测开关阀频率高，控制灵活，使得喷油装置的喷射压力可调范围大，并且能方便的实现预喷射、后喷等功用，为优化柴油发电机喷油规律、改良其性能和减小废气排放提供了高效办法。

（4）装置构成移植方便，适应范围广，不像其他的电控燃料喷射系统，对柴油发电机的构成形式有专门要求，尤其是高压共轨装置，与目前的中小型及重型柴油发电机均都能很好地匹配。

      因为高压共轨式燃油喷射系统具有可以对喷油定期、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节的特性，该装置的采用可以使柴油发电机的经济性、动力性和排放性能都有进一步的提升》在有利于环境保护的同时》也必将促进柴油发电机、发电机组工业及与之相关产业的向前发展。