柴油发电机位置控制式喷射系统的优点

摘要：在满足排放标准的要素下，柴油发电机电喷燃油喷射系统的运用，大大提升柴油发电机的燃油经济性和动力性。柴油发电机电喷燃油喷射装置与柴油机电喷燃油喷射系统有许多共同之处，柴油发电机电控燃油喷射机构的关键技术及难点为柴油喷射电控执行器。剖析柴油发电机电控燃油喷射系统的优点，对分配泵供油技术和位置式电喷分配泵控制技术进行主要讲述，对电喷柴油喷射技术有一定指导。

      柴油发电机电控燃油喷射系统与柴油机电喷燃油喷射系统有许多共同之处，都由传感器、ECM和执行器3部分构造。柴油发电机电控燃油喷射系统采用的探头，如速度传感器、压力传感器、温度探头以及节气门位置传感器等，与柴油机电控机构相同。ECM在硬件以及柴油发电机组控制装置的软件方面也有相似之处。

（1）机械控制喷射系统的基础控制信息是柴油发电机转速和机械柴油泵位置，而电喷燃油喷射装置则通过许多传感器测定柴油发电机的运转状态和环境要素，由ECU计算出适应柴油发电机运转情况的控制量，由喷油嘴实施，控制精确、灵敏。在需要扩大控制功能时，只需改变ECU的存储软件，即可实现综合控制。

（2）机械控制喷射装置由于设定“非法”和损伤等原因，使喷油时刻产生误差；电喷燃油喷射系统则根据曲轴位置的基本信号进行再验查，不存在发生失调的可能性。

（3）电控燃油喷射机构通过改换输入设备的程序和参数可改变控制特征，一种喷射机构可用于多种柴油发电机，而不需要机械加工，新产品开发周期缩短，成本减少。

       柴油发电机的燃油喷射机构，根据喷射量的控制步骤不一样分为位置控制式喷射机构和时间控制式喷射机构两种。位置控制式喷射机构是通过齿条或拉杆位置来控制喷射量的，根据调节油门拉杆位置的程序不一样，又分为传统的机械式喷射系统和电控位置式喷射装置。后者是在机械式喷射装置的基础上，增加电控系统，如电子调速板、自动控制供油时刻的定时器、控制单元及相应的探头等。位置式喷射系统，不管是机械式还是电喷式都是泵-管-喷油嘴型结构，其中柴油泵是核心部分，具体完成按一定的供油规律，定时、定压地向喷油器供给定量燃油的任务。而喷油嘴只是起大概的喷油作用，即当供油压力超过喷油嘴的启喷压力时，打开喷油器针阀进行喷油，否则针阀落座停止喷油。在这种泵-管-喷油器型位置控制式喷射机构中，喷油泵根据其构造不同可分为直列泵和分配泵。

      图1所示为典型的机械式VE型分配泵的构成。这种分配泵只有一个柱塞，与固定在一起的平面凸轮一同旋转。此时，由平面凸轮形线与滚轮之间的相互用途，完成柱塞的往复与旋转运动，同时实现压油和向各缸分配燃油的任务。平面凸轮的凸起数与汽缸数相等。机械式分配泵供油量的控制，是通过操作人或调速器调节油量调整滑套的位置来完成的。当油量调整滑套的位置向柱塞压油方向（图中右向）移动时，柱塞的压油行程延迟康明斯柴油发电机，供油量增多；反之，油量调节滑套向左移动时，柱塞压油行程缩短，供油量减少。

      电喷位置式分配泵是在机械式分配泵的基本上，对油量控制系统和供油时刻的控制装置进行了稍微改动，即去掉了原机械式调速机构，增设了转速传感器、控制油量调节滑套位置的比例电磁阀、油量调节滑套位置探头、控制供油时期的定期控制阀、供油定期器位置传感器等（图2）。比例电磁阀1由线圈、铁心和回位弹簧等构成，ECM通过占空比（在控制脉冲一周期内接通时间所占的比值）控制流经线圈电流的大小，由此控制电磁阀磁场的强弱。可动铁心在该磁场力和回位弹簧力的功用下，保持其轴向平衡点位置。当流经线圈的电流变化时，原磁场力和弹簧力的平衡状态被破坏，铁心沿轴向移动到达新的平衡点。当铁心轴向移动时，通过杠杆系统带动油量调整滑套移动，由此达到调整喷射量的目的。而油量调整滑套的位置是靠装配在可动铁心前端的油量调整滑套位置传感器来测量的。ECM实时读取油量调整滑套位置传感器的信息，并与储存在ROM中的目标值相比较进行反馈控制，使实际油量调节滑套位置尽可能接近目标值。目标油量调节滑套位置或喷射量是事先通过台架试验根据不同转速不一样负荷标定而获取的。

      直列泵（In-line Pump）实际上就是把多缸柴油发电机各缸的供油单元装配在同一个柴油泵壳体上而结构的合成式燃油泵。根据燃油泵壳体的结构特点，直列泵也分为A型泵、P型泵等几种。图3所示为P型直列泵的结构。P型泵的供油量是操作员通过加载位置，改变P型泵油量控制齿杆位置来控制的（图4）。

      电控直列泵TICS（Timer Injection Control System）是在P型泵的基本上进行改良的。TICS泵保留了P型泵的油量控制齿杆系统，但在柱塞偶件上增加了一个控制滑套，取代了P型泵中的固定柱塞套。通过控制滑套相对柱塞的上下位移，改变柱塞的供油始点，即供油预行程，由此在一定范围内可实现供油时刻的任意控制。喷油泵喷射流程如图5、图6所示。

      上述位置式泵-管-喷油器型喷射机构柴油发电机组成图解，喷油嘴和喷油泵之间有一定长度的高压油管，故而柴油泵的供油特性和喷油嘴的实际喷油特点不一致。电喷化以后虽然在喷射机构数据的控制上，相对机械式改良了许多，使得柴油发电机的性能得到大幅度的改良，但仍未能彻底解除以燃油泵控制为核心的泵-管-喷油器型喷射系统结构的固有问题。为了便于剖析，根据图6所示的泵-管-喷油嘴型燃油喷射系统在喷射流程中柴油泵端燃油压力PH、喷油嘴端燃油压力pn及针阀升程h的变化规律，将其喷射过程划分为喷射延长、主喷射和喷油结束三个阶段。

      喷射延长阶段是指从喷油泵出油阀升起而开始供油时刻起到喷油器的针阀开始升起而开始喷油的时刻为止（图7中I段）。因为一定长度的高压油管的存在，从柴油泵供油开始，被压送的燃油在喷油泵端建立油压的同时，沿高压油管以约1400m/s的转速（压力波）向喷油嘴端传播，建立喷油嘴端的油压。当喷油器端的油压升高到其启喷压力时，喷油嘴的针阀才开启，喷油开始。因此，这种泵-管-喷油嘴型位置式喷射装置的第一个短处就是供油时刻与喷油时刻不一致，喷油时刻相对供油时刻存在延迟角，即供油提前角与喷油提前角的差值。高压油管越长或转速越高，这种喷油增长角越大。

      主喷射阶段是指从喷油嘴针阀开启喷油开始时刻起到因柴油泵回油造成喷油器端的燃油压力开始急剧下降的时刻为止（图7中II段）。在这一阶段，喷油规律详细取决于喷油嘴喷孔的总开启面积和喷射压力。而喷油器端的喷射压力与燃油泵的供油速率和高压油管中的压力波动等有关。所以，虽然供油规律危害喷油规律，但两者不相同。这里，喷油规律是指单位时间（或每1°柴油泵凸轮转角）内喷油嘴喷入燃烧室内的喷射量（即喷油速率）随时间（或燃油泵凸轮转角）的变化关系；而供油规律是指单位时间（或每1°柴油泵凸轮转角）内喷油泵的供油量（即供油速率）随时间（或柴油泵凸轮转角）的变化关系，供油规律主要取决于喷油泵的柱塞几何尺寸和燃油泵的凸轮形线（确定柱塞的运动规律）。所以，这种喷射系统的第二个致命弱点就是喷油规律不可能直接控制。

      喷油结束阶段是指从喷油嘴端的燃油压力开始急剧减少的时刻起到喷油器针阀完全落座停止喷油为止（图7中III段）。由于这种喷射系统是通过喷油泵的回油来减轻喷油嘴端油压的，并以此控制针阀落座，于是针阀的落座速度取决于喷油嘴端压力的降低速率。而且在此阶段因喷射压力减小，故而燃油雾化特点变差。

      因为这种泵-管-喷油器型燃油喷射装置是通过柴油泵控制喷油嘴端的油压来控制喷油器的喷射步骤的，因此存在以下几个问题：

      首先，供油时刻和喷油时刻不一样，喷射时刻相对供油时刻延长；其次，喷油嘴端的油压是通过喷油泵的供油规律间接控制的，故而喷油持续时间比供油连续时间长，较大喷油速率比较大供油速率低，喷油规律曲线和供油规律曲线也不一致，也就是说通过供油规律不能精确控制喷油规律。

2、在高速大负荷等供油量多的工况下，喷射终了喷油器针阀落座后，受高压油管中压力波动的危害，喷油嘴端的油压有可能超过其启喷压力，此时将造成针阀再次升起而喷油的不正常喷射现象，称这种状况为二次喷射（图9中2图）。此时，因为喷射压力低，燃油雾化不良，于是燃烧不完全，碳烟增多，且整个喷射连续时间拉长，热效率减小，经济性下降。

3、如果喷油终了喷油泵不能迅速回油，则高压油管中的残压过高，喷油器端的油压下降缓慢而造成喷油器针阀无法迅速落座，使针阀关闭不严，燃油仍以未完全雾化的油滴状态流出喷孔，称这种现象为滴油状况。滴油难以雾化，易生成积炭并堵塞喷孔。

4、当发电机小负载状态运行时，供油速率低，使得某一瞬间柴油泵的供油量小于从喷油器喷射的量和填充针阀室空间的油量之和柴油发电机启动不了，造成针阀在喷射程序中周期性跳动的情形，称之为断续喷射（如图9中3图）。这种喷射现状容易致使针阀副的过大磨损。当供油量过小时，会产生循环喷射量不断变动的状况，称这种现象为不规则喷射。再降低喷射量时有可能发生有的循环不喷油，或两个循环喷一次的隔次喷射状况（如图9中4图）。这种不正常的喷射现象限制了柴油发电机的较低稳定速度。

      分配泵体积小、质量轻、成本低、使用方便，但只能满足简单的供油特征和供油时刻变化特点。为此，在分配泵的基本上采用电子控制技术，提高其供油特征和控制精度，以适应日趋严格的节能与排放规范的要求。采用分配泵电喷技术，根据喷射量、喷射时间的控制方法不一样，有位置式控制和时间式控制两种。位置控制型电控柴油喷射装置与机械控制柴油喷射系统相比，控制精度和响应转速都有所提高。将机械控制柴油喷射系统改造为位置控制型电控装置时，柴油发电机的组成无需改动，但系统控制频率低，喷油压力和喷油规律不能独立控制。 电喷位置式喷射系统在一定程度上改善了机械式喷射机构存在的上述问题，但不可能从根本上彻底清除，而上述存在的问题又直接制约喷油规律和放热规律的精确控制。因此，这种喷射系统满足不了日趋严格的节能与排放规范的要求而被淘汰。