柴油发电机共轨电喷燃油喷射技术的机理与发展方向

摘要：柴油发电机共轨电控燃油喷射机构利用领先的电子技术、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康明斯发电机组燃油装置的发展流程、基础机理和分类，并诠释共轨系统的好处及发展方向。

      20世纪，柴油发电机技术发展史上经历了三次重大的飞跃：机械式燃油机构、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喷机构的“原型”康明斯发电机参数表，其后以瑞士工业大学的Ganser教授为中心对共轨电控装置进行了一系列的讨论。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年末柴油机故障码大全图片，日本电装公司将ECD-U2型共轨电控机构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控燃油喷射装置的新时代，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喷燃油喷射机构被称为位置控制机构，采用电子伺服系统（如线性螺线管、线性直流发电机等）代替机械式调速板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控制的电液执行装置改变发电机驱动轴与喷油咀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系统被称为时间控制机构，和传统的柱塞泵供油步骤相比，它仍然采用传统程序供应高压油，但是在燃油的喷射上，则是由ECU控制的装配在喷油泵上的高速电磁阀的动作来控制喷油阀的开启时机康明斯室外柴油发电机、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增强。

（3）第三代柴油发电机电控燃油喷射系统，时间-压力控制机构，也称为高压共轨电控燃油喷射机构，它是20世纪90年代中期研制成功的全新的电喷燃油喷射系统，打破了传统的喷油咀、分缸燃油供油程序，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准确优秀。

      共轨燃油装置结构如图1所示，控制机理如图2所示。正是由于共轨电控燃油喷射技术具有很多亮点，所以该技术一经问世，就得到世界上大多数柴油发电机制造厂商的青睐，其中，高压共轨机构被认为是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机构产品及其与之配套的产品。目前，这一项技术的发展方向有：

      现代电喷喷油技术的崛起，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。共轨电喷装置利用各种相关传感器采集并输送柴油发电机运转状态数据给控制模块(ECM)，ECU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行。

      共轨电喷喷射技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制机构(BCU)结构的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射流程彼此完全分开的一种供油方式。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速度无关，可以大幅度降低柴油发电机供油油压随发电机速度变化的程度，因此，也就减轻了传统柴油发电机的短处。ECU控制喷油泵的喷油量，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原理，而是通过共轨直接或间接的形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油嘴，并借助于集成在每个喷油嘴上的高速电磁开关阀的启闭，定期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。

      具体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，油泵使燃油产生一定的压力，以克服滤清器和油道的阻力，并保证连续不断地向喷油泵输送足够数量的燃油。

      这部分具体由高压管体、轨压探头、轨压限制流量限制阀和高压进油口构成。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，向个气缸提供高压燃料，并在必要的时候打开轨压限制阀保护机构；轨压限制阀负责保护装置，在其打开之后轨压会下降到30兆帕；流量限制阀的功能是处理某一个气缸的燃油泄漏损坏，在气缸泄露或者喷油嘴损坏引起了燃油喷射量过多时，该装置将会切断对应汽缸的燃油提供，每一个气缸都对应一个流量限制阀；轨压探头的用途是向ECU提供高压共轨管内燃油的压力信号。

      喷油咀是整个电控装置较关键和较核心的部件，组成如图4所示。它的功能是在ECM的控制下适时适量的喷射高压柴油。构造上主要有喷油咀体、电磁阀、柱塞阀组件、喷油嘴针阀组件和弹簧构成。负责针阀开闭的电磁阀具有极快的动作转速，其开启时间不超过110±10μs，关闭时间不超过30±5μs。

      其基本动作步骤如图5所示。在喷油咀的上部，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，于是高压油在对柱塞阀体施加压力的同时不会从回流节油道泄露，这样就保证了柱塞对喷油泵针阀一个较大的向下的压力，使得喷油嘴针阀紧密的压在出油口上，虽然针阀下端也受到高压油的功用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，于是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ECU的控制，线圈在由ECU供应的电压的作用下，产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。而因为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，于是针阀受到的合力向上，针阀打开，喷油过程开始。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。喷油咀电路如图6所示。

      高压油管是联通共轨管和电控喷油咀的通道。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当基础等长，以使喷油压力尽量相同。并且使长度尽量小，以减小压力的损失。

      按照喷油高压形成的不同，共轨式电喷燃油喷射系统有两种基础形式，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清除压力的脉动，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系统发送的指令信号后，就迅速开启或关闭，从而控制燃油器作业，迅即通较高压柱塞的增压功能，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，输送至共轨中解决压力的脉动，再分送到各喷油器：当电子控制系统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，进而控制喷油器作业，即按设定的要求喷出或停喷高压燃油。

      上述两个装置的详细区别在于高压燃油的获得方式不一样，高压共轨系统由高压柴油泵直接供应，而中压共轨装置则借助于增压柱塞增压后获得。

      柴油发电机共轨电控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泵构造于一身，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，从而优化喷油特点、减低柴油发电机噪声和大大减轻废气的排放量。主要优点如下：

（1）采用先进的电子控制机构及配有高速电磁开关阀，使得喷油程序的控制十分方便，并且可控数据多，利于柴油发电机燃烧程序的全程优化。

（2）采用共轨步骤供油，喷油机构压力波动小，各喷油器间相互影响小，喷射压力控制精度过高，喷油量控制较准确。

（3）高速电测开关阀频率高，控制灵活，使得喷油机构的喷射压力可调范围大，并且能方便的实现预喷射、后喷等用途，为优化柴油发电机喷油规律、改进其性能和减小废气排放提供了有效策略。

（4）装置结构移植方便，适应范围广，不像其他的电控燃料喷射机构，对柴油发电机的构造形式有专门要求，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装置具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调整的特点，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。