新聞主題	柴油機電噴燃油系統的類(lèi)別、組成與原理

 

摘要：柴油機燃油噴射具有高壓、高頻、脈動(dòng)等特點(diǎn)。其噴射壓力高達200MPa，為汽油機噴射壓力的百倍以上。對燃油高壓噴射系統實(shí)施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對噴射正時(shí)的精度要求很高，相對于柴油機活塞上止點(diǎn)的角度位置遠比汽油機要求準確。由于柴油機的噴射系統形式多樣，比如具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結構完全不同的系統。實(shí)施電控技術(shù)的執行機構比較復雜，形成了柴油噴射系統的多樣化；同時(shí)柴油機需要對油量、定時(shí)、噴油壓力等多參數進(jìn)行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機。但是由于其獨特的先進(jìn)性，采用電控已不可避免的成為當今柴油機技術(shù)的發(fā)展趨勢。

 

一、燃油系統電控技術(shù)的特點(diǎn)

 

      柴油機電控技術(shù)與汽油機電控技術(shù)有許多相似之處，整個(gè)系統都是由傳感器、電控單元和執行器三大部分組成，在電控柴油機上所用的傳感器中，如轉速、壓力、溫度等傳感器以及油門(mén)踏板傳感器，與汽油機電控系統都是一樣的。電控單元在硬件方面也很相似，在整車(chē)管理系統的軟件方面也有近似處。汽油機電控技術(shù)在國外已經(jīng)成熟，商品化程度已很高，因此大部分傳感器和電控單元已不是難點(diǎn)，也不是柴油機電控技術(shù)的難點(diǎn)。柴油機電控技術(shù)有二個(gè)明顯的特點(diǎn)：一個(gè)特點(diǎn)是其關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點(diǎn)就在柴油機噴射電控執行器上；另一個(gè)特點(diǎn)是柴油機電控噴射系統的多樣化。

      柴油機是一個(gè)熱效率比較高的動(dòng)力機械。它采用高壓噴油泵（包括提前器）和噴油嘴將適量的燃油，在適當的時(shí)期，以適當的空間狀態(tài)噴入柴油機的燃燒室，以造成最佳的燃油與空氣混合和燃燒的最有利條件，實(shí)現柴油機在功率、扭矩、轉速、燃油消耗率、怠速、噪聲、排放等多方面的要求，柴油機燃油噴射具有高壓、高頻、脈動(dòng)等特點(diǎn)，其噴射壓力高達60～150MPa，甚至200MPa，為汽油噴射的幾百倍，上千倍。對于燃油高壓噴射系統實(shí)施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對噴射正時(shí)的精度要求很高，相對于柴油機活塞上死點(diǎn)的角度位置遠比汽油機要求準確，這就導致了柴油噴射的電控執行器要復雜得多。因此柴油機電控技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)就是柴油噴射電控執行器，也即電控柴油噴射系統，主要控制量是噴油量和噴油正時(shí)。

      當今國際上汽油機電控技術(shù)已經(jīng)成熟，且趨向一個(gè)比較單一的模式，即多點(diǎn)噴射。電控化油器已經(jīng)淘汰，單點(diǎn)噴射的應用大大減少，有些公司正在研究多點(diǎn)缸內噴射。柴油機在機械控制時(shí)代，就已經(jīng)有直列泵、分配泵、泵噴嘴、單缸泵等結構完全不同的系統，每個(gè)系統各有其特點(diǎn)和適用范圍，每種系統中又有多種不同結構。實(shí)施電控技術(shù)的執行機構比較復雜，因此形成了柴油噴射系統的多樣化。

      關(guān)于柴油發(fā)動(dòng)機電控燃油系統的種類(lèi)，大約分為四種方式。首先，按噴射方式不同，電控燃油噴射系統可分為連續噴射方式和間歇噴射方式。在采用間歇噴射方式的多點(diǎn)電控燃油噴射系統中，按各缸噴油器的噴射順序又可分為同時(shí)噴射系統、分組噴射和系統順序噴射系統。其次，按對進(jìn)氣量的計量方式不同，電控燃油噴射系統可分為D型噴射系統和I型噴射系統。然后，按噴射位置不同，電控燃油噴射系統可分進(jìn)氣管?chē)娚浜透變戎苯訃娚鋬煞N類(lèi)型。最后再按有無(wú)反饋信號，可分為開(kāi)環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統。開(kāi)環(huán)控制系統（無(wú)氧傳感器）不能實(shí)現最佳控制。閉環(huán)控制系統（有氧傳感器）是在發(fā)動(dòng)機排氣管上加裝了氧傳感器，根據排氣中含氧量的變化，判斷實(shí)際進(jìn)入汽缸的混合氣空燃比，再通過(guò)ECU與設定的目標空燃比值進(jìn)行比較，并根據誤差修正噴油器噴油量，使空燃比保持在設定的目標值附近。

 

二、液壓驅動(dòng)電控單體式噴油器

 

      柴油機液壓驅動(dòng)電控單體式噴油器（HEUI）是一種獨特的電噴系統，一般的柴油機燃油系統是由凸輪軸驅動(dòng)搖臂組成，使噴油器的噴油柱塞向下運動(dòng)，升高封閉在噴油套筒內的燃油壓力到足以打開(kāi)噴油器噴頭總成內的噴油針閥。而HEUI燃油系統中，增壓活塞上的高壓機油代替搖臂作用于各噴油器端部，即由高壓機油提供動(dòng)力的噴油壓力，由機油壓力決定壓力的大小。

1、HEUI電噴系統工作原理簡(jiǎn)述

      HEUI燃油系統的噴油速率采用液壓方式控制，噴油速率隨柴油機轉速而變化，使柴油機的性能提高，燃油經(jīng)濟性改善并排放降低。在噴油電磁閥接到來(lái)自ECM的信號產(chǎn)生激勵時(shí)HEUI噴油器柱塞動(dòng)作，與其他機械驅動(dòng)的燃油系統不同，柴油機凸輪轉速和凸起持續時(shí)間控制噴油器的柱塞運動(dòng)，所以噴油控制更加精確。

2、HEUI電噴系統的組成

      總的來(lái)說(shuō)HEUI系統由三大部分組成：低壓燃油系統、高壓機油系統和由ECM控制的噴油系統。

（1）低壓燃油系統

      HEUI屬于低壓燃油系統，如圖2所示，燃油經(jīng)燃油箱被吸出，經(jīng)濾清器、低壓油泵、燃油集合管至噴油器，向各個(gè)噴油器的供油量大于實(shí)際噴油量，以保證充分的潤滑和冷卻噴油器，沒(méi)有噴出的燃油離開(kāi)油道，最后經(jīng)回油管的噴油壓力閥（釋放壓力設定為414kPa）回到燃油箱。

      低壓燃油系統中無(wú)高壓燃油流動(dòng)，取消了高壓油管，目的是防止燃油的可壓縮性和油管的彈性在油管內形成壓力波動(dòng)，防止打開(kāi)已關(guān)閉的針閥，產(chǎn)生二次噴射燃燒的不正常，出現不完全燃燒。

 

圖1  柴油機液壓驅動(dòng)電控單體式噴油器（HEUI）結構圖

圖2  柴油機液壓驅動(dòng)電噴系統低壓燃油流程

 

（2）高壓機油系統

      柴油機的潤滑系統可分為兩部分：低壓和高壓。如圖1所示可以看出，在低壓機油泵的作用下，油底殼機油被吸起，通過(guò)機油冷卻器和過(guò)濾器，此時(shí)機油分為兩路，一路對柴油機體進(jìn)行潤滑，另一路從高壓油泵進(jìn)入，進(jìn)入高壓油泵中的多余機油部分流回油底殼。此部分屬于潤滑系統的低壓部分。在高壓油泵的作用下，高壓機油通往噴油器，此部分就是潤滑系統的高壓部分。

      實(shí)際上，潤滑系統的高壓部分不僅僅起潤滑的作用，更重要的是控制驅動(dòng)噴油器的高壓噴油。噴油壓力控制系統如圖3所示，系統內流動(dòng)的都是高壓機油，由高壓機油泵、噴油壓力穩壓閥、噴油壓力控制傳感器等組成。

      它是由曲軸帶動(dòng)7個(gè)活塞的高壓機油泵，在正常運行條件下，機油被加壓至3100kPa到20685kPa之間，一個(gè)路軌式壓力控制閥（RailPressure Control Valve，RPCV）控制油泵輸出的壓力，當開(kāi)啟調壓控制閥時(shí)，溢流的機油回柴油機油底殼中。調壓控制閥是一個(gè)電控溢流閥，起控制液壓機油泵的泵油壓力的作用，ECM調節機油泵的輸出供油壓力，通過(guò)改變電控溢流閥的信號電流。調壓控制閥的剖面圖如圖4所示，在柴油機停機時(shí)，調壓控制閥內部的滑閥被復位彈簧推到右側，機油溢流口關(guān)閉；在啟動(dòng)柴油機時(shí)，ECM發(fā)出信號給調壓控制閥，電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)將銜鐵推動(dòng)菌狀閥和推桿，流入滑閥腔內的機油壓力和彈簧力共同作用使滑閥處于右端，繼續使機油溢流油口關(guān)閉，使全部機油進(jìn)入各氣缸蓋內鑄造的機油油道中，直到機油油道內達到期望的機油壓力。

 

圖3  柴油機液壓驅動(dòng)電噴系統噴油壓力控制系統

圖4  柴油機液壓驅動(dòng)電噴系統機油調壓控制閥.

 

（3）噴油器

      噴油器由電磁閥、提動(dòng)閥、酸化增強活塞、噴油嘴總成等組成，如圖5所示。

      機油液壓能量提供噴油器的噴射動(dòng)力，噴油器內的活塞及柱塞的移動(dòng)由液壓壓力及速度控制，由噴油器中電磁閥開(kāi)關(guān)時(shí)間的長(cháng)短達到控制噴油量 ECM發(fā)出脈沖的時(shí)間控制，當電磁閥通電時(shí)提動(dòng)閥打開(kāi)其閥座，推動(dòng)活塞及柱塞在高壓機油推動(dòng)下行至最低，噴油器進(jìn)行噴油。ECM輸出信號控制斷開(kāi)噴油器的電磁閥電源，停止噴油，關(guān)閉提動(dòng)閥。當關(guān)上提動(dòng)閥，高壓機油關(guān)閉輸送管道，對酸化增強活塞停止供油，轉動(dòng)空槽內排入酸化增強活塞內的高壓機油。柱塞彈簧將酸化增強活塞及柱塞推回原位。當柱塞向上移動(dòng)時(shí)，燃油閥打開(kāi)，柱塞腔內開(kāi)始注入低壓燃油。ECM通過(guò)噴油器有效控制發(fā)動(dòng)機的噴射速度、噴油時(shí)間及高壓噴射壓力。

      噴射速度的控制：噴油器的執行由液壓系統控制，速度比傳統的機械式要快，柴油機速度與噴射速度及壓力無(wú)關(guān)。

      在HEUI的噴油過(guò)程中，由于電磁閥的速度響應極快，為“先導噴射”即“二次噴射”創(chuàng )造條件。所謂“先導噴射”，即通過(guò)噴油嘴噴入少量燃油到燃燒室，緩慢地使燃燒室內形成軟性火焰前鋒，這樣氣缸內的峰值溫度和壓力都低于普通一次噴射系統，此時(shí)由ECM檢測噴油延時(shí)，在形成火焰前鋒后，根據ECM提供的數據，噴油嘴再次持續開(kāi)啟向氣缸內噴入準確的油量，燃燒室內的燃油噴入活塞頂的碗形空間內，這有助于空氣和燃油形成渦流。由于氣缸內的壓力升高率降低了，燃燒噪聲降低了，油耗下降，同時(shí)大大降低排出的廢氣濃度。

 

圖5  柴油機液壓驅動(dòng)電噴系統噴油器.

圖6  柴油機液壓驅動(dòng)電噴系統管理系統

 

      EUP的控制原理：在電磁閥關(guān)閉且凸輪軸推動(dòng)EUP殼體內的柱塞向上移動(dòng)時(shí)才會(huì )噴油，當電磁閥開(kāi)啟且在柱塞回位彈簧4作用下向下移動(dòng)時(shí)，低壓燃油將會(huì )發(fā)生溢流。高壓燃油從EUP通過(guò)小管徑高壓油管被輸送到噴油嘴，大約在31027～34475kPa油壓作用下克服彈簧壓力而開(kāi)啟，此時(shí)噴油壓力大約為179.3MPa。

 

圖 7  柴油機DDEC系統電控泵噴嘴結構

圖8  柴油機電控單體式噴油泵EUP示意圖

 

四、電控分配泵（EDP）系統

 

      電控分配泵是在機械分配泵的基礎上發(fā)展而來(lái)的。它繼承了原機械分配泵體積小、噪聲小、運轉平穩、受力均衡的優(yōu)點(diǎn)，又大大簡(jiǎn)化了原機械分配泵的結構，其結構如圖9所示。

 1、分配泵工作原理

      如圖10所示。打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)燃油切斷電磁閥通電開(kāi)啟，這樣泵體和柱塞之間的燃油通道暢通。當輸油泵旋轉時(shí)，燃油從燃油箱中被抽吸上來(lái)，通過(guò)水沉淀器及燃油濾清器在由調節閥調定的壓力下進(jìn)入泵體。通過(guò)柱塞的運動(dòng)燃油被壓縮并分配到各個(gè)出油閥。燃油通過(guò)出油閥后，再通過(guò)高壓油管進(jìn)入噴油嘴，并被噴入氣缸。同時(shí)，噴油泵的內部是靠燃油來(lái)潤滑和冷卻的。一部分燃油從溢流螺絲回到燃油箱，來(lái)控制泵體燃油溫度的上升。

2、泵油原理

（1）輸油泵、凸輪板和柱塞是由驅動(dòng)軸驅動(dòng)并且以發(fā)動(dòng)機一半的轉速旋轉。

（2）兩個(gè)柱塞彈簧將柱塞及凸輪板頂在滾子上。

（3）凸輪板的板面有與氣缸相同數量的端面凸輪。(4 缸發(fā)動(dòng)機有4個(gè)端面凸輪。) 凸輪板依靠固定的滾子推動(dòng)柱塞向內或向外旋轉，柱塞隨著(zhù)端面凸輪的運動(dòng)而運動(dòng)，柱塞的往復運動(dòng)與端面凸輪的旋轉同步。端面凸輪旋轉一圈，柱塞完成4 次完整的往復運動(dòng)。

（4）每1/4圈噴射一次燃油進(jìn)入氣缸和柱塞完成一次往復運動(dòng)（相對于4缸發(fā)動(dòng)機而言）。

（5）柱塞有4個(gè)吸油槽、1個(gè)分配孔、1個(gè)回油孔和1個(gè)平衡槽?；赜涂缀头峙淇着c柱塞中心孔相通。

（6）燃油從柱塞的吸油槽被吸入。然后高壓燃油從分配孔通過(guò)出油閥進(jìn)入噴油嘴。

3、單缸供油過(guò)程

（1）吸油過(guò)程 ：

      柱塞在向下運動(dòng)過(guò)程中（如圖示向左移動(dòng)時(shí)），柱塞上的 4 個(gè)吸油槽中的一個(gè)與分配頭的吸油孔相通。這樣燃油被吸入壓力室，從那里進(jìn)入柱塞內部。

（2）供油過(guò)程：

      隨著(zhù)凸輪板和柱塞旋轉，分配頭的吸油孔關(guān)閉、柱塞的分配孔與分配通道相通。隨著(zhù)凸輪板轉上滾子，柱塞向右運動(dòng)壓縮燃油。當燃油壓力超過(guò)出油閥彈簧的預緊力，燃油就被泵入噴油嘴。

（3）供油結束：

      當凸輪板繼續旋轉柱塞繼續向右運動(dòng)，柱塞上的兩個(gè)回油孔將柱塞及凸輪板頂在滾子上。這樣高壓油通過(guò)回油孔流回泵體。結果燃油壓力突然下降、燃油噴射停止。

 

圖9  電控柴油機的VE型分配泵

圖10  柴油機電控分配泵工作原理

 

 總結：

      柴油機電子控制技術(shù)在環(huán)保、精度、自動(dòng)控制和故障診斷等方面具有優(yōu)勢，但在維護難度、價(jià)格、耐用性和安全風(fēng)險等方面存在局限。因此，柴油發(fā)電機組生產(chǎn)企業(yè)應該在技術(shù)掌握、應用和維護等方面加強研究，使柴油機電子控制技術(shù)更好地為人們的生活服務(wù)。

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