新聞主題	柴油機電噴燃油系統(tǒng)的類別、組成與原理

 

摘要：柴油機燃油噴射具有高壓、高頻、脈動等特點。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(tǒng)實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的精度要求很高，相對于柴油機活塞上止點的角度位置遠比汽油機要求準確。由于柴油機的噴射系統(tǒng)形式多樣，比如具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結(jié)構(gòu)完全不同的系統(tǒng)。實施電控技術(shù)的執(zhí)行機構(gòu)比較復(fù)雜，形成了柴油噴射系統(tǒng)的多樣化；同時柴油機需要對油量、定時、噴油壓力等多參數(shù)進行綜合控制，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(tǒng)電控技術(shù)的特點

 

      柴油機電控技術(shù)與汽油機電控技術(shù)有許多相似之處，整個系統(tǒng)都是由傳感器、電控單元和執(zhí)行器三大部分組成，在電控柴油機上所用的傳感器中，如轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等傳感器以及油門踏板傳感器，與汽油機電控系統(tǒng)都是一樣的。電控單元在硬件方面也很相似，在整車管理系統(tǒng)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，也不是柴油機電控技術(shù)的難點。柴油機電控技術(shù)有二個明顯的特點：一個特點是其關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點就在柴油機噴射電控執(zhí)行器上；另一個特點是柴油機電控噴射系統(tǒng)的多樣化。

      柴油機是一個熱效率比較高的動力機械。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?shù)臅r期，以適當?shù)目臻g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，實現(xiàn)柴油機在功率、扭矩、轉(zhuǎn)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、脈動等特點，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(tǒng)實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的精度要求很高，相對于柴油機活塞上死點的角度位置遠比汽油機要求準確，這就導(dǎo)致了柴油噴射的電控執(zhí)行器要復(fù)雜得多。因此柴油機電控技術(shù)的關(guān)鍵和難點就是柴油噴射電控執(zhí)行器，也即電控柴油噴射系統(tǒng)，主要控制量是噴油量和噴油正時。

      當今國際上汽油機電控技術(shù)已經(jīng)成熟，且趨向一個比較單一的模式，即多點噴射。電控化油器已經(jīng)淘汰，單點噴射的應(yīng)用大大減少，有些公司正在研究多點缸內(nèi)噴射。柴油機在機械控制時代，就已經(jīng)有直列泵、分配泵、泵噴嘴、單缸泵等結(jié)構(gòu)完全不同的系統(tǒng)，每個系統(tǒng)各有其特點和適用范圍，每種系統(tǒng)中又有多種不同結(jié)構(gòu)。實施電控技術(shù)的執(zhí)行機構(gòu)比較復(fù)雜，因此形成了柴油噴射系統(tǒng)的多樣化。

      關(guān)于柴油發(fā)動機電控燃油系統(tǒng)的種類，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(tǒng)可分為連續(xù)噴射方式和間歇噴射方式。在采用間歇噴射方式的多點電控燃油噴射系統(tǒng)中，按各缸噴油器的噴射順序又可分為同時噴射系統(tǒng)、分組噴射和系統(tǒng)順序噴射系統(tǒng)。其次，按對進氣量的計量方式不同，電控燃油噴射系統(tǒng)可分為D型噴射系統(tǒng)和I型噴射系統(tǒng)。然后，按噴射位置不同，電控燃油噴射系統(tǒng)可分進氣管噴射和缸內(nèi)直接噴射兩種類型。最后再按有無反饋信號，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)（無氧傳感器）不能實現(xiàn)最佳控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)（有氧傳感器）是在發(fā)動機排氣管上加裝了氧傳感器，根據(jù)排氣中含氧量的變化，判斷實際進入汽缸的混合氣空燃比，再通過ECU與設(shè)定的目標空燃比值進行比較，并根據(jù)誤差修正噴油器噴油量，使空燃比保持在設(shè)定的目標值附近。

 

二、液壓驅(qū)動電控單體式噴油器

 

      柴油機液壓驅(qū)動電控單體式噴油器（HEUI）是一種獨特的電噴系統(tǒng)，一般的柴油機燃油系統(tǒng)是由凸輪軸驅(qū)動搖臂組成，使噴油器的噴油柱塞向下運動，升高封閉在噴油套筒內(nèi)的燃油壓力到足以打開噴油器噴頭總成內(nèi)的噴油針閥。而HEUI燃油系統(tǒng)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力的噴油壓力，由機油壓力決定壓力的大小。

1、HEUI電噴系統(tǒng)工作原理簡述

      HEUI燃油系統(tǒng)的噴油速率采用液壓方式控制，噴油速率隨柴油機轉(zhuǎn)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自ECM的信號產(chǎn)生激勵時HEUI噴油器柱塞動作，與其他機械驅(qū)動的燃油系統(tǒng)不同，柴油機凸輪轉(zhuǎn)速和凸起持續(xù)時間控制噴油器的柱塞運動，所以噴油控制更加精確。

2、HEUI電噴系統(tǒng)的組成

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

（1）低壓燃油系統(tǒng)

      HEUI屬于低壓燃油系統(tǒng)，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，向各個噴油器的供油量大于實際噴油量，以保證充分的潤滑和冷卻噴油器，沒有噴出的燃油離開油道，最后經(jīng)回油管的噴油壓力閥（釋放壓力設(shè)定為414kPa）回到燃油箱。

      低壓燃油系統(tǒng)中無高壓燃油流動，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(nèi)形成壓力波動，防止打開已關(guān)閉的針閥，產(chǎn)生二次噴射燃燒的不正常，出現(xiàn)不完全燃燒。

 

圖1  柴油機液壓驅(qū)動電控單體式噴油器（HEUI）結(jié)構(gòu)圖

圖2  柴油機液壓驅(qū)動電噴系統(tǒng)低壓燃油流程

 

（2）高壓機油系統(tǒng)

      柴油機的潤滑系統(tǒng)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，通過機油冷卻器和過濾器，此時機油分為兩路，一路對柴油機體進行潤滑，另一路從高壓油泵進入，進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(tǒng)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(tǒng)的高壓部分。

      實際上，潤滑系統(tǒng)的高壓部分不僅僅起潤滑的作用，更重要的是控制驅(qū)動噴油器的高壓噴油。噴油壓力控制系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)內(nèi)流動的都是高壓機油，由高壓機油泵、噴油壓力穩(wěn)壓閥、噴油壓力控制傳感器等組成。

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

 

圖3  柴油機液壓驅(qū)動電噴系統(tǒng)噴油壓力控制系統(tǒng)

圖4  柴油機液壓驅(qū)動電噴系統(tǒng)機油調(diào)壓控制閥.

 

（3）噴油器

      噴油器由電磁閥、提動閥、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力，噴油器內(nèi)的活塞及柱塞的移動由液壓壓力及速度控制，由噴油器中電磁閥開關(guān)時間的長短達到控制噴油量 ECM發(fā)出脈沖的時間控制，當電磁閥通電時提動閥打開其閥座，推動活塞及柱塞在高壓機油推動下行至最低，噴油器進行噴油。ECM輸出信號控制斷開噴油器的電磁閥電源，停止噴油，關(guān)閉提動閥。當關(guān)上提動閥，高壓機油關(guān)閉輸送管道，對酸化增強活塞停止供油，轉(zhuǎn)動空槽內(nèi)排入酸化增強活塞內(nèi)的高壓機油。柱塞彈簧將酸化增強活塞及柱塞推回原位。當柱塞向上移動時，燃油閥打開，柱塞腔內(nèi)開始注入低壓燃油。ECM通過噴油器有效控制發(fā)動機的噴射速度、噴油時間及高壓噴射壓力。

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

      在HEUI的噴油過程中，由于電磁閥的速度響應(yīng)極快，為“先導(dǎo)噴射”即“二次噴射”創(chuàng)造條件。所謂“先導(dǎo)噴射”，即通過噴油嘴噴入少量燃油到燃燒室，緩慢地使燃燒室內(nèi)形成軟性火焰前鋒，這樣氣缸內(nèi)的峰值溫度和壓力都低于普通一次噴射系統(tǒng)，此時由ECM檢測噴油延時，在形成火焰前鋒后，根據(jù)ECM提供的數(shù)據(jù)，噴油嘴再次持續(xù)開啟向氣缸內(nèi)噴入準確的油量，燃燒室內(nèi)的燃油噴入活塞頂?shù)耐胄慰臻g內(nèi)，這有助于空氣和燃油形成渦流。由于氣缸內(nèi)的壓力升高率降低了，燃燒噪聲降低了，油耗下降，同時大大降低排出的廢氣濃度。

 

圖5  柴油機液壓驅(qū)動電噴系統(tǒng)噴油器.

圖6  柴油機液壓驅(qū)動電噴系統(tǒng)管理系統(tǒng)

 

      EUP的控制原理：在電磁閥關(guān)閉且凸輪軸推動EUP殼體內(nèi)的柱塞向上移動時才會噴油，當電磁閥開啟且在柱塞回位彈簧4作用下向下移動時，低壓燃油將會發(fā)生溢流。高壓燃油從EUP通過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啟，此時噴油壓力大約為179.3MPa。

 

圖 7  柴油機DDEC系統(tǒng)電控泵噴嘴結(jié)構(gòu)

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(tǒng)

 

      電控分配泵是在機械分配泵的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。它繼承了原機械分配泵體積小、噪聲小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、受力均衡的優(yōu)點，又大大簡化了原機械分配泵的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

 1、分配泵工作原理

      如圖10所示。打開點火開關(guān)燃油切斷電磁閥通電開啟，這樣泵體和柱塞之間的燃油通道暢通。當輸油泵旋轉(zhuǎn)時，燃油從燃油箱中被抽吸上來，通過水沉淀器及燃油濾清器在由調(diào)節(jié)閥調(diào)定的壓力下進入泵體。通過柱塞的運動燃油被壓縮并分配到各個出油閥。燃油通過出油閥后，再通過高壓油管進入噴油嘴，并被噴入氣缸。同時，噴油泵的內(nèi)部是靠燃油來潤滑和冷卻的。一部分燃油從溢流螺絲回到燃油箱，來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(qū)動軸驅(qū)動并且以發(fā)動機一半的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

（2）兩個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(shù)量的端面凸輪。(4 缸發(fā)動機有4個端面凸輪。) 凸輪板依靠固定的滾子推動柱塞向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)，柱塞隨著端面凸輪的運動而運動，柱塞的往復(fù)運動與端面凸輪的旋轉(zhuǎn)同步。端面凸輪旋轉(zhuǎn)一圈，柱塞完成4 次完整的往復(fù)運動。

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

（5）柱塞有4個吸油槽、1個分配孔、1個回油孔和1個平衡槽?；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出油閥進入噴油嘴。

3、單缸供油過程

（1）吸油過程 ：

      柱塞在向下運動過程中（如圖示向左移動時），柱塞上的 4 個吸油槽中的一個與分配頭的吸油孔相通。這樣燃油被吸入壓力室，從那里進入柱塞內(nèi)部。

（2）供油過程：

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

（3）供油結(jié)束：

      當凸輪板繼續(xù)旋轉(zhuǎn)柱塞繼續(xù)向右運動，柱塞上的兩個回油孔將柱塞及凸輪板頂在滾子上。這樣高壓油通過回油孔流回泵體。結(jié)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(jié)：

      柴油機電子控制技術(shù)在環(huán)保、精度、自動控制和故障診斷等方面具有優(yōu)勢，但在維護難度、價格、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(yīng)該在技術(shù)掌握、應(yīng)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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