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新聞主題 |
電控單體泵、泵噴嘴和高壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) |
摘要：隨著國家排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油機(jī)的技術(shù)，尤其是排放控制技術(shù)也在逐步進(jìn)行升級(jí)換代。比如，要達(dá)到國二排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)在機(jī)械式噴油系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用渦輪增壓中冷技術(shù)；要達(dá)到國三排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)必須安裝電控燃油噴射系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)機(jī)械式噴油系統(tǒng)。預(yù)計(jì)不久將來，全國范圍內(nèi)所有機(jī)型均會(huì)實(shí)現(xiàn)國三排放標(biāo)準(zhǔn)，這就意味著所有的柴油柴油機(jī)均須采用電控燃油噴射系統(tǒng)。考慮未來柴油機(jī)排放升級(jí)發(fā)展需要，現(xiàn)代柴油機(jī)主要采用了電控單體泵系統(tǒng)、電控泵噴嘴系統(tǒng)和電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，本文闡述了這三種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用發(fā)展情況，指出未來柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展方向。
一、電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)
1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
電控單體泵系統(tǒng)是一種時(shí)間控制式的高壓燃油噴射系統(tǒng)。該系統(tǒng)由燃油供給系統(tǒng)（包括低壓部分和高壓部分）、電控單元和傳感器等組成。所謂單體泵，是指一個(gè)氣缸有一個(gè)噴油泵，它主要包括一個(gè)帶有出油控制閥（電磁閥）的高壓油泵、機(jī)械噴油器，以及連接所需的燃油管路、濾清系統(tǒng)。電控單體泵系統(tǒng)安裝在每個(gè)缸體外部，其基本結(jié)構(gòu)是將噴油泵柱塞驅(qū)動(dòng)與柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)共用一根（頂置）凸輪軸，噴油泵由凸輪軸上的噴油凸輪驅(qū)動(dòng)，這樣使得結(jié)構(gòu)得到最大程度的簡化，從而實(shí)現(xiàn)油泵出油口到噴油器的燃油管路距離的最短化。
2、工作原理
電控單體泵是通過與其制成一體的電磁閥（出油控制閥）來配合進(jìn)行工作的，通過電磁閥直接控制柱塞腔內(nèi)燃油壓力的建立和泄流，電磁閥觸發(fā)的時(shí)刻就是關(guān)閉的時(shí)刻，即供油起點(diǎn)，電磁閥觸發(fā)時(shí)間的長短決定著噴油量的大小。柴油機(jī)工作時(shí)，電控單元將所收集到的柴油機(jī)傳感器信息處理后，發(fā)出啟噴指令，給電磁閥通電，控制閥桿閉合泄油回路，建立高壓，高壓燃油通過高壓油管、高壓短接管進(jìn)入噴油器，然后噴入氣缸內(nèi)燃燒室；當(dāng)電磁閥通電電流斷開時(shí)，控制閥桿在彈簧的作用下開通泄油油路，高壓燃油迅速經(jīng)回油孔泄壓，停止噴油。
3、優(yōu)點(diǎn)
（1）電控單體泵系統(tǒng)通過電子控制系統(tǒng)和油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油壓力的提高，噴油壓力可達(dá)1600～1800bar，從而改善柴油機(jī)的燃燒工作過程，在有效降低柴油機(jī)排放水平的同時(shí)，改善柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和噪聲特性，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過將機(jī)械噴油器改進(jìn)為電磁閥噴油器后，形成雙電磁閥單體泵系統(tǒng)，燃油噴射壓力可達(dá)到2000bar以上，能夠?qū)崿F(xiàn)多次噴射，可以達(dá)到國IV，甚至國V排放水平。
（2）單體泵安裝在氣缸體的外面，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，對(duì)原型柴油機(jī)的改動(dòng)較小，制造成本較低，而且對(duì)油品的清潔度不太敏感，尤其是因噴射壓力較大，大功率柴油機(jī)的敏感性相對(duì)更弱，在當(dāng)前國內(nèi)油品質(zhì)量無法滿足要求的條件下，使用單體泵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不言而喻，因此深受柴油機(jī)制造企業(yè)和用戶的歡迎。
（3）工作性能可靠，故障率低，使用壽命長，維修方便。其可靠性能已經(jīng)在歐洲和北美市場(chǎng)上得到長時(shí)間的使用驗(yàn)證，而且對(duì)生產(chǎn)廠家的售后服務(wù)要求也不高，用戶使用維修成本較低。
4、缺點(diǎn)
（1）不能自由控制燃油噴射壓力，柴油機(jī)低速性能欠佳。由于單體泵油壓的建立過程依賴于曲軸的轉(zhuǎn)速，油泵的壓力與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，因此在低轉(zhuǎn)速區(qū)域燃油壓力較低，不利于柴油機(jī)燃燒性能的提高。
（2）采用機(jī)械噴油器時(shí)，不具備多次噴射的能力。一旦燃油系統(tǒng)與整機(jī)的匹配設(shè)計(jì)完成，在每一個(gè)工況點(diǎn)下，燃油系統(tǒng)的特性將不具備調(diào)節(jié)性。
（3）在國內(nèi)，為控制成本和降低技術(shù)難度，一般都是采用了外掛式單體泵（安裝在氣缸蓋上），這種設(shè)計(jì)，很難避免較大的驅(qū)動(dòng)扭矩，并且噪聲較大。隨著排放水平的逐步升級(jí)，單體泵需安裝在缸體內(nèi)，這需要重新設(shè)計(jì)柴油機(jī)機(jī)體。
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電控柴油機(jī)單體泵結(jié)構(gòu)示意圖 |
電控柴油機(jī)單體泵參數(shù)示意 |
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電控柴油機(jī)單體泵安裝示意圖 |
電控柴油機(jī)單體泵噴油正時(shí)調(diào)整值 |
二、電控泵噴嘴燃油噴射系統(tǒng)
1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
普通的柴油機(jī)通常采用泵一管一嘴燃油噴射系統(tǒng)，即由高壓油泵產(chǎn)生高壓燃油，再經(jīng)過油管把高壓燃油輸送到噴油嘴來完成噴油動(dòng)作，由于燃油具有可壓縮性，高壓燃油在傳遞過程中會(huì)出現(xiàn)時(shí)間滯后的問題，影響到噴油的正時(shí)，且難以實(shí)現(xiàn)燃油噴射的精確控制，不利于燃料的燃燒，產(chǎn)生較多的排放物質(zhì)。在電控泵噴嘴系統(tǒng)中，電控的高壓油泵和噴油嘴之間沒有管路連接，它把高壓油泵、噴油嘴和電磁閥集成在一起，直接安裝在氣缸蓋上，這樣不占用更多的空間，每一個(gè)高壓油泵（每缸一個(gè)）與進(jìn)排氣門一樣，都由同一根凸輪軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)。
2、工作原理
泵噴嘴系統(tǒng)分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)式和蓄壓式兩種，目前發(fā)展最完善的電控泵噴嘴系統(tǒng)是機(jī)械驅(qū)動(dòng)式的。泵噴嘴燃油噴射系統(tǒng)工作過程分為進(jìn)油、壓油、噴油和回油四個(gè)階段，原理如圖5所示。泵噴嘴的噴油始點(diǎn)和噴油終點(diǎn)由快速啟閉的電磁閥控制，當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，將柱塞高壓油腔與低壓油路切斷，燃油加壓并開始噴射；當(dāng)電磁閥開啟時(shí)，則泄掉噴射壓力，結(jié)束噴油。通過電磁閥的多次動(dòng)作可產(chǎn)生多次噴射，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油速率的控制，從而使燃燒過程得到優(yōu)化，其可靠性和燃燒效率得到保證。電磁閥在工作狀態(tài)時(shí)電流曲線變化如圖6所示。
3、優(yōu)點(diǎn)
（1）電控泵噴嘴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，噴油嘴孔徑非常小，不僅消除了高壓油管中壓力波動(dòng)的影響，提高了燃油噴射的響應(yīng)速度，而且很容易產(chǎn)生高噴油壓力（最高噴油壓力達(dá)到2200bar以上），燃油霧化良好，燃燒效率很高，從而提高柴油機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放。
（2）燃油的噴射過程實(shí)現(xiàn)了全電子控制，由安裝在泵噴嘴上的高速電磁閥精確控制，不僅利于徹底燃燒，提高動(dòng)力性，而且可降低噪聲和廢氣排放。同時(shí)柴油機(jī)在低速和小負(fù)荷時(shí)燃油噴射的穩(wěn)定性好，具有較好的控制靈活性，低速時(shí)的柴油機(jī)綜合性能得到改善，采用該技術(shù)的柴油機(jī)可滿足國IV、國V排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，該系統(tǒng)被看作是柴油機(jī)滿足苛刻排放標(biāo)準(zhǔn)和燃油經(jīng)濟(jì)性要求的最佳選擇之一。
4、缺點(diǎn)
（1）電控泵噴嘴系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)在于燃油噴射壓力不能保持恒定，仍然受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的限制。
（2）由于該系統(tǒng)噴射壓力很高，因而對(duì)氣缸套和氣缸蓋的剛度要求很高，此外，高壓油泵的凸輪和曲軸的距離較遠(yuǎn)，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度要求也很高。
（3）電控泵噴嘴系統(tǒng)由于需要重新設(shè)計(jì)柴油機(jī)本體，尤其是柴油機(jī)缸蓋，加工難度大，制造成本高。
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圖5 電控柴油機(jī)泵噴嘴系統(tǒng)工作狀態(tài) |
圖6 柴油機(jī)泵噴嘴電磁閥電流變化曲線 |
三、電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)
1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是建立在直噴技術(shù)、預(yù)噴技術(shù)和電控技術(shù)基礎(chǔ)之上的一種時(shí)間一壓力控制式的高壓燃油噴射系統(tǒng)。它主要由高壓泵、帶壓力傳感器和調(diào)壓閥的共軌管、帶電磁閥或壓電式的噴油器、電控單元和傳感器組成。共軌系統(tǒng)與之前以凸輪軸驅(qū)動(dòng)的柴油噴射系統(tǒng)不同，共軌式柴油噴射系統(tǒng)將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開，電磁閥控制的噴油器替代了傳統(tǒng)的機(jī)械式噴油器。
2、工作原理
電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)共軌管中的燃油壓力由一個(gè)徑向柱塞式高壓泵產(chǎn)生（高壓泵結(jié)構(gòu)如圖7所示），壓力大小與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定，其大小由一個(gè)電磁壓力調(diào)節(jié)閥控制，根據(jù)柴油機(jī)的工作需要進(jìn)行連續(xù)壓力調(diào)節(jié)。電控單元作用于噴油器電磁閥上的脈沖信號(hào)控制燃油的噴射過程，噴油量的大小取決于共軌管中的油壓和噴油器電磁閥開啟時(shí)間的長短，及噴油嘴液體流動(dòng)特性。工作時(shí)，該系統(tǒng)將共軌管內(nèi)形成的恒定高壓燃油，通過高壓油管分送到每個(gè)噴油器，并借助于集成在每個(gè)噴油器上的高速電磁閥的開啟與閉合，控制噴油器定時(shí)、定量地將燃油噴射至燃燒室。
3、優(yōu)點(diǎn)
（1）燃油噴射壓力獨(dú)立于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，壓力恒定，且噴油壓力較大，大大改善了柴油機(jī)低速、大負(fù)荷時(shí)的工作性能，在有效降低柴油機(jī)排放水平的同時(shí)，提高柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低燃燒噪聲。
（2）噴油壓力柔性可調(diào)，在不同負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下都可確定所需的最佳噴油壓力。油計(jì)量閥工作原理如圖8所示。
（3）實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴油正時(shí)、噴油量和噴油速率的最優(yōu)控制，因而改善了柴油機(jī)的燃燒過程，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，減少了污染物的排放，降低了燃燒噪聲。
（4）結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，目前已廣泛應(yīng)用于各種型號(hào)、各種排量的柴油機(jī)。
4、缺點(diǎn)
（1）該系統(tǒng)的共軌管燃油壓力調(diào)整十分復(fù)雜，存在建立時(shí)間和建立精度的矛盾，即縮短調(diào)節(jié)時(shí)間將很可能導(dǎo)致共軌管內(nèi)的燃油壓力超調(diào)，一般共軌管燃油壓力需要在柴油機(jī)的幾個(gè)循環(huán)內(nèi)才能完成調(diào)整，在一個(gè)循環(huán)中不能實(shí)現(xiàn)各缸的獨(dú)立調(diào)節(jié)。
（2）隨著共軌管燃油壓力的不斷提高，對(duì)系統(tǒng)各部件的性能要求越來越苛刻，對(duì)傳感器的精度要求也較高。另外，采用電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)后，需對(duì)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。
（3）油品適應(yīng)性差，用戶維修保養(yǎng)成本高，必須使用符合國三標(biāo)準(zhǔn)以上的低硫柴油，共軌柴油機(jī)電控系統(tǒng)的故障必須依靠專業(yè)故障診斷儀器進(jìn)行檢測(cè)和維修。
5、應(yīng)用情況
電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛的一種高壓燃油噴射系統(tǒng)，不僅技術(shù)先進(jìn)，而且成熟可靠，還最有利于柴油機(jī)以后的排放升級(jí)，目前幾乎所有的高端品牌柴油發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)廠家都在使用該系統(tǒng)。電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)正逐步向著更高的噴射壓力、更小的噴孔直徑、更短的響應(yīng)時(shí)間、更低的功率消耗和功能更完善的軟件的方向發(fā)展，是現(xiàn)在以至未來柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的最佳選擇。目前該系統(tǒng)已發(fā)展到第四代，第一代是采用噴油壓力為1350bar的電磁閥式噴油器；第二代是采用噴油壓力為1600bar的電磁閥式噴油器；第三代是采用噴油壓力為1600～2000bar的壓電式噴油器。該噴油器體積小，響應(yīng)速度快（0.1ms），可實(shí)現(xiàn)更精確的噴油量，有利于提高噴油的霧化質(zhì)量；第四代是采用噴油壓力可達(dá)2500bar的液力增壓式噴油器，其燃油霧化質(zhì)量更高。現(xiàn)在，市場(chǎng)上使用的電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)正向著第三代壓電式噴油器發(fā)展。
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圖7 共軌式柴油機(jī)高壓油泵結(jié)構(gòu)圖 |
圖8 高壓共軌柴油機(jī)進(jìn)油計(jì)量閥工作原理 |
總結(jié)：
綜上所述，電控泵噴嘴系統(tǒng)和電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)可以達(dá)到很高的燃油噴射壓力，可以靈活控制燃油分配、噴油正時(shí)、噴射壓力和噴射速率，并實(shí)現(xiàn)多次噴射（預(yù)噴射、主噴射和后噴射），使柴油機(jī)在低速工況下也能實(shí)現(xiàn)完全燃燒，獲得大扭矩的輸出，有著高效的燃油經(jīng)濟(jì)性和出色的排放性能，并且大大降低了柴油柴油機(jī)噪聲和振動(dòng)，給柴油機(jī)帶來了技術(shù)性能的全面提高。因此，它適用于對(duì)排放和噪聲要求相對(duì)較高的柴油發(fā)電機(jī)組，而對(duì)于普通的低端柴油發(fā)電機(jī)組來說，采用電控單體泵系統(tǒng)則是較好的選擇。隨著排放水平的逐步升級(jí)，代表著目前最高發(fā)展水平的電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)將是未來柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)發(fā)展的最佳選擇。
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