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設(shè)備裝配與結(jié)構(gòu)組成 |
柴油發(fā)電機(jī)燃油共軌系統(tǒng)構(gòu)成與特點(diǎn) |
摘要：高壓共軌燃油系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的基本理念是實(shí)現(xiàn)比以前的柴油機(jī)直接噴射系統(tǒng)更大的霧化，以優(yōu)化在噴射燃油時(shí)在室內(nèi)形成的混合物的自燃過程，這是燃油循環(huán)的基本原理。 為此，在噴油器（噴嘴）的尖端徑向布置小得多的孔，以更高的壓力補(bǔ)償這個(gè)小通道部分。高壓共軌系統(tǒng)將燃油壓力產(chǎn)生和燃油噴射分離開來，如果把單體泵燃油噴射技術(shù)比做柴油機(jī)技術(shù)的革命的話，那共軌就可以稱作反叛了，因?yàn)樗畴x了傳統(tǒng)的直噴式柴油機(jī)，并開辟了降低柴油發(fā)電機(jī)組排放和噪音的新途徑。
一、電控高壓共軌技術(shù)的概述
電控高壓共軌技術(shù)是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過對(duì)公共供油管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，因此也就減少了傳統(tǒng)柴油機(jī)的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量，噴油量大小取決于燃油軌（公共供油管）壓力和電磁閥開啟時(shí)間的長(zhǎng)短。
第一代共軌高壓泵總是保持在最高壓力，導(dǎo)致能量的浪費(fèi)和很高的燃油溫度。第二代可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)需求而改變輸出壓力，并具有預(yù)噴射和后噴射功能。預(yù)噴射降低了發(fā)動(dòng)機(jī)噪音：在主噴射之前百萬分之一秒內(nèi)少量的燃油被噴進(jìn)了氣缸壓燃，預(yù)加熱燃燒室。預(yù)熱后的氣缸使主噴射后的壓燃更加容易，缸內(nèi)的壓力和溫度不再是突然地增加，有利于降低燃燒噪音。在膨脹過程中進(jìn)行后噴射，產(chǎn)生二次燃燒，將缸內(nèi)溫度增加200～250℃，降低了排氣中的碳?xì)浠衔铩?/span>
由于其強(qiáng)大的技術(shù)潛力，今天各制造商已經(jīng)把目光定在了共軌系統(tǒng)第3代——壓電式(piezo)共軌系統(tǒng)，壓電執(zhí)行器代替了電磁閥，于是得到了更加精確的噴射控制。沒有了回油管，在結(jié)構(gòu)上更簡(jiǎn)單。壓力從200～2000巴彈性調(diào)節(jié)。最小噴射量可控制在0.5mm3，減小了煙度和NOx的排放。
1、電控的定義
“電控”是指噴油系統(tǒng)由電腦控制，ECU（俗稱電腦）對(duì)每個(gè)噴油嘴的噴油量、噴油時(shí)刻進(jìn)行精確控制，能使柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性達(dá)到最佳的平衡，而傳統(tǒng)的柴油機(jī)則是由機(jī)械控制，控制精度無法得以保障。
2、高壓的定義
“高壓”是指噴油系統(tǒng)壓力比傳統(tǒng)柴油機(jī)要高出3倍，最高能達(dá)到200MPa（而傳統(tǒng)柴油機(jī)噴油壓力在60—70 MPa），壓力大霧化好燃燒充分，從而提高了動(dòng)力性，最終達(dá)到省油的目的。
3、共軌的定義
“共軌”是通過公共供油管同時(shí)供給各個(gè)噴油嘴，噴油量經(jīng)過ECU精確的計(jì)算，同時(shí)向各個(gè)噴油嘴提供同樣質(zhì)量、同樣壓力的燃油，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平順，從而優(yōu)化柴油機(jī)綜合性能。而傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由各缸各自噴油，噴油量和壓力不一致，運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻，造成燃燒不平穩(wěn)，噪音大，油耗高。
現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)制造的具備國(guó)際先進(jìn)的電控高壓系統(tǒng)技術(shù)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用了歐美柴油機(jī)的最新核心技術(shù)，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)增壓柴油機(jī)。它比傳統(tǒng)增壓柴油機(jī)燃燒效率提高8%、二氧化碳排放低10%、噪音下降15%，徹底改變了柴油機(jī)在人們心目中“噪音大、冒黑煙”的形象。
二、高壓共軌系統(tǒng)原理與特點(diǎn)
燃油高壓共軌系統(tǒng)是安裝在柴油發(fā)電機(jī)上的電控式燃油噴射系統(tǒng)。，結(jié)構(gòu)如圖1所示 共軌柴油系統(tǒng)現(xiàn)在能夠保證柴油發(fā)電機(jī)的最大性能和可靠性，降低噪音和排放。
1、特點(diǎn)
高壓共軌系統(tǒng)由巴里物理學(xué)家馬里奧·里科發(fā)明，由燃油計(jì)量單元、噴射泵、導(dǎo)軌、噴射器、檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況的傳感器和管理所有組件的控制單元 (ECU) 組成。該系統(tǒng)徹底改變了發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射模型，從汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中汲取靈感，并偏離了傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)。與后者的主要區(qū)別在于，共軌發(fā)動(dòng)機(jī)的單個(gè)噴油器不是被動(dòng)的（它們只有在接收到壓力下的柴油時(shí)才打開）而是主動(dòng)的，因?yàn)槿加偷膰娚涫怯梢粋€(gè)由電子控制的閥門控制的。這種機(jī)制允許以極高的精度調(diào)節(jié)燃油噴射，這也可以在多個(gè)階段進(jìn)行。這有利于排放水平顯著降低，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的安靜性。由于其創(chuàng)新和高性能的品質(zhì)，共軌系統(tǒng)已成為以前機(jī)械系統(tǒng)和使用泵式噴射器的更復(fù)雜系統(tǒng)的替代品。
（1）共軌腔內(nèi)的高壓直接用于噴射，可以省去噴油器內(nèi)的增壓機(jī)構(gòu)；而且共軌腔內(nèi)是持續(xù)高壓，高壓油泵所需的驅(qū)動(dòng)力矩比傳統(tǒng)油泵小得多。
（2）通過高壓油泵上的壓力調(diào)節(jié)電磁閥，可以根據(jù)柴油機(jī)負(fù)荷狀況以及經(jīng)濟(jì)性和排放性的要求對(duì)共軌腔內(nèi)的油壓進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，尤其優(yōu)化了柴油機(jī)的低速性能。
（3）通過噴油器上的電磁閥控制噴射定時(shí)，噴射油量以及噴射速率，還可以靈活調(diào)節(jié)不同工況下預(yù)噴射和后噴射的噴射油量以及與主噴射的間隔。
2、原理
高壓共軌系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。高壓泵將燃油置于壓力下并將其輸送到用作 壓力儲(chǔ)存罐的公共管道。壓力通過電子控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持公共管道中電子控制單元所需的壓力。然后燃油到達(dá)噴油器并占據(jù)兩個(gè)隔間，一個(gè)在霧化器針頭上方，一個(gè)在霧化器針頭下方。兩個(gè)相反的力相互抵消，由于一個(gè)小彈簧，針保持關(guān)閉。稱為控制室的上部隔室有一個(gè)由螺線管 或 壓電 控制閥調(diào)節(jié)的通風(fēng)口。當(dāng)電子控制單元打開閥門時(shí)，針頭上方的隔室被清空，下部隔室中的壓力控制針閥的打開并開始燃燒室中的噴射過程，該過程僅在中斷命令時(shí)結(jié)束閥門；控制室中的壓力積聚導(dǎo)致霧化針關(guān)閉。
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圖1 柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 |
圖2 柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)原理圖 |
三、高壓共軌系統(tǒng)構(gòu)成
柴油發(fā)電機(jī)的低壓油路部分包括燃油箱、輸油泵、柴油濾清器以及低壓管路等。共軌燃油系統(tǒng)低壓油路部分如圖1所示。各零部件的構(gòu)造與作用如下：
1、輸油泵
輸油泵的主要作用是供給高壓油泵足夠的具有現(xiàn)定力的燃油。目前輸油泵常見有滾柱式和齒輪式兩種。滾柱式輸油泵為電動(dòng)式，可裝在油箱內(nèi)或油箱外低壓油管上；并有油泵控制電路，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而起動(dòng)開關(guān)在ON位置時(shí)，電動(dòng)燃油泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。齒輪式輸油泵為機(jī)械式，它與高壓泵組合在一起，或用柴油發(fā)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。
齒輪式輸油泵用于共軌噴油系統(tǒng)中，向高壓油泵輸送燃油，其裝在高壓泵中與高壓泵共用驅(qū)動(dòng)裝置，或裝在柴油發(fā)電機(jī)旁，配有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)裝置。
（1）齒輪泵的構(gòu)造和工作原理
齒輪式輸油泵的基本構(gòu)造是由2個(gè)互相嚙合反向轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪，將齒隙中的燃油從吸油端送往壓油端，齒輪的接觸面將吸油端和壓油端互相密封以防止燃油倒流，其輸出量與柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，因此，輸油量的調(diào)節(jié)借助于吸油端的節(jié)流調(diào)節(jié)閥或壓油端的溢流閥進(jìn)行。
（2）齒輪式輸油泵的工作特點(diǎn)
齒輪式輸油泵輸出的油量比較均勻，油壓的波動(dòng)也比滾柱式輸油泵小，且在工作期間不需要保養(yǎng)。為了在第一次起動(dòng)時(shí)或燃油箱放空排盡燃油管路系統(tǒng)中的空氣，在齒輪式輸油泵或低壓管路上需設(shè)置手動(dòng)泵。
注意：輸油泵壞將導(dǎo)致低壓油路中不油，供油不足，供油不穩(wěn)及漏氣等常見故障；造成供油量不足，功率下降，加不上油，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)有缺缸、排氣呈藍(lán)白黑煙等現(xiàn)象；當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)無法起動(dòng)時(shí)，且無故障碼，用故障診斷儀測(cè)得油軌壓力為2~3MPa（油軌有燃油進(jìn)入但壓力不足）。
2、柴油濾清器
柴油中的雜質(zhì)，可能導(dǎo)致泵零件、出油閥及噴油嘴等的磨損；另外，柴油中含水，可能變成乳狀物或因溫度變化而凝結(jié)，若水進(jìn)入噴射系統(tǒng)，則可能導(dǎo)致零件銹蝕。與其他噴射系統(tǒng)相同，共軌式噴射系統(tǒng)也需要附有水分儲(chǔ)存室的柴油濾清器，如圖3所示，必須定期打開放水螺釘放水。
3、 燃油箱
燃油箱即儲(chǔ)存燃油的容器裝置，一般用于由汽油機(jī)或柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器上。這是燃油箱最基本的作用，此外，還發(fā)揮著散熱、沉淀油料中的雜質(zhì)以及分離油體中的氣泡等功能。
燃油箱通常有兩個(gè)出口，一個(gè)是注油口，另一個(gè)是內(nèi)置的出口，燃油泵和燃油計(jì)量?jī)x器等部件裝置就是從這個(gè)口進(jìn)入的。另外，隨著燃油的消耗殆盡，油量的減少以及油面的降低，燃油箱內(nèi)外氣壓差隨之增大，這種情況下極易造成燃油箱的變形，為了避免出現(xiàn)此問題，燃油箱上都會(huì)裝有通風(fēng)裝置。
4、低壓管路
很大一部分柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)困難的主要原因是柴油低壓管路密封性差，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在前一天停機(jī)熄火后，低壓管路開始進(jìn)入空氣，經(jīng)過一夜的積累，第二天發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)，嚴(yán)重影響工作。而在柴油發(fā)電機(jī)試驗(yàn)開發(fā)過程中，低壓管路的密封性差同樣會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確，試驗(yàn)重復(fù)率高，提高開發(fā)成本。
柴油發(fā)電機(jī)低壓管路的油壓保障裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。該柴油發(fā)電機(jī)低壓管路的油壓保障裝置通過在油桶上注入壓縮空氣，使得低壓管路中的油壓處于正壓，既便于管路排空及使停車時(shí)間內(nèi)外圍空氣無法進(jìn)入管路，又可通過進(jìn)一步提升壓力反查低壓管路的漏油點(diǎn)便于解決故障，也可通過其穩(wěn)壓作用保證冷凍后的柴油管路處于某一設(shè)定的壓力，其主要用途是解決柴油發(fā)電機(jī)在起動(dòng)試驗(yàn)前由于管路中無柴油導(dǎo)致的無法起動(dòng)或者是發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后由于柴油低壓管路的漏氣導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)。
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圖3 柴油濾清器構(gòu)造圖 |
圖4 低壓管路的油壓保障裝置 |
總結(jié)：
隨著柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒控制理論的發(fā)展，常規(guī)直接噴射燃油系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足控制、優(yōu)化燃燒過程的技術(shù)需求，因此，高壓共軌系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。上述文章中綜合分析國(guó)內(nèi)外對(duì)柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的研究歷史和現(xiàn)狀，電控高壓共軌系統(tǒng)具有很大的發(fā)展空間，主要是進(jìn)一步挖掘電控的靈活多樣性和共軌系統(tǒng)壓力-時(shí)間控制原理的潛力，以獲得理想噴油規(guī)律。重點(diǎn)在于提高噴射壓力和改善噴油速率控制的柔性度。主要的技術(shù)措施是多級(jí)壓力控制和多次噴射。
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