摘要：柴油机电控燃油技术集成了计算机控制技术、传感器检测技术以及先进的喷油控制技术，能够实现较高的喷射压力与喷油量的精准控制，从而优化喷油特性形状、降低柴油机噪声并大幅减少废气排放。电控系统主要分为共轨系统（CR）和单体泵（UP）两种结构。高速型柴油发电机多采用响应特性优越的高压共轨系统，而重型柴油发电机则较多采用单体泵，因其对燃料适应性更好。本文系统阐述了电控柴油机技术的发展历程——从机械式、位置控制式、时间控制式到时间-压力控制式，以及泵-管-喷油器型和泵喷嘴型两种结构类型的划分；深入对比分析了高压共轨系统与单体泵在喷油压力控制（共轨可独立于转速，最高160 MPa；单体泵与转速相关，最高180 MPa）、喷油量控制（共轨最小2 mm³/st且可实现预喷射和后喷射；单体泵最小3 mm³/st，无法实现预喷射）、喷油规律（单体泵为三角形燃烧柔和；共轨为矩形爆发压力高）、快速断油能力（共轨优于单体泵）、油泵吸收功率（共轨结构紧凑功耗小）、控制策略（单体泵57张MAP，共轨310张MAP）、燃油清洁度要求（单体泵较低，共轨需5 μm过滤精度）及国产化程度（单体泵可完全国产，共轨关键部件依赖进口）等九个维度的差异。本文可为柴油发电机组电控燃油系统的选型提供技术参考。
一、电控柴油机技术概述
电控柴油机的燃油喷射系统内部结构如图1所示，控制功能如图2所示。电控柴油喷射系统按控制方式可分为位置控制式和时间控制式两大类。
1. 时间控制式与位置控制式的分类
时间控制式喷射系统通过电磁阀的接通和断开时刻来控制喷油（供油）时刻和喷射量，是柴油发电机电控喷射技术逐步成熟的标志。时间控制式喷射系统根据供油系统结构特点又分为泵-管-喷油器型和泵喷嘴型两种。时间控制式VE型分配泵电控系统、单体泵及高压共轨系统均属于泵-管-喷油器型时间控制式喷射系统，而电控泵喷嘴系统属于后者。位置式喷射系统包括机械式和电控式，均属于泵-管-喷油器型。
2. 喷射压力的分级
根据喷射压力的不同，喷射系统分为低压（18～24 MPa）、中压（60～80 MPa）和高压（＞100 MPa）喷射系统。目前常用的高压共轨、单体泵和泵喷嘴三种电控喷射系统的最高喷射压力均超过200 MPa，其中高压共轨喷射系统的喷射压力可实现柔性控制，因此又称为时间-压力式控制。
3. 电控喷射技术的发展历程
柴油发电机燃油喷射系统从低压的机械式喷射系统逐步向电控位置控制式、电控时间控制式、电控高压时间-压力控制式发展。目前，国外已开发出基于压电式喷油器的时间-压力式高压高响应电控喷射系统。对VE型分配泵改进的时间控制式电控系统，虽提高了喷油泵的控制精度和灵活性，但这种以喷油泵控制为核心的、通过供油规律间接控制喷油规律的方式，已不再适合日趋严格的排放法规要求。为了更有效地控制放热规律，控制策略从以喷油泵控制为核心的供油规律控制模式，发展到以喷油器控制为核心的直接控制喷油规律模式。20世纪80年代成功开发的高压共轨喷射系统，是柴油机喷射技术发展史上的里程碑，实现了喷油规律的直接控制，成为现代发电用柴油机燃料喷射技术的主流。
4. 泵喷嘴技术的局限性
泵喷嘴在高压、均匀分布和可控性方面具有显著优势，但存在成本高（制造工艺复杂）、维护要求高（需专业知识和设备）、易堵塞（高压特性下小颗粒易堵塞）及使用寿命受限（高温高压环境下易磨损）等缺点。国内采用该系统的产品较少，属于小众化品牌。
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图1 电控柴油机内部结构图（四缸机） |
图2 电子控制柴油机的控制框图 |
二、单体泵与共轨系统的各自特点
1. 高压共轨喷射系统特点
高压共轨喷射系统在结构上采用泵-管-喷油器型（原理如图3所示），但从控制角度，高压泵和喷油器互相独立。喷射方式上采用直接控制喷油器的方法，实现对喷油规律的直接控制。高压泵的控制通过ECU根据轨压传感器反馈控制节流阀或PCV电磁阀调节泵油量，使共轨压力达到设定值，为喷油器的喷射过程创造条件。喷射压力不受柴油机转速、负荷的影响，可任意控制。其主要特点如下：
（1）采用先进的电子控制技术及高速电磁开关阀，喷油过程控制方便，可控参数多，有利于燃烧过程的全程优化；
（2）采用共轨方式供油，系统压力波动小，各喷油嘴间相互影响小，喷射压力控制精度高，喷油量控制精准；
（3）高速电磁阀开关频率高、控制灵活，喷射压力可调范围大，能方便地实现预喷射和后喷射等功能；
（4）系统结构移植方便，适应范围宽，能与小型、中型、重型柴油机良好匹配。
2. 单体泵的特点
单体泵（工作原理如图4所示）在结构上改善了高压共轨系统中高压油管长带来的高压密封及可靠性问题，避免了泵喷嘴系统体积大、结构复杂的缺点。但在控制方法上采用控制单体泵的供油特性来间接控制喷油规律。由于高压化且高压油管短，供油规律和喷油规律不一致的问题得到很大改善，但在喷油规律控制精度及高速响应特性方面不及高压共轨系统。单体泵的喷油规律控制精度及其响应特性主要取决于高压系统的容积大小和内部压力波动状态。
电控单体泵外形与传统机械泵相似，但每缸一个独立的油泵和喷油器。它由ECU根据采集的数据通过油泵上的电磁阀控制油泵升程来达到控制喷油压力的目的，同时ECU还能根据实时数据调整最佳喷油时间和喷油量。简而言之，高压共轨如同一个加压泵将燃油送到共轨管中，再由共轨管分配给各缸喷油器；而电控单体泵则是每个缸都有独立的单体泵逐一对应，每个单体泵上都有电磁阀控制喷油正时和喷油量，喷油器为机械式，精度相对较低。单体泵对柴油品质要求较低，但排放比高压共轨差，达不到非道路国三及以上排放标准。
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图3 高压共轨系统组成结构和工作原理示意图 |
图4 单体泵电控燃油喷射系统结构组成 |
三、单体泵与共轨系统的优势对比
从九个维度对单体泵与共轨系统进行对比分析：
1. 喷油压力控制比较
（1）电控单体泵的喷射压力通过油泵驱动凸轮型线设计实现，与喷油嘴孔径及发动机转速相关——喷油嘴孔径越小，最高喷射压力越大；发动机转速越低，喷射压力越小，不利于低速性能。目前最高喷射压力为180 MPa。
（2）共轨系统的喷射压力完全独立于发动机转速，有利于改善低速性能。喷射压力由高压泵上的电磁阀调节，并由MAP实现灵活控制，且与喷油嘴孔径无关。目前最高喷射压力为160 MPa。
结论：共轨系统在喷油压力控制方面优于单体泵，有利于满足更严格的排放标准。
2. 喷油量控制比较
（1）电控单体泵最小喷油量为3 mm³/st，不能实现预喷射，不利于冷启动。
（2）共轨系统最小喷油量为2 mm³/st，能实现预喷射和后喷射——预喷射有利于冷启动并降低噪声，后喷射可应用于后处理系统。
结论：共轨系统在喷油量控制精度和灵活性方面优于单体泵。
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图5 柴油机单体泵的控制功能 |
图6 柴油机共轨系统的控制功能 |
3. 喷油正时比较
两者均能根据发动机各工况需要灵活调节喷油正时，对调节和改善各工况的油耗、NOx及烟度均有利。
4. 喷油规律比较
（1）电控单体泵的喷油规律为三角形，燃烧柔和，爆发压力低，有利于降低NOx。
（2）共轨系统的喷油规律为矩形，爆发压力高，燃烧较粗暴。
结论：单体泵的喷油规律优于共轨系统。
5. 快速断油能力比较
（1）电控单体泵依靠喷油器针阀弹簧断油，高压油管中的压力波影响快速断油，对油耗和烟度不利。
（2）共轨系统通过电磁阀控制喷油器柱塞上下腔的燃油压差，加上针阀弹簧共同作用，断油迅速。
结论：共轨系统的快速断油能力优于单体泵。
6. 油泵吸收功率比较
（1）电控单体泵为每个喷油器对应一个单体泵（6个集成一体），体积较大，驱动机构笨重，吸收功率较大。
（2）共轨系统的高压泵采用两个三角形凸轮驱动（每个凸轮三个凸起），结构紧凑、重量轻，吸收功率小。
结论：共轨系统在油泵功耗方面优于单体泵。
7. 控制策略比较
（1）电控单体泵不能实现预喷射和后喷射，控制策略简单，共57张控制MAP。
（2）共轨系统能实现预喷射和后喷射，控制策略复杂，共310张控制MAP。
结论：共轨系统为发动机性能优化提供了更丰富的技术接口。
8. 燃油清洁度要求比较
（1）电控单体泵对燃油清洁度要求较低，过滤精度与机械直列泵相当。
（2）共轨系统对燃油品质要求较高，过滤精度需达到5 μm，杂质易导致系统失灵。
结论：单体泵对燃油适应性和使用维护要求更低。
9. 国产化程度比较
（1）电控单体泵的高压油泵、电磁阀、喷油器及ECU均可完全国产化，价格低。
（2）共轨系统的高压泵、共轨管、电控喷油器和ECU均依赖进口，成本较高。
结论：单体泵在国产化和成本方面具有明显优势。
综上所述，高压共轨与单体泵的喷油综合性能对比如图7所示，高压共轨与单体泵的重量、噪音和安全性对比如图8所示。
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图7 高压共轨与单体泵的喷油性能对比图 |
图8 高压共轨与单体泵的噪音和安全性对比图 |
总结
电控柴油机燃油喷射系统从机械式、位置控制式、时间控制式发展到时间-压力控制式，高压共轨系统实现了喷油规律的直接控制，成为现代柴油发电机燃油喷射技术的主流。高压共轨系统与单体泵在九个维度上各有优劣：共轨系统在喷油压力控制（独立于转速，最高160 MPa）、喷油量精确控制（最小2 mm³/st，可实现预喷射和后喷射）、快速断油能力、油泵吸收功率（结构紧凑）和控制策略（310张MAP）方面占优；单体泵在喷油规律（三角形燃烧柔和，NOx低）、燃油清洁度要求（与机械泵相当）、国产化程度（可完全国产）方面具有优势。两者喷油正时控制均灵活。鉴于高压共轨系统在放热规律控制精度和响应特性方面的优越性，特别是压电式高压共轨喷射系统的发展潜力，其更符合柴油发电机组未来的发展方向。康明斯系列发电机组选用电喷高压共轨柴油机，排放可满足非道路国三GB 20891-2014标准，且具备升级至国四的技术储备；单体泵作为介于机械泵与高压共轨之间的过渡产品，因无法实现多次喷射、排放控制困难等不足，在高排放要求场合已难以满足现行国家标准。
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