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柴油发电机位置控制式喷射系统的特点 |
摘要：在满足排放法规的条件下，柴油机电控燃油喷射系统的应用，大大提高柴油机的燃油经济性和动力性。柴油机电控燃油喷射系统与汽油机电控燃油喷射系统有许多共同之处，柴油机电控燃油喷射系统的关键技术及难点为柴油喷射电控执行器。分析柴油机电控燃油喷射系统的优点，对分配泵供油技术和位置式电控分配泵控制技术进行详细论述，对电控柴油喷射技术有一定指导。
一、电控燃油喷射系统的优点
柴油机电控燃油喷射系统与汽油机电控燃油喷射系统有许多共同之处，都由传感器、ECU和执行器3部分组成。柴油机电控燃油喷射系统采用的传感器，如转速传感器、压力传感器、温度传感器以及节气门位置传感器等，与汽油机电控系统相同。ECU在硬件以及柴油发电机组控制系统的软件方面也有相似之处。
（1）机械控制喷射系统的基本控制信息是柴油机转速和机械喷油泵位置，而电控燃油喷射系统则通过许多传感器检测柴油机的运行状态和环境条件，由ECU计算出适应柴油机运行状况的控制量，由喷油器实施，控制精确、灵敏。在需要扩大控制功能时，只需改变ECU的存储软件，即可实现综合控制。
（2）机械控制喷射系统由于设定错误和磨损等原因，使喷油时刻产生误差；电控燃油喷射系统则根据曲轴位置的基本信号进行再检查，不存在产生失调的可能性。
（3）电控燃油喷射系统通过改换输入装置的程序和数据可改变控制特性，一种喷射系统可用于多种柴油机，而不需要机械加工，新产品开发周期缩短，成本降低。
二、喷油泵的分类
柴油发电机的燃油喷射系统，根据喷射量的控制方式不同分为位置控制式喷射系统和时间控制式喷射系统两种。位置控制式喷射系统是通过齿条或拉杆位置来控制喷射量的，根据调节油门拉杆位置的方法不同，又分为传统的机械式喷射系统和电控位置式喷射系统。后者是在机械式喷射系统的基础上，增加电控系统，如电子调速器、自动控制供油时刻的定时器、控制单元及相应的传感器等。位置式喷射系统，不管是机械式还是电控式都是泵-管-喷油器型结构，其中喷油泵是核心部分，主要完成按一定的供油规律，定时、定压地向喷油器供给定量燃油的任务。而喷油器只是起简单的喷油作用，即当供油压力超过喷油器的启喷压力时，打开喷油器针阀进行喷油，否则针阀落座停止喷油。在这种泵-管-喷油器型位置控制式喷射系统中，喷油泵根据其结构不同可分为直列泵和分配泵。
1、VE型分配泵
（1）机械式VE型分配泵
图1所示为典型的机械式VE型分配泵的结构。这种分配泵只有一个柱塞，与固定在一起的平面凸轮一同旋转。此时，由平面凸轮形线与滚轮之间的相互作用，完成柱塞的往复与旋转运动，同时实现压油和向各缸分配燃油的任务。平面凸轮的凸起数与气缸数相等。机械式分配泵供油量的控制，是通过操作人或调速器调节油量调节滑套的位置来完成的。当油量调节滑套的位置向柱塞压油方向（图中右向）移动时，柱塞的压油行程延长，供油量增多；反之，油量调节滑套向左移动时，柱塞压油行程缩短，供油量减少。
（2） 电控位置式分配泵
电控位置式分配泵是在机械式分配泵的基础上，对油量控制机构和供油时刻的控制机构进行了稍微改动，即去掉了原机械式调速机构，增设了转速传感器、控制油量调节滑套位置的比例电磁阀、油量调节滑套位置传感器、控制供油时期的定时控制阀、供油定时器位置传感器等（图2）。比例电磁阀1由线圈、铁心和回位弹簧等组成，ECU通过占空比（在控制脉冲一周期内接通时间所占的比值）控制流经线圈电流的大小，由此控制电磁阀磁场的强弱。可动铁心在该磁场力和回位弹簧力的作用下，保持其轴向平衡点位置。当流经线圈的电流变化时，原磁场力和弹簧力的平衡状态被破坏，铁心沿轴向移动到达新的平衡点。当铁心轴向移动时，通过杠杆机构带动油量调节滑套移动，由此达到调整喷射量的目的。而油量调节滑套的位置是靠安装在可动铁心前端的油量调节滑套位置传感器来测量的。ECU实时读取油量调节滑套位置传感器的信息，并与储存在ROM中的目标值相比较进行反馈控制，使实际油量调节滑套位置尽可能接近目标值。目标油量调节滑套位置或喷射量是事先通过台架试验根据不同转速不同负荷标定而获取的。
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图1 机械式VE型分配泵结构图 |
图2 电控位置式分配泵结构图 |
2、直列泵
直列泵（In-line Pump）实际上就是把多缸柴油发电机各缸的供油单元安装在同一个喷油泵壳体上而构成的合成式喷油泵。根据喷油泵壳体的结构特点，直列泵也分为A型泵、P型泵等几种。图3所示为P型直列泵的结构。P型泵的供油量是操作员通过加速位置，改变P型泵油量控制齿杆位置来控制的（图4）。
电控直列泵TICS（Timer Injection Control System）是在P型泵的基础上进行改进的。TICS泵保留了P型泵的油量控制齿杆机构，但在柱塞偶件上增加了一个控制滑套，取代了P型泵中的固定柱塞套。通过控制滑套相对柱塞的上下位移，改变柱塞的供油始点，即供油预行程，由此在一定范围内可实现供油时刻的任意控制。燃油泵喷射过程如图5、图6所示。
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图3 P型直列泵结构图 |
图4 喷油泵工作原理图 |
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图5 柴油机电控直列泵进油和压油过程 |
图6 柴油机电控直列泵送油和回油过程 |
三、喷射过程
上述位置式泵-管-喷油器型喷射系统，喷油器和喷油泵之间有一定长度的高压油管，所以喷油泵的供油特性和喷油器的实际喷油特性不一致。电控化以后虽然在喷射系统参数的控制上，相对机械式改善了许多，使得柴油发电机的性能得到大幅度的改善，但仍未能彻底解决以喷油泵控制为核心的泵-管-喷油器型喷射系统结构的固有问题。为了便于分析，根据图6所示的泵-管-喷油器型燃油喷射系统在喷射过程中喷油泵端燃油压力PH、喷油器端燃油压力pn及针阀升程h的变化规律，将其喷射过程划分为喷射延迟、主喷射和喷油结束三个阶段。
1、喷射延迟阶段
喷射延迟阶段是指从喷油泵出油阀升起而开始供油时刻起到喷油器的针阀开始升起而开始喷油的时刻为止（图7中I段）。由于一定长度的高压油管的存在，从喷油泵供油开始，被压送的燃油在喷油泵端建立油压的同时，沿高压油管以约1400m/s的速度（压力波）向喷油器端传播，建立喷油器端的油压。当喷油器端的油压升高到其启喷压力时，喷油器的针阀才开启，喷油开始。因此，这种泵-管-喷油器型位置式喷射系统的第一个缺点就是供油时刻与喷油时刻不一致，喷油时刻相对供油时刻存在延迟角，即供油提前角与喷油提前角的差值。高压油管越长或转速越高，这种喷油延迟角越大。
2、主喷射阶段
主喷射阶段是指从喷油器针阀开启喷油开始时刻起到因喷油泵回油造成喷油器端的燃油压力开始急剧下降的时刻为止（图7中II段）。在这一阶段，喷油规律主要取决于喷油器喷孔的总开启面积和喷射压力。而喷油器端的喷射压力与喷油泵的供油速率和高压油管中的压力波动等有关。所以，虽然供油规律影响喷油规律，但两者不相同。这里，喷油规律是指单位时间（或每1°喷油泵凸轮转角）内喷油器喷入燃烧室内的喷射量（即喷油速率）随时间（或喷油泵凸轮转角）的变化关系；而供油规律是指单位时间（或每1°喷油泵凸轮转角）内喷油泵的供油量（即供油速率）随时间（或喷油泵凸轮转角）的变化关系，供油规律主要取决于喷油泵的柱塞几何尺寸和喷油泵的凸轮形线（确定柱塞的运动规律）。所以，这种喷射系统的第二个致命弱点就是喷油规律不可能直接控制。
3、喷油结束阶段
喷油结束阶段是指从喷油器端的燃油压力开始急剧降低的时刻起到喷油器针阀完全落座停止喷油为止（图7中III段）。由于这种喷射系统是通过喷油泵的回油来降低喷油器端油压的，并以此控制针阀落座，所以针阀的落座速度取决于喷油器端压力的降低速率。而且在此阶段因喷射压力降低，所以燃油雾化特性变差。
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图7 燃油系统喷射过程图 |
三、存在的问题
由于这种泵-管-喷油器型燃油喷射系统是通过喷油泵控制喷油器端的油压来控制喷油器的喷射过程的，因此存在以下几个问题：
1、喷油泵的供油规律和喷油规律不同，如图8所示。
首先，供油时刻和喷油时刻不同，喷射时刻相对供油时刻延迟；其次，喷油器端的油压是通过喷油泵的供油规律间接控制的，所以喷油持续时间比供油持续时间长，最大喷油速率比最大供油速率低，喷油规律曲线和供油规律曲线也不一致，也就是说通过供油规律不能精确控制喷油规律。
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图8 供油规律和喷油规律曲线图 |
2、在高速大负荷等供油量多的工况下，喷射终了喷油器针阀落座后，受高压油管中压力波动的影响，喷油器端的油压有可能超过其启喷压力，此时将造成针阀再次升起而喷油的不正常喷射现象，称这种现象为二次喷射（图9中2图）。此时，由于喷射压力低，燃油雾化不良，所以燃烧不完全，碳烟增多，且整个喷射持续时间拉长，热效率降低，经济性下降。
3、如果喷油终了喷油泵不能迅速回油，则高压油管中的残压过高，喷油器端的油压下降缓慢而造成喷油器针阀不能迅速落座，使针阀关闭不严，燃油仍以未完全雾化的油滴状态流出喷孔，称这种现象为滴油现象。滴油难以雾化，易生成积炭并堵塞喷孔。
4、当发动机小负荷状态运行时，供油速率低，使得某一瞬间喷油泵的供油量小于从喷油器喷射的量和填充针阀室空间的油量之和，造成针阀在喷射过程中周期性跳动的现象，称之为断续喷射（如图9中3图）。这种喷射现象容易导致针阀副的过度磨损。当供油量过小时，会出现循环喷射量不断变动的现象，称这种现象为不规则喷射。再减小喷射量时有可能出现有的循环不喷油，或两个循环喷一次的隔次喷射现象（如图9中4图）。这种不正常的喷射现象限制了柴油发电机的最低稳定转速。
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图9 正常喷射和不正常喷射现象示意图 |
总结：
分配泵体积小、质量轻、成本低、使用方便，但只能满足简单的供油特性和供油时刻变化特性。为此，在分配泵的基础上采用电子控制技术，提高其供油特性和控制精度，以适应日趋严格的节能与排放法规的要求。采用分配泵电控技术，根据喷射量、喷射时间的控制方式不同，有位置式控制和时间式控制两种。位置控制型电控柴油喷射系统与机械控制柴油喷射系统相比，控制精度和响应速度都有所提高。将机械控制柴油喷射系统改造为位置控制型电控系统时，柴油机的结构无需改动，但系统控制频率低，喷油压力和喷油规律不能独立控制。 电控位置式喷射系统在一定程度上改善了机械式喷射系统存在的上述问题，但不可能从根本上彻底解决，而上述存在的问题又直接制约喷油规律和放热规律的精确控制。因此，这种喷射系统满足不了日趋严格的节能与排放法规的要求而被淘汰。
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