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柴油机电喷燃油系统的类别、组成与原理 |
摘要：柴油机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点。其喷射压力高达200MPa，为汽油机喷射压力的百倍以上。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制，困难大得多。而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高，相对于柴油机活塞上止点的角度位置远比汽油机要求准确。由于柴油机的喷射系统形式多样，比如具有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统。实施电控技术的执行机构比较复杂，形成了柴油喷射系统的多样化；同时柴油机需要对油量、定时、喷油压力等多参数进行综合控制，其软件的难度也大于汽油机。但是由于其独特的先进性，采用电控已不可避免的成为当今柴油机技术的发展趋势。
一、燃油系统电控技术的特点
柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元和执行器三大部分组成，在电控柴油机上所用的传感器中，如转速、压力、温度等传感器以及油门踏板传感器，与汽油机电控系统都是一样的。电控单元在硬件方面也很相似，在整车管理系统的软件方面也有近似处。汽油机电控技术在国外已经成熟，商品化程度已很高，因此大部分传感器和电控单元已不是难点，也不是柴油机电控技术的难点。柴油机电控技术有二个明显的特点：一个特点是其关键技术和技术难点就在柴油机喷射电控执行器上；另一个特点是柴油机电控喷射系统的多样化。
柴油机是一个热效率比较高的动力机械。它采用高压喷油泵（包括提前器）和喷油嘴将适量的燃油，在适当的时期，以适当的空间状态喷入柴油机的燃烧室，以造成最佳的燃油与空气混合和燃烧的最有利条件，实现柴油机在功率、扭矩、转速、燃油消耗率、怠速、噪声、排放等多方面的要求，柴油机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点，其喷射压力高达60～150MPa，甚至200MPa，为汽油喷射的几百倍，上千倍。对于燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制，困难大得多。而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高，相对于柴油机活塞上死点的角度位置远比汽油机要求准确，这就导致了柴油喷射的电控执行器要复杂得多。因此柴油机电控技术的关键和难点就是柴油喷射电控执行器，也即电控柴油喷射系统，主要控制量是喷油量和喷油正时。
当今国际上汽油机电控技术已经成熟，且趋向一个比较单一的模式，即多点喷射。电控化油器已经淘汰，单点喷射的应用大大减少，有些公司正在研究多点缸内喷射。柴油机在机械控制时代，就已经有直列泵、分配泵、泵喷嘴、单缸泵等结构完全不同的系统，每个系统各有其特点和适用范围，每种系统中又有多种不同结构。实施电控技术的执行机构比较复杂，因此形成了柴油喷射系统的多样化。
关于柴油发动机电控燃油系统的种类，大约分为四种方式。首先，按喷射方式不同，电控燃油喷射系统可分为连续喷射方式和间歇喷射方式。在采用间歇喷射方式的多点电控燃油喷射系统中，按各缸喷油器的喷射顺序又可分为同时喷射系统、分组喷射和系统顺序喷射系统。其次，按对进气量的计量方式不同，电控燃油喷射系统可分为D型喷射系统和I型喷射系统。然后，按喷射位置不同，电控燃油喷射系统可分进气管喷射和缸内直接喷射两种类型。最后再按有无反馈信号，可分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统（无氧传感器）不能实现最佳控制。闭环控制系统（有氧传感器）是在发动机排气管上加装了氧传感器，根据排气中含氧量的变化，判断实际进入汽缸的混合气空燃比，再通过ECU与设定的目标空燃比值进行比较，并根据误差修正喷油器喷油量，使空燃比保持在设定的目标值附近。
二、液压驱动电控单体式喷油器
柴油机液压驱动电控单体式喷油器（HEUI）是一种独特的电喷系统，一般的柴油机燃油系统是由凸轮轴驱动摇臂组成，使喷油器的喷油柱塞向下运动，升高封闭在喷油套筒内的燃油压力到足以打开喷油器喷头总成内的喷油针阀。而HEUI燃油系统中，增压活塞上的高压机油代替摇臂作用于各喷油器端部，即由高压机油提供动力的喷油压力，由机油压力决定压力的大小。
1、HEUI电喷系统工作原理简述
HEUI燃油系统的喷油速率采用液压方式控制，喷油速率随柴油机转速而变化，使柴油机的性能提高，燃油经济性改善并排放降低。在喷油电磁阀接到来自ECM的信号产生激励时HEUI喷油器柱塞动作，与其他机械驱动的燃油系统不同，柴油机凸轮转速和凸起持续时间控制喷油器的柱塞运动，所以喷油控制更加精确。
2、HEUI电喷系统的组成
总的来说HEUI系统由三大部分组成：低压燃油系统、高压机油系统和由ECM控制的喷油系统。
（1）低压燃油系统
HEUI属于低压燃油系统，如图2所示，燃油经燃油箱被吸出，经滤清器、低压油泵、燃油集合管至喷油器，向各个喷油器的供油量大于实际喷油量，以保证充分的润滑和冷却喷油器，没有喷出的燃油离开油道，最后经回油管的喷油压力阀（释放压力设定为414kPa）回到燃油箱。
低压燃油系统中无高压燃油流动，取消了高压油管，目的是防止燃油的可压缩性和油管的弹性在油管内形成压力波动，防止打开已关闭的针阀，产生二次喷射燃烧的不正常，出现不完全燃烧。
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图1 柴油机液压驱动电控单体式喷油器（HEUI）结构图 |
图2 柴油机液压驱动电喷系统低压燃油流程 |
（2）高压机油系统
柴油机的润滑系统可分为两部分：低压和高压。如图1所示可以看出，在低压机油泵的作用下，油底壳机油被吸起，通过机油冷却器和过滤器，此时机油分为两路，一路对柴油机体进行润滑，另一路从高压油泵进入，进入高压油泵中的多余机油部分流回油底壳。此部分属于润滑系统的低压部分。在高压油泵的作用下，高压机油通往喷油器，此部分就是润滑系统的高压部分。
实际上，润滑系统的高压部分不仅仅起润滑的作用，更重要的是控制驱动喷油器的高压喷油。喷油压力控制系统如图3所示，系统内流动的都是高压机油，由高压机油泵、喷油压力稳压阀、喷油压力控制传感器等组成。
它是由曲轴带动7个活塞的高压机油泵，在正常运行条件下，机油被加压至3100kPa到20685kPa之间，一个路轨式压力控制阀（RailPressure Control Valve，RPCV）控制油泵输出的压力，当开启调压控制阀时，溢流的机油回柴油机油底壳中。调压控制阀是一个电控溢流阀，起控制液压机油泵的泵油压力的作用，ECM调节机油泵的输出供油压力，通过改变电控溢流阀的信号电流。调压控制阀的剖面图如图4所示，在柴油机停机时，调压控制阀内部的滑阀被复位弹簧推到右侧，机油溢流口关闭；在启动柴油机时，ECM发出信号给调压控制阀，电磁线圈产生磁场将衔铁推动菌状阀和推杆，流入滑阀腔内的机油压力和弹簧力共同作用使滑阀处于右端，继续使机油溢流油口关闭，使全部机油进入各气缸盖内铸造的机油油道中，直到机油油道内达到期望的机油压力。
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图3 柴油机液压驱动电喷系统喷油压力控制系统 |
图4 柴油机液压驱动电喷系统机油调压控制阀. |
（3）喷油器
喷油器由电磁阀、提动阀、酸化增强活塞、喷油嘴总成等组成，如图5所示。
机油液压能量提供喷油器的喷射动力，喷油器内的活塞及柱塞的移动由液压压力及速度控制，由喷油器中电磁阀开关时间的长短达到控制喷油量 ECM发出脉冲的时间控制，当电磁阀通电时提动阀打开其阀座，推动活塞及柱塞在高压机油推动下行至最低，喷油器进行喷油。ECM输出信号控制断开喷油器的电磁阀电源，停止喷油，关闭提动阀。当关上提动阀，高压机油关闭输送管道，对酸化增强活塞停止供油，转动空槽内排入酸化增强活塞内的高压机油。柱塞弹簧将酸化增强活塞及柱塞推回原位。当柱塞向上移动时，燃油阀打开，柱塞腔内开始注入低压燃油。ECM通过喷油器有效控制发动机的喷射速度、喷油时间及高压喷射压力。
喷射速度的控制：喷油器的执行由液压系统控制，速度比传统的机械式要快，柴油机速度与喷射速度及压力无关。
在HEUI的喷油过程中，由于电磁阀的速度响应极快，为“先导喷射”即“二次喷射”创造条件。所谓“先导喷射”，即通过喷油嘴喷入少量燃油到燃烧室，缓慢地使燃烧室内形成软性火焰前锋，这样气缸内的峰值温度和压力都低于普通一次喷射系统，此时由ECM检测喷油延时，在形成火焰前锋后，根据ECM提供的数据，喷油嘴再次持续开启向气缸内喷入准确的油量，燃烧室内的燃油喷入活塞顶的碗形空间内，这有助于空气和燃油形成涡流。由于气缸内的压力升高率降低了，燃烧噪声降低了，油耗下降，同时大大降低排出的废气浓度。
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图5 柴油机液压驱动电喷系统喷油器. |
图6 柴油机液压驱动电喷系统管理系统 |
三、电控泵喷嘴系统
电控泵喷嘴系统继承了机械式泵喷嘴系统的若干特点，如由布置在气缸盖上或布置在柴油机侧面高位处凸轮轴直接驱动或通过摇臂驱动泵油柱塞，柱塞偶件与喷油嘴偶件组合装在一个壳体里，柱塞泵油时产生的高压燃油立即进入喷油嘴，无高压油管。电控泵喷嘴系统取消了机械式泵喷嘴上用于控制供油量的螺旋槽而是用高速电磁阀来控制喷油正时和喷油量，因此属于时间控制类。
1、DDEC系统
美国Detroit公司（底特律公司）DDEC系统的泵喷嘴喷油系统见图7（a），泵喷嘴机构和工作原理见图7（b）。
当装在泵喷嘴旁边的电磁阀开启时，柱塞虽已开始泵油，但由于旁通阀打开着，不能建立高压。当电磁阀一关闭，柱塞即向喷油嘴泵油和喷油嘴进行喷油。电磁阀再打开，高压油立即卸压，停止供油，喷油嘴迅即停止喷油。电磁阀的关闭和打开由ECU控制。由于电控泵喷嘴将柱塞和喷油嘴、电磁阀都装在一个壳体里，又没有高压油管，高压死容积很小，因此允许产生更高的喷射压力，DDEC喷射压力为100MPa。同时减少了密封表面和密封接头，电控泵喷嘴系统有很好的可靠性。
电磁阀的设计主要追求快速响应，因此选择了短行程、小质量、压力平衡式阀和平面形电枢。在整个系统中把检测电磁控制阀的关闭点作为反馈信号来实现闭环控制。我们可以用电磁阀螺线管电压或电流波形的检测来确定控制阀的关闭点，这样就不需要另外附加的传感器，这是它的特点。DDEC系统采用电压波形作为检测信号，这是经过对电压波形和电流波形两种方法对比后确定的。为此对螺线管的电流要有一个调节器予以调节，这样当螺线管中电流达到某一值后可维持不变。当电枢开始移动后，螺线管线圈中电压也在逐步增加。当电枢运动停止时，电压突然下降到仅需维持电流保持不变的低水平。这个电压突将可以很方便地检测到。为了提高响应速度，必须采用低电感线圈，以保证在低的电源电压下电流能以足够快的速度达到维持不变的水平。用这种方法来检测电磁关闭点精度可以达到±0.25曲轴转角。这种检测方法也可排除电源电压变化时造成的供油量和喷油正时波动。
2、EUP系统
电控单体式喷油泵（EUP）是在以Bosch 喷油泵-高压油管-喷油嘴（PLN）系统为基础发展起来的，它由凸轮轴驱动，并实现了电子控制。单体式喷油泵泵体内的滚轮随动机构由凸轮轴驱动，推动套筒内的柱塞向上运动，产生喷油所需的高压，单体式喷油泵的基本组成如图8所示。
EUP的控制原理：在电磁阀关闭且凸轮轴推动EUP壳体内的柱塞向上移动时才会喷油，当电磁阀开启且在柱塞回位弹簧4作用下向下移动时，低压燃油将会发生溢流。高压燃油从EUP通过小管径高压油管被输送到喷油嘴，大约在31027～34475kPa油压作用下克服弹簧压力而开启，此时喷油压力大约为179.3MPa。
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图 7 柴油机DDEC系统电控泵喷嘴结构 |
图8 柴油机电控单体式喷油泵EUP示意图 |
四、电控分配泵（EDP）系统
电控分配泵是在机械分配泵的基础上发展而来的。它继承了原机械分配泵体积小、噪声小、运转平稳、受力均衡的优点，又大大简化了原机械分配泵的结构，其结构如图9所示。
1、分配泵工作原理
如图10所示。打开点火开关燃油切断电磁阀通电开启，这样泵体和柱塞之间的燃油通道畅通。当输油泵旋转时，燃油从燃油箱中被抽吸上来，通过水沉淀器及燃油滤清器在由调节阀调定的压力下进入泵体。通过柱塞的运动燃油被压缩并分配到各个出油阀。燃油通过出油阀后，再通过高压油管进入喷油嘴，并被喷入气缸。同时，喷油泵的内部是靠燃油来润滑和冷却的。一部分燃油从溢流螺丝回到燃油箱，来控制泵体燃油温度的上升。
2、泵油原理
（1）输油泵、凸轮板和柱塞是由驱动轴驱动并且以发动机一半的转速旋转。
（2）两个柱塞弹簧将柱塞及凸轮板顶在滚子上。
（3）凸轮板的板面有与气缸相同数量的端面凸轮。(4 缸发动机有4个端面凸轮。) 凸轮板依靠固定的滚子推动柱塞向内或向外旋转，柱塞随着端面凸轮的运动而运动，柱塞的往复运动与端面凸轮的旋转同步。端面凸轮旋转一圈，柱塞完成4 次完整的往复运动。
（4）每1/4圈喷射一次燃油进入气缸和柱塞完成一次往复运动（相对于4缸发动机而言）。
（5）柱塞有4个吸油槽、1个分配孔、1个回油孔和1个平衡槽。回油孔和分配孔与柱塞中心孔相通。
（6）燃油从柱塞的吸油槽被吸入。然后高压燃油从分配孔通过出油阀进入喷油嘴。
3、单缸供油过程
（1）吸油过程 ：
柱塞在向下运动过程中（如图示向左移动时），柱塞上的 4 个吸油槽中的一个与分配头的吸油孔相通。这样燃油被吸入压力室，从那里进入柱塞内部。
（2）供油过程：
随着凸轮板和柱塞旋转，分配头的吸油孔关闭、柱塞的分配孔与分配通道相通。随着凸轮板转上滚子，柱塞向右运动压缩燃油。当燃油压力超过出油阀弹簧的预紧力，燃油就被泵入喷油嘴。
（3）供油结束：
当凸轮板继续旋转柱塞继续向右运动，柱塞上的两个回油孔将柱塞及凸轮板顶在滚子上。这样高压油通过回油孔流回泵体。结果燃油压力突然下降、燃油喷射停止。
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图9 电控柴油机的VE型分配泵 |
图10 柴油机电控分配泵工作原理 |
总结：
柴油机电子控制技术在环保、精度、自动控制和故障诊断等方面具有优势，但在维护难度、价格、耐用性和安全风险等方面存在局限。因此，柴油发电机组生产企业应该在技术掌握、应用和维护等方面加强研究，使柴油机电子控制技术更好地为人们的生活服务。
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