摘要：现代先进的柴油发电机普遍采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，在排放控制方面已取得重大突破，达到了相当高的水平。以康明斯QSK19为例，该发动机采用先进的模块化共轨燃油系统，作为非公路用动力已完全满足美国和欧洲Tier III排放法规要求。共轨系统于20世纪90年代中后期正式进入实用化阶段，目前在康明斯ISB、QSK19/23/38/50/60/78等系列发动机上已得到广泛应用。本文系统阐述电控燃油喷射系统的分类与特点，详细介绍康明斯共轨系统的结构组成、工作原理及主要部件功能，为电控柴油发电机的使用与维护提供技术参考。
一、电喷系统的分类与对比分析
电喷柴油发动机与传统柴油机的主要区别在于燃油供给系统的不同——前者采用电子控制燃油系统，后者采用机械式燃油系统。目前电子控制燃油系统可分为三种类型：电控直列泵燃油系统、电控分配泵燃油系统和电控高压共轨燃油系统。
1. 电控直列泵燃油喷射系统
电控直列泵系统是在传统机械式直列泵的基础上，增加了电子控制执行机构和传感器，实现对喷油量和喷油正时的精确控制。
（1）优点：
● 预行程可变，因此喷油速率可调，适应不同工况需求；
● 由于增加了预喷射口，可以实现预喷射功能，降低燃烧噪声和NOx排放；
● 与原来的直列泵具有良好的互换性，发动机本体不需做大的改造，便于现有产品的升级。
（2）缺点：
● 喷油正时和预喷射的控制自由度相对较低，无法实现复杂的喷油规律；
● 喷油压力与发动机转速相关，低速时喷油压力较低，影响低速性能和冷启动性能；
● 系统重量较大，不利于功率密度提升。
2. 电控分配泵燃油系统
电控分配泵系统是在传统端面凸轮分配泵的基础上，采用电磁阀控制供油时刻和供油量，如图1所示。
（1）优点：
● 与传统端面凸轮分配泵相比，可以实现更高压力的喷射；
● 由于采用电磁阀控制供油，可实现预喷射功能；
● 尺寸小、重量轻，安装布置灵活。
（2）缺点：
● 与共轨喷油系统相比，控制喷油正时和预喷射的自由度仍然有限；
● 喷油压力仍与发动机转速相关，低速时喷油压力不足；
● 高压密封和耐久性问题相对突出。
3. 电控高压共轨燃油系统
高压共轨系统是一种全新概念的燃油喷射系统，通过各种传感器检测发动机的实际运行状态，经ECU计算和处理，可对喷油量、喷油时间、喷油压力和喷油率进行最佳控制，实现了柴油机综合性能的又一次飞跃。
（1）优点：
● 喷射压力峰值虽较EUI/EUP略低，但平均有效压力较高，且喷油压力与转速完全无关，可在全转速范围内保持最佳喷射压力；
● 喷油正时、喷油持续期和喷油压力可独立控制，自由度极高；
● 可实现单循环内多次喷射（预喷射、主喷射、后喷射），优化燃烧过程；
● 驱动转矩小，机械噪声低。
（2）缺点：
● 系统始终处于高压燃油状态下，须在耐久性和安全性方面付出比传统柱塞泵更大的设计努力；
● 由于难以实现理想的“靴形”喷油率曲线，在控制NOx排放方面存在一定挑战；
● 系统成本较高，对燃油清洁度要求严格。
图1 电控柴油发电机组喷射系统结构
二、康明斯共轨系统概况
1. 共轨技术引入的技术背景
二次喷油无法完全燃烧，导致尾气中烟度和碳氢化合物（HC）排放显着增加，同时油耗也相应上升。
此外，每次喷射循环后高压油管内残余压力都会发生变化，引起喷油量不稳定，尤其在低转速区域更为明显，严重时不仅喷油不均匀，还会出现间歇性不喷射现象。为解决燃油压力变化这一固有缺陷，康明斯采用了共轨系统技术。
2. 共轨系统的核心原理
共轨技术是指由高压油泵、压力传感器和ECU（电子控制模块）组成的闭环控制系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。其核心运行逻辑为：高压油泵把经ECM控制的高压燃油输送到公共油轨（共轨管），油轨压力大小与发动机转速无关，ECM通过控制喷油器电磁阀的开启时间来精确控制喷油量和喷油正时。
据康明斯官方资料，QSK19发动机的燃油喷射压力超过25,000 psi（约172 MPa），在额定功率下燃油消耗率表现出色，以QSK19机型为例，1500 rpm/433 kW工况下额定油耗约111 L/h，520 kW工况下约134 L/h。原理如图2所示。
3. 康明斯共轨系统的核心技术优势
基于共轨系统的结构特点，康明斯高压共轨系统具有以下核心技术优势：
（1）系统可根据不同工况确定所需的最佳喷射压力，优化柴油发电机综合性能。喷射压力的产生与发动机转速无关，可在全转速范围内维持高压喷射。这一特性使发动机在低速时同样获得良好的雾化效果，改善低速扭矩和响应性能。
（2）无级喷油正时控制：可实现无级喷油正时调节，精确控制NOx和微粒排放，满足日趋严格的排放法规要求。QSK19发动机通过缸内燃烧技术和电控系统的协同，已满足EPA Tier 3和EU Stage IIIA排放标准。
（3）通过电磁阀开启时间的长短精确控制燃油喷射量，提高燃油经济性并降低排放。ECU持续监测布置在发动机内的传感器数据，优化空燃比以实现最大燃烧效率。
（4）降低振动与噪声：模块化共轨燃油系统（MCRS）对燃油喷射事件的精确控制带来了更低的振动和噪声水平，提高了运行平稳性。同时，共轨系统驱动转矩更小，机械噪声低。
康明斯共轨系统对全球各类燃油具有良好的耐受性，包括高硫柴油和日本煤油，这对于在燃油品质参差不齐的地区使用具有重要意义。
4. 康明斯共轨系统的产品应用
康明斯共轨系统自20世纪90年代中后期正式进入实用化阶段，目前已在ISB、QSK19、QSK23、QSK38、QSK50、QSK60、QSK78等多个系列发动机上得到广泛应用。QSK19作为该技术的代表机型，功率覆盖506～800 hp（377～597 kW），扭矩可达1775～2275 lb-ft（2407～3084 N·m）。
在QSK19发动机中，共轨系统的优势得到全面体现：喷射压力在所有转速下保持恒定，实现了喷油速率和正时控制的更大灵活性与精度。同时，该发动机采用CM850 ECM升级版电控模块，处理速度是前代产品的两倍，提供更强的诊断和预测能力。
图5 QSK19系列康明斯柴油发电机共轨系统原理图
三、共轨系统及主要部件介绍
共轨系统主要由ECM、输油泵、齿轮泵、高压油泵、共轨管、电控喷油器、执行器以及各种传感器等组成。柴油发电机启动期间，输油泵将燃油输入齿轮泵，经齿轮泵输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的燃油压力由ECM通过执行器进行调节，ECM根据柴油发电机的运行状况，确定精确的喷油正时和喷油量，并通过电控喷油器将燃油喷入气缸。
1. 燃油泵组件
共轨系统的燃油泵由三部分组成（如图3所示）：输油泵、齿轮泵和高压油泵。
● 在发动机启动期间由ECM输出PWM信号控制，工作时间仅为120秒，将燃油从油箱输送至齿轮泵。
● 进口处设有一量孔，可调节供油量大小；内部集成压力调节阀，将供应给高压泵的燃油压力调节至500～700 kPa。
● 高压油泵：进口处有一由ECM控制的执行器，通过PWM信号控制高压泵（两缸柱塞泵）输出60～160 MPa的压力供应给高压油轨。高压泵上还设有一个安全阀，当油轨压力超过195 MPa时，安全阀立即打开，迅速释放高压油轨中的压力，并导致发动机安全停机，防止系统过压损坏。
2. 高压油管与共轨管
高压油管将高压泵提供的高压燃油输送至喷油器。QSK19共轨系统的高压油管容积较小（与小功率ISB共轨系统相比），以保证共轨系统具有足够的压力响应速度，快速跟踪柴油发电机工况变化。高压油管采用双层结构，提高安全性和可靠性。高压共轨管上安装有压力传感器，向ECM提供实时的油轨压力信号，构成轨压闭环控制的核心反馈回路。
3. 电控喷油器
电控喷油器是共轨系统中最关键和最复杂的部件。由ECM发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油管中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入燃烧室。电控喷油器的基本结构相似，由喷油嘴（与传统喷油器类似的针阀偶件）、控制活塞、控制量孔（进油节流孔和出油节流孔）及控制电磁阀组成。
工作原理：
● 电磁阀关闭，控制活塞上下腔中的燃油压力相等，活塞在弹簧弹力作用下回位，针阀保持关闭状态。
● 电磁阀通电时：控制活塞上部腔中的燃油通过泄油口泄压，压力下降，使活塞在下部腔高压燃油的作用下上升，针阀被打开，开始喷油。喷油结束即电磁阀断电后，控制腔重新建立高压，针阀快速落座关闭。
● 由于高压共轨喷射系统的喷射压力极高（可达160 MPa以上），喷油嘴的喷孔截面积很小。在如此小的喷孔直径和超高喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更细更均匀，但贯穿距离变小。因此，须通过调整柴油发电机进气的涡流强度和优化燃烧室结构形状来确保最佳的燃烧过程。
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图3 电控柴油机高压燃油泵结构图 |
图4 电喷柴油发电机的高压油管及喷油器 |
总结
共轨系统具有对喷油定时、喷油持续期、喷油压力和喷油规律进行柔性调节的独特优势，该系统的采用使柴油发电机的经济性、动力性和排放性能均得到显着提升。康明斯共轨系统通过高压泵将燃油加压至60～160 MPa，由ECM根据工况精确控制喷油正时和喷油量，实现了全转速范围内的高压喷射和多次喷射。然而，技术（软件和硬件）的引进也增加了产品的制造成本和维护难度。因此，应加大对共轨系统的研究力度和国产化进程，同时加强对使用维护人员的培训，确保电控共轨柴油发电机组在高性能、低排放的同时，保持高可靠性和长使用寿命。
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