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技术与安全知识

柴油发电机机械油泵升级为电控燃油系统的优化设计

 

摘要：机械式喷油泵是小型柴油发电机组中应用非常广泛的燃油系统，其带来的环境污染问题也日益棘手。若将原机械式喷油系统升级为电控高压共轨喷射系统，对于保有量巨大的在役柴油机，这种升级改造可以以相对较低的改动成本，使其性能跃升至接近现代电控发动机的水平。这不仅延长了老旧设备的使用寿命，也具有显著的经济价值和资源再利用意义。本文笔者以单缸风冷柴油机为样机，说明了改造方案的意义，以及对燃烧系统设计、缸内工作过程分析比较。

 

一、改造方案与具体步骤

 

      将单缸风冷柴油机从传统的机械式喷油系统升级为电控高压共轨系统，是一项系统性工程。这并非简单的零件替换，而是需要对燃油供给、燃烧及电控系统进行整体重新设计和匹配。

1、升级路径——选择“泵轨一体化”方案

      目前，针对单缸柴油机的共轨升级，主流且可行的技术方案是采用“泵轨一体化”设计。这种方案将高压油泵和共轨蓄压器集成为一个紧凑的部件，可以直接安装在原机械喷油泵的位置，无需改动柴油机机体，大大降低了改造难度和成本。

（1）成本优势：采用高速电磁阀控制油量，相比传统方案使用的比例电磁阀，每台可降低成本约50-60元。

（2）排放达标：该技术方案被认为是帮助现有单缸柴油机满足国四排放标准的经济且可行的路径。

2、具体实施方法与步骤

（1）机械系统改造

① 移除旧件：拆卸原机的机械喷油泵、高压油管和机械式喷油器。

② 安装新件：将“泵轨一体化”共轨泵总成安装到原喷油泵的位置，其挺柱体等驱动结构直接利用原机凸轮轴，无需对机体进行额外加工。将新的电控喷油器安装到缸盖上。

③ 连接油路：使用特制的高压油管将集成的共轨蓄压器与电控喷油器连接起来。由于是一体化设计，省去了传统共轨系统中油泵与共轨管之间的连接管路，更紧凑且减少泄漏风险。

（2）电控系统集成

① 安装传感器：在发动机的合适位置安装转速传感器、曲轴位置传感器、油门开度传感器、② 冷却水温传感器、进气温度/压力传感器等，这些是电控单元(ECU)进行精准控制的“眼睛”和“耳朵”。

③ 部署执行器：连接好共轨泵上的高速电磁阀（负责控制油压）和喷油器内的电磁阀（负责控制喷油）。

④ 安装ECU：将专用的柴油机电控单元(ECU)固定在防水防震的位置，并通过线束将ECU与所有传感器和执行器连接起来。ECU是这套系统的“大脑”，储存有适配该机型、基于大量标定实验得出的控制策略和数据。

（3）系统匹配与标定

① 燃烧系统调整：由于共轨系统喷射压力远高于机械系统，燃油喷雾特性改变，原机的进气道和燃烧室可能需要优化设计，以防止油束重叠或撞击缸壁，确保油气混合更充分。

② 控制参数标定：这是最核心的技术环节，需要在台架上反复试验，确定不同工况下的最佳轨压（喷射压力）、主喷提前角、预喷策略（预喷量和主预喷间隔）等关键参数，以在动力性、经济性和排放（NOₓ、HC、CO、烟度）之间取得最优平衡。

 

二、升级后性能对比分析

 

      柴油机电控高压共轨喷射系统主要由低压油泵、高压油泵、蓄压腔、电控喷油器、ECU 和各种传感器组成，结构组成如图1所示。由于电控喷油器采用了更多喷孔且喷雾能量大幅增加，为防止缸内相邻油束在进气涡流作用下的相互重叠和减轻燃油撞壁现象，笔者针对进气道和燃烧室结构设计进行了优化。燃烧系统再设计完成后，初步确定了喷油参数使得电控柴油机样机能够正常运转。蓄压式喷油系统可采取预喷＋主喷的喷油策略，待优化参数为喷射压力（轨压）和预喷量，进行标定工况下的参数优化。

1、轨压优化

      标定功率为8.2kW，转速为3600r/min，转矩为21.75N·m。试验在主喷油提前角为2℃A BTDC、预喷油量为1.0 mg/cyc下，对不同轨压（105、110 和115MPa）时的喷油性能进行研究，其中主、预喷间隔为1200μs（约21.6℃A）。图2-图4为不同轨压下样机燃烧特征参数。图5~图6为不同轨压下的HC、CO和NOₓ排放及烟度。

      如图2所示，3种方案下的压缩压力（第一峰）一致；缸内最大爆发压力（第二峰）随轨压的增大而不断增大且对应的相位角前移，具体分别为5.52、5.76 和5.81 MPa，后两种方案较方案1分别增加4.35%和5.25%，可以看出随轨压的提高，爆发压力增加但增幅趋缓；对应的曲轴转角分别为17°、16°和15℃A ATDC，相位提前，主要原因是轨压提高，使得喷油速率升高、喷油持续期缩短且燃油雾化质量提高，滞燃期内形成的混合气数量增多，预混燃烧放热量多；高的雾化质量和缸内温度使得燃烧始点提前（图4），因而最大爆发压力增加，对应的相位角前移，同时对应的缸内燃烧温度也更高。

 

图1  单缸柴油机电控高压共轨喷射系统示意

图2  缸内压力和燃烧温度示意图

 

       如图3所示，随轨压升高，燃烧整体前移、预混燃烧放热量增多且扩散燃烧放热量减少。相比于轨压为105MPa，在轨压为110MPa和115MPa下的预混燃烧峰值分别升高了3.42%和5.90%，扩散燃烧峰值下降了3.28%和4.84%。

       如图4所示，随喷油压力增加，燃烧始点前移，即滞燃期缩短，燃烧持续期同样缩短。

 

图3  发动机瞬时放热率

图4  柴油机燃烧始点和持续期

 

      图5~图6中为不同轨压下的HC、CO 和NOₓ排放及烟度。图5中，随着轨压的增大，HC和CO排放均呈下降趋势，相比于轨压为105 MPa，在轨压为110 MPa和115 MPa下的HC 排放分别下降5.55%和11.31%，CO 排放分别下降9.64%和14.04%。轨压升高后，燃油雾化质量提高，油、气混合气质量得到改善且缸内较高的温度有利于降低HC 和CO 排放。

      如图6所示，随轨压升高，NOₓ排放上升，相比于轨压为105MPa，在轨压为110MPa 和115MPa 下分别增加了4.95%与8.52%；烟度下降，轨压为110 MPa和115MPa下分别降低了9.44%与16.67%。轨压升高，营造了缸内更高的温度环境，促进了NOₓ的生成；而烟度水平是燃烧前期碳烟大量生成和燃烧中、后期氧化减少的综合体现。轨压升高，缸内温度升高促进了干碳烟的产生，而更高的缸内温度又有利于提高碳烟的氧化速率，可知后者对降低碳烟的影响作用比重更大。

 

图3a 不同轨压HC和CO排放

图6 不同轨压NOₓ排放和烟度

 

2、预喷量优化

      试验在转速为3600 r/min、转矩为21.75 N·m下进行。在轨压为110MPa、主喷油提前角为2℃A BTDC 条件下，对预喷油量为0.8、0.9、1.0 和1.1 mg/cyc 时的喷油特性进行研究，主、预喷间隔为1200 μs。不同预喷油量下的缸内压力如图7所示。随预喷油量的增加，压缩压力略有增大，缸内最大爆发压力有所下降且对应的相位角前移。预喷油量增大，冷焰效应增强，缸内压力升高，表现为主喷前压缩压力增大；压缩压力的提高缩短了主喷燃油的滞燃期，最大爆发压力下降，使燃烧提前。 

      图8~图9为各预喷油量下的瞬时放热率。如图8中所示，在约26℃A BTDC 时观察到预喷放热现象，不同的预喷油量对冷焰效应现象的开始时刻影响不大，主要影响的是预喷时的放热速率，预喷油量越多，放热速率越快。

 

图7  不同预喷油量下的缸内压

图8  预喷前瞬时放热率

 

      图9中所示，随预喷油量增大，速燃期放热率峰值相位提前，且峰值下降。

      图10为有效燃油消耗率（BSFC）和缸内最高燃烧温度随预喷油量变化。随预喷油量的增加，二者均呈先降后升的趋势。预喷油量为1.0 mg/cyc时BSFC最低，为246.8 g/（kW·h），相比预喷油量为0.8mg/cyc时降低了1.83%；预喷油量为0.8mg/cyc 时缸内燃烧温度最高为1491 K，当预喷油量增加到1.0 mg/cyc时缸内燃烧温度降为1426K，继续增加预喷油量为1.1 mg/cyc 时，缸内燃烧温度升为1435K。适量预喷油量下的冷焰效应可改善气缸燃烧环境，缩短滞燃期，燃烧相位前移，带来较低的缸内温度环境，可一定程度上提高热效率，并为抑制NOₓ的生成提供有利条件；但过大的预喷油量会增加压缩冲程的消耗功，使得有效热效率下降，但压缩上止点时缸内温度高使得后续燃烧温度有微小上升。

 

图9 主喷时瞬时放热率

图10  不同预喷油量下的有效燃油消耗率和缸内最高燃烧温度

      图11~图12为各排放随预喷油量的变化。如图11中所示，随着预喷油量增加，HC 和CO排放都有所上升，较0.8mg/cyc 相比，预喷油量为0.9 mg/cyc下的HC和CO排放分别增加2.73% 和1.02% ；预喷油量为1.0mg/cyc 下HC和CO排放增加4.48%和2.89%，预喷油量为1.1 mg/cyc 时增加7.89%和8.32%。预喷油量增多，预喷的冷焰放热阶段的不完全燃烧加重，加上扩散燃烧阶段缸内温度和压力均降低，可能都是HC和CO排放恶化的重要原因。

      如图12中所示，NOₓ 排放先降低后升高，烟度先升高后降低，预喷油量为1.0mg/cyc 时出现拐点。NOₓ 随预喷油量的变化趋势与缸内燃烧温度有关，温度高则NOₓ排放也高；不同预喷油量造成缸内燃烧温度的变化对烟度的影响从两个方面考虑，一方面，缸内温度高会造成干碳烟的初始生产量增加；另一方面，缸内温度高对干碳烟后期的氧化有利。综上，不同预喷油量时NOₓ和烟度呈现明显的trade-off关系。

 

图11  不同喷油量HC和CO排放

图12 不同喷油量NOₓ排放和烟度

 

三、改装方案的意义

 

      将柴油机的机械式喷油系统改装为电控高压共轨系统，其意义在于实现从“硬件驱动”到“软件定义”的跨越。它让发动机的喷油过程不再受机械结构的死板限制，而是能根据工况实时、精准地进行“柔性控制”，从而在排放、经济性、动力性和运行品质等多个维度带来质的提升。

1、满足日趋严格的排放法规

      这是推动技术升级最直接、最迫切的外部驱动力。

（1）问题根源：传统的机械喷射系统，喷油压力随发动机转速变化，在非设计工况下，燃油雾化不良，燃烧不充分，导致氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放恶化。

（2）解决方案：共轨系统能维持恒定的高压（可达120MPa-200MPa），确保燃油在任何转速下都能良好雾化。更重要的是，ECU可以精确控制喷油正时和喷油量，实现对NOx和PM的协同控制。

（3）实际成效：研究显示，将柴油机升级为共轨系统后，在排放控制模式下，其氮氧化物（NOx）排放即可满足中国第三阶段排放法规要求。

2、显著提升燃油经济性

      共轨系统能“精打细算”地用好每一滴燃油。

（1）精准控油：机械系统通过机械连杆和调速器控制油量，精度有限。而共轨系统由ECU根据转速、负荷、温度等多种传感器信号，计算出当前工况下最佳的喷油量和喷油时刻，避免了浪费。

（2）高效燃烧：通过实现理想的喷油规律（如预喷射+主喷射），可以优化燃烧过程，让燃料能量释放更充分、更及时，直接转化为有效功。

（3）实际收益：前述针对船用柴油机的升级研究证实，在优化排放的同时，燃油经济性（有效燃油消耗率BSFC）最大可提升11.95%。

3、优化全工况性能

      共轨系统让发动机的动力输出“更聪明、更有劲”。

（1）动力响应更佳：由于喷油压力与转速解耦，发动机在低转速下也能获得高喷射压力，带来更大的扭矩输出。同时，ECU的快速响应能让动力随叫随到，改善柴油发电机组的瞬态响应性能。

（2）运行更平稳、更安静：通过预喷射（在主喷射前喷入少量燃油）可以有效降低缸内压力升高率，使燃烧过程更柔和，从而显著降低发动机的燃烧噪声和振动。

 

总结：

从技术发展看，高压共轨是继机械泵和电控单体泵之后的第三代燃油喷射技术，并具有喷油参数柔性控制、响应速度快等特点，是解决相关排放问题的有效技术方案。需要提醒的是，本文所述“泵轨一体化”方案成本虽然有所降低，但整套电控部件（ECU、传感器、精密偶件）的成本仍远高于机械系统。总的来说，机械式喷油系统升级为高压共轨，是让一台老式柴油机在环保法规、燃油价格和性能需求的多重压力下获得“新生”的关键技术路径。

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