摘要：柴油发电机燃料的喷射方式及其雾化特性是制约压燃式发动机混合气形成和燃烧过程的重要因素。因此，随着节能与排放法规的日趋严格，对柴油发电机燃料喷射系统提出了越来越高的要求。康明斯公司在本文中就燃油喷射系统的要求和雾化特性作了详细介绍。本文围绕对燃料喷射系统的要求、燃油喷射雾化特性及电控喷射技术发展三个方面，系统阐述从传统机械式泵-管-喷油器系统到时间-压力式电控喷射系统的技术演进，明确喷射压力可任意控制、喷油器响应时间足够快、喷雾特性与燃烧室气流特性最佳匹配三项基本要求，深入分析喷注几何形状指标、索特平均粒径与喷雾均匀度等雾化特性评价参数，并梳理电控泵喷嘴系统与电控高压共轨系统的技术特点，为柴油发电机燃油喷射系统的设计与优化提供技术参考。
一、对燃料喷射系统的要求
传统的机械式泵-管-喷油器型喷射系统，以及在此基础上开发的电控位置式喷射系统，是通过油门拉杆（齿条）位置的控制方法来控制喷油泵的，将一定的燃料量按一定的供油压力和供油规律经高压油管输送到喷油器，由喷油器向燃烧室内喷射，完成可燃混合气的形成；而且喷油时刻也是通过喷油泵的供油时刻来间接控制的。这种泵-管-喷油器位置式喷射系统，是喷油器、高压油管、喷油泵及调速器（电控）连成一体的，使得各自的性能互相受到制约和影响，从而控制自由度受到限制，不能有效地控制放热规律（图1左图）。而理想的喷射系统，是喷油器和喷油泵由控制单元可独立控制的合理的喷射系统，其特点是最大限度地提高控制自由度，达到喷射系统各参数的最佳配合，优化柴油发电机的整机性能和排放特性。这种理想的喷射系统，只有依靠时间-压力式电控喷射系统才有可能实现（图1右图）。
柴油发电机的电控技术，从20世纪80年代开始开发研究，经过几十年的发展，从位置式控制系统发展到时间式控制的电控泵喷嘴系统（Unit Injector System，UIS）和时间-压力式控制的电控高压共轨（Common Rail，CR）系统，由此满足发电用柴油发电机对喷射系统的要求，以实现柴油发电机燃烧放热规律的柔性化控制，达到节能及控制排放的目的。为了实现对发电用柴油发电机喷油规律的自由柔性化控制，对其燃油喷射系统提出以下基本要求：
1. 能产生足够高的喷射压力，而且喷射压力可任意控制
（1）足够高的喷射压力。喷射压力越高，燃油雾化质量越好，油滴索特平均直径越小，燃烧越充分，烟度越低。当喷射压力超过100MPa时，油滴的索特平均直径接近10μm，此时发动机的烟度几乎等于零。
（2）喷射压力可任意控制。传统机械式喷射系统的喷射压力主要取决于凸轮型线与发动机转速，不能根据工况灵活调节；而理想的喷射系统应能根据转速、负荷、温度等工况参数独立调节喷射压力，以保证全工况范围内的雾化质量。
（3）由此保证燃料快速、良好的雾化。高压喷射使燃油在极短时间内被粉碎成微小油滴，大大增加燃油与空气的接触面积，加速混合气形成过程。
（4）高压喷射对燃烧过程的改善。高压喷射缩短了着火延迟期，减少了预混合燃烧量，抑制了燃烧粗暴与噪声，同时使扩散燃烧更加充分，降低碳烟与颗粒物排放。
2. 喷油器的响应时间要足够快
（1）响应时间的基本要求。喷油器的响应时间要足够快，由此在极短的混合气形成时间内，实现喷油规律的自由控制。
（2）保证最佳喷油时刻。快速响应的喷油器可在准确的曲轴转角位置开启与关闭，保证柴油发电机在整个运行工况范围内都能达到最佳喷油时刻。
（3）实现理想喷油规律。快速响应的喷油器可在一个工作循环内完成预喷射、主喷射、后喷射等多次喷射，实现先缓后急或可编程的喷油规律，优化燃烧过程。
（4）响应时间对多次喷射的支撑。多次喷射要求喷油器在毫秒级时间内完成多次开启与关闭动作，电磁阀或压电执行器的响应速度直接决定了多次喷射策略的可行性。
3. 喷雾特性与燃烧室内气流特性的最佳匹配
（1）喷雾特性的重要性。喷雾的贯穿距离、喷雾锥角、油滴细度与均匀度等特性直接影响混合气形成的质量。
（2）气流特性的影响。燃烧室内气流运动（如涡流、挤流、滚流）对喷雾的分布与蒸发有重要影响，喷雾特性应与气流特性协调匹配。
（3）匹配优化的目标。通过喷雾特性与气流特性的最佳匹配，使燃油与空气在燃烧室内形成均匀的可燃混合气，提高燃烧效率，降低排放。
（4）匹配不当的后果。若喷雾贯穿距离过大而气流涡流过弱，燃油会喷到燃烧室壁面形成油膜，导致燃烧不完全与碳烟生成；若喷雾贯穿距离不足而气流涡流过强，燃油会被吹散至燃烧室边缘，同样影响混合气质量。
4. 喷油规律的可柔性控制
（1）喷油规律的定义。喷油规律是指喷油速率随曲轴转角的变化关系，包括预喷射、主喷射与后喷射的油量分配与时序关系。
（2）柔性控制的意义。通过对喷油规律的柔性控制，可实现先缓后急的喷油速率形状，降低着火延迟期内混合气积聚量，抑制燃烧粗暴与噪声，同时促进扩散燃烧阶段的充分燃烧。
（3）柔性控制的实现条件。喷油规律的柔性控制要求喷射系统具有高喷射压力、快响应喷油器与独立可控的喷射参数，只有时间-压力式电控喷射系统才能满足这一要求。
5. 各缸喷油量与喷油时刻的一致性
（1）一致性的重要性。多缸柴油发电机各缸喷油量与喷油时刻的一致性直接影响机组运行的平稳性与各缸负荷的均匀性。
（2）分配误差的控制要求。并联运行的发电机组要求各缸喷油量分配误差控制在允许范围内，避免个别缸供油量过大或过小导致工作不平稳。
（3）电控系统的优势。电控喷射系统通过ECU对各缸喷油器独立控制，可根据各缸实际状态进行补偿修正，提高各缸一致性。
图1 柴油机对喷射系统的要求
二、燃油喷射雾化特性
由于柴油黏度大、不易挥发，所以燃油的雾化是其形成混合气的前提条件。为了使燃油快速雾化，柴油发电机采用以喷油器向气缸内高压喷射的方法强制使燃料雾化粉碎成微小的油滴，由此大大增加单位时间内所喷入的燃油量与周围空气接触的蒸发面积，加速燃料从空气中吸热而汽化形成混合气的过程。喷油器的喷雾质量常用其喷注（或油束）特性来评价。图2所示为在静止的高压空气中喷射燃料时某一时刻喷注的结构示意图。用喷油器高压喷射方式形成的喷注核心部分的油滴非常密集且直径较大，油滴运动速度高，空气极少；而喷注外侧油滴稀少，直径也较小，且油滴运动速度相对缓慢。这种喷注特性取决于喷油器的结构、喷射压力和背压，是影响混合气形成的主要因素。常用喷注的几何形状和雾化质量来评价喷注特性。
1. 喷注的几何形状指标
喷注的几何形状指标，主要包括喷注的贯穿距离（或射程）L、贯穿率和喷雾锥角β或喷注的最大宽度B（图2）。
（1）贯穿距离。喷注的贯穿距离是指从喷孔出口沿喷孔轴线方向燃油所能到达的最远距离，它决定了燃油在燃烧室内的分布范围。
（2）贯穿率。喷注的贯穿率是指喷注的贯穿距离与从喷孔出口沿喷孔轴线到燃烧室壁面的距离之比，它表征燃油喷到燃烧室壁面的程度。当贯穿率大于1时，表示喷注已喷到燃烧室壁面。
（3）喷雾锥角与最大宽度。喷雾锥角是指喷注外轮廓所形成的锥角，喷注最大宽度是指喷注在垂直于轴线方向上的最大尺寸，两者共同描述喷注的空间扩展形态。
（4）影响喷注几何形状的因素。喷射压力越高、喷孔的长度和径之比越大、喷射环境密度越小，喷注的贯穿率就越大，喷雾锥角就越小。
图2 喷油器燃油喷注结构示意图
2. 喷注的雾化质量
喷注的雾化质量主要由喷注中油滴的细度和均匀度来表示。
（1）油滴细度的定义。细度常用喷注油滴的平均径表示，其定义为全部油滴直径的总和与油滴总数之比，即Σdi/nT，其中di为每个油滴的直径，nT为油滴的总数。油滴平均直径越小，雾化质量越好。
（2）简单平均直径的局限。但是，用这种油滴平均直径来评价喷注的细度时，对含有许多细小油滴的喷雾，会造成过小的平均直径。例如，由直径为10μm的1000个油滴和直径为100μm的1个油滴组成的油滴群，其平均油滴直径为［（10×1000）＋100］μm/（1000＋1）＝10.09μm，显然这种评价方法不太合理。
（3）索特平均粒径的引入。所以引入索特平均粒径的概念，即假设有一种假想的均质油滴群，其总质量和总表面积与实际油滴群（样品）相同。令这种均质油滴群的直径为该样品的索特平均粒径，用dm32表示，即
式（1）中，ni为直径为di的油滴个数。
（4）索特平均粒径的计算示例。上述例子的索特直径为
这种索特平均直径的处理方法，虽然油滴的总数发生了变化，但蒸发速度和所生成的蒸气量不变，所以更为合理。
（5）喷射压力与雾化细度的关系。图3所示为喷射压力与烟度和喷雾细度的关系。当喷射压力超过100MPa时，油滴的索特平均直径接近10μm，此时发动机的烟度几乎等于零。
图3 喷油器喷射压力与烟度和喷雾细度的关系曲线
3. 喷雾的均匀度
喷雾的均匀度是表示喷雾中油滴大小相同程度及直径分布的均匀程度。实际喷雾的油滴直径是非均匀的，所以常用粒度分布或油滴的质量分布来表示（图4）。
（1）分组统计方法。将所采样油滴按粒径分为s个组，令di为第i组的中心粒径，其中所包含的油滴个数为ni，质量为mi；nT为油滴的总数，mT为油滴群的总质量。
（2）数量分布与质量分布。则数量分布可表示为ni/nT，质量分布可表示为mi/mT，两者分别从油滴数量与油滴质量两个角度描述喷雾的均匀程度。
（3）均匀度评价的意义。喷雾均匀度越好，说明油滴直径分布越集中，混合气形成越均匀，燃烧过程越稳定，未燃碳氢与碳烟排放越低。
图4 柴油机喷油器喷雾的均匀度分布图
三、电控喷射技术发展
1. 位置式电控喷射系统
（1）系统构成。位置式电控喷射系统是在传统机械式泵-管-喷油器系统基础上开发的，通过电控执行器控制喷油泵的油门拉杆（齿条）位置，实现喷油量的电子控制。
（2）控制特点。喷油时刻仍通过喷油泵的供油时刻间接控制，喷油压力取决于凸轮型线与发动机转速，控制自由度有限。
（3）技术局限。喷油器、高压油管、喷油泵及调速器连成一体，各自性能互相制约，不能有效控制放热规律，难以满足日益严格的排放法规要求。
2. 电控泵喷嘴系统（UIS）
（1）系统构成。电控泵喷嘴系统将喷油泵与喷油器合为一体，安装在气缸盖上，由凸轮轴经摇臂驱动柱塞加压燃油，高压油管长度为零。
（2）控制特点。采用时间式控制，ECU通过控制高速电磁阀的关闭时刻与持续时间，决定喷油始点与喷油量，喷油压力可达205MPa。
（3）技术优势。消除了高压油管中压力波与燃油压缩的影响，可实现预喷射与主喷射两阶段喷油，喷油规律呈先缓后急形状。
（4）技术局限。喷油压力仍受凸轮型线与发动机转速限制，无法实现大范围喷射定时控制与灵活的多次喷射。
3. 电控高压共轨系统（CR）
（1）系统构成。电控高压共轨系统由高压油泵、共轨管、喷油器、ECU及各类传感器组成，高压油泵持续将燃油泵入共轨管建立压力，喷油器按ECU指令喷油。
（2）控制特点。采用时间-压力式控制，压力产生与喷射过程完全分离，共轨压力可根据工况独立调节，喷油器仅负责按指令开启与关闭。
（3）技术优势。喷射压力独立可调，低转速时亦可建立高压；可在单个工作循环内完成预喷射、主喷射、后喷射及多次后喷射；喷油规律由软件标定，柔性可编程。
（4）技术意义。高压共轨系统从根本上突破了机械脉动建压机制的限制，为实现柴油发电机燃烧放热规律的柔性化控制提供了技术基础。
4. 电控喷射技术的代际对比
（1）控制自由度的提升。从位置式到时间式再到时间-压力式，喷射系统的控制自由度逐代提升，喷油定时、喷油量、喷射压力与喷油规律的可控性不断增强。
（2）喷射压力的提升。位置式系统喷射压力约30～80MPa，电控泵喷嘴系统可达205MPa，高压共轨系统可达160～250MPa，喷射压力的提升直接改善了雾化质量与燃烧效率。
（3）排放性能的改善。电控喷射技术通过优化喷油规律与多次喷射策略，有效降低了NOx、颗粒物与碳烟排放，满足日益严格的节能与排放法规要求。
总结
柴油发电机燃油喷射系统的核心要求是喷射压力足够高且可任意控制、喷油器响应时间足够快、喷雾特性与燃烧室内气流特性最佳匹配、喷油规律可柔性控制、各缸喷油量与喷油时刻一致，这些要求共同决定了燃烧放热规律的可控性与优化空间。从传统机械式泵-管-喷油器系统到时间-压力式电控高压共轨系统，控制自由度的提升使喷油规律的自由柔性化控制成为可能。在雾化特性方面，喷注的贯穿距离、贯穿率、喷雾锥角与最大宽度描述其几何形态，索特平均粒径与喷雾均匀度评价其雾化质量，其中索特平均粒径因同时考虑油滴总质量与总表面积，比简单平均直径更能反映喷雾的蒸发与燃烧特性。喷射压力超过100MPa时，油滴索特平均直径接近10μm，烟度几乎为零，表明高压喷射是实现清洁高效燃烧的关键技术路径。电控泵喷嘴系统与电控高压共轨系统分别代表了时间式控制与时间-压力式控制的技术路线，后者通过压力产生与喷射过程的分离，实现了喷射压力独立可调与喷油规律软件可编程，成为当前柴油发电机燃油喷射技术的主流发展方向。
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