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柴油发电机电控燃油喷射系统的分类 |
摘要：近年来，人们的环保意识日益增强，对柴油发电机的工作性能，要求其具有高动力性的同时，还应达到低排放、低油耗，这不仅要求柴油机的喷油量和喷油正时随转速及负荷的变化而发生模式较为复杂的变化，而且必须要对进气温度、压力等因素加以补偿，故传统的机械式燃油喷射系统因其存在控制自由度小、控制精度低、响应速度慢等缺点而无法满足高性能的使用要求，因而电控柴油喷射系统的应用也就成为必然的趋势。
一、电子控制燃油喷射系统的组成
柴油机电子控制燃油喷射系统主要由传感器、控制器和执行器三部分组成，其主要构成如图1所示，原理框图如图2所示。
1、传感器
（1）大气压力位置传感器
（2）凸轮轴位置传感器
（3）燃油压力传感器
（4）其他传感器和信号开关
（5）曲轴位置传感器
2、电子控制系统ECU
根据各传感器输入信号和内存程序，计算出供（喷）油量和供（喷）油开始时刻，并向执行元件发出执行令信号。
3、执行器
执行ECU的指令，调节柴油机的供（喷）油量和供（喷）油正时。
柴油机气缸内燃烧过程极为复杂，影响因素很多，除转速和负荷外，进气温度、冷却水温、进气压力等因素对喷油量和喷油正时都有影响。普通机械控制式喷油泵只能对转速和负荷的变化做出反应，而电子控制系统则可对多种影响因素通过相应的传感器向控制器输入信号，经分析处理后向执行器发出控制指令，其控制精度大大提高。
现有产品化的电喷系统采用的基本控制方法大多为：以发动机转速和负荷为反映发动机实际工况的基本信号，参照由发动机试验得出的三维MAP来确定其基本喷油量和喷油正时，然后对其进行各种补偿，从而得到更佳的喷油量和喷油正时。
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图1 电控高压共轨系统的基本构成 |
图2 柴油机电子控制燃油喷射系统原理框图 |
二、电子控制燃油喷射系统的主要功能
1、喷油量控制
基本喷油量控制、怠速稳定性控制、启动时喷油量控制、加速时喷油量控制、各缸喷油量偏差补偿控制、恒定车速控制。
2、喷油正时控制
基本喷油正时控制、启动时喷油正时控制、低温时喷油正时控制。
3、喷油压力控制
基本喷油压力控制。
4、喷油速率控制
预喷射和可变喷油速率控制。
5、附加功能
故障自诊断、数据通信、传动系统控制、废气再循环控制、进气管吸气量控制等。
三、控制技术分类
随着微电子技术和新型传感器的不断发展，柴油机电控系统也得到了快速发展，先后推出了位置控制、时间控制、时间控制＋共轨控制以及泵-喷嘴电子控制系统。
1、位置控制系统
位置控制式电喷系统是一种电控喷油泵系统，传统柱塞式喷油泵中的调节齿杆、滑套和柱塞上的斜槽等控制油量的机械传动机构都原样保留，只有将原有的机械控制机构用电控元件来取代，使控制精度和响应速度得以提高。这种系统的优点是只要用电控泵及其控制部件代替原有的机械式泵就可转为电喷系统，柴油机的结构几乎无需改动，故生产继承性好，便于对现有机械进行升级改造。缺点是控制自由度小，控制精度较差，喷油速率和喷油压力难于控制。
图3所示为日本电装公司ECD-V1系统，它是在VE型分配泵上进行电子控制的系统。该系统保留了VE型分配泵上控制喷油量的溢流环，取消了原来的机械调速机构，采用一个布置在泵上方的线性电磁铁，通过一根杠杆来控制溢流环的位置，从而实现油量的控制，并有溢流环位置传感器作为反馈信号，实现闭环控制。喷油正时控制也保留了VE型分配泵上原有的液压提前器，它用一个正时控制电磁阀来控制液压提前器活塞的高压室和低压室之间的压差。当电磁阀通电时，吸动铁芯，高压室与低压室形成通路，两室之间压力差消失，在回位弹簧的作用下，提前器活塞复位，带动滚轮架转动，形成喷油提前。同时系统中还设置了供油提前器活塞位置传感器，形成了喷油正时的闭环控制。
2、时间控制系统
时间控制式电喷系统是将原有的机械式喷油器改用带有高速强力电磁铁的喷油器，以脉冲信号来控制电磁铁的吸合与放开，该动作又控制喷油器的开启与关闭，从而使喷油正时和喷油量的控制极为灵活，控制自由度和控制性能都比位置控制系统高得多。该系统的难点在于加快高速强力电磁铁的响应速度，其不足为喷油压力无法控制。
图4为时间控制直列泵电控燃油喷射系统示意图。该系统保留了泵-管-嘴系统，但是在高压管上加一个高速电磁阀，变成了泵-管-阀-嘴系统。采用高速电磁溢流阀控制喷油量和喷油正时后，柱塞只承担供油加压功能，使喷油泵结构简化和强化，高压供油能力提高。凸轮和柱塞的强化设计，使主供油速率进一步提高。当高速电磁阀快速打开，高压燃油高速泄流，喷射就结束。
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图3 柴油机ECD-V1电控喷油系统 |
图4 柴油机时间控制直列泵电喷系统示意图 1-凸轮角度编码器；2-凸轮；3-喷油泵；4-低压系统；5-油管；6-溢流阀；7-电磁铁；8-喷油器；9-控制单元；10-开关电路 |
3、共轨＋时间控制系统
共轨式电控燃油喷射系统是指该系统中有一条公共油管，用高压（或中压）输油泵向共轨（公共油道）中泵油，用电磁阀进行压力调节并由压力传感器反馈控制。有一定压力的柴油经由共轨分别通向各缸喷油器，
喷油器上的电磁阀控制喷油正时和喷油量。喷油压力或直接取决于共轨中的高压压力，或由喷油器中增压活塞对共轨来的油压予以增压。共轨式电控燃油喷射系统的喷油压力高且可控制，还可实现喷油速率的柔性控制，以满足排放法规的要求。图5所示为美国BKM公司开发的Servojet系统示意图。该系统输油泵为一低压电动叶片泵，共轨压力轴向柱塞泵为一中压泵，输油压力为2～10MPa。轴向柱塞泵把燃油送到共轨中，共轨压力由压力调节器根据电控单元（ECU）指令予以调节。
Servojet系统的工作原理如图6所示。当电磁阀通电时，关闭了回油道，共轨燃油进入增压活塞上方，活塞下行。增压活塞面积比增压柱塞面积大10～16倍，因此10MPa的共轨燃油在增压柱塞下方增压到100～160MPa。高压燃油通过蓄压室单向阀进入蓄压室及喷油嘴存油槽和针阀上部，此时针阀由于针阀尾部的压力和喷油嘴弹簧的弹力不会升起喷油。当电磁阀断电时，回油通路打开，由于三通阀的联动作用，共轨燃油将不能进入增压活塞的上方，增压活塞上方的燃油通过回油管道而卸压，增压活塞和增压柱塞上行，导致增压柱塞下方和针阀尾部上的油压也降下来，蓄压室中高压燃油通过喷油嘴存油槽作用在针阀上使针阀向上抬起，实现高压喷射。喷油始点取决于电磁阀打开的时刻，而喷油量却取决于共轨中的油压。共轨中电磁压力调节阀根据运行工况要求，由ECU控制将共轨中燃油的压力升高或降低。由于增压活塞和增压柱塞面积之比对某种机型来说是一个定值，共轨中油压高，蓄压室内的油压也高，喷油开始后，随着燃油的喷出，油压不断下降，当蓄压室内的油压下降到针阀存油槽内的作用力低于喷油嘴弹簧预紧力，针阀就关闭。针阀关闭的压力是不变的，因此共轨中的压力调节就起到了喷油量调节的作用。
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图5 柴油机Servojet系统示意图 |
图6 柴油机Servojet系统工作原理图 |
4、泵-喷嘴电子控制系统
电控泵-喷嘴由喷油器、供油柱塞、电磁阀组成，工作原理如图7所示。在不供油状态下，供油柱塞在弹簧作用下，处于上部位置。泵-喷嘴内充满输泵经进油道、进油口供给的低压燃油。当凸轮通过摇臂驱动柱塞向下运动时，柱塞将进油口关闭，燃油经电磁阀的内油道、回油道流出［图8（a）］。如果电控单元送出一个关闭电磁阀的信号，电磁阀柱塞向上运动，关闭通往回油道的内油道。燃油在柱塞向下运动时受压，并克服喷油器上的弹簧作用力喷入气缸内［图8（b）］。经过一定时间后，电磁阀开启，燃油卸压，喷油结束。从喷油器上部漏出的燃油经回油道流出。
电控泵-喷嘴的喷油时间和喷油量只取决于驱动电磁阀的信号时间和信号时间长短。快速、精确、重复性好的电磁阀是电控泵-喷嘴的核心部件。高响应的电磁阀和很小的高压系统容积，不但使电控泵-喷嘴的燃油喷射压力可超过150MPa，而且可很快结束喷射，使有足够的时间产生具有适当燃烧速率的高压燃烧气体。
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图7 柴油机泵喷嘴燃油供给主系统 |
图8 柴油机电控泵-喷嘴工作过程 |
四、柴油机电控燃油喷射系统的优点
1、改善低温起动性
电子控制系统能够以最佳的程序替代驾驶员进行这种麻烦的起动操作，使柴油机低温起动更容易。
2、降低氮氧化物和烟度的排放
采用柴油机电控技术，可精确地将喷油量控制在不超过冒烟界限的适当范围内，同时根据发动机工况调节喷油时刻，从而有效地抑制排烟。
3、提高发动机运转稳定性
采用柴油机电控系统，无论负荷怎样增减，都能保证发动机怠速工况下以最低的转速稳定运转，有利于提高其经济性。
4、提高发动机的动力性和经济性
柴油机电控系统中，ECU根据传感器信号精确计算喷油量和喷油正时。从而提高发动机动力性和经济性。
5、控制涡轮增压
采用电子控制技术可以对增压装置进行精确的控制。
6、适应性广
只要改变ECU的控制程序和数据，一种喷油泵就能广泛用在各种柴油机上，而且柴油机燃油喷射控制可与各种控制系统进行组合实现集中控制，有利于缩短柴油机电控系统开发周期，并降低成本，从而扩大柴油机电控系统的应用范围。
总结：
柴油机电控技术是在解决能源危机和排放污染两大难题的背景下，在飞速发展的电子控制技术平台上发展起来的。汽油机电控技术的发展为柴油机电控技术的发展提供了宝贵经验，改变了传统燃油供给系统的组成和结构，主要以电控共轨（各缸喷油器共用一个高压油管）式喷油系统为特征，直接对喷油器的喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油规律、喷油压力等进行“时间－压力控制”或“压力控制”。
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