柴油發(fā)電機(jī)高壓共軌機(jī)構(gòu)的構(gòu)造和作業(yè)機(jī)理

摘要：柴油發(fā)電機(jī)高壓共軌（DCR）電噴技術(shù)是一個(gè)閉環(huán)燃油控制系統(tǒng)，由低壓油泵、高壓油泵、共軌、燃油壓力探頭、電子控制單元（ECU）、油路壓力控制閥、噴油嘴電磁閥和噴油嘴構(gòu)成。噴射壓力的出現(xiàn)和噴射流程被完全分開。其控制內(nèi)容由燃油壓力控制、噴油正時(shí)控制、噴射率控制和噴油量控制構(gòu)造。

      高壓共軌噴射壓力的大小不受發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速危害，這樣預(yù)防柴油發(fā)電機(jī)供油壓力隨著發(fā)電機(jī)速度變化的不足。與其他燃油系統(tǒng)相比，其具有以下優(yōu)勢：

      高壓油泵將高壓燃油輸送到公共供油管道，供油管內(nèi)的油壓通過電壓力探頭和ECU對實(shí)現(xiàn)精確控制，不因發(fā)電機(jī)速度的變化使柴油發(fā)電機(jī)供油壓力大幅度減小。

      經(jīng)多年研討及適用，電噴噴射技術(shù)在柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)用非常成熟，形成了各種電控高壓噴射機(jī)構(gòu)。柴油發(fā)電機(jī)電控噴射有兩類控制步驟：

      它的優(yōu)勢是在原機(jī)械控制循環(huán)噴油量和噴油正時(shí)機(jī)理的基礎(chǔ)上，對裝置功用改良更新，油量的控制通過線位移或角位移的電磁液壓執(zhí)行裝置或電磁執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)（齒桿或拉桿位移，撥叉位移）和提前器運(yùn)動裝置，使噴油正時(shí)和循環(huán)噴油量實(shí)現(xiàn)電噴。此外，與機(jī)械控制不同，用柱塞預(yù)行程改變的辦法，實(shí)現(xiàn)可變供油速率的電控，滿足高壓噴射中大負(fù)荷、高速和低怠速噴油流程控制的綜合優(yōu)化。其典型產(chǎn)品有轉(zhuǎn)子分配泵電控機(jī)構(gòu)或直列柱塞泵電控裝置，電控調(diào)速器，單體泵或泵噴嘴的電噴機(jī)構(gòu)等等。

      時(shí)間控制其電噴高壓噴射裝置的作業(yè)機(jī)理與傳統(tǒng)機(jī)械式的完全不同，是在高壓油路中利用一個(gè)或兩個(gè)高速電磁閥控制柴油泵和噴油器的啟閉的噴油流程。控制噴油量由噴油器的開啟時(shí)間長短和噴油壓力大小決定，由控制電磁閥的開啟時(shí)刻確定噴油正時(shí)，可實(shí)現(xiàn)噴油量、噴油正時(shí)和噴油速率的柔性控制和一體控制。時(shí)間控制途徑是柴油發(fā)電機(jī)噴射裝置的發(fā)展方向，更加先進(jìn)，共軌噴射機(jī)構(gòu)是其典型產(chǎn)品。

      電控共軌噴油機(jī)構(gòu)的作業(yè)原理如圖1所示。它是一種新型的時(shí)間控制方法，利用電磁式油泵控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)燃油泵供油量，改變共軌油道中的油壓，而不是改變循環(huán)噴油量的大小。因此，燃油泵中柱塞偶件不起油量調(diào)節(jié)用途，不需要每個(gè)發(fā)電機(jī)氣缸配備一組泵油元件。根據(jù)發(fā)電機(jī)工況要求調(diào)整共軌中的油壓大小，電噴裝置由油壓傳感器得到壓力值，比較發(fā)電機(jī)工況所設(shè)置的較佳壓力值與所測壓力，電磁式油泵控制閥啟閉由電噴機(jī)構(gòu)輸出信號控制，使油壓達(dá)到較佳，該壓力值就是噴油嘴的噴射壓力。油嘴頂部液壓活塞控制室中的油壓決定噴油嘴的啟閉。此油壓大小取決于共軌中壓力和三通電磁閥啟閉的共同功能。當(dāng)三通閥通電時(shí)，高壓燃油從控制室流出，壓力室內(nèi)的高壓用途使噴油器針閥上升，于是開始噴油。當(dāng)三通閥斷電時(shí)，液壓活塞頂部控制室進(jìn)入高壓油，針閥下落，停止噴油康明斯柴油發(fā)電機(jī)價(jià)格。因此，接通三通閥的始點(diǎn)來控制噴油正時(shí)，由三通閥接通的持續(xù)時(shí)間來控制噴油量。圖中控制針閥上升的速度通過精細(xì)調(diào)整節(jié)流孔的孔徑大小，從而改變初期的供油速率，達(dá)到低氮氧化物排放、低噪聲的目的。

      由此可見，電子控制系統(tǒng)（如圖2所示）是對一個(gè)油泵控制閥和每個(gè)汽缸一個(gè)噴油三通閥的啟閉時(shí)刻和連續(xù)期進(jìn)行控制，控制噴油壓力和針閥開啟的時(shí)間，柔性控制循環(huán)噴油量、噴油正時(shí)、噴油速率。

      從上面的陳說可知，采用時(shí)間控制程序的共軌裝置其特點(diǎn)是噴射壓力、噴油正時(shí)和噴油量的變化用電磁閥控制，調(diào)節(jié)的自由度和控制精度大大增強(qiáng)。

      共軌裝置可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)上無法實(shí)現(xiàn)的作用，詳細(xì)功率如下：

（1）共軌系統(tǒng)中的噴油壓力柔性可調(diào)，較佳噴射壓力由不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷確定，柴油發(fā)電機(jī)綜合性能得到優(yōu)化，如噴射壓力可不隨柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，有利于柴油發(fā)電機(jī)低速時(shí)的功率增大和低速煙度改良。

（2）可獨(dú)立地對噴油正時(shí)柔性控制，配合高的噴射壓力（140～180MPa），可同時(shí)在較小的數(shù)值內(nèi)控制Knox和微粒（PM），滿足排放要求。

（3）噴油速率變化柔性控制，實(shí)現(xiàn)理想的噴油規(guī)律形狀（預(yù)噴型、臺階形噴油或三角形規(guī)律），既可降低柴油發(fā)電機(jī)氮氧化物排放和調(diào)節(jié)高壓共軌壓力，優(yōu)良的動力性、經(jīng)濟(jì)性得到保證。

（4）電磁閥控制噴油，控制精度高，高壓油路中不會產(chǎn)生氣泡和殘壓為零的狀況，因此在柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，噴油量循環(huán)變動小康明斯柴油發(fā)電機(jī)，改進(jìn)了各缸不均勻程度，柴油發(fā)電機(jī)的振動得到改進(jìn)，排放減少。

      高壓油泵的作用是對供油速率的控制保證共軌管中要求的壓力Pc，圖2所示是高壓油泵的作業(yè)機(jī)理。常規(guī)供油裝置的設(shè)計(jì)思想不一樣，常規(guī)裝置是直接控制高壓燃油量，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)生能量的損失和浪費(fèi)，供油泵控制低壓燃油量。當(dāng)共軌中壓力低于目標(biāo)值時(shí)，ECU控制高壓油泵PCV（Positive Crankcase Ventilation，油底殼強(qiáng)制通風(fēng)裝置）閥提早關(guān)閉，柱塞提前供油，由于供油終點(diǎn)為凸輪升程較高點(diǎn)是始終不變的，因此提早供油使高壓供油泵供油量增加，如圖3所示。當(dāng)共軌中壓力低于目標(biāo)值時(shí)，PCV閥推遲關(guān)閉，供油量減小，共軌中壓力減輕。

      高壓供油泵的設(shè)計(jì)采用小柱塞直徑、長沖程和低凸輪軸速度，能減小燃油泄漏、運(yùn)動阻力及驅(qū)動力矩高峰值。采用2缸直列泵的功能相當(dāng)于6缸常規(guī)直列泵，從而顯著減輕高壓供油泵的尺寸。

      電控三通閥是DCR機(jī)構(gòu)中較為關(guān)鍵的部件，也是技術(shù)難度較高的部件，電噴TWV（Three-Way Valve，三通調(diào)整閥）閥裝配在每個(gè)噴油嘴總成的上方，其結(jié)構(gòu)機(jī)理如圖5所示。三通閥包括內(nèi)閥和外閥，外閥和電磁閥線圈的銜鐵做成一個(gè)整體，由線圈的通電指令來控制外閥的運(yùn)動，外閥由閥體支撐。3個(gè)元件精密地安裝在一起，分別形成密封錐面A，和外錐座B，隨著外閥的運(yùn)動，A、B錐座交替關(guān)閉，三個(gè)油道（共軌管、回油管和液壓活塞上腔）兩兩交替接通，此外要注意到，閥錐座直徑分別為φd1和φd2，內(nèi)直徑為φd，Φd ＞ φd1；  Φd ＞ φd2 ；   Φd ≈ φd1  ≈φd2；三通閥本身不控制噴油量僅起壓力開關(guān)閥用途。

      在彈簧作用下外閥下落，在油道①的油壓的功用下內(nèi)閥上升，此時(shí)開啟密封內(nèi)錐座A，油道①、②相通，高壓油從①進(jìn)入液壓活塞上腔②中。

      在電磁力的吸引下外閥向上運(yùn)動，密封內(nèi)錐座A關(guān)閉，此時(shí)內(nèi)閥仍停留在上方，開啟外錐座B，油道②、③相通，液壓活塞上腔向回油室放油，這時(shí)噴油器噴油。

      在ECD（Electronic Control Diese-lengine）系統(tǒng)中可以自由獨(dú)立地控制噴油定期，措施是控制定期脈沖送達(dá)TWV的時(shí)間，其控制框圖如圖6所示。在ECM中要進(jìn)運(yùn)算兩次，即“0m計(jì)算”在各種探頭送來信號的基礎(chǔ)上算出較終的噴油開始時(shí)間0n“Tcu的計(jì)算”，為實(shí)現(xiàn)0m的目標(biāo)決定激勵脈沖送到TWV的時(shí)間Tcu，發(fā)電機(jī)速度和負(fù)荷決定基本噴油定期，然后根據(jù)進(jìn)氣管水溫、壓力等對Obase進(jìn)行修正得0r再根據(jù)發(fā)電機(jī)速度轉(zhuǎn)換成時(shí)間Tatto，DCR機(jī)構(gòu)由發(fā)電機(jī)速度探頭每隔15°CA產(chǎn)生一個(gè)脈沖在30°CA的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)噴油提前角，Tcu＝T30-T1向TWV輸出脈沖時(shí)間。

      DCR系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)三種噴油率：三角形，預(yù)噴射和靴形。

      如圖7所示，為了減小初始噴油量的目的，使噴油器針閥升起的速度不要太快，專門布置了一個(gè)單向閥和一個(gè)節(jié)流小孔在動力活塞上方。單向閥阻止動力活塞上方通過燃油，只有通過小孔泄出燃油，造成動力活塞上方燃油壓力下降速度放慢，針閥緩慢上升。當(dāng)噴油終止時(shí)，三通閥斷電，外閥在彈簧力功用下向下運(yùn)動，座B關(guān)閉，關(guān)閉泄油道，而座A打開，動力活塞的通道燃油進(jìn)入。通過單向閥共軌高壓燃油迅速加壓到動力活塞上方使活塞下行。因?yàn)榛钊闹睆奖柔橀y直徑大得多，針閥在很大的油壓力下迅速關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)噴射快速停止，柴油發(fā)電機(jī)要求得到滿足。噴油始點(diǎn)由三通閥通電時(shí)刻決定，噴油量大小由通電連續(xù)時(shí)間決定。根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)工況要求進(jìn)行調(diào)節(jié)噴油壓力，低速負(fù)荷工況時(shí)，可實(shí)現(xiàn)需要高壓的某種程度，噴油壓力的調(diào)整可完全獨(dú)立于速度負(fù)載工況。三通閥開啟響應(yīng)時(shí)間為0.35ms，關(guān)閉時(shí)間為0.4ms，三通閥全負(fù)荷耗能為50W。

      因?yàn)镈CR是一個(gè)電子控制的精確壓力-油量控制裝置，共軌中壓力波動很小，它沒有常規(guī)電噴噴油裝置中存在的一些問題，如沒有由壓力波而發(fā)生的失控區(qū)、難控區(qū)，也沒有調(diào)速器能力不夠的問題，柴油發(fā)電機(jī)所需的理想油量控制特點(diǎn)得到實(shí)現(xiàn)。

      在主噴射前給三通閥一個(gè)小寬度的電脈沖信號，就可在DCR上實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射。ECD-U2裝置為每循環(huán)1mm3較小預(yù)噴油量，預(yù)噴射和主噴射之間較小為0.1ms的時(shí)間間隔（見圖8）。

      針閥有一個(gè)小的預(yù)行程停留才能實(shí)現(xiàn)靴形噴油率圖形。為此需要變動噴油嘴總成構(gòu)造，在液壓活塞與三通閥之間的節(jié)流孔處改為一個(gè)靴形閥，如圖9所示?？烧{(diào)的預(yù)行程是靴形閥和液壓活塞間的間隙。當(dāng)三通閥通電時(shí)，靴形閥中的高壓燃油被釋放到泄油道，打開噴油嘴到相當(dāng)于預(yù)行程的高度，針閥停留在該處，一直維持到靴形閥節(jié)流孔下降到一定程度后，針閥才繼續(xù)升高到較大升程，噴油速率達(dá)到較大（針閥外觀和構(gòu)成如圖10所示）重慶康明斯官網(wǎng)。依靠預(yù)行程量和靴形閥節(jié)流孔的直徑的合理組合，得到各種形式的靴形噴油率。因?yàn)槌跗谘バ螄娪吐瘦^低，可獲得過低的NOx。

      DCR裝置轉(zhuǎn)速啟動較快，因?yàn)楦邏狠斢捅妹總€(gè)凸輪有三個(gè)凸起，共軌中油壓在起動時(shí)升高很快。當(dāng)高壓輸油泵供油量Up為600mm3時(shí)，共軌以及其他高壓油管路容積V為94000mm3，燃油容積彈性模量E為1100MPa/m㎡，則共軌壓力升高值為ΔP＝EQp/V＝7MPa/r，即高壓輸油泵每旋轉(zhuǎn)一次，共軌中壓力提升為7MPa。如噴油嘴開啟壓力為20MPa，輸油泵只要旋轉(zhuǎn)3次，共軌壓力就可以超過噴油嘴開啟壓力，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，只要起動0.5s，可達(dá)20MPa共軌壓力，柴油發(fā)電機(jī)0.6s后就達(dá)到怠速速度。

      此外，電控裝置內(nèi)還有一個(gè)自診斷和損壞安全裝置，電噴單元都具有自檢功用，用來監(jiān)測控制系統(tǒng)各部狀態(tài)。發(fā)生損壞時(shí)，可用指示燈（在儀表板上）顯示故障碼，以便保養(yǎng)檢修及時(shí)。

      共軌電控系統(tǒng)是通過微機(jī)控制柴油發(fā)電機(jī)使它作業(yè)在較佳要素下，共軌電噴系統(tǒng)通過各種探頭獲得柴油發(fā)電機(jī)的各種作業(yè)數(shù)據(jù)(包括柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、加載踏板使用情況、冷卻水溫度等)，全面控制循環(huán)噴油量、噴油正時(shí)、噴油壓力等。微機(jī)控制系統(tǒng)具有診斷作用、失效保險(xiǎn)作用和報(bào)警功用，它能供應(yīng)詳細(xì)柴油發(fā)電機(jī)電器部件的自診斷，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)向使用員發(fā)出警報(bào)，保護(hù)功能在微機(jī)測量到嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)能自動停機(jī)，失效保險(xiǎn)用途在微機(jī)發(fā)生損壞時(shí)能保證切換到備用系統(tǒng)保證柴油發(fā)電機(jī)繼續(xù)作業(yè)。