高壓共軌式柴油發(fā)電機的工作原理和部件結構

引言：高壓共軌技術是指在由高壓油泵、壓力探頭和ECU結構的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產生和噴射步驟彼此完全分開的一種供油方式，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過對公共供油管內的油壓實現精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)電機的速度無關，可以大幅度減少柴油發(fā)電機供油壓力隨發(fā)電機速度的變化，因此也就減少了傳統(tǒng)柴油發(fā)電機的缺點。ECM控制噴油器的噴油量，噴油量大小取決于燃油軌（公共供油管）壓力和電磁閥開啟時間的長短。

      從上世紀80年代起，特別是第一代共軌噴油系統(tǒng)引入柴油發(fā)電機噴油機構領域以來。直噴式柴油發(fā)電機燃燒步驟開發(fā)的理念就產生了劃時代的變化，為了較大幅度地減輕廢氣排放和燃油消耗，應盡可能采用越來越高的噴油壓力。這就涉及到怎生充分利用高噴油壓力的潛力，其中包括提升柴油發(fā)電機的功率、有害物排放量和燃油經濟性，而不危害其運行的穩(wěn)定性和柔和性。共軌燃油機構的噴射過程如圖1所示。

（1）隨著柴油發(fā)電機平均有效壓力的提升，活塞側壓力的急劇升高使得柴油發(fā)電機的運行噪聲明顯增大，此時采用位于主噴射之前的預噴射為較合適的應對手段，它可以平緩氣缸壓力升高率，從而減少噪聲排放。

（2）在噴油壓力繼續(xù)提升和更嚴格的排放法規(guī)形勢下，在主噴射前后補充附加噴射是進一步優(yōu)化直噴式柴油發(fā)電機燃燒步驟的高效舉措。

（3）噴油壓力進一步升高時，必須采用多次噴射使得燃燒程序始終具有柔和的壓力升高率，以便進一步降低燃燒噪音。

（4）機內凈化炭煙顆粒始終是直噴式柴油發(fā)電機燃燒程序開發(fā)的重要目標，為使缸內燃燒步驟中形成的碳煙顆粒能更好地燃燒，還應附加合適的后噴射。這特別適用于發(fā)電機中低速度范圍，在這些運轉工況范圍內噴油控制的靈活性顯得尤為重要。

（5）為滿足歐三及以上的排放標準的要求，柴油發(fā)電機越來越多地裝用吸附式NOx和顆粒捕集器，這又對噴油系統(tǒng)提出了另一個要求：

      為在柴油發(fā)電機運行期間實現這兩種裝備的再生，以連續(xù)地保持它們的凈化作用，須在主噴射主后再補充一部分燃油，以便為吸附式NOx催化器還原凈化NOx，供應所需的還原劑（CO、HC），為顆粒捕集器再生提供定時燒掉累積起來的碳煙顆粒所需熱量，并提高催化器和顆粒捕集器中的溫度，這在中低速度區(qū)域更顯得特別重要，否則就不能確保它們在該區(qū)域中每個運行工況下都能達到進行循環(huán)再生所必需的溫度。

（6）噴油機構必須具備每循環(huán)盡量多次的噴射能力，較理想的現狀是：在轉速低于2500/min的運轉工況區(qū)較多達5次噴射，在中等速度區(qū)2次或3次噴射．而在標定轉速區(qū)只需單次噴射。

（6）噴油泵中的控制閥必須具有很高的作業(yè)頻響和控制柔性（如圖2所示），而且對噴油計量精度和重復性提出了更高的要求。但是，電磁閥控制的噴油泵因受電磁線圈的電感和磁滯回線的影響而具有較長的滯后時間，限制了其達到更高的作業(yè)頻響和控制柔性。

      高壓共軌裝置原理如圖3所示。噴油嘴的供油量的規(guī)劃準則是必須保證在任何狀況下柴油發(fā)電機的噴油量與控制油量之和的需求以及起動和加載時的油量變化的需求。因為共軌系統(tǒng)中噴油壓力的發(fā)生與燃油噴射過程無關，且噴油正時也不由噴油器的凸輪來保證，因此噴油泵的凸輪可以按照峰值功率較低、接觸應力較小和較耐磨的設計原則來規(guī)劃凸輪。

      ECM控制壓電執(zhí)行器伸長，推動液壓位移放大器活塞向下運動；伺服控制閥活塞在液壓位移放大器輸出端功能下，向下運動較大位移，推動伺服控制閥下座落座，針閥背壓腔與低壓油連通；在針閥腔高壓油壓強功用下，針閥開啟噴油。

      ECM控制壓電執(zhí)行器縮短，伺服控制閥活塞上表面的液壓力消失，伺服控制閥在底部彈簧力以及向上的液壓合力的功能下向上運動，伺服控制閥上座落座；則針閥背壓腔與高壓油連通，在背壓腔中彈簧對針閥向下的壓力和向下的液壓合力的作用下向下，針閥落座停止噴油。

      由于壓電共軌噴油系統(tǒng)作業(yè)的壓力高達180MPa，因此壓電噴油咀對零件表面品質和幾何精度等方面的機械性能提出了極高的耍求。其較小的噴孔直徑可達到0.12mm，并有意加工成圓錐形，噴孔內側進孔處還要采用液力研磨（液力沖蝕）工藝倒成圓角。所有的噴嘴針閥體孔直徑都經氣動量儀檢測，針閥直徑則按測得的噴嘴針閥體孔直徑尺寸進行自動配磨，確保該對精密偶件的配合間隙保持在大約2μm。

      正由于針閥體和針閥偶件必須以如此小的公差來相互配對，因此機械加工的要求十分苛刻。毛坯要在23℃的恒溫車間內進行加工，噴嘴針閥體內孔的表面粗糙度要求達到Rz=0.6μm，并采用激光干涉儀進行無缺點檢查。確保噴嘴針閥體孔和針閥幾何精度的正確性和一致性，從而使針閥在針閥體孔中的自由滑動達到較理想的狀態(tài)。

      為了證實加工品質完全一致，另外還要進行噴射油束形狀查看來控制較終的實際運用質量，標準的噴射油束形狀如圖4所示。噴油泵的最后裝配則要求在凈化室內進行，因為公差極其小，并必須確保性能的高可靠性，因此即使50μm大小的微粒就會妨害噴油器的正常功用，尤其是200μm大小以上的微粒決不允許進入噴油泵。從功用和可靠性觀點出發(fā)，壓電共軌噴油裝置對高壓零件的清潔度的要求比一般行程控制的噴油系統(tǒng)更高。

      高壓共軌機構主要由電控單元、高壓油泵、共軌管、電控噴油泵以及各種探頭等組成。低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌，高壓油軌中的壓力由電噴單元根據油軌壓力傳感器檢測的油軌壓力以及需要進行調整，高壓油軌內的燃油經太高壓油管，根據機器的運行狀態(tài)發(fā)電機組廠家，由電控單元從預設的map圖中確定合適的噴油定期、噴油連續(xù)期由電液控制的電子噴油咀將燃油噴入氣缸。

      共軌的任務是存儲高壓燃油，高壓泵的供油和噴油所發(fā)生的壓力波動由共軌的容積進行緩沖，在輸出較大燃油量時，所有氣缸共用的共軌壓力也應近似保持為恒定值，從而確保噴油泵打開時噴油壓力不變。圖5為高壓共軌的組成。它是一根鍛造鋼管，油軌的內徑為10mm，長度范圍在280~600mm之間，具體長度按柴油發(fā)電機的要求而定，高壓柴油經流量限制器通過各自的油管與噴油咀聯(lián)接。共軌壓力探頭安裝在高壓共軌管上，感應燃油壓力。它采用壓力作用在硅體上，可改變電阻值的半導體壓力傳感器。

      壓力限制與過爍閥或溢流閥的功能相同，相當于安全閥，它限制共軌中的壓力，在壓力限定值超出時，限壓閥通過打開溢流口來限制油軌中的壓力限制閥元件油軌中短時的較大壓力為160MPa。

      壓力限制閥的構成如圖6所示，它屬于一種機械液壓控制設備，以螺紋緊固在軌道端部，主要由限壓閥康明斯發(fā)電機型號參數、移動活塞、彈簧、限位塊等部件結構。

      壓力限制閥與軌道聯(lián)接端有進油孔，與軌道內腔相通，軌道內的高壓燃油由進油孔]進入力限制閥內，直接功能在限壓閥上。限壓閥在彈簧的用途下，其座面處于關團狀態(tài)。在正常工況下較大油壓力小于允許的較大值160MPa，彈簧力始終能把限壓閥靠在密封座面上，共軌內的高壓燃油無法由此流出。但當軌道內燃油壓力超過較大允許值后，作用在限壓閥上的燃油壓力大于彈的壓力，會頂開限壓閥，這時軌道內的部分高壓油能從打開的座面處，流入壓力限制閥內，并經燃油通道由回油螺釘流回油允許值后，彈簧力又會使限壓閥上的密封座面關團，軌道壓力不再下降。這樣把軌道壓力始終控制在許可范圍內。

      電控噴油泵是共軌式燃油機構中較關鍵和較復雜的部件，其結構如圖7所示。它的用途根據ECM發(fā)出的控制信號，通過電磁閥的開啟和關閉，將高壓油軌中的燃油以較佳的噴油時間及噴油量噴入燃燒室。

      高壓油泵是一個由流量計量閥、壓力調節(jié)閥綜合控制輸出壓力的柱塞式油泵，其結構如圖8所示。

      從油箱通過輸油泵泵出的燃油進入高壓油泵，燃油計量閥將燃油均勻分配到兩個泵活塞的進油通道，發(fā)電機傳動驅動軸的凸輪驅動泵活塞上下運動給燃油加壓，它能產生的較大噴射壓力為 1800 bar，未來更高。

      流量限制閥的功能是控制較大燃油流量，防止噴油嘴可能發(fā)生連續(xù)噴油現象，如果某一缸從軌道輸出的油量超出規(guī)定值時，流量限制器將流向相應噴油嘴的進油管關閉。由于該部件結構較為復雜，屬于選裝件，有被省略的可能。

      兩端帶有外螺紋的螺套，一端固定在軌道接頭上，另一端與噴油器管接頭聯(lián)接，螺套的中孔內裝有限位塊、活塞、彈簧等零件。在正常狀況下，因為彈簧的功能，把活塞向上壓到與限位塊相接觸的位置。這時螺套5的座面（通道）處于開啟狀態(tài)，軌道內的高壓燃油由進油孔進入流量限制器內，從中心孔經徑向節(jié)流孔，通過座面、通油孔流進噴油咀，整個流量限制器成為溝通軌道與噴油嘴的重要燃油通道。

在補充的油量由進油孔進入流量限制閥后，會從中心孔經節(jié)流孔流入彈簧室內，使活塞上下承受著相同的燃油壓力，因此，噴油后能恢復到平衡狀態(tài)，但因為彈簧4的功用，又會將活塞3壓回到與限位塊相接觸的位置。

      一般，噴油過程結束，活塞移動停止，由于每循環(huán)噴油量很小，于是直到噴油終點，活塞的移動量不大，到達不了關閉座面7的位置。在活塞向上回位步驟中，軌道內的高壓燃油會很快從節(jié)流孔流入彈簧室，補充活塞向上移動時所讓出的空間。使聯(lián)接噴油泵端的燃油壓力又恢復到噴油前的水平，為下一次噴油做好準備，這樣能保證每循環(huán)噴油壓力的一致性。

      噴油時，流量限制器的噴油嘴端因為燃油的噴出，壓力會下降，為使進入噴油嘴的燃油壓力保持不變，軌道內的高壓燃油應迅速向噴油器端補充，才能保證整個噴油流程中每一循環(huán)達到的噴油壓力保持不變，都在高壓下進行。如果燃油噴出后，不能及時補充燃油，噴油器端就會產生壓力降，下一循環(huán)的噴油壓力就會減少，這樣，無法保證每次噴油都是在相同壓力下進行。通常噴油泵端因噴油致使壓力下降的同時，活塞3的另一端由于軌道壓力基礎不變，因此發(fā)生了壓差，活塞在軌道壓力的用途下克服了彈簧的壓力，向噴油器端移動康明斯發(fā)電機官方廠家，活塞移動所讓出的空間，能從軌道內獲得相同排氣量的油量來補充噴出的油量。

      在運轉中如產生下列損壞時，流量限制閥會自動停止供油，以預防發(fā)生嚴重故障。當產生泄漏情形，可采用泄漏量檢查裝置進行試驗，如圖9所示。其泄漏量和壓力曲線）燃油大量泄漏時的損壞運行情形

      燃油由軌道從噴油咀噴出，必經流量限制閥座面處的通道。當燃油從軌道中流入流量限制閥時，會把活塞推離限位塊，燃油流入量越多，活塞行程越大，會被推向更遠離限位塊的位置。而同時活塞3的座面通道愈小。當燃油流入量超過極限值時，活塞會下移到座面關閉位置，從而能阻擋燃油流向噴油咀，使柴油發(fā)電機

      燃油從軌道流入流量限制閥，再從流鼠限制閥流出，經噴油咀噴射，當流入量和流出量相等時，每次噴油后，活塞總能回到與限位塊的接觸位置。但若軌道流入量增加，而流出量不變，則將發(fā)生進的多、出的少的現狀。每次噴油后，活塞就無法再回到與限位塊相接觸的位置。這時由軌道泄漏進入流量限制閥的燃油，即使每次量不多，但也會使活塞不能再回到與限位塊的接觸位置，持續(xù)幾次噴油后，泄漏量的積累，也會把活塞壓到關閉座面的位置，從而切斷燃油流向噴油泵，也能使柴油發(fā)電機停機。

      由于運用第三代壓電共軌噴油系統(tǒng)能大大擴展調整燃燒程序的自由度，將優(yōu)化的焦點轉移到有利于減少噪聲水平上。因為應用了兩次預噴射，中等負載時的噪音可降3dB(A)。根據所選購的燃燒過程，后噴射為減小顆粒排放供應了很大的可能性。在后噴射相位和油量方面為柴油發(fā)電機開發(fā)人員供應了新的自由度。這就允許在排放、噪音和燃油耗之間達到較佳的平衡，例如根據運轉工況通過后噴射顆粒排放較多能減小35％。為了滿足未來各種不一樣排煙后處置方法對噴油系統(tǒng)的要求，第三代壓電共軌噴油裝置能夠在膨脹沖程的不同相位進行后噴射，這樣一方面能在燃燒進行中就為可能存在的顆粒過濾器的再生準備好熱量，另一方面同樣也能為存儲式NOx催化器提供所必需的CO峰值。