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新聞主題 |
柴油發(fā)電機位置控制式噴射系統(tǒng)的特點 |
摘要：在滿足排放法規(guī)的條件下，柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)的應用，大大提高柴油機的燃油經濟性和動力性。柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)與汽油機電控燃油噴射系統(tǒng)有許多共同之處，柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)的關鍵技術及難點為柴油噴射電控執(zhí)行器。分析柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)點，對分配泵供油技術和位置式電控分配泵控制技術進行詳細論述，對電控柴油噴射技術有一定指導。
一、電控燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)點
柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)與汽油機電控燃油噴射系統(tǒng)有許多共同之處，都由傳感器、ECU和執(zhí)行器3部分組成。柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)采用的傳感器，如轉速傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器以及節(jié)氣門位置傳感器等，與汽油機電控系統(tǒng)相同。ECU在硬件以及柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)的軟件方面也有相似之處。
（1）機械控制噴射系統(tǒng)的基本控制信息是柴油機轉速和機械噴油泵位置，而電控燃油噴射系統(tǒng)則通過許多傳感器檢測柴油機的運行狀態(tài)和環(huán)境條件，由ECU計算出適應柴油機運行狀況的控制量，由噴油器實施，控制精確、靈敏。在需要擴大控制功能時，只需改變ECU的存儲軟件，即可實現綜合控制。
（2）機械控制噴射系統(tǒng)由于設定錯誤和磨損等原因，使噴油時刻產生誤差；電控燃油噴射系統(tǒng)則根據曲軸位置的基本信號進行再檢查，不存在產生失調的可能性。
（3）電控燃油噴射系統(tǒng)通過改換輸入裝置的程序和數據可改變控制特性，一種噴射系統(tǒng)可用于多種柴油機，而不需要機械加工，新產品開發(fā)周期縮短，成本降低。
二、噴油泵的分類
柴油發(fā)電機的燃油噴射系統(tǒng)，根據噴射量的控制方式不同分為位置控制式噴射系統(tǒng)和時間控制式噴射系統(tǒng)兩種。位置控制式噴射系統(tǒng)是通過齒條或拉桿位置來控制噴射量的，根據調節(jié)油門拉桿位置的方法不同，又分為傳統(tǒng)的機械式噴射系統(tǒng)和電控位置式噴射系統(tǒng)。后者是在機械式噴射系統(tǒng)的基礎上，增加電控系統(tǒng)，如電子調速器、自動控制供油時刻的定時器、控制單元及相應的傳感器等。位置式噴射系統(tǒng)，不管是機械式還是電控式都是泵-管-噴油器型結構，其中噴油泵是核心部分，主要完成按一定的供油規(guī)律，定時、定壓地向噴油器供給定量燃油的任務。而噴油器只是起簡單的噴油作用，即當供油壓力超過噴油器的啟噴壓力時，打開噴油器針閥進行噴油，否則針閥落座停止噴油。在這種泵-管-噴油器型位置控制式噴射系統(tǒng)中，噴油泵根據其結構不同可分為直列泵和分配泵。
1、VE型分配泵
（1）機械式VE型分配泵
圖1所示為典型的機械式VE型分配泵的結構。這種分配泵只有一個柱塞，與固定在一起的平面凸輪一同旋轉。此時，由平面凸輪形線與滾輪之間的相互作用，完成柱塞的往復與旋轉運動，同時實現壓油和向各缸分配燃油的任務。平面凸輪的凸起數與氣缸數相等。機械式分配泵供油量的控制，是通過操作人或調速器調節(jié)油量調節(jié)滑套的位置來完成的。當油量調節(jié)滑套的位置向柱塞壓油方向（圖中右向）移動時，柱塞的壓油行程延長，供油量增多；反之，油量調節(jié)滑套向左移動時，柱塞壓油行程縮短，供油量減少。
（2） 電控位置式分配泵
電控位置式分配泵是在機械式分配泵的基礎上，對油量控制機構和供油時刻的控制機構進行了稍微改動，即去掉了原機械式調速機構，增設了轉速傳感器、控制油量調節(jié)滑套位置的比例電磁閥、油量調節(jié)滑套位置傳感器、控制供油時期的定時控制閥、供油定時器位置傳感器等（圖2）。比例電磁閥1由線圈、鐵心和回位彈簧等組成，ECU通過占空比（在控制脈沖一周期內接通時間所占的比值）控制流經線圈電流的大小，由此控制電磁閥磁場的強弱?？蓜予F心在該磁場力和回位彈簧力的作用下，保持其軸向平衡點位置。當流經線圈的電流變化時，原磁場力和彈簧力的平衡狀態(tài)被破壞，鐵心沿軸向移動到達新的平衡點。當鐵心軸向移動時，通過杠桿機構帶動油量調節(jié)滑套移動，由此達到調整噴射量的目的。而油量調節(jié)滑套的位置是靠安裝在可動鐵心前端的油量調節(jié)滑套位置傳感器來測量的。ECU實時讀取油量調節(jié)滑套位置傳感器的信息，并與儲存在ROM中的目標值相比較進行反饋控制，使實際油量調節(jié)滑套位置盡可能接近目標值。目標油量調節(jié)滑套位置或噴射量是事先通過臺架試驗根據不同轉速不同負荷標定而獲取的。
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圖1 機械式VE型分配泵結構圖 |
圖2 電控位置式分配泵結構圖 |
2、直列泵
直列泵（In-line Pump）實際上就是把多缸柴油發(fā)電機各缸的供油單元安裝在同一個噴油泵殼體上而構成的合成式噴油泵。根據噴油泵殼體的結構特點，直列泵也分為A型泵、P型泵等幾種。圖3所示為P型直列泵的結構。P型泵的供油量是操作員通過加速位置，改變P型泵油量控制齒桿位置來控制的（圖4）。
電控直列泵TICS（Timer Injection Control System）是在P型泵的基礎上進行改進的。TICS泵保留了P型泵的油量控制齒桿機構，但在柱塞偶件上增加了一個控制滑套，取代了P型泵中的固定柱塞套。通過控制滑套相對柱塞的上下位移，改變柱塞的供油始點，即供油預行程，由此在一定范圍內可實現供油時刻的任意控制。燃油泵噴射過程如圖5、圖6所示。
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圖3 P型直列泵結構圖 |
圖4 噴油泵工作原理圖 |
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圖5 柴油機電控直列泵進油和壓油過程 |
圖6 柴油機電控直列泵送油和回油過程 |
三、噴射過程
上述位置式泵-管-噴油器型噴射系統(tǒng)，噴油器和噴油泵之間有一定長度的高壓油管，所以噴油泵的供油特性和噴油器的實際噴油特性不一致。電控化以后雖然在噴射系統(tǒng)參數的控制上，相對機械式改善了許多，使得柴油發(fā)電機的性能得到大幅度的改善，但仍未能徹底解決以噴油泵控制為核心的泵-管-噴油器型噴射系統(tǒng)結構的固有問題。為了便于分析，根據圖6所示的泵-管-噴油器型燃油噴射系統(tǒng)在噴射過程中噴油泵端燃油壓力PH、噴油器端燃油壓力pn及針閥升程h的變化規(guī)律，將其噴射過程劃分為噴射延遲、主噴射和噴油結束三個階段。
1、噴射延遲階段
噴射延遲階段是指從噴油泵出油閥升起而開始供油時刻起到噴油器的針閥開始升起而開始噴油的時刻為止（圖7中I段）。由于一定長度的高壓油管的存在，從噴油泵供油開始，被壓送的燃油在噴油泵端建立油壓的同時，沿高壓油管以約1400m/s的速度（壓力波）向噴油器端傳播，建立噴油器端的油壓。當噴油器端的油壓升高到其啟噴壓力時，噴油器的針閥才開啟，噴油開始。因此，這種泵-管-噴油器型位置式噴射系統(tǒng)的第一個缺點就是供油時刻與噴油時刻不一致，噴油時刻相對供油時刻存在延遲角，即供油提前角與噴油提前角的差值。高壓油管越長或轉速越高，這種噴油延遲角越大。
2、主噴射階段
主噴射階段是指從噴油器針閥開啟噴油開始時刻起到因噴油泵回油造成噴油器端的燃油壓力開始急劇下降的時刻為止（圖7中II段）。在這一階段，噴油規(guī)律主要取決于噴油器噴孔的總開啟面積和噴射壓力。而噴油器端的噴射壓力與噴油泵的供油速率和高壓油管中的壓力波動等有關。所以，雖然供油規(guī)律影響噴油規(guī)律，但兩者不相同。這里，噴油規(guī)律是指單位時間（或每1°噴油泵凸輪轉角）內噴油器噴入燃燒室內的噴射量（即噴油速率）隨時間（或噴油泵凸輪轉角）的變化關系；而供油規(guī)律是指單位時間（或每1°噴油泵凸輪轉角）內噴油泵的供油量（即供油速率）隨時間（或噴油泵凸輪轉角）的變化關系，供油規(guī)律主要取決于噴油泵的柱塞幾何尺寸和噴油泵的凸輪形線（確定柱塞的運動規(guī)律）。所以，這種噴射系統(tǒng)的第二個致命弱點就是噴油規(guī)律不可能直接控制。
3、噴油結束階段
噴油結束階段是指從噴油器端的燃油壓力開始急劇降低的時刻起到噴油器針閥完全落座停止噴油為止（圖7中III段）。由于這種噴射系統(tǒng)是通過噴油泵的回油來降低噴油器端油壓的，并以此控制針閥落座，所以針閥的落座速度取決于噴油器端壓力的降低速率。而且在此階段因噴射壓力降低，所以燃油霧化特性變差。
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圖7 燃油系統(tǒng)噴射過程圖 |
三、存在的問題
由于這種泵-管-噴油器型燃油噴射系統(tǒng)是通過噴油泵控制噴油器端的油壓來控制噴油器的噴射過程的，因此存在以下幾個問題：
1、噴油泵的供油規(guī)律和噴油規(guī)律不同，如圖8所示。
首先，供油時刻和噴油時刻不同，噴射時刻相對供油時刻延遲；其次，噴油器端的油壓是通過噴油泵的供油規(guī)律間接控制的，所以噴油持續(xù)時間比供油持續(xù)時間長，最大噴油速率比最大供油速率低，噴油規(guī)律曲線和供油規(guī)律曲線也不一致，也就是說通過供油規(guī)律不能精確控制噴油規(guī)律。
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圖8 供油規(guī)律和噴油規(guī)律曲線圖 |
2、在高速大負荷等供油量多的工況下，噴射終了噴油器針閥落座后，受高壓油管中壓力波動的影響，噴油器端的油壓有可能超過其啟噴壓力，此時將造成針閥再次升起而噴油的不正常噴射現象，稱這種現象為二次噴射（圖9中2圖）。此時，由于噴射壓力低，燃油霧化不良，所以燃燒不完全，碳煙增多，且整個噴射持續(xù)時間拉長，熱效率降低，經濟性下降。
3、如果噴油終了噴油泵不能迅速回油，則高壓油管中的殘壓過高，噴油器端的油壓下降緩慢而造成噴油器針閥不能迅速落座，使針閥關閉不嚴，燃油仍以未完全霧化的油滴狀態(tài)流出噴孔，稱這種現象為滴油現象。滴油難以霧化，易生成積炭并堵塞噴孔。
4、當發(fā)動機小負荷狀態(tài)運行時，供油速率低，使得某一瞬間噴油泵的供油量小于從噴油器噴射的量和填充針閥室空間的油量之和，造成針閥在噴射過程中周期性跳動的現象，稱之為斷續(xù)噴射（如圖9中3圖）。這種噴射現象容易導致針閥副的過度磨損。當供油量過小時，會出現循環(huán)噴射量不斷變動的現象，稱這種現象為不規(guī)則噴射。再減小噴射量時有可能出現有的循環(huán)不噴油，或兩個循環(huán)噴一次的隔次噴射現象（如圖9中4圖）。這種不正常的噴射現象限制了柴油發(fā)電機的最低穩(wěn)定轉速。
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圖9 正常噴射和不正常噴射現象示意圖 |
總結：
分配泵體積小、質量輕、成本低、使用方便，但只能滿足簡單的供油特性和供油時刻變化特性。為此，在分配泵的基礎上采用電子控制技術，提高其供油特性和控制精度，以適應日趨嚴格的節(jié)能與排放法規(guī)的要求。采用分配泵電控技術，根據噴射量、噴射時間的控制方式不同，有位置式控制和時間式控制兩種。位置控制型電控柴油噴射系統(tǒng)與機械控制柴油噴射系統(tǒng)相比，控制精度和響應速度都有所提高。將機械控制柴油噴射系統(tǒng)改造為位置控制型電控系統(tǒng)時，柴油機的結構無需改動，但系統(tǒng)控制頻率低，噴油壓力和噴油規(guī)律不能獨立控制。 電控位置式噴射系統(tǒng)在一定程度上改善了機械式噴射系統(tǒng)存在的上述問題，但不可能從根本上徹底解決，而上述存在的問題又直接制約噴油規(guī)律和放熱規(guī)律的精確控制。因此，這種噴射系統(tǒng)滿足不了日趨嚴格的節(jié)能與排放法規(guī)的要求而被淘汰。
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