柴油发电机高压共轨机构的构造和作业机理

摘要：柴油发电机高压共轨（DCR）电喷技术是一个闭环燃油控制系统，由低压油泵、高压油泵、共轨、燃油压力探头、电子控制单元（ECU）、油路压力控制阀、喷油嘴电磁阀和喷油嘴构成。喷射压力的出现和喷射流程被完全分开。其控制内容由燃油压力控制、喷油正时控制、喷射率控制和喷油量控制构造。

      高压共轨喷射压力的大小不受发电机的转速危害，这样预防柴油发电机供油压力随着发电机速度变化的不足。与其他燃油系统相比，其具有以下优势：

      高压油泵将高压燃油输送到公共供油管道，供油管内的油压通过电压力探头和ECU对实现精确控制，不因发电机速度的变化使柴油发电机供油压力大幅度减小。

      经多年研讨及适用，电喷喷射技术在柴油发电机运用非常成熟，形成了各种电控高压喷射机构。柴油发电机电控喷射有两类控制步骤：

      它的优势是在原机械控制循环喷油量和喷油正时机理的基础上，对装置功用改良更新，油量的控制通过线位移或角位移的电磁液压执行装置或电磁执行系统调节（齿杆或拉杆位移，拨叉位移）和提前器运动装置，使喷油正时和循环喷油量实现电喷。此外，与机械控制不同，用柱塞预行程改变的办法，实现可变供油速率的电控，满足高压喷射中大负荷、高速和低怠速喷油流程控制的综合优化。其典型产品有转子分配泵电控机构或直列柱塞泵电控装置，电控调速器，单体泵或泵喷嘴的电喷机构等等。

      时间控制其电喷高压喷射装置的作业机理与传统机械式的完全不同，是在高压油路中利用一个或两个高速电磁阀控制柴油泵和喷油器的启闭的喷油流程。控制喷油量由喷油器的开启时间长短和喷油压力大小决定，由控制电磁阀的开启时刻确定喷油正时，可实现喷油量、喷油正时和喷油速率的柔性控制和一体控制。时间控制途径是柴油发电机喷射装置的发展方向，更加先进，共轨喷射机构是其典型产品。

      电控共轨喷油机构的作业原理如图1所示。它是一种新型的时间控制方法，利用电磁式油泵控制阀进行调节燃油泵供油量，改变共轨油道中的油压，而不是改变循环喷油量的大小。因此，燃油泵中柱塞偶件不起油量调节用途，不需要每个发电机气缸配备一组泵油元件。根据发电机工况要求调整共轨中的油压大小，电喷装置由油压传感器得到压力值，比较发电机工况所设置的较佳压力值与所测压力，电磁式油泵控制阀启闭由电喷机构输出信号控制，使油压达到较佳，该压力值就是喷油嘴的喷射压力。油嘴顶部液压活塞控制室中的油压决定喷油嘴的启闭。此油压大小取决于共轨中压力和三通电磁阀启闭的共同功能。当三通阀通电时，高压燃油从控制室流出，压力室内的高压用途使喷油器针阀上升，于是开始喷油。当三通阀断电时，液压活塞顶部控制室进入高压油，针阀下落，停止喷油康明斯柴油发电机价格。因此，接通三通阀的始点来控制喷油正时，由三通阀接通的持续时间来控制喷油量。图中控制针阀上升的速度通过精细调整节流孔的孔径大小，从而改变初期的供油速率，达到低氮氧化物排放、低噪声的目的。

      由此可见，电子控制系统（如图2所示）是对一个油泵控制阀和每个汽缸一个喷油三通阀的启闭时刻和连续期进行控制，控制喷油压力和针阀开启的时间，柔性控制循环喷油量、喷油正时、喷油速率。

      从上面的陈说可知，采用时间控制程序的共轨装置其特点是喷射压力、喷油正时和喷油量的变化用电磁阀控制，调节的自由度和控制精度大大增强。

      共轨装置可以实现传统喷油系统上无法实现的作用，详细功率如下：

（1）共轨系统中的喷油压力柔性可调，较佳喷射压力由不同转速和负荷确定，柴油发电机综合性能得到优化，如喷射压力可不随柴油发电机转速变化，有利于柴油发电机低速时的功率增大和低速烟度改良。

（2）可独立地对喷油正时柔性控制，配合高的喷射压力（140～180MPa），可同时在较小的数值内控制Knox和微粒（PM），满足排放要求。

（3）喷油速率变化柔性控制，实现理想的喷油规律形状（预喷型、台阶形喷油或三角形规律），既可降低柴油发电机氮氧化物排放和调节高压共轨压力，优良的动力性、经济性得到保证。

（4）电磁阀控制喷油，控制精度高，高压油路中不会产生气泡和残压为零的状况，因此在柴油发电机运转范围内，喷油量循环变动小康明斯柴油发电机，改进了各缸不均匀程度，柴油发电机的振动得到改进，排放减少。

      高压油泵的作用是对供油速率的控制保证共轨管中要求的压力Pc，图2所示是高压油泵的作业机理。常规供油装置的设计思想不一样，常规装置是直接控制高压燃油量，在实际应用中发生能量的损失和浪费，供油泵控制低压燃油量。当共轨中压力低于目标值时，ECU控制高压油泵PCV（Positive Crankcase Ventilation，油底壳强制通风装置）阀提早关闭，柱塞提前供油，由于供油终点为凸轮升程较高点是始终不变的，因此提早供油使高压供油泵供油量增加，如图3所示。当共轨中压力低于目标值时，PCV阀推迟关闭，供油量减小，共轨中压力减轻。

      高压供油泵的设计采用小柱塞直径、长冲程和低凸轮轴速度，能减小燃油泄漏、运动阻力及驱动力矩高峰值。采用2缸直列泵的功能相当于6缸常规直列泵，从而显着减轻高压供油泵的尺寸。

      电控三通阀是DCR机构中较为关键的部件，也是技术难度较高的部件，电喷TWV（Three-Way Valve，三通调整阀）阀装配在每个喷油嘴总成的上方，其结构机理如图5所示。三通阀包括内阀和外阀，外阀和电磁阀线圈的衔铁做成一个整体，由线圈的通电指令来控制外阀的运动，外阀由阀体支撑。3个元件精密地安装在一起，分别形成密封锥面A，和外锥座B，随着外阀的运动，A、B锥座交替关闭，三个油道（共轨管、回油管和液压活塞上腔）两两交替接通，此外要注意到，阀锥座直径分别为φd1和φd2，内直径为φd，Φd ＞ φd1；  Φd ＞ φd2 ；   Φd ≈ φd1  ≈φd2；三通阀本身不控制喷油量仅起压力开关阀用途。

      在弹簧作用下外阀下落，在油道①的油压的功用下内阀上升，此时开启密封内锥座A，油道①、②相通，高压油从①进入液压活塞上腔②中。

      在电磁力的吸引下外阀向上运动，密封内锥座A关闭，此时内阀仍停留在上方，开启外锥座B，油道②、③相通，液压活塞上腔向回油室放油，这时喷油器喷油。

      在ECD（Electronic Control Diese-lengine）系统中可以自由独立地控制喷油定期，措施是控制定期脉冲送达TWV的时间，其控制框图如图6所示。在ECM中要进运算两次，即“0m计算”在各种探头送来信号的基础上算出较终的喷油开始时间0n“Tcu的计算”，为实现0m的目标决定激励脉冲送到TWV的时间Tcu，发电机速度和负荷决定基本喷油定期，然后根据进气管水温、压力等对Obase进行修正得0r再根据发电机速度转换成时间Tatto，DCR机构由发电机速度探头每隔15°CA产生一个脉冲在30°CA的范围内调节喷油提前角，Tcu＝T30-T1向TWV输出脉冲时间。

      DCR系统可以实现三种喷油率：三角形，预喷射和靴形。

      如图7所示，为了减小初始喷油量的目的，使喷油器针阀升起的速度不要太快，专门布置了一个单向阀和一个节流小孔在动力活塞上方。单向阀阻止动力活塞上方通过燃油，只有通过小孔泄出燃油，造成动力活塞上方燃油压力下降速度放慢，针阀缓慢上升。当喷油终止时，三通阀断电，外阀在弹簧力功用下向下运动，座B关闭，关闭泄油道，而座A打开，动力活塞的通道燃油进入。通过单向阀共轨高压燃油迅速加压到动力活塞上方使活塞下行。因为活塞的直径比针阀直径大得多，针阀在很大的油压力下迅速关闭，实现喷射快速停止，柴油发电机要求得到满足。喷油始点由三通阀通电时刻决定，喷油量大小由通电连续时间决定。根据柴油发电机工况要求进行调节喷油压力，低速负荷工况时，可实现需要高压的某种程度，喷油压力的调整可完全独立于速度负载工况。三通阀开启响应时间为0.35ms，关闭时间为0.4ms，三通阀全负荷耗能为50W。

      因为DCR是一个电子控制的精确压力-油量控制装置，共轨中压力波动很小，它没有常规电喷喷油装置中存在的一些问题，如没有由压力波而发生的失控区、难控区，也没有调速器能力不够的问题，柴油发电机所需的理想油量控制特点得到实现。

      在主喷射前给三通阀一个小宽度的电脉冲信号，就可在DCR上实现预喷射。ECD-U2装置为每循环1mm3较小预喷油量，预喷射和主喷射之间较小为0.1ms的时间间隔（见图8）。

      针阀有一个小的预行程停留才能实现靴形喷油率图形。为此需要变动喷油嘴总成构造，在液压活塞与三通阀之间的节流孔处改为一个靴形阀，如图9所示。可调的预行程是靴形阀和液压活塞间的间隙。当三通阀通电时，靴形阀中的高压燃油被释放到泄油道，打开喷油嘴到相当于预行程的高度，针阀停留在该处，一直维持到靴形阀节流孔下降到一定程度后，针阀才继续升高到较大升程，喷油速率达到较大（针阀外观和构成如图10所示）重庆康明斯官网。依靠预行程量和靴形阀节流孔的直径的合理组合，得到各种形式的靴形喷油率。因为初期靴形喷油率较低，可获得过低的NOx。

      DCR装置转速启动较快，因为高压输油泵每个凸轮有三个凸起，共轨中油压在起动时升高很快。当高压输油泵供油量Up为600mm3时，共轨以及其他高压油管路容积V为94000mm3，燃油容积弹性模量E为1100MPa/m㎡，则共轨压力升高值为ΔP＝EQp/V＝7MPa/r，即高压输油泵每旋转一次，共轨中压力提升为7MPa。如喷油嘴开启压力为20MPa，输油泵只要旋转3次，共轨压力就可以超过喷油嘴开启压力，经实验表明，只要起动0.5s，可达20MPa共轨压力，柴油发电机0.6s后就达到怠速速度。

      此外，电控装置内还有一个自诊断和损坏安全装置，电喷单元都具有自检功用，用来监测控制系统各部状态。发生损坏时，可用指示灯（在仪表板上）显示故障码，以便保养检修及时。

      共轨电控系统是通过微机控制柴油发电机使它作业在较佳要素下，共轨电喷系统通过各种探头获得柴油发电机的各种作业数据(包括柴油发电机转速、加载踏板使用情况、冷却水温度等)，全面控制循环喷油量、喷油正时、喷油压力等。微机控制系统具有诊断作用、失效保险作用和报警功用，它能供应详细柴油发电机电器部件的自诊断，发现异常及时向使用员发出警报，保护功能在微机测量到严重损坏时能自动停机，失效保险用途在微机发生损坏时能保证切换到备用系统保证柴油发电机继续作业。