高压共轨式柴油发电机的工作机理和部件结构

引言：高压共轨技术是指在由高压油泵、压力传感器和ECM结构的闭环机构中，将喷射压力的产生和喷射步骤彼此完全分开的一种供油程序，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发电机的转速无关，可以大幅度减轻柴油发电机供油压力随发电机速度的变化，因此也就降低了传统柴油发电机的短处。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。

      从上世纪80年代起，特别是第一代共轨喷油机构引入柴油发电机喷油装置领域以来。直喷式柴油发电机燃烧过程开发的理念就发生了划时代的变化，为了较大幅度地降低废气排放和燃油消耗，应尽可能采用越来越高的喷油压力。这就涉及到怎生充分利用高喷油压力的潜力，其中包括提升柴油发电机的功率、有害物排放量和燃油经济性，而不损害其运转的稳定性和柔和性。共轨燃油机构的喷射流程如图1所示。

（1）随着柴油发电机平均高效压力的提高，活塞侧压力的急剧升高使得柴油发电机的运行噪声明显增大，此时采用位于主喷射之前的预喷射为较合适的应对措施，它可以平缓汽缸压力升高率，从而减轻噪声排放。

（2）在喷油压力继续提高和更严格的排放要求形势下，在主喷射前后补充附加喷射是进一步优化直喷式柴油发电机燃烧过程的有效策略。

（3）喷油压力进一步升高时，必须采用多次喷射使得燃烧程序始终具有柔和的压力升高率，以便进一步减少燃烧噪声。

（4）机内净化炭烟颗粒始终是直喷式柴油发电机燃烧流程开发的重要目标，为使缸内燃烧过程中形成的碳烟颗粒能更好地燃烧，还应附加合适的后喷射。这特别适用于发电机中低转速范围，在这些运转工况范围内喷油控制的灵活性显得尤为重要。

（5）为满足欧三及以上的排放要求的要求，柴油发电机越来越多地装用吸附式NOx和颗粒捕集器，这又对喷油装置提出了另一个要求：

      为在柴油发电机运转期间实现这两种装置的再生，以持续地保持它们的净化用途，须在主喷射主后再补充一部分燃油，以便为吸附式NOx催化器还原净化NOx，提供所需的还原剂（CO、HC），为颗粒捕集器再生供应定期烧掉累积起来的碳烟颗粒所需热量，并增强催化器和颗粒捕集器中的温度，这在中低速度区域更显得特别重要，否则就无法确保它们在该区域中每个运行工况下都能达到进行循环再生所必需的温度。

（6）喷油机构必须具备每循环尽量多次的喷射能力，较理想的情况是：在转速低于2500/min的运转工况区较多达5次喷射，在中等转速区2次或3次喷射．而在标定速度区只需单次喷射。

（6）喷油嘴中的控制阀必须具有很高的作业频响和控制柔性（如图2所示），而且对喷油计量精度和重复性提出了更高的要求。但是，电磁阀控制的喷油器因受电磁线圈的电感和磁滞回线的影响而具有较长的滞后时间，限制了其达到更高的工作频响和控制柔性。

      高压共轨系统原理如图3所示。喷油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何状况下柴油发电机的喷油量与控制油量之和的需求以及启动和加载时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的发生与燃油喷射步骤无关，且喷油正时也不由燃油泵的凸轮来保证，因此燃油泵的凸轮可以按照峰值功率较低、接触应力较小和较耐磨的布置原则来规划凸轮。

      ECM控制压电执行器伸长，推动液压位移放大器活塞向下运动；伺服控制阀活塞在液压位移放大器输出端功用下，向下运动较大位移，推动伺服控制阀下座落座，针阀背压腔与低压油连通；在针阀腔高压油压强作用下，针阀开启喷油。

      ECM控制压电执行器缩短，伺服控制阀活塞上表面的液压力消失，伺服控制阀在底部弹簧力以及向上的液压合力的用途下向上运动，伺服控制阀上座落座；则针阀背压腔与高压油连通，在背压腔中弹簧对针阀向下的压力和向下的液压合力的功能下向下，针阀落座停止喷油。

      由于压电共轨喷油系统工作的压力高达180MPa，因此压电喷油器对零件表面品质和几何精度等方面的机械性能提出了极高的耍求。其较小的喷孔直径可达到0.12mm，并有意加工成圆锥形，喷孔内侧进孔处还要采用液力研磨（液力冲蚀）工艺倒成圆角。所有的喷嘴针阀体孔直径都经气动量仪测量，针阀直径则按测得的喷嘴针阀体孔直径尺寸进行自动配磨，确保该对精密偶件的配合间隙保持在大约2μm。

      正由于针阀体和针阀偶件必须以如此小的公差来相互配对，因此机械加工的要求十分苛刻。毛坯要在23℃的恒温车间内进行加工，喷嘴针阀体内孔的表面粗糙度要求达到Rz=0.6μm，并采用激光干涉仪进行无弊端检查。确保喷嘴针阀体孔和针阀几何精度的正确性和一致性，从而使针阀在针阀体孔中的自由滑动达到较理想的状态。

      为了证实加工品质完全一致，另外还要进行喷射油束形状检查来控制较终的实际运用质量，标准的喷射油束形状如图4所示。喷油嘴的最后装配则要求在净化室内进行，由于公差极其小，并必须确保性能的高可靠性，因此即使50μm大小的微粒就会妨害喷油器的正常作用，尤其是200μm大小以上的微粒决不允许进入喷油器。从功能和可靠性观点出发，压电共轨喷油系统对高压零件的清洁度的要求比通常行程控制的喷油装置更高。

      高压共轨装置主要由电喷单元、高压油泵、共轨管、电喷喷油器以及各种探头等构造。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电喷单元根据油轨压力传感器检测的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电喷单元从预设的map图中确定合适的喷油定期、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入汽缸。

      共轨的任务是存储高压燃油，高压泵的供油和喷油所出现的压力波动由共轨的容积进行缓冲，在输出较大燃油量时，所有汽缸共用的共轨压力也应近似保持为恒定值，从而确保喷油器打开时喷油压力不变。图5为高压共轨的组成。它是一根锻造钢管，油轨的内径为10mm，长度范围在280~600mm之间，主要长度按柴油发电机的要求而定，高压柴油经流量限制器通过各自的油管与喷油嘴联接。共轨压力传感器安装在高压共轨管上，感应燃油压力。它采用压力用途在硅体上，可改变电阻值的半导体压力传感器。

      压力限制与过烁阀或溢流阀的功能相同，相当于安全阀，它限制共轨中的压力，在压力限定值超出时，限压阀通过打开溢流口来限制油轨中的压力限制阀元件油轨中短时的较大压力为160MPa。

      压力限制阀的构造如图6所示，它属于一种机械液压控制机构，以螺纹紧固在轨道端部，主要由限压阀、移动活塞、弹簧、限位块等部件结构。

      压力限制阀与轨道联接端有进油孔，与轨道内腔相通，轨道内的高压燃油由进油孔]进入力限制阀内，直接作用在限压阀上。限压阀在弹簧的功能下，其座面处于关团状态。在正常工况下较大油压力小于允许的较大值160MPa，弹簧力始终能把限压阀靠在密封座面上，共轨内的高压燃油不能由此流出。但当轨道内燃油压力超过较大允许值后，功用在限压阀上的燃油压力大于弹的压力，会顶开限压阀，这时轨道内的部分高压油能从打开的座面处，流入压力限制阀内，并经燃油通道由回油螺钉流回油允许值后，弹簧力又会使限压阀上的密封座面关团，轨道压力不再下降。这样把轨道压力始终控制在许可范围内。

      电喷喷油器是共轨式燃油装置中较关键和较复杂的部件，其构造如图7所示。它的功能根据ECU发出的控制信号，通过电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以较佳的喷油时间及喷油量喷入燃烧室。

      高压油泵是一个由流量计量阀、压力调整阀综合控制输出压力的柱塞式油泵，其组成如图8所示。

      从油箱通过输油泵泵出的燃油进入高压油泵，燃油计量阀将燃油均匀分配到两个泵活塞的进油通道，发电机传动驱动轴的凸轮驱动泵活塞上下运动给燃油加压，它能出现的较大喷射压力为 1800 bar，未来更高。

      流量限制阀的用途是控制较大燃油流量，防范喷油嘴可能产生持续喷油现象，如果某一缸从轨道输出的油量超出规定值时，流量限制器将流向相应喷油器的进油管关闭。由于该部件结构较为复杂，属于选装件，有被省略的可能。

      两端带有外螺纹的螺套，一端固定在轨道接头上，另一端与喷油嘴管接头联接，螺套的中孔内装有限位块、活塞、弹簧等零件。在正常情况下，由于弹簧的作用，把活塞向上压到与限位块相接触的位置。这时螺套5的座面（通道）处于开启状态，轨道内的高压燃油由进油孔进入流量限制器内，从中心孔经径向节流孔，通过座面、通油孔流进喷油嘴，整个流量限制器成为沟通轨道与喷油嘴的重要燃油通道。

在补充的油量由进油孔进入流量限制阀后，会从中心孔经节流孔流入弹簧室内，使活塞上下承受着相同的燃油压力，因此，喷油后能恢复到平衡状态，但因为弹簧4的功用，又会将活塞3压回到与限位块相接触的位置。

      通常，喷油程序结束，活塞移动停止，因为每循环喷油量很小，故而直到喷油终点，活塞的移动量不大，到达不了关闭座面7的位置。在活塞向上回位流程中，轨道内的高压燃油会很快从节流孔流入弹簧室，补充活塞向上移动时所让出的空间。使联接喷油器端的燃油压力又恢复到喷油前的水平，为下一次喷油做好准备，这样能保证每循环喷油压力的一致性。

      喷油时，流量限制器的喷油嘴端由于燃油的喷出，压力会下降，为使进入喷油嘴的燃油压力保持不变，轨道内的高压燃油应迅速向喷油器端补充，才能保证整个喷油步骤中每一循环达到的喷油压力保持不变，都在高压下进行。如果燃油喷出后，无法及时补充燃油，喷油嘴端就会发生压力降，下一循环的喷油压力就会减轻，这样，不能保证每次喷油都是在相同压力下进行。通常喷油嘴端因喷油引起压力下降的同时，活塞3的另一端因为轨道压力基本不变，因此发生了压差，活塞在轨道压力的功能下克服了弹簧的压力，向喷油嘴端移动，活塞移动所让出的空间，能从轨道内获得相同排量的油量来补充喷出的油量。

      在运行中如产生下列故障时，流量限制阀会自动停止供油，以防止出现严重事故。当出现泄漏现状，可采用泄漏量测量装置进行试验，如图9所示。其泄漏量和压力曲线）燃油大量泄漏时的事故运行状况

      燃油由轨道从喷油嘴喷出，必经流量限制阀座面处的通道。当燃油从轨道中流入流量限制阀时，会把活塞推离限位块，燃油流入量越多，活塞行程越大，会被推向更远离限位块的位置。而同时活塞3的座面通道愈小。当燃油流入量超过极限值时，活塞会下移到座面关闭位置，从而能阻挡燃油流向喷油器，使柴油发电机

      燃油从轨道流入流量限制阀，再从流鼠限制阀流出，经喷油嘴喷射，当流入量和流出量相等时，每次喷油后，活塞总能回到与限位块的接触位置。但若轨道流入量增加，而流出量不变，则将出现进的多、出的少的情形。每次喷油后，活塞就无法再回到与限位块相接触的位置。这时由轨道泄漏进入流量限制阀的燃油，即使每次量不多，但也会使活塞无法再回到与限位块的接触位置，持续几次喷油后，泄漏量的积累，也会把活塞压到关闭座面的位置，从而切断燃油流向喷油嘴，也能使柴油发电机停机。

      由于应用第三代压电共轨喷油机构能大大扩展调整燃烧过程的自由度，将优化的焦点转移到有利于减小噪声水平上。因为应用了两次预喷射，中等负荷时的噪声可降3dB(A)。根据所选型的燃烧过程，后喷射为减少颗粒排放提供了很大的可能性。在后喷射相位和油量方面为柴油发电机开发人员提供了新的自由度。这就允许在排放、噪声和燃油耗之间达到较佳的平衡，例如根据运转工况通过后喷射颗粒排放较多能降低35％。为了满足未来各种不同排气后解决办法对喷油机构的要求，第三代压电共轨喷油装置能够在膨胀冲程的不一样相位进行后喷射，这样一方面能在燃烧进行中就为可能存在的颗粒滤清器的再生准备好热量，另一方面同样也能为存储式NOx催化器供应所必需的CO峰值。