浅谈共轨电控燃油喷射技术

songgang568519 · 发表于 2007-11-16 09:57

一、前言
随着科学电子技术迅猛发展，微型计算机已越来越广泛地应用在船舶动力控制和监测中。为了提高燃油经济性、降低排放要求、提高可靠性和操作的灵活性，实现适时调节，共轨电喷柴油机已成为发展的必然趋势。经过各大厂商的不懈努力，全电喷型的柴油机终于在2003年研制成功并得到实船验证，这标志着柴油机的发展经历了又一次质的飞跃。
二、柴油机电控技术的发展
柴油机电控技术是在解决能源危机和排放污染两大难题的背景下，在飞速发展的电子控制技术平台上发展起来的。汽油机电控技术的发展为柴油机电控技术的发展提供了宝贵经验。
柴油机电控技术发展的三个阶段：位置控制、时间控制、时间—压力控制（压力控制）
1．常规压力电控喷油系统
结构不需改动，生产继承性好，便于对现有柴油机进行升级换代。系统响应慢、控制频率低、控制自由度小、控制精度不够高，喷油压力无法独立控制。
2．高压电控喷油系统
通过设置传感器、电控单元、高速电磁阀和相关电/液控制执行元件等，组成数字式高频调节系统，有电磁阀的通、断电时刻和通、断电时间控制喷油泵的供油量和供油正时。但供油压力还无法独立控制。
三、柴油机电控燃油喷射系统
1.共轨技术
1）什么是共轨技术。在高速柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在喷射过程中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷，现代柴油机采用了一种称为“共轨”的技术。
2）为什么要采用共轨技术。共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，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动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。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。
2．柴油机供（喷）油量控制
1）位置控制方式
柴油机供（喷）油量的控制方法随供给系统的类型而异。
常规压力电控燃油喷射系统主要以电控直列柱塞泵或电控转子分配泵为特征。“位置控制”的直列柱塞泵供油量控制装置一般采用占空比控制型电磁阀（简称占空比电磁阀）式或直流电动机式电子调速器。“位置控制”的转子分配泵供油量控制装置，一般采用转子式或占空比电磁阀式电子调速器
2）时间控制方式
供油量的“位置控制”特点是用模拟量来控制执行元件工作，通过对喷油泵油量控制机构的定位来得到所需的供油量。不论采用何种类型的电子调速器，总是需要由部分机械装置来完成对喷油泵供油量的调节，也会降低控制精度和响应速度。所以继供油量“位置控制”之后出现了“时间控制”。
时间控制系统是用高速强力电磁阀直接控制高压燃油，一般情况下，电磁阀关闭，开始喷油；电磁阀打开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽和提前期等全部取消，对喷射定时和喷射油量控制的自由度更大。
3）时间－压力控制方式
高压电控燃油喷射系统中最典型的是电控共轨式燃油喷射系统。在电控共轨式燃油喷射系统中，对喷油量的控制采用“时间－压力控制”或“压力控制”，用的最多的是“时间－压力控制”方式。在该系统中，ＥＣＵ控制供油压力调节阀使喷油器的喷油压差保持不变，再通过控制三通电磁阀工作实现喷油量和喷油正时的控制。电磁阀通电开始时刻决定了喷油的开始时刻，其通电时间决定喷油量。
4）压力控制方式
在后期开发的柴油机电控共轨式燃油喷射系统中，为降低对供油压力的要求，喷油量的控制采用控制喷油压力的方法实现，即喷油量的“压力控制”方式。
喷油器喷孔尺寸一定，喷油时间一定，控制喷油压力即可控制喷油量；而在增压活塞和柱塞尺寸一定时，喷油压力（即增压压力）取决于共轨中的油压，共轨中的油压是由ＥＣＵ根据各种传感器信号通过燃油压力调节阀来控制的，所以将此种喷油量控制方式称为“压力控制”方式。在系统中，ＥＣＵ根据实际的共轨压力信号对共轨压力进行闭环控制。
3．柴油机供（喷）油正时控制
传统柴油机供给系统中，都是采用机械离心式或液压式供油提前角自动调节器来控制喷油泵的供油正时，间接实现对喷油器喷油正时的调节。而在柴油机电控燃油喷射系统中，一般都是由ECU根据柴油机转速、负荷等传感器信号对供（喷）油正时进行控制。
在高压电控燃油喷射系统和部分采用“时间控制”供（喷）油量的常规压力电控燃油喷射系统中，取消了传统的供（喷）油提前角自动调节器，采用由ECU控制的高速电磁阀控制供（喷）油的开始时刻（即正时），并增加供（喷）油正时传感器，实现了供（喷）油正时的闭环控制。
1）直列柱塞泵供油正时电控系统
直列柱塞泵供油正时电控系统由正时控制器、电磁阀、柴油机转速传感器、正时传感器和ECU等组成。
两个电磁阀分别安装在正时控制器进、回油路中，控制正时控制器工作的液压油来自柴油机润滑系。正时控制器安装在喷油泵驱动轴与凸轮轴之间，受液压控制的正时控制器可使喷油泵凸轮轴相对驱动轴在一定范围内转动。柴油机转速传感器安装在喷油泵驱动轴上， ECU主要根据柴油机转速和负荷传感器信号确定基本供油提前角，再根据冷却液温度等传感器信号进行修正，并通过两个电磁阀控制正时控制器工作，来实现对喷油泵供油正时的控制。正时传感器安装在喷油泵凸轮轴上，用来检测凸轮轴的位置和转角，ECU根据正时传感器信号判断实际的供油正时，并对供油正时进行闭环控制。
2）转子分配泵供油正时电控系统
在常规压力电控燃油喷射系统中，转子分配泵供油正时的控制通常是在原供油提前角自动调节器活塞两侧油腔之间增加一条液压通道，并由ECU通过电磁阀控制该液压通道来实现。ECU主要根据柴油机转速和负荷传感器信号确定基本供油提前角，再根据冷却液温度等传感器信号进行修正，并通过电磁阀控制正时活塞左右两侧油腔内的燃油压力差，以改变正时活塞的位置；正时活塞左右移动时，通过传动销带动转子分配泵内的滚轮架转动，从而改变喷油泵的供油正时。
正时传感器（正时活塞位置传感器）为差动电感式。传感器铁心随正时活塞移动，传感器线圈内产生与活塞位置成正比的电压（自感电动势）信号,ECU根据此传感器信号对喷油泵供油正时进行闭环控制。
四、结束语
虽然共轨电喷柴油机有着前所未有的优越性能，但还是有发展的空间，有待研究的有：（1）高压共轨系统的恒高压密封问题。（2）高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题。（3）高压共轨系统三维控制数据的优化问题。（4）微结构、高频响应电磁开关阀在制造过程中的关键技术问题。（5）对共轨系统伺服油清洁程度要求较高。（6）大量采用电脑技术，对船舶管理人员提出了更高的要求。
为了加快我国柴油机制造业的发展，我认为应该认真领会贯彻以信息化带动工业化的战略，利用信息技术加快我国柴油机工业的发展。对国外先进的智能化技术和高压共轨燃油喷射技术应当积极引进、消化、吸收、创新，有步骤、有组织地联合高校科研人员和制造业技术人员合理利用现有资源集中攻关。为适应迅速发展的市场需求，政府应该鼓励加大科研投入，国家对造船业的扶持政策应使作为造船业中间产品的船用柴油机产业与其同步发展，共同形成生产链。
中国已经成为世界上第三大造船国，船用柴油机制造业面临着良好的发展机遇，但也将遇到更为严峻的挑战，我们国内的柴油机生产厂家应该积极采取有效的应对措施，提高技术水平和国际竞争力，突破关键部件的国产化障碍，为我国的船舶工业发展作出更大的贡献。