柴油发动机电喷技术

(中国石油工程建设集团公司，北京 100011)
摘 要：文章重点介绍了现代柴油机电控新技术，包括电 喷汽油机与电喷柴油机的主要区别、柴油机共轨技术的发展、电喷柴油机与普通柴油机的主 要区别、电喷喷油器的工作原理以及应用电喷柴油机注意事项。
关键词：柴油机；共轨式电喷；喷油器；新技术
中图分类号：TK421  文献标识码：A  文章编 号：1007—6921(2009)03—0365—02

过去由于柴油发动机在体积、噪声以及排放黑烟方面的缺陷致使柴油发动机的发展在很长一 段时间内受到限制，随着近代电控喷射、共轨、涡轮增压、中冷等技术在柴油机上的应用已 经使得柴油机的运用越来越广泛，为使大家对柴油机新技术有一个更清晰的认识，将现 代柴油机电控新技术作一介绍。
1 在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别

大家对电喷汽油机的技术都有一定的了解，而且国内各种资料都有所介绍，电喷汽油机 的电控喷射系统控制的是空燃比(汽油与空气的比例)，柴油机的电控喷射系统则是通过控 制喷油时间来调节输出的大小，而柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置(油门 拉杆位置)来决定的。因此，基本工作原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输 入信号，首先计算出基本喷油量，然后根据水温、进气温度、进气压力等传感器的信号进行 修正，再与来自控制套位置传感器的信号进行反馈修正，经过处理计算按照最佳值对喷油泵 、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳 。柴油机实现电喷后，排放大大降低，是继机械喷射、增压喷射后的又一里程碑。
2 柴油共轨技术的发展

柴油机共轨技术经历了三代。第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致能量的浪费和很 高的燃油温度。第二代可根据发动机需求而改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能。预 喷射降低了发动机噪音。在主喷射之前百万分之一秒内少量的燃油被喷进了气缸压燃，预加 热燃烧室，预热后的气缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加 ，有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200～2 50℃，降低了排气中的碳氢化合物。第三代是压电式(piezo)共轨系统，压电执行器代替了 电磁阀，压电式执行元件像一个在电压下立即就能充电的电容器，其关键元件是陶瓷压电薄 膜，它在加上电压以后的0.1ms以内就会发生晶体晶格的畸变。喷油器内30mm长的执行器是 由300多层薄膜组成，每层的厚度只有80μm。压电元件加上电压后会膨胀大约40μm，通过 杠杆比为1∶1.5的杠杆，使得控制腔回油通道中的阀开启。于是，控制腔内的压力下降，喷 油嘴针阀开启。与电磁阀相比，压电执行器具有：没有滞后时间；喷射控制迅速而且精确； 可重现性非常好；工作非常稳定等优点；没有了回油管，在结构上更简单，压力从200～2 0 00Pa弹性调节，最小喷射量可控制在0.5mm³，减小了烟度和NOX的排放。
3 传统柴油机与共轨技术的主要区别

传统柴油机主要缺陷是由于柴油机的运转速度很高，其燃油喷射时间很短，只有千分 之几秒，并且在喷射过程中高压油管各处的压力随时间和位置的不同而变化，同时由于柴油 的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使得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。

共轨技术的应用则克服了传统柴油机的主要缺陷。共轨技术的核心是在由高压油泵、压 力传感器和电脑控制单元(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。具体过程是由高压油泵把高压燃油输送到油轨，然后才由油轨送入喷 油器，所有气缸的喷嘴都连接着油轨，油轨里始终有恒定的压力(一般在180MPa)，电控单 元ECU根据负荷转速等信号确定应有的喷射压力和喷油时刻从而控制喷油器的开启。其特点 是可以自由控制喷油量和压力、自由控制喷油速率和喷油正时。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而造成的压力波动，从而克服了传统柴油机燃油压力变化的缺陷。

柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，因为它集成了计算机控制技术、现代传 感检测技术以及先进的喷油结构于一身。共轨式燃油喷射技术有助于减少柴油机的尾气排放 量，以及改善噪声、燃油消耗等方面的综合性能；它在有利于地球环境保护的同时，也必将 促进柴油机工业、汽车工业及与之相关工业的发展。

4 喷油器的工作原理

共轨压力长期施加在喷油器针阀的底面上。只有在喷油器不通电时才施加在针阀的背面上。 当喷油器不通电的时候，三通阀使单向孔板上面的空腔与共轨连通，高压燃油通过单向孔板 流入控制腔(液压柱塞的上方)，通过液压柱塞对针阀施加向下的压力，跟回位弹簧的作用 力一起克服针阀下方燃油压力，使针阀关闭，在这个过程中，单向孔板没有节流作用。当EC U发出喷油脉冲时，三通阀使单向孔板上面的空腔与回油管连通，燃油流到回油管去，充满 在这个空腔里的高压燃油压力立刻下降到大气压力。由于单向孔板节流，其下面控制腔中的 压力只能缓慢地下降，喷油器针阀逐渐地升起，造成所谓的德尔塔型(三角型)喷油规律， 这种喷油规律对气缸内的燃烧十分有利。当由电子控制单元控制的喷油持续时间过去之后， 喷油器断电，三通阀恢复到它的初始状态。此时，来自共轨的高压燃油通过三通阀和单向孔 板流入控制腔，使控制腔迅速地达到共轨压力,令针阀很快关闭，喷油很快被切断。

由此可见，喷油嘴的开启和关闭完全由喷油器控制腔中的压力和共轨压力的差值决定。 改变施加在三通阀上的电脉冲宽度，可以控制喷油量；改变施加在三通阀上的电脉冲发生的 时刻，可以控制喷油定时。
5 涡轮增压中冷技术

增压中冷技术就是由涡轮增压器将新鲜空气压缩经中段冷却器冷却，然后经进气歧管、进气 门流至汽缸燃烧室。有效的中冷技术可使增压温度下降到50℃以下，有助于减少废气的排放 和提高燃油经济性。此技术现在已经在汽车发动机以及大型柴油发电机组得到广泛应用。
6 应用共轨技术柴油机注意事项
6.1 共轨喷射系统对柴油的质量要求特别高。

质量低劣的柴油会加剧高压油泵尤其是喷油 嘴的损坏，中国石油工程建设集团公司2005年在苏丹购买多台HINO700卡车，发动机型号为E 13CTL，由于柴油质量问题引起喷油嘴损坏造成较大的经济损失，喷油嘴单价在1 200美元左 右。该车型只有一级柴油过滤，后来增加了两级过滤，并缩短了保养时间，到目前为止没有 再次发生该故障。
6.2 蓄电池的正负极千万不能接反，否则会造成电脑控制板烧损。
6.3 维修时最好依据电脑检测，通过电脑检测发动机的工作状况，并通过电脑进行断缸测 试判断喷油嘴的好坏，千万不能采取传统断缸检查方法。
6.4 每个喷油器都有一组编码，更换时要记下编码，更换后要准确将编码输入电脑中。