柴油机电控喷射系统的组成和工作原理
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柴油发电机电控喷射系统主要部件工作原理
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摘要：柴油发电机电控喷射系统是现代柴油机的核心技术，它通过电子控制单元ECU（每秒钟处理上千次信号）精确控制喷油时刻、喷油量和喷油规律，以实现更高的效率、更低的排放和更好的性能。其核心在于传感器感知发动机状态 → ECU计算最佳喷油参数 → 执行器精确执行喷油动作。
一、电控系统的组成和原理
1、电子控制单元 (ECU - Electronic Control Unit)
电子控制是系统的大脑和指挥中心。工作原理如下：
① 接收信号： 持续接收来自各种传感器的实时信号（如转速、负荷、温度、压力、油门位置等）。
② 处理数据： 内部强大的微处理器根据预设的程序（“脉谱图”或“MAP图”）和算法，结合接收到的所有传感器数据，进行高速计算。
③ 决策： 计算出在当前工况下实现最佳性能（动力性、经济性）和最低排放所需的最精确的喷油参数。
④ 发送指令： 将计算出的喷油参数转化为精确的、高强度的电脉冲控制信号，发送给喷油器电磁阀（或压电晶体执行器）等执行器。
2、传感器 (Sensors)
传感器作为系统的“感觉器官”，负责实时监测发动机的运行状态和环境参数，并将物理量转换为ECU可识别的电信号。
（1）曲轴位置传感器 (CKP - Crankshaft Position Sensor)：
① 作用： 检测曲轴旋转角度（位置）和发动机转速。这是计算喷油正时和转速的基础。
② 原理： 通常采用电磁感应式或霍尔效应式。传感器读取安装在曲轴上的信号盘（带齿或缺齿）的转动，产生与曲轴位置和转速对应的脉冲信号。
（2）凸轮轴位置传感器 (CMP - Camshaft Position Sensor)：
① 作用： 检测凸轮轴位置，确定各气缸处于哪个行程（进气、压缩、做功、排气），实现气缸识别（判缸）。与曲轴信号结合才能精确确定喷油时刻（相对于活塞上止点）。
② 原理： 类似曲轴位置传感器，读取安装在凸轮轴上的信号盘。
（3）共轨压力传感器 (Rail Pressure Sensor)：
① 作用： （主要存在于共轨系统）实时监测高压共轨管中的燃油压力。这是ECU控制喷油量和实现高压喷射的关键反馈。
② 原理： 压阻式或压电式传感器。燃油压力作用在传感元件上，引起电阻或电压变化，输出与压力成比例的电信号。
（4）燃油温度传感器 (Fuel Temperature Sensor)：
① 作用： 监测燃油温度。燃油密度和粘度随温度变化，影响喷油量和雾化效果，ECU需要据此进行补偿修正。
② 原理： 热敏电阻式（通常是NTC负温度系数）。温度变化引起电阻变化，ECU通过测量电阻值计算温度。
（5）冷却液温度传感器 (CTS - Coolant Temperature Sensor)：
① 作用： 监测发动机冷却液温度。冷启动、暖机、过热保护等工况都需要根据水温调整喷油策略（如增加喷油量、改变正时）。
② 原理： 同燃油温度传感器，热敏电阻式。
（6）进气歧管压力传感器 (MAP - Manifold Absolute Pressure Sensor) / 增压压力传感器：
① 作用： 监测进气歧管内的绝对压力（或增压压力）。反映发动机的进气量（负荷），是计算基本喷油量的重要依据。
② 原理： 压阻式或电容式传感器。压力变化引起传感元件形变，导致电阻或电容值改变，输出对应电信号。
（7）进气温度传感器 (IAT - Intake Air Temperature Sensor)：
① 作用： 监测进入气缸的空气温度。空气密度随温度变化，影响实际进气量，ECU需据此修正喷油量。
② 原理： 热敏电阻式。
（8）空气流量传感器 (MAF - Mass Air Flow Sensor)：
① 作用： 直接测量进入发动机的空气的质量流量。提供更精确的负荷信号。
② 原理： 常见的有热线式或热膜式。气流流过加热元件带走热量，维持元件温度恒定所需的电流与空气质量流量成正比。
（9）机油压力/温度传感器： 用于润滑保护和性能修正。
二、执行机构的组成和原理
执行器是系统的“肌肉”，接收ECU的指令并执行具体的动作，主要是控制燃油喷射。
1、喷油器 (Injector)
最核心的执行器，负责在ECU精确控制的时刻，以精确控制的压力、油量和规律将燃油喷入气缸。
（1）电磁阀式： ECU发出高强度的电流脉冲（驱动电流）到喷油器内部的电磁线圈，产生强大的电磁力。该力克服弹簧预紧力和燃油压力，快速吸起针阀（阀芯），打开喷孔，高压燃油喷出。当ECU切断电流，电磁力消失，弹簧力迅速关闭针阀，喷油结束。ECU通过控制电流脉冲的起始时刻（喷油正时）、脉冲宽度（通电时间，决定喷油量）和脉冲波形（实现预喷、主喷等）来控制喷油。
（2）压电晶体式： （更先进，响应更快）利用压电晶体的逆压电效应。当ECU对压电堆（多层压电陶瓷）施加高电压时，晶体瞬间产生微小的形变（膨胀），通过液压放大机构直接推动针阀快速开启。断电后晶体收缩，针阀快速关闭。压电喷油器响应速度极快（微秒级），能实现更复杂的多次喷射（如单循环内5次以上喷射），对降低排放和噪音效果更好。
2、高压油泵 (High-Pressure Pump)
（1）作用： 将燃油从油箱低压提升到系统所需的高压（可达2000bar以上），并将高压燃油持续供给到共轨管。
（2）原理：高压油泵的功能是控制发电机供油速率以保证共轨管中所要求的压力pc，图1显示了它的工作原理。它与常规供油系统的设计思想完全不同，常规系统是直接进行高压燃油量的控制，高压油回油时造成飞溅，实际上是一种能力的浪费和损失，ECD-U2供油泵是对低压燃油量进行控制。当共轨管中压力低于目标要求时，ECU控制高压油泵PCV阀提早关闭，柱塞提早供油，由于供油终点为凸轮升程最高点是始终不变的，因此提早供油使高压供油泵供油量增加。当共轨管中压力高于目标要求时，PCV阀推迟关闭，供油量减少，共轨中压力降低。高压供油泵采用小柱塞直径、长冲程和低凸轮轴转速设计，以减少燃油泄漏、运动阻力及驱动力矩高峰值。由于采用二缸直列泵就相当于六缸常规直列泵的功能，从而显著减小了压供油泵的尺寸。
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图1 高压油泵的工作原理 |
3、共轨管 (Common Rail)
（1）作用： （共轨系统特有）一个高强度蓄压管。存储高压油泵提供的高压燃油，并消除油泵供油的压力波动，为所有喷油器提供稳定、持续的高压燃油源。其容积对系统压力稳定性至关重要。
（2）原理： 本身是被动部件，但内部压力由高压油泵（通过ECU控制IMV）和喷油器（消耗燃油）共同作用决定。轨压传感器提供闭环反馈给ECU。
4、压力控制阀 (PCV - Pressure Control Valve)：
（1）作用： 安装在共轨管上或高压油泵回油路上。在特定工况（如快速降负荷时）或IMV失效时，ECU可控制其打开，将多余的高压燃油泄回低压回路，帮助快速、精确地降低共轨压力。
（2）原理： 通常是电磁阀，ECU通过PWM信号控制其开度。
5、三通阀（TWV）
电控三通阀是ECD-U2系统中最关键的部件，也是技术难度最高的部件，每个喷油器总成的上方均有一个电控TWV阀，其结构原理如图2所示。三通阀包括内阀、外阀，外阀和电磁阀线圈的衔铁做成一体，由线圈的通电来指令外阀的运动，阀体则用来支撑外阀。三个元件精密地配合在一起，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，有
Φd＞Φd1;Φd＞Φd2;Φd≈Φd1≈Φd2
三通阀仅起压力开关阀的作用，本身不控制喷油量。
（1）当线圈没有通电时：外阀在弹簧作用力下落座，内阀在油道的油压作用下上升，此时密封内锥座开启，油道相通，高压油从进入液压活塞上腔中。
（2）当线圈通电时：外阀在电磁力的吸引下向上运动，关闭密封内锥座A，此时内阀仍停留在上方，外锥座开启，油道相通，液压活塞上腔向回油室放油，这时喷油器喷油。
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图2 三通阀的工作原理 |
三、电控系统的控制原理
1、喷油定时的控制
在ECD-U2系统中喷油定时可以自由地独立控制，方法是控制定时脉冲送达TWV的时间，图3上示出其控制框图，在ECU中要进行两次运算，即“θfin计算”，在各种传感器送来信号的基础上算出最终的喷油开始时间θfin；“Tc的计算”，为实现θfin的目标决定激励脉冲送到TWV的时间Tc。从图3可知，基础喷油定时是由发动机转速和负荷决定，然后根据进气管压力、水温等对θbase进行修正得θfin再根据发动机转速转换成时间Tt。ECD-U2系统由发动机转速传感器每隔15°CA产生一个脉冲，在30CA的范围内调节喷油提前角，Tc＝T30-Tt为向TWV输出脉冲时间。
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图3 喷油定时的控制框图 |
2、喷油率的控制
ECD-U2系统可以实现三角形、预喷射和靴形三种喷油率。
（1）三角形喷油率
如图4所示，为使喷油器针阀升起的速度不要太快，以降低初始喷油量，在动力活塞上方专门设计了一个单向阀和一个节流小孔。单向阀阻止动力活塞上方燃油通过，燃油只要通过小孔泄出，造成动力活塞上方燃油压力下降速度放慢，针阀缓慢上升。当喷油结束时，三通阀断电，在弹簧力作用下外阀向下运动，座B关闭，泄油道关闭，而座A打开，亦即打开了燃油进入动力活塞的通道。共轨高压燃油通过单向阀迅速加压到动力活塞上方，活塞下行。由于活塞直径比针阀直径大得多，因此会产生很大的油压力使针阀迅速关闭，实现快速停止喷射，满足柴油机的要求。三通阀通电时刻决定了喷油始点，通电持续时间决定了喷油量大小。喷油压力可以根据柴油机工况要求进行调节，低速负荷工况时，可以实现所需要的某种程度高压，喷油压力的调节可以完全独立于转速负荷工况。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。
由于ECD-U2是一个电子控制的精确压力-油量控制系统，共轨中压力波动很小，它没有常规电控喷油系统中存在的一些问题，如没有由压力波而产生的难控区、失控区，也没有调速器能力不足的问题，可实现柴油机所需的理想油量控制特性。
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图4 三角形喷油率 |
（2）预喷射
在ECD-U2上实现预喷射比较容易，只要在主喷射前给三通阀一个小宽度的电脉冲信号，即可实现。ECD-U2系统最小预喷油量为每循环1mm3，预喷射和主喷射之间的时间间隔最小为0.1ms（图5）。
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图5 预喷射系统 |
（3）靴形喷油率
要实现靴形喷油率图形则需要针阀有一个小的预行程停留才能获得。为此喷油器总成结构略有变动，在三通阀与液压活塞之间的节流孔处改为一个靴形阀，如图6所示。靴形阀和液压活塞间的间隙作为可调的预行程。当三通阀通电时，靴形阀中的高压燃油被释放到泄油道，喷油嘴打开到相当于预行程的高度，针阀在该处停留在一直维持到靴形阀节流孔下降到一定程度后，针阀才继续升高到最大升程，达到最大喷油速率。依靠预行程量和靴形阀节流孔直径的合理组合，可以得到各种形式的靴形喷油率。靴形喷油率由于初期喷油率低，可以获得较低的NOx。
ECD-U2系统启动速度较快，由于高压输油泵每个凸轮有三个凸起，启动时共轨中油压升高很快。当高压输油泵供油量QP为600mm3时，共轨以及其他高油管路容积V为94000mm3，燃油容积弹性模量E为1100MPa/m㎡，则共轨压力升高值ΔP＝EQP/V＝7MPa/r，即高压输油泵每旋转一次，共轨中压力提高为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。实际实验也表明，只要启动0.5s，共轨压力已达20MPa，0.6s后柴油机就达到怠速转速。
此外，电控系统内还有一个自诊断和故障安全系统，电控单元都具有自检功能，用来监测控制系统各部分工作的状态。出现故障时，可用指示灯（在仪表板上）显示故障码，以便及时进行维护修理。
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图6 靴形喷油率的产生 |
总结：
对于柴油发电机而言，电控喷射系统能确保在各种负载条件下，提供稳定的电压和频率输出，实时监测发动机转速、负荷、温度、压力、位置等状态信息。同时满足日益严格的环保法规要求。维护时需要特别注意燃油的清洁度（防止精密部件磨损堵塞）和系统的电气连接可靠性。
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