燃油喷射系统电子控制及其它发展

小风HCF

燃油喷射系统电子控制及其它发展
〔英国〕 A.G.Jones等

        摘要：为了优化性能和满足排放要求，将燃油喷射系统和柴油机组成一个更加紧密的整体是很必要的。本文提出了采用电子控制的燃油喷射系统作为实现集成系统的途径，并详细介绍了电子燃油喷射系统的结构和优点。
        关键词：柴油机  电子燃油喷射系统  结构  性能  设计  开发

1  引言
        用户和立法者对改善柴油机性能的要求是十分严格的。
        用户无论在购买时还是在运用中，都要求柴油机具有高的可靠性、耐久性和低的成本。虽然目前的排放法规还不完善，但低排放的发动机是打入某些市场的关键，也是今后占领市场的必要条件。
        在保持和改善可靠性、耐久性和降低使用成本的同时，又要满足排放法规的附加技术要求，这二者是一对潜在的矛盾。
        燃油喷射装置具有很重要的作用，它必须能够支持发动机制造者达到技术和市场要求。
        燃油喷射过程仅控制以下四个基本功能：
        ——喷油始点；
        ——喷射速率；
        ——喷油量；
        ——雾化质量。
        传统的燃油喷射装置优化上述功能的机会很有限。只有使燃油喷射装置和柴油机更紧密地结为整体才能取得明显的改进。喷射系统必须看成是整个发动机系统的一个子系统，通过反馈来确保喷射系统对变化的工况产生响应。
        采用电子控制的燃油喷射系统能够实现发动机系统一体化的要求。现已开发的并在汽车柴油机市场上广泛应用的高压快速动作的电磁阀和控制装置可以应用于中速柴油机。
        本文将讨论应用电子控制的燃油喷射系统的可能性和燃油喷射装置发展的其它领域。
2  电子控制的燃油喷射系统
        到1981年，一台装用Lucas Bryce电子控制的燃油喷射系统的8缸发动机试验获得成功。试验结果表明，它不但改善了燃油经济性，而且还降低了排气烟度。
        该系统采用了为燃油泵专门设计的“HELENOIDTM”型电磁线圈控制的溢流阀。需要用一个大型的电驱动装置来提供使该电磁阀动作所需的电流。
        排放在当时来说尚不是一件人们太关注的事，并且当时来说尚不是一件人们太关注的事，并且当时的技术也没有发展到对减少排放进行重大投资是风险很小的。
        在80年代，汽车柴油机市场日趋严格的排放法规促使Lucas开发一种用于整体式喷油器的快速动作的高压电磁阀及其相关的控制技术。
        这一技术已经被用来对中速柴油机实行电子控制。目前装有该系统的发动机已有数百台在运用中。
2.1  总的系统概念
        在确定电子控制的燃油喷射系统的基本结构之前，仔细地分析了喷射系统将要执行的任务和运行整台柴油机的组织问题。
        电子控制的燃油喷射系统的基本任务是控制喷油定时和喷油量，将燃油通过常规的液压喷油泵—高压油管—喷油器（以下简称为“泵—管—喷油器”）组件输送到发动机的燃烧室。与这些组件的电子连接是通过电磁线圈控制的高速溢流阀的激磁而实现的。这些电子器件与总的应用控制器或设备执行控制器连接以解释发动机的功率要求和设定合适的燃油喷射量。在执行这个任务时，电子系统必须兼顾到发动机的基本控制要求和排放控制、发动机保护、安全性等限制因素。为此，电子系统要求数据的输入来自于大量的发动机系统传感器。
        基于上述考虑，决定把电子系统分成两个基本单元：一个是“调速器单元”，另一个是“电磁线圈驱动单元”。调速器单元接收从设备执行控制系统发出的功率要求。该单元与发动机传感器相连接，并执行发动机调速和保护的基本功能。该单元的输出信号控制燃油输送量（mm3/每次喷射）和喷射定时。
        第二个电子单元——“电磁线圈驱动单元”通过串联连线接收来自调速器的供油量和定时数值，并将功率信号传送给快速电磁线圈的具体程序，同时把所有液压延迟和为保证最优的电磁线圈响应而要求的专门功率信号考虑进去。
        每一个电子单元都是自身独立的数字系统，都配有各自的微处理器、软件和电源。
        该基本系统的设置方式十分方便地将应用工程中两个关键的任务分开了。一个是发动机控制的优化（通常由发动机生产厂和用户来完成）；另一个是电磁线圈/液压机械装置的优化（由供油系统制造厂来完成）。这种设置能大大简化应用工程中的复杂工作。
        图1展示了电子燃油喷射系统的主要部件之间的关系。图中多个圆环的重叠度表明各部件之间在设计上相互依赖的程度。

图1  柴油机电子控制的燃油系统示意图
①发动机；②燃油喷射装置；③调速器；④应用（例如机车）；⑤执行系统；⑥控制保护卡；⑦电磁线圈驱动单元；⑧电磁阀；⑨喷油泵；⑩喷油器；燃烧室。

2.2  液压系统的设计
        虽然Lucas汽车用电磁线圈驱动的溢流阀能适用于卡车发动机，但直接控制中速机所要求的大型燃油系统却显得流通能力不足。高额的开发和制造投资已使溢流阀具有较高的可靠性和成本效益。
        为了能够控制中速柴油机的较大油泵，决定利用现有的溢流阀技术，把另一种更大型的溢流阀或往复阀引进到该系统中。通过利用汽车用溢流阀来提供液力触发脉冲，往复阀则用于控制喷油的始点和终点。
        图2示出了采用电子控制的燃油泵工作原理示意图。
        它的动作顺序是：
        1） 低压油从柱塞套上方的进油口流入柱塞上部的油腔（部分燃油也通过与往复阀座相邻的侧面溢流口注入）。此时挺柱滚轮处于供油凸轮的基圆上。
        2） 随着供油凸轮的转动，柱塞升高，燃油通过柱塞套和往复阀的油口流出。电磁阀处于开启状态，因此关掉出油口不会引起喷射。
        3） 电磁驱动器向泵上的电磁线圈发出将电磁阀关闭的信号。当电磁阀关闭时，从往复阀上的小孔流入的燃油在阀的上方建立压力。压力迅速升高到开始喷油，因为除了泄漏的油，柱塞排出的全部燃油都必须流经出油阀而进到喷油器中。
        4） 经过预定的喷油持续期（这段持续期与按电子调速器的要求计算出的循环供油量相等）后，装在喷器端头的电磁线圈电流被关断，喷射终止。电磁阀打开，溢流阀中的高压油流回油路。迅速下降的压力使往复阀抬高阀座，并通过往复阀口将柱塞的剩余燃油排到油路中去。

图2  电子控制的燃油泵的动作顺序示意图
a）柱塞完全退回（在最低位），系统在供油压力下充油；b）柱塞位移溢油；c）电磁阀和往复阀关闭，柱塞上升喷油；d）电磁阀和往复阀重新开启，柱塞下移溢油。
①电磁线圈；②溢油；③充油；④柱塞；⑤喷油器；⑥出油阀总成；⑦往复阀；⑧调速器；⑨供油压力；⑩柱塞泵油压力；高压。

        该液压系统（图3示出用在机车上的该系统的照片）设计成可满足1400巴（140MPa）的工作压力和在满负荷时喷射持续期不超过30°曲轴转角的需要。
        除了柱塞没有螺旋线和油口只起充油作用而不再控制喷油始点和终点外，此燃油泵与常规喷油泵是相同的。
        出油阀与往复阀并排布置，通过高压油管与喷油器相连。
        泵体中形成了供油的油道。这个油道既与柱塞套进油口相连，又与往复阀溢流口相连。
        喷油器是常规的轻弹簧型，具有较高的针阀开启压力和通过流量控制的针阀，其倒成圆角的喷孔有助于提高使用寿命。
        对电子控制系统提供的喷射定时范围的一个可能的限制是供油凸轮。采用降速率凸轮可达到最大的定时范围，与此同时可以最大限度地减小赫兹应力和负加速度。
2.3  详细的电子控制概念
        起初，无论是在试验台上还是在发动机上进行的开发研究都采用了针对卡车市场而设计的Lucas 24CU控制单元。
        前面对电控系统的分析表明，将调速功能和电磁驱动功能分开设计提供了一个理想的长期发展策略。
        图4示出了控制系统的工作原理。
        由应用控制器指示所需要的发动机转速和功率，并将此信息传给调速器。调速器的微处理器对需要的转速和发动机的实际转速进行比较，计算出所需的每循环供油量。该供油量可能会受增压压力限制，也受其它因素的制约（例如最大供油量、发动机最高转速、初始供油量、发动机最低转速）。调速器内存储了丰富的计算机数据图，利用它们来确定所要求的喷射定时。喷油量和喷射定时值还受其它传感器值（例如空气温度、燃油温度、大气压力）的影响。
        所要求的喷油量喷射定时值用数码信息的方式通过标准的串行数据连线传送到电磁线圈驱动单元。

图4  控制系统的工作原理
①发动机；②交流发电机；③电磁线圈驱动单元；④喷射定时和供油串行连线；⑤调速器单元；⑥局部运行网络；⑦应用基本负荷控制器；⑧发动机传感器；⑨增压压力、机油压力、水温等；⑩转速编码器；发动机转速和位置；燃油泵。
        电磁线圈驱动单元亦包含有一个微处理器。它接受来自调速器的喷油量和喷射定时信号。来自发动机传感器的有关发动机转速和凸轮轴位置的信息亦传送给该单元。该单元计算每个电磁线圈的开、停时间（喷射定时和持续期），并对电磁线圈延迟和液力系统的其它延迟进行补偿。每一次喷射时，发送给每个电磁线圈的电流脉冲的具体形式都是由电磁线圈驱动单元来的。
        通过监视电磁线圈驱动单元和调速器自身的性能以及传感器和执行器的性能，二者都能提供诊断信息。各种故障的处理措施可以编程输入处理器，以保证在出现故障的情况下对发动机进行有效的控制。
2.4  控制信号和传感器
        图5为一台带有燃油系统所要求的主要控制信号的发动机示意图。

图5  典型的电子控制的燃油喷射系统和主要传感器的示意图
①应用控制器；②电磁线圈驱动单元；③气缸识别；④发动机转速；⑤增压空气压力；⑥增压空气温度；⑦调速器单元；⑧冷却水温度；⑨冷却水压力；⑩机油压力（安全）；机油压力（二级安全）；传送给燃油泵的电信号；操作者的转速/负荷控制器；转速和气缸位置传感器；交流发电机；涡轮增压器；供油；燃油；喷油泵和喷油器；燃油凸轮。

        尽管凸轮轴或曲轴或许都装有包括可变磁阻或光学编码器的各种传感器，但发动机转速还是在凸轮轴上测取。气缸的识别需要一个来自凸轮轴或其它半速轴的传感器输入信号。精确的转速和位置传感对确保优化喷射定时和转速响应是很重要的。
    实际上，传感器采集的转速和位置数据同时送给调速器和电磁线圈驱动单元。二者相互核对这些数据以保证其正确。
        进气支管的增压压力和冷却液温度亦被检测，这些数据被用作计算机内应用图形处理的一部分。发动机机油压力信号被传送给调速器和电磁线圈驱动单元。出于发动机安全之目的，这些机油压力信号可用来将发动机限制在空转工况或使其停机（根据实际压力值而定）。
        电子控制装置中还包括有“维持运行复位”（“limphome”）的一些措施。对传感器信号进行检查以确定是否超出极限范围，并且万一传感器出现故障，则控制器可取消错误值。
2.5  应用工程
        对喷油系统进行了初步的台架试验以确定每种喷射定时延迟和燃油供给补偿值。为了补偿液压系统的延迟特性，对电磁阀的关闭和开启定时进行了修正。在进行发动机试验时对这些定时值进行了进一步的调整以补偿诸如燃油泵驱动机构刚度等附加因素的影响。
        这些数据被编程输入电磁线圈驱动单元中，再以定时和燃油输送补偿图的形式存储。
        借助于发动机制造厂共同制定的详细的发动机试验程序，绘制出了基本的调速器燃油供给和喷射定时图。
        发动机试验数据包括可见排放物、燃油消耗量和气缸压力测量值。试验了一系列的负荷/转速点，并对定时进行调节以优化所要求的参数。然后将定时数据编程输入调速器软件数据图中，这些工作是利用一台微型电脑来完成的。
        考虑到涡轮增压器滞后等因素，亦建立了瞬态工况的数据图。规定了喷射定时和燃油供给要求以控制在瞬态工况时的供油率变化，从而使可见排放物处在可接受的范围内。这些数值也存储在调速器的数据图中。
        根据发动机在盘动曲轴期间的温度和转速建立了一个冷起动规范（喷射定时/燃油供给量）。
        在运行中，调速器软件根据发动机的要求对各种数据图进行扫描，并调节燃油需求量和相应地调定喷射定时。
        发动机台架试验、应用现场试验（包括高原试验）表明，燃油消耗和可见排放物的排放量明显地降低了。
        应当指出，通过采用电子控制，发动机空转性能明显改善了。如果需要的话，空转不仅十分平稳，而且可以维持在一个低得多的发动机转速下。事实上，可达到的最低转速往往被由发动机驱动泵产生的机油压力所限制。
2.6  液压性能
        先在试验台上针对全部工况开发研究了燃油系统的液压性能曲线，然后在实际发动机上进一步验证其性能。
        图6示出了在全负荷和最高转速下的系统性能图。

图6  全负荷工况下电子控制的燃油喷射系统液压性能（试验台试验）
①喷嘴针阀升程；②喷射压力（喷嘴）；③压力（高压油管）；④压力（泵端）。
       
        在设计初期，建立了该系统的一个计算机模拟模型。该项工作导致了试验台试验结果与模拟结果非常吻合。
        图7示出了实际结果和预计结果的比较。

图7  计算机模拟和实际试验台试验液压性能的比较
①全负荷；②部分负荷；③计算机模拟；④试验台试验。

2.7  实测的性能改进
        使用电子燃油系统取得了下列性能改进：
        ——明显减少了负荷循环燃油消耗；
        ——降低了各负荷工况（包括过渡工况）下的排放；
        ——提高了发动机负荷率；
        ——改善了在高原运用的性能；
        ——在较代空转转速下运行更加平稳；
        ——减少了运动部件；
        ——改善了诊断功能；
        ——缩短了发动机的出厂试验时间。
2.8  故障查询和诊断
        燃油控制系统的故障可能出现在下列部件中：
        ——调速器单元；
        ——电磁线圈驱动单元；
        ——应用管理控制器与调速器/电磁线圈驱动单元之间的导线；
        ——接至发动机燃油泵的电源线；
        ——发动机转速/气缸识别传感器/编码器；
        ——发动机上其它系统的传感器。
        为了简化故障查询和帮助确认故障源，现已开发出一种简单的插入式便携型检测装置。该检测装置能够区分上述部件的各种故障。
        各个喷油泵或喷油器的故障可通过慢速循环试验以使该喷油泵电磁线圈“点火”来进行检测。检测时，发动机或处在运行状态（在试验的泵上加一个较长的电流脉冲，如果它有故障，则从气缸上可查出一个较强的信号反应）或者利用装在发动机内的转速/气缸信号识别装置来模拟处在运行状态的发动机。
2.9  未来的系统潜力
        采用发动机燃油系统的电子控制有利于提高燃油输送和定时的精度，同时便于系统地管理全部运行工况下的数据。然而，电子的潜在优点还不止这些。预计未来的发展可能包括下述许多方面：
        ——引燃喷射/速率的图形化和控制；
        ——间断发火及减少低负荷下的运转；
        ——出厂试验时各缸的平衡或用合适的软件补偿运用时的磨耗；
        ——双燃料管理系统；
        ——不同燃油品质的补偿；
        ——燃烧诊断；
        ——带有“灵敏传感器”的先进的闭路控制；
        ——喷水控制；
        ——发动机状态监控/故障预测，以实现预防性维修；
        ——用于发动机寿命状态监视的数据收集。
        电子燃油控制为切断各缸的供油提供了方便，从而可保证各缸均匀受热和防止未发火的气缸出现诸如排气流道有机油“油烟”等问题。今天在某些发动机上采用切断气缸供油技术，使得发动机空转更稳定。
        通常，只要某个传感器能够安装在发动机上测量某种有利于加强发动机控制的特征参数，那么就可以将其纳入电子控制/发动机管理系统。一个明显的例子是气缸压力，借此，在至下一次大修的整个使用期内，可在许可的最大限值内随时调节供油量，以补偿因气缸及喷射系统等的磨损造成的影响。
3  液压机械部件的补充开发
        在选择燃油喷射系统时，电子控制并不是唯一要考虑的。
3.1  整体式喷油器与泵—管—喷油器
        较之以前，如今更趋向将整体式喷油器作为新型发动机的选择。整体式喷油器（图8）与泵—管—喷油器（图9）之间的选择是很复杂的。

图8  电子控制的整体式喷油器轮廓图

图9  泵—管—喷油器轮廓图

        下表对比了二者的优缺点。
整体式喷油器：
＋  液压容积效率高（较小的柱塞）；
＋  喷嘴寿命长；
＋  部件少；
＋  无高压油管；
＋  喷射快速终止；
－  气缸盖负荷较高；
－  气缸盖的结构较复杂。
泵—管—喷油器：
＋  喷油器所占空间少；
＋  可使用劣质燃油和喷水；
＋  推杆机构简单；
＋  维修较容易；
＋  低负荷工作压力较高；
－  有害的燃油容积大；
－  有寄生功率损失。

3.2  整体式喷油器
        在采用整体式喷油器的情况下，首先要关心的往往是在气缸盖上的安装和驱动。增加空间的要求和需要提供进油道（如果使用劣质燃油还要有冷却通道）会与气缸盖中原有的进排气道和冷却系统发生冲突。在最初的设计阶段，这些问题能通过密切合作得到解决。
        整体式喷油器具有较小的有害的燃料容积，这可提供下述几大优点：
        a） 泵油效率高，因此允许使用较小的柱塞，从而可减轻凸轮轴负荷。这作为最大限度地减小凸轮轴直径是很重要的。
        b） 对驱动输入非常敏感，从而可以减少液力延迟。喷射速率图严格遵守定时和凸轮形状。凸轮形状更利于实现喷射系统性能的优化。
        c） 喷射快速终止，因而高压波的影响不大。这消除了对供油阀的需要，且经验表明，这可提高部件的耐久性，特别是喷嘴的耐久性。
        燃油系统驱动机构必须有足够的刚度来抵抗高的工作负荷，否则液压系统的性能将会降低。图10和图11分别示出了一典型的整体式喷油器的驱动机构及驱动机构刚度对实际的整体式喷油器喷射压力的影响。

图10  典型的整体式喷油器驱动机构
①摇臂；②推杆；③摆臂随动机构；④凸轮。


图11  驱动机构刚度对液压性能的影响
①喷射压力（巴）；②驱动机构刚度（N/mm×1000）；③喷射压力；④喷射持续期；⑤喷射持续期（凸轮转角，°）。

        整体式喷油器的响应性可导致在低速和低负荷时较之泵—管—喷油器系统具有更大的压力。这可由凸轮的设计选择来解决。
        可将凸轮设计成满足在低供油量时实现最大的柱塞速度的要求。图12示出了采用降速率凸轮对喷射压力的影响。
        整体式喷油器还具有许多其它优点，尤其是它可以使喷射压力提高到2000巴（200MPa）。然而，它们亦具有安装方面的缺点，因此并非每个人都喜欢它们。实际上，整体式喷油器一般只应用于缸径小于300mm的发动机。大于此值时，这种结构就显得笨重，拆装困难，并且在某些应用场合将其从气缸盖抽出的高度将会是一个问题。

图12  凸轮设计对喷射压力的影响
①峰值喷射压力；②转速（r/min）；③降速率凸轮；④恒速率凸轮。

3.3  泵—管—喷油器
        泵—管—喷油器系统有许多许点，而且如前所述，这种系统可以安装在缸径大于300mm的发动机上。对安装的首要要求是尽可能减小有害的高压燃油容积。这通常要通过用顶置式凸轮轴和将连接喷油器的高压油管尽可能在低位引入气缸盖来实现。这种小的有害燃油容积可最大限度地提高液压效率和响应性。
        高压油路中压力波的影响仍要求设置一个出油阀来消除二次喷射和穴蚀。
        卸压出油阀已使用了多年，积累了一定的经验，因而已经变得很可靠。为了在喷射终了尽可能快地卸压（减少残余压力）以及为了保证出油阀部件的耐久性，对阀的设计做了一系列改进（图13）。阀的开启压力、预流阀和控制孔的卸压特性都可用来调节液压特性（图14）。

图13  典型的卸压出油阀的设计

图14  压力卸载出油阀的液压特性
①喷嘴针阀升程；②喷射压力。

        虽然泵—管—喷油器具有液压性能方面的缺点，但可提供一定的灵活性。元件和阀都易于改进，以提供增加喷油速率的机会。这些相同的部件在维修中也易于更换。
        另外，从未来的限制排放要求考虑，喷水和高压气体燃料喷射日益引起人们的兴趣，而泵—管—喷油器系统恰恰适合于引入这些技术。
3.4  喷嘴的开发
        喷嘴是喷油系统和燃烧过程之间的界面。良好的喷嘴性能是获得理想燃烧的必要条件。
        喷嘴座、油囊和喷孔入口的设计是尽可能加大喷射能量的关键（图15）。这可以保证最小的油滴尺寸和均匀的雾化及贯穿度。
        通常，可采用研磨流体加工技术来提供圆形周边和抛光表面以提高流量系数。

图15  典型的喷嘴“油囊端部”设计（低油囊容积利于减少排放）

3.5  耐久性和可靠性
        喷油装置的耐久性和可靠性的主要问题是高压泄油时产生穴蚀和部件的卡死。目前正通过改进出油阀的设计和改进出油口/油道处的压力衰减技术来解决穴蚀。
        为了克服因满足产生更高的喷油压力需要而提高柱塞速度情况下的滞塞阻力，必须改善部件的几何形状和控制金属表面层的晶体组织。另外，表面涂层也正在被广泛应用。
3.6  液压性能的预测
        借助计算机程序来完成燃油凸轮和整体式喷油器的摇臂的设计。这些结构能用来预测喷射压力、喷射持续期和喷射速率。
        精确的系统性能模拟对减少开发时间和费用大有帮助。可以有把握地对各种变量作出分析。

        译自《21st CIMAC papers》INTERLAKEN 1995. D55.
        选自《国外内燃机车》1998年第7期