新聞主題	改善康明斯柴油發(fā)電機的燃油系統方法

 

前言：當前，為了適應全球對節能環(huán)保的要求，我國推出了更嚴格的針對柴油發(fā)電機尾氣排放的法規。經(jīng)國務(wù)院批準，在全國范圍內對所有非道路用柴油發(fā)電機實(shí)施國家第三階段排放標準(簡(jiǎn)稱(chēng)國3排放)。排放法規的不斷嚴格推動(dòng)了柴油發(fā)電機的技術(shù)進(jìn)步，目前從發(fā)展趨勢來(lái)看，共軌和單體泵是比較成熟的國3技術(shù)，但是由于其核心零部件由國外企業(yè)壟斷，國內企業(yè)要裝配不但價(jià)格高，而且供應量也存在問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，作為中美合資品牌康明斯發(fā)電機廠(chǎng)家在分析了柴油發(fā)電機排放控制技術(shù)發(fā)展的基礎上，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和探索研究后，開(kāi)發(fā)了一種新型的燃油噴射系統“直列泵+電子調速器+冷卻ECR”，該技術(shù)在國內獲得了成功。這一技術(shù)在成本和維修方面優(yōu)勢明顯，符合中國當下的實(shí)際情況，得到了各企業(yè)的青睞。接下來(lái)康明斯廠(chǎng)家小編將著(zhù)重介紹這一技術(shù)思路中的燃油系統的開(kāi)發(fā)。

 

一、現代柴油機尾氣排放技術(shù)概述

 

      隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，發(fā)電機組逐漸成為大氣排放污染物的主要來(lái)源，使得對柴油發(fā)電機排放的控制更為緊迫。因為柴油發(fā)電機排放出大量的微粒物質(zhì)(PM)和氮氧化物(NOx)，所以微粒物質(zhì)和氮氧化物這兩種排放物的減少也成為柴油發(fā)電機排放控制的關(guān)鍵。

1、放熱規律的控制機理

      康明斯公司主要目標是為了有效降低NOx的排放，研究了電控EGR系統總體構造、控制策略，建立了一套有效的EGR控制系統，并在對同時(shí)降低NOx和PM的方法進(jìn)行了相關(guān)探討。本文以電控技術(shù)和EGR技術(shù)為基礎，根據多個(gè)工況的試驗，制取了EGR最佳控制MAP圖，并通過(guò)試驗表明，EGR電控系統和柴油機相匹配良好，EGR電控系統能夠在合理控制PM排放的基礎上切實(shí)有效的降低NOx的排放，并且柴油機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性無(wú)明顯惡化。

      根據柴油發(fā)電機的混合氣形成和燃燒特點(diǎn)（如圖1所示），以及其有害排放物的產(chǎn)生機理，柴油發(fā)電機燃燒過(guò)程或有害排放物的控制策略主要體現在放熱規律的控制上。

      放熱規律與示功圖如圖2所示。放熱規律的韋伯公式表達最常見(jiàn)的方法是利用半經(jīng)驗公式，韋伯公式就是其中的一種，也稱(chēng)為韋伯燃燒規律。鏈式反應的化學(xué)性質(zhì)是由反應過(guò)程中形成的話(huà)化中心的數量來(lái)確定的。50年代，韋伯根據鏈反應理論提出了描寫(xiě)內燃機燃燒速度的半經(jīng)驗公式，認為參與化學(xué)反應的原始物質(zhì)的分子數與能引起有效反應的活化中心的數目成正比。

（1）從控制柴油發(fā)電機燃燒噪聲及NOx排放物的角度而言，應盡可能降低預混合燃燒階段的放熱速率；

（2）從改善動(dòng)力性、經(jīng)濟性及碳煙排放的角度而言，應提高擴散燃燒速度，由此縮短整個(gè)燃燒期間，使燃燒過(guò)程及時(shí)又完全。

      柴油發(fā)電機機內凈化的核心是對燃燒過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，使柴油機達到混合均勻、燃燒充分、工作柔和、啟動(dòng)可靠、排放較少的要求。采取機內凈化是治本之舉，它是通過(guò)改進(jìn)柴油發(fā)電機結構參數或者增加附加裝置來(lái)改善燃燒性能，進(jìn)而達到減少NOx排放的目的。

 

圖1  柴油機燃燒過(guò)程（混合氣的形式）

圖2  放熱規律與示功圖

 

2、噴油系統的優(yōu)化

       噴油系統的優(yōu)化就是使燃油噴射參數最佳化。這些參數包括噴油定時(shí)、噴油壓力、噴油速度和噴孔結構等。通過(guò)參數的優(yōu)化來(lái)抑制預混合燃燒，即減少在滯燃期內形成的可燃混合氣量是降低NOx排放的有效途徑。

（1）優(yōu)化噴油定時(shí)。

      NOx排放對噴油定時(shí)極為敏感。延遲噴油可降低NOx排放，但必須合理調整燃燒系統及噴油系統的其他參數以減少油耗、煙度和微粒排放方面的損失。為減少延遲噴油對經(jīng)濟性的不利影響，可采用較高的壓縮比和較高的噴油壓力。采用電控調壓閥技術(shù)（如圖3所示）和根據運行工況調節噴油始點(diǎn)，可降低NOx的排放。

（2）優(yōu)化噴油壓力。

      電控噴油器的壓力分布如圖4所示。提高噴油壓力可有效地改善燃料的霧化性能，使混合氣的混合質(zhì)量得以改善，燃燒更加充分，燃燒溫度上升，NOx排放增加。因為提高噴油壓力能改善燃燒過(guò)程，故可以補償由于延遲噴油造成的油耗上升，但這又使延遲噴油以降低NOx排放的目的落空。為減少NOx排放應該降低噴油壓力，而噴油壓力降低后又會(huì )使微粒排放增加。

（3）優(yōu)化噴油速度。

      當噴油提前角一定時(shí)，提高噴油速率，縮短噴油持續期，可以使柴油發(fā)電機產(chǎn)生的NOx較少。提高噴油速度與延遲噴油相結合亦可減少NOx的排放。另外，噴油速度還與HC、碳煙的排放及燃油消耗、噪聲有關(guān)，應綜合權衡以謀求各參數的最佳值。

（4）優(yōu)化噴孔結構。

       噴油器噴孔直徑和數目對柴油發(fā)電機排放也有明顯的影響。當循環(huán)供油量與啟噴壓力一定時(shí)，減少孔徑會(huì )減少初期噴油量，抑制預混合燃燒和最高燃燒溫度，以減少NOx的生成。當噴油壓力、噴油速度及噴孔總面積不變的情況下，增加噴孔直徑或增加孔數，可降低流阻，改善燃油的霧化和分布，因而能降低NOx的排放。

 

圖1  柴油機高壓共軌電控調壓閥

圖2  電控噴油器壓力分布圖

 

二、康明斯國三機型的排放技術(shù)

      為滿(mǎn)足國3排放法規，康明斯發(fā)電機廠(chǎng)家斷定必須改善柴油發(fā)電機的燃燒性能，燃油系統作為柴油發(fā)電機的“心臟”是研發(fā)的重中之重?？得魉箯S(chǎng)家的設計開(kāi)發(fā)思路是：燃油系統的嘴端噴射壓力要達到130MPa以上；采用頂隙柱塞偶件實(shí)現噴油正時(shí)；采用電子調速器來(lái)提高系統響應速度，滿(mǎn)足歐洲負荷響應試驗(ELR)的測試循環(huán)要求。

1、噴油泵的設計

      燃油系統的基本結構如圖5所示。如果提高燃油系統噴射壓力必須首先提高其泵端壓力，對于直列泵來(lái)說(shuō)最直接的措施就是提高其供油速率，因此采用的方案是：以強化的Pz型機械泵為基礎，增大柱塞直徑，提高凸輪升程；同時(shí)在保證供油速率不變的情況下，為了增加可靠性，采用“大升程、小柱塞直徑”思路，即在設計計算時(shí)，為滿(mǎn)足要求而盡量去增加凸輪升程尺寸，并盡可能小的增加柱塞直徑尺寸。這樣在同樣的泵端壓力下，可以減小凸輪軸的接觸應力，提高柱塞高壓油腔的容積效率。最終將凸輪升程設計為14mm，柱塞直徑設計為12mm，并與小孔徑的噴油嘴匹配，將燃油系統的嘴端噴射壓力大幅提升，遠超過(guò)130MPa以上，滿(mǎn)足供油要求。另外，由于提高了燃油系統的噴射壓力，使得噴油泵的驅動(dòng)扭矩也隨之升高，這樣就導致傳統的機械式提前器的工作可靠性下降。為解決這一問(wèn)題，目前的方法是取消傳統的機械式提前器，設計開(kāi)發(fā)頂隙式柱塞偶件來(lái)滿(mǎn)足噴油正時(shí)要求。通過(guò)試驗，測試改進(jìn)后噴油泵的噴油提前特性完全能滿(mǎn)足要求。

2、執行器的設計和結構布置

      目前國產(chǎn)執行元件主要有比例電磁鐵執行機構和步進(jìn)電機執行機構2種，設計方案中選用了推力大的比例電磁鐵作為執行元件，它具有結構簡(jiǎn)單，可靠性高，推力大，響應快等特點(diǎn)，能夠實(shí)現位移的精確控制，并且維護簡(jiǎn)單。在比例電磁鐵與噴油泵拉桿聯(lián)接的布餐上，使用杠桿機構連接執行元件和拉桿是一種常用的連接方式，這種方式可以縮短調速器的空間尺寸，但在調節供油量的過(guò)程中容易產(chǎn)生供油死角，使噴油泵卡死，而且多出的杠桿機構易損壞，可靠性差。為此可直接連接執行元件和拉桿，即采用直線(xiàn)推動(dòng)的控制方式來(lái)避免上述問(wèn)題的產(chǎn)生，使調速器更簡(jiǎn)便有效、可靠。

3、電子調速器的設計

      現階段國內外研究的電子調速器多采用位移控制方式，通過(guò)電子控制的執行器來(lái)調節噴油泵拉桿位移，達到控制循環(huán)供油量的目的。對電子調速器的設計中主要涉及到4個(gè)方面。電子調速器的結構布置整體布局的優(yōu)化保證電調泵在柴油發(fā)電機上的安裝，盡可能的避免對原機的改動(dòng)。在調速器外形的設計上結合柴油發(fā)電機有限的安裝空間，做到結構緊湊，并且在對各部件的設計時(shí)就考慮到這一要求，控制其外圍尺寸，節省空間。電調燃油系統提高柴油發(fā)電機本身的燃燒效率，并通過(guò)對柴油發(fā)電機進(jìn)行優(yōu)化匹配，如：改進(jìn)設計燃燒室；改進(jìn)設計配氣機構；改進(jìn)設計進(jìn)排氣系統；改進(jìn)增壓系統，調節供油提前角等措施，有效地降低了NO的排放，同時(shí)平衡排放物中NO，和顆粒的含量，滿(mǎn)足排放標準要求。

4、位置傳感器的特點(diǎn)與布置

      電控傳感器的類(lèi)型如圖4所示。在各種位置傳感器中，霍爾位置傳感器結構簡(jiǎn)單，尺寸小，便于在調速器中的安裝，選用該種傳感器可以有效的節省空間，有助于優(yōu)化調速器的整體尺寸結構；另外，該傳感器價(jià)格便宜，靈敏度完全能夠滿(mǎn)足設計要求，可以降低生產(chǎn)成本。

 

圖3  康明斯發(fā)動(dòng)機電控燃油系統圖

圖4  康明斯電控燃油傳感器類(lèi)型

 

總結：

      康明斯發(fā)電機廠(chǎng)家設計開(kāi)發(fā)的這一整套電調型燃油系統，系統結合現有的成熟機型通過(guò)匹配達到了國3排放標準。首先，通過(guò)設計改進(jìn)噴油泵和噴油器提高了噴射壓力可以達到160MPa以上，使燃油霧化顆粒更小，油氣混合更充分，進(jìn)一步改善了燃燒；其次，設計了電子調速器，調速器不僅提高了燃油系統的響應，而且具備尺寸小、結構簡(jiǎn)單，性能可靠，使用維護方便的特點(diǎn)；ESC試驗循環(huán)結果表明，NO相對原機減少了lO％，顆粒減少了6o％，最終滿(mǎn)足國3排放標準的要求。

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