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QSK19系列康明斯柴油發(fā)電機共軌系統概況 |
摘要：現代先進(jìn)的柴油發(fā)電機一般采用電控噴射、共軌、渦輪增壓中冷等技術(shù)，在排放方面已取得重大突破，達到了相當高的水平。以采用先進(jìn)的共軌系統(模塊化的共軌燃油系統)康明斯QSK19為例，該發(fā)動(dòng)機作為非公路用車(chē)已完全滿(mǎn)足美國和歐洲Tier III排放法規。共軌系統于二十世紀90年代中后期才正式進(jìn)入實(shí)用化階段，目前在康明斯ISB，QSK19/23/38/50/60/78等發(fā)動(dòng)機上已經(jīng)得到了廣泛的應用。
一、電噴系統的分類(lèi)
我們所說(shuō)的電噴柴油發(fā)動(dòng)機與傳統的柴油機的主要區別在于它的燃油供給系統的不同，前者采用的是電子控制燃油系統，而后者采用的是機械式燃油系統，目前電子控制燃油系統可分為三種，分別為電控直列泵燃油系統、電控分配泵燃油系統和電控高壓共軌燃油系統。前兩種燃油系統是在傳統的機械式燃油系統的基礎上增加了一套精確控制發(fā)動(dòng)機噴油量和噴油時(shí)間的電子裝置，從而大大降低了發(fā)動(dòng)機排放污染并提高了燃油經(jīng)濟性。第三種燃油系統是一種全新的燃油噴射系統，它是通過(guò)各種傳感器檢測出發(fā)動(dòng)機的實(shí)際運行狀態(tài)，通過(guò)計算機的計算和處理，可以對發(fā)動(dòng)機的噴油量、噴油時(shí)間、噴油壓力和噴油率進(jìn)行最佳控制，從而實(shí)現了柴油發(fā)動(dòng)機綜合性能的又一次飛躍。三種不同電噴系統的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：
1、電控直列泵燃油噴射系統
（1）優(yōu)點(diǎn)∶
① 預行程可變，因此噴油速率可變。
② 由于增加了預噴射口，可以實(shí)現預噴射。
③ 與原來(lái)的直列泵具有互換性，因此，柴油發(fā)電機組的發(fā)動(dòng)機不需要作很大的改造。
（2）缺點(diǎn)：
①?lài)娪驼龝r(shí)和預噴射等的控制自由度低。
②由于噴油壓力與發(fā)動(dòng)機轉速有關(guān)，低速時(shí)噴油壓力較低。
③重量大
2、電控分配泵燃油系統
（1）優(yōu)點(diǎn)∶
① 與傳統端面凸輪的分配泵相比，可以實(shí)現高壓噴射。
② 由于采用電磁閥來(lái)控制供油，因此可以實(shí)現預噴射。
③ 由于尺寸小、重量輕，安裝性能好。
（2）缺點(diǎn)∶
① 與共軌噴油系統相比，控制噴油正時(shí)和預噴射的自由度低。
② 由于噴油壓力與發(fā)動(dòng)機轉速有關(guān)，低速時(shí)的噴油壓力低。
3、電控高壓共軌燃油系統
（1）優(yōu)點(diǎn)∶
① 噴射壓力峰值較EUL/EUP低，但平均有效壓力較高，噴油壓力與轉速無(wú)關(guān)。
② 可以獨立改變噴油正時(shí)、噴油持續期和噴油壓力。
③ 可以實(shí)現多段噴射。
④ 驅動(dòng)轉矩、機械噪聲小。
（2）缺點(diǎn)∶
① 由于經(jīng)需處于高的燃料壓力下，必須在耐久性和安全性方面比柱塞式噴油泵花費更大的務(wù)力。
② 由于難于實(shí)現靴形噴油率，因此難以有效控制NO，的產(chǎn)生。
二、康明斯共軌系統概況
康明斯柴油發(fā)電機在高速運轉中，燃油噴射過(guò)程的時(shí)間控制在千分之幾秒，實(shí)驗證明，在噴射過(guò)程中燃油壓力是隨時(shí)間和位置的不斷變化的。由于柴油的可壓縮性和油路中柴油的壓力波動(dòng)，油管內的壓力波動(dòng)有時(shí)還會(huì )在主噴射之后，使高壓油管內的壓力再次上升，達到令噴油器的針閥開(kāi)啟的壓力，以至于出現二次噴油現象，由于二次噴油不可能完全燃燒，尾氣中于是增加了煙度和碳氫化合物的排放量，而且油耗也會(huì )增加。此外，每次噴射循環(huán)后高壓油管內的殘壓都會(huì )發(fā)生變化，隨之引起不穩定的噴油，為了解決柴油發(fā)電機這個(gè)燃油壓力變化的缺陷，康明斯采用了共軌系統技術(shù)，由高壓油泵把經(jīng)ECM控制的高壓燃油輸送到公共油軌，油軌壓力大小與發(fā)動(dòng)機的轉速無(wú)關(guān).ECM通過(guò)控制噴油器電磁閥時(shí)間來(lái)精確控制噴油量和噴油正時(shí)?？得魉垢邏汗曹壪到y主要特點(diǎn)如下：
1、共軌系統的噴油壓力柔性可調，對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油發(fā)電機綜合性能。
2、可實(shí)現無(wú)級噴油正時(shí)，可控制NOx和微粒在較小的數值內，以滿(mǎn)足排放要求。
3、通過(guò)電磁閥開(kāi)啟時(shí)間的長(cháng)短精確控制燃油噴射量，從而提高燃油經(jīng)濟性和降低排放。
三、共軌系統及主要部件介紹
如圖1、圖2所示，共軌系統主要由ECM、輸油泵、齒輪泵、高壓油泵、共軌管、電控噴油器、執行器以及各種傳感器等組成。柴油發(fā)電機啟動(dòng)期間，輸油泵將燃油輸入齒輪泵，經(jīng)齒輪泵輸入高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌，高壓油軌中的燃油壓力由ECM通過(guò)執行器進(jìn)行調節，ECM根據柴油發(fā)電機的運行狀況，確定精確的噴油正時(shí)和噴油量，并通過(guò)電控噴油器將燃油噴入氣缸。
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圖1 電控柴油發(fā)電機組噴射系統結構 |
圖5 QSK19系列康明斯柴油發(fā)電機共軌系統 |
1、燃油泵
共軌系統的燃油泵由三部分組成，如圖3所示，即輸油泵、齒輪泵和高壓油泵。輸油泵在發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)期間由ECM輸出PWM信號來(lái)控制，工作時(shí)間僅為120秒，燃油經(jīng)過(guò)輸油泵進(jìn)入齒輪泵，在齒輪泵的進(jìn)口有一量孔，可調節油量的大小，同時(shí)齒輪泵里有一壓力調節閥，將供應給高壓泵的燃油壓力調節到500-700Pa，在高壓泵的進(jìn)口有一由ECM控制的執行器，通過(guò)PWM信號控制，使高壓泵(兩缸柱塞泵)輸出60Mpa-160Mpa的壓力供應給高壓油軌。在高壓泵上還有-一個(gè)安全閥，當油軌中壓力超過(guò)195Mpa時(shí)，安全閥會(huì )立即打開(kāi)，迅速將高壓油軌中的壓力進(jìn)行釋放，并且導致發(fā)動(dòng)機停機。
2、高壓油管
高壓油管將高壓泵提供的高壓燃油輸送到噴油器中。用于QSK19共軌系統的高壓油管其容積與小功率的ISB共軌系統相比，它的容積較小，以保證共軌有足夠的壓力響應速度以快速跟蹤柴油發(fā)電機工況的變化。而且，高壓油管采用雙層結構，以提高安全性和可靠性。高壓共軌管上還安裝了壓力傳感器，壓力傳感器向ECM提供高壓油軌的壓力信號。
3、電控噴油器
電控噴油器是共軌系統中最關(guān)鍵和最復雜的部件，由ECM發(fā)出的控制信號，通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，將高壓油管中的燃油以最佳的噴油定時(shí)、噴油量和噴油率噴入柴油發(fā)電機的燃燒室。電控噴油器的結構基本相似，都是由于傳統噴油器相似的噴油嘴、控制活塞、控制量孔、控制電磁閥組成，圖4為QSK19電控噴油器位置圖。在電磁閥不通電時(shí)，電磁閥關(guān)閉，柱塞上下腔中的燃油壓力相等，柱塞在彈簧彈力的作用下回位，使針閥關(guān)閉。當電磁閥通電時(shí)，柱塞上部腔中的燃油通過(guò)泄油口泄壓，其壓力下降，使得柱塞在下部腔中高壓燃油的作用下開(kāi)始上升，針閥被打開(kāi)，開(kāi)始噴油。由于高壓共軌噴射系統的噴射壓力非常高，因此其噴油嘴的噴孔截面積很小，在如此小的噴孔直徑和如此高的噴射壓力下，燃油流動(dòng)處于極端不穩定狀態(tài)，油束的噴霧錐角變大，燃油霧化更好，但貫穿距離變小，因此通過(guò)改變柴油發(fā)電機進(jìn)氣的渦流強度、燃燒室結構形狀以確保最佳的燃燒過(guò)程。
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圖3 電控柴油機高壓燃油泵結構圖 |
圖4 電噴柴油發(fā)電機的高壓油管及噴油器 |
總結：
由于共軌系統具有可以對噴油定時(shí)、噴油持續期、噴油壓力、噴油規律進(jìn)行柔性調節的特點(diǎn)，該系統的采用可以使柴油發(fā)電機的經(jīng)濟性、動(dòng)力性和排放性能都會(huì )有進(jìn)一步的提高。然而，技術(shù)(軟件和硬件)的引進(jìn)也會(huì )大大增加我們產(chǎn)品的制造成本，因此需要我們加大對共軌系統的研究力度和國產(chǎn)化進(jìn)程，使CCEC的柴油發(fā)電機水平跨上一個(gè)新的臺階。
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