行業(yè)新聞/柴油發(fā)電機組
闡述康明斯電噴機ECU電子控制技術(shù)的特點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間：2022-02-01 16:25:18 ▏閱讀：次
摘要：由于柴油發(fā)電機具備高扭矩、高壽命、低油耗、低排放等特點(diǎn)，柴油機成為解決康明斯發(fā)電機組能源問(wèn)題最現實(shí)和最可靠的手段。因此柴油發(fā)電機的使用范圍越來(lái)越廣，數量越來(lái)越多。同時(shí)對柴油發(fā)電機的動(dòng)力性能、經(jīng)濟性能、控制廢氣排放和噪聲污染的要求也越來(lái)越高。依靠傳統的機械控制噴油系統已無(wú)法滿(mǎn)足上述要求，也難以實(shí)現噴油量、噴油壓力和噴射正時(shí)完全按最佳工況運轉的要求。近年來(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)及信息技術(shù)的迅速發(fā)展，使電子產(chǎn)品的可靠性、成本、體積等各方面都能滿(mǎn)足柴油發(fā)電機進(jìn)行電子控制的要求，并且電子控制燃油噴射很容易實(shí)現。
一、柴油發(fā)電機電子控制技術(shù)的發(fā)展狀況
實(shí)際上，柴油發(fā)電機排氣中CO和HC比汽油機少得多，NOX排放量與汽油機相近，只是排氣微粒較多，這與柴油發(fā)電機燃燒機理有關(guān)。柴油發(fā)電機是一種非均質(zhì)燃燒，可燃混合氣形成時(shí)間很短，而且可燃混合氣形成與燃燒過(guò)程交錯在一起。通過(guò)分析柴油發(fā)電機噴油規律得到：噴入燃料的霧化質(zhì)量、汽缸內氣體的流動(dòng)以及燃燒室形狀等均直接影響燃燒過(guò)程的進(jìn)展以及有害排放物的生成。提高噴油壓力和柴油霧化效果、使用預噴射、分段噴射等可以有效的改善排放。
經(jīng)過(guò)多年的研究和新技術(shù)應用，柴油發(fā)電機的現狀已與以往大不相同?，F代先進(jìn)的柴油發(fā)電機一般采用電控噴射、高壓共軌（見(jiàn)圖1）、渦輪增壓中冷等技術(shù)，在重量、噪音、煙度等方面已取得重大突破，達到了汽油機的水平。隨著(zhù)國際上日益嚴格的排放控制標準的頒布與實(shí)施，無(wú)論是汽油機還是柴油發(fā)電機都面臨著(zhù)嚴峻的挑戰，解決的辦法之一是采用電子控制燃油噴射的技術(shù)。
圖1 康明斯發(fā)電機組電控系統
二、柴油發(fā)電機電子控制技術(shù)的發(fā)展趨勢
1、高的噴射壓力
為滿(mǎn)足排放法規的要求，柴油噴射壓力從10MPa提高到200MPa。如此高的噴射壓力可明顯改善柴油和空氣的混合質(zhì)量，縮短著(zhù)火延遲期，使燃燒更迅速、更徹底，并且控制燃燒溫度，從而降低廢氣排放。
為滿(mǎn)足排放法規的要求，柴油噴射壓力從10MPa提高到200MPa。如此高的噴射壓力可明顯改善柴油和空氣的混合質(zhì)量，縮短著(zhù)火延遲期，使燃燒更迅速、更徹底，并且控制燃燒溫度，從而降低廢氣排放。
2、獨立的噴射壓力控制
傳統柴油發(fā)電機的供油系統的噴射壓力與柴油發(fā)電機的轉速負荷有關(guān)。這種特性對于低轉速、部分負荷條件下的燃油經(jīng)濟性和排放不利。若供油系統具有不依賴(lài)轉速和負荷的噴射壓力控制能力，就可選擇最合適的噴射壓力使噴射持續期、著(zhù)火延遲期最佳，使柴油發(fā)電機在各種工況下的廢氣排放最低而經(jīng)濟性最優(yōu)。
傳統柴油發(fā)電機的供油系統的噴射壓力與柴油發(fā)電機的轉速負荷有關(guān)。這種特性對于低轉速、部分負荷條件下的燃油經(jīng)濟性和排放不利。若供油系統具有不依賴(lài)轉速和負荷的噴射壓力控制能力，就可選擇最合適的噴射壓力使噴射持續期、著(zhù)火延遲期最佳，使柴油發(fā)電機在各種工況下的廢氣排放最低而經(jīng)濟性最優(yōu)。
3、改善柴油發(fā)電機燃油經(jīng)濟性
用戶(hù)對柴油發(fā)電機的燃油消耗率非常關(guān)注。高噴射壓力、獨立的噴射壓力控制、小噴孔、高平均噴油壓力等措施都能降低燃油消耗率，從而提高了柴油發(fā)電機的燃油使用經(jīng)濟性。
用戶(hù)對柴油發(fā)電機的燃油消耗率非常關(guān)注。高噴射壓力、獨立的噴射壓力控制、小噴孔、高平均噴油壓力等措施都能降低燃油消耗率，從而提高了柴油發(fā)電機的燃油使用經(jīng)濟性。
4、獨立的燃油噴射正時(shí)控制
噴射正時(shí)直接影響到柴油發(fā)電機活塞上止點(diǎn)前噴入汽缸的油量，決定著(zhù)汽缸的峰值爆發(fā)壓力和最高溫度。高的汽缸壓力和溫度可以改善燃油使用經(jīng)濟性，但導致NOX增加。而不依賴(lài)于轉速和負荷的噴射正時(shí)控制能力，是在燃油消耗率和排放之間實(shí)現最佳平衡的關(guān)鍵措施。
噴射正時(shí)直接影響到柴油發(fā)電機活塞上止點(diǎn)前噴入汽缸的油量，決定著(zhù)汽缸的峰值爆發(fā)壓力和最高溫度。高的汽缸壓力和溫度可以改善燃油使用經(jīng)濟性，但導致NOX增加。而不依賴(lài)于轉速和負荷的噴射正時(shí)控制能力，是在燃油消耗率和排放之間實(shí)現最佳平衡的關(guān)鍵措施。
5、可變的預噴射控制能力
預噴射可以降低顆粒排放，又不增加NOX排放，還可改善柴油發(fā)電機冷啟動(dòng)性能、降低冷態(tài)工況下白煙的排放，降低噪聲，改善低速扭矩。但是預噴射量、預噴射與主噴射之間的時(shí)間間隔在不同工況下的要求是不一樣的。因此具有可變的預噴射控制能力對柴油發(fā)電機的性能和排放十分有利。
預噴射可以降低顆粒排放，又不增加NOX排放，還可改善柴油發(fā)電機冷啟動(dòng)性能、降低冷態(tài)工況下白煙的排放，降低噪聲，改善低速扭矩。但是預噴射量、預噴射與主噴射之間的時(shí)間間隔在不同工況下的要求是不一樣的。因此具有可變的預噴射控制能力對柴油發(fā)電機的性能和排放十分有利。
6、最小油量的控制能力
供油系統具有高噴射壓力的能力與柴油發(fā)電機怠速所需要的小油量控制能力發(fā)生矛盾。當供油系統具有預噴射能力后將會(huì )使控制小油量的能力進(jìn)一步降低。由于工程機械用柴油發(fā)電機的工況很復雜，怠速工況經(jīng)常出現，而電噴柴油發(fā)電機容易實(shí)現最小油量控制。
供油系統具有高噴射壓力的能力與柴油發(fā)電機怠速所需要的小油量控制能力發(fā)生矛盾。當供油系統具有預噴射能力后將會(huì )使控制小油量的能力進(jìn)一步降低。由于工程機械用柴油發(fā)電機的工況很復雜，怠速工況經(jīng)常出現，而電噴柴油發(fā)電機容易實(shí)現最小油量控制。
三、柴油發(fā)電機電子控制技術(shù)的目的及優(yōu)點(diǎn)
目的：優(yōu)化動(dòng)力性、改善燃油使用經(jīng)濟性、控制排放，使柴油發(fā)電機從怠速至額定轉速范圍內均能獲得最佳工作狀況，防止可能發(fā)生的危險運行狀況，延長(cháng)零件的使用壽命。
優(yōu)點(diǎn)：
1、具有多功能的自動(dòng)調節性能
柴油發(fā)電機的運轉工況是多變的，而且對油耗、排放和可靠性等要求較高。康明斯ECU控制器的自動(dòng)控制技術(shù)應用于柴油發(fā)電機的調節系統正好可以實(shí)現多功能的自動(dòng)調節，從而保證柴油發(fā)電機動(dòng)力性、燃料使用經(jīng)濟性、可靠性和操作方便性等性能充分發(fā)揮。
柴油發(fā)電機的運轉工況是多變的，而且對油耗、排放和可靠性等要求較高。康明斯ECU控制器的自動(dòng)控制技術(shù)應用于柴油發(fā)電機的調節系統正好可以實(shí)現多功能的自動(dòng)調節，從而保證柴油發(fā)電機動(dòng)力性、燃料使用經(jīng)濟性、可靠性和操作方便性等性能充分發(fā)揮。
康明斯ECU控制器
2、減輕質(zhì)量、縮小尺寸、提高柴油發(fā)電機的緊湊性
對于現代高速柴油發(fā)電機而言，由于驅動(dòng)噴油泵的扭矩較大，要設計一個(gè)緊湊和可靠的供油提前自動(dòng)調節器很復雜，而且在柴油發(fā)電機總體布置上也比較困難。采用自動(dòng)控制技術(shù)解決供油提前角自動(dòng)調節問(wèn)題，不僅可以容易地解決上述難題，而且提高了柴油發(fā)電機的緊湊性。
對于現代高速柴油發(fā)電機而言，由于驅動(dòng)噴油泵的扭矩較大，要設計一個(gè)緊湊和可靠的供油提前自動(dòng)調節器很復雜，而且在柴油發(fā)電機總體布置上也比較困難。采用自動(dòng)控制技術(shù)解決供油提前角自動(dòng)調節問(wèn)題，不僅可以容易地解決上述難題，而且提高了柴油發(fā)電機的緊湊性。
3、使柴油發(fā)電機的動(dòng)力輸出和負荷得到更精確的匹配
隨著(zhù)工程機械制造技術(shù)高速發(fā)展，為了提高自行式工程機械的作業(yè)效能，采用了電噴柴油發(fā)電機，電控自動(dòng)變速器等自動(dòng)控制裝置，使自行式工程機械在作業(yè)時(shí)，能隨著(zhù)負荷的變化在一定范圍內自動(dòng)調整動(dòng)力輸出、動(dòng)力傳遞，柴油發(fā)電機的動(dòng)力輸出和負荷得到更精確的匹配，充分發(fā)揮工程機械作業(yè)效能。
隨著(zhù)工程機械制造技術(shù)高速發(fā)展，為了提高自行式工程機械的作業(yè)效能，采用了電噴柴油發(fā)電機，電控自動(dòng)變速器等自動(dòng)控制裝置，使自行式工程機械在作業(yè)時(shí)，能隨著(zhù)負荷的變化在一定范圍內自動(dòng)調整動(dòng)力輸出、動(dòng)力傳遞，柴油發(fā)電機的動(dòng)力輸出和負荷得到更精確的匹配，充分發(fā)揮工程機械作業(yè)效能。
四、柴油發(fā)電機電控技術(shù)的特點(diǎn)
柴油發(fā)電機電控技術(shù)與汽油機電控技術(shù)有許多相似之處，整個(gè)系統都是由傳感器、電控單元和執行器三部分組成。在電控噴射方面柴油發(fā)電機與汽油機的主要差別是，汽油機的電控噴射系統只是控制空燃比（汽油與空氣的比例），柴油發(fā)電機的電控噴射系統則是通過(guò)控制噴油時(shí)間來(lái)調節輸出油量的大小，且柴油發(fā)電機噴油控制是由康明斯發(fā)電機組的轉速和加速踏板位置（油門(mén)、供油拉桿位置）來(lái)決定的。柴油發(fā)電機電控技術(shù)有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：一是柴油噴射電控執行器復雜，二是柴油電控噴射系統的多樣化。
1、柴油發(fā)電機是一種熱效率比較高的動(dòng)力機械
柴油發(fā)電機燃油噴射具有高壓、高頻、脈動(dòng)等特點(diǎn)。其噴射壓力高達200MPa，為汽油機噴射壓力的百倍以上。對燃油高壓噴射系統實(shí)施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對噴射正時(shí)的精度要求很高，相對于柴油發(fā)電機活塞上止點(diǎn)的角度位置遠比汽油機要求準確，這就導致了柴油噴射的電控執行器要復雜得多。
柴油發(fā)電機燃油噴射具有高壓、高頻、脈動(dòng)等特點(diǎn)。其噴射壓力高達200MPa，為汽油機噴射壓力的百倍以上。對燃油高壓噴射系統實(shí)施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對噴射正時(shí)的精度要求很高，相對于柴油發(fā)電機活塞上止點(diǎn)的角度位置遠比汽油機要求準確，這就導致了柴油噴射的電控執行器要復雜得多。
2、由于柴油發(fā)電機的噴射系統形式多樣
傳統的柴油發(fā)電機具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結構完全不同的系統。實(shí)施電控技術(shù)的執行機構比較復雜，形成了柴油噴射系統的多樣化；同時(shí)柴油發(fā)電機需要對油量、定時(shí)、噴油壓力等多參數進(jìn)行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機。
傳統的柴油發(fā)電機具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結構完全不同的系統。實(shí)施電控技術(shù)的執行機構比較復雜，形成了柴油噴射系統的多樣化；同時(shí)柴油發(fā)電機需要對油量、定時(shí)、噴油壓力等多參數進(jìn)行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機。
3、電控柴油噴射系統分類(lèi)
最先出現的是電控噴油泵技術(shù)，而后又發(fā)展了電控泵噴嘴技術(shù)（見(jiàn)圖3）和高壓共軌噴射技術(shù)，后兩種技術(shù)是現在最主要的柴油發(fā)電機電控噴射技術(shù)。其中，電控泵噴嘴技術(shù)的噴油壓力非常高，可以達到200MPa，并且泵和噴嘴裝在一起，所以只需要很短的高壓油引導部分，泵噴嘴系統也可以實(shí)現很小的預噴量，其噴油特性是三角形的，并采用了分段式預噴射，這是很符合柴油發(fā)電機的要求。但電控泵噴嘴技術(shù)的噴油壓力受柴油發(fā)電機轉速影響，使用蓄壓系統的高壓共軌技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。它的噴油壓力低于泵噴嘴系統，能達到160MPa。
最先出現的是電控噴油泵技術(shù)，而后又發(fā)展了電控泵噴嘴技術(shù)（見(jiàn)圖3）和高壓共軌噴射技術(shù)，后兩種技術(shù)是現在最主要的柴油發(fā)電機電控噴射技術(shù)。其中，電控泵噴嘴技術(shù)的噴油壓力非常高，可以達到200MPa，并且泵和噴嘴裝在一起，所以只需要很短的高壓油引導部分，泵噴嘴系統也可以實(shí)現很小的預噴量，其噴油特性是三角形的，并采用了分段式預噴射，這是很符合柴油發(fā)電機的要求。但電控泵噴嘴技術(shù)的噴油壓力受柴油發(fā)電機轉速影響，使用蓄壓系統的高壓共軌技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。它的噴油壓力低于泵噴嘴系統，能達到160MPa。
圖3 康明斯原裝噴油器
電子伺服機構代替機械調速器控制供油滑套位置以實(shí)現供油量的調整。其特點(diǎn)是保留了傳統的噴油泵——高壓油管——噴油器系統，只是對齒條或滑套的運動(dòng)位置由原來(lái)的機械調速器控制改為計算機控制。這類(lèi)技術(shù)已發(fā)展到了可以同時(shí)控制定時(shí)和預噴射的TICS系統。
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