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康明斯發(fā)電機組電控共軌系統的結構與原理 |
摘要：能源危機和環(huán)境污染是社會(huì )大眾所面臨的問(wèn)題，節約能源、降低排放的要求促進(jìn)了柴油機噴射技術(shù)的發(fā)展。高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)與傳統的噴油技術(shù)相比，進(jìn)一步降低了燃油消耗，增強了動(dòng)力性能，達到了更加嚴格排放法規的要求，并使系統具有更高的噴射壓力和更加靈活的噴油方式。電控高壓共軌技術(shù)是目前國內柴油發(fā)電機行業(yè)為達到國三排放標準所普遍采用的一種成熟的電控技術(shù)。本文以康明斯國三電控共軌柴油發(fā)電機為例，在本文中簡(jiǎn)述了其發(fā)展現狀，并對國三柴油發(fā)電機電控共軌系統的結構、原理進(jìn)行了論述。
一、康明斯電控柴油機概述
1、電噴系統的分類(lèi)
我們所說(shuō)的電噴柴油發(fā)電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
（1）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柴油發(fā)電機噴油量和噴油時(shí)間的電子裝置，從而大大降低了柴油發(fā)電機排放污染并提高了燃油經(jīng)濟性。
（2）第三種燃油系統是一種全新的燃油噴射系統，它是通過(guò)各種傳感器檢測出柴油發(fā)電機的實(shí)際運行狀態(tài)，通過(guò)計算機的計算和處理，可以對柴油發(fā)電機的噴油量、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)電機綜合性能的又一次飛躍。以康明斯柴油機為例，其4缸電噴機型燃油系統結構如圖1所示；6缸電噴機型燃油系統結構如圖2所示。
2、電控高壓共軌關(guān)鍵技術(shù)
（1）軟件技術(shù)
ECU軟件的實(shí)質(zhì)是企業(yè)在技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中通過(guò)對發(fā)動(dòng)機在各種工作狀態(tài)下進(jìn)行試驗而獲得的知識和經(jīng)驗積累，是一個(gè)不斷完善和細化的過(guò)程。ECU軟件先檢測出發(fā)動(dòng)機的轉速和油門(mén)開(kāi)度等參數，然后輸入到計算機內，形成MAP。在工作時(shí)可將發(fā)動(dòng)機實(shí)時(shí)參數與MAP進(jìn)行分析處理，然后向伺服回路發(fā)出指令進(jìn)行控制。
（2）傳感器技術(shù)
隨著(zhù)噴射壓力的不斷提高和其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，將有更高精度和響應速度的新型智能傳感器來(lái)滿(mǎn)足使用要求。
3、高壓共軌技術(shù)研究方向
高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)是柴油機領(lǐng)域的一次革命，它不僅保留了傳統柴油機卓越的燃油經(jīng)濟性能，還進(jìn)一步降低了有害氣體和粉塵的排放，使其更節能，更環(huán)保，在性能上已遠遠超過(guò)了傳統汽油機。同時(shí)，該技術(shù)還具有很大的發(fā)展潛力，進(jìn)一步的研究主要體現在以下幾個(gè)方面：
① 提高噴射壓力，減小噴孔直徑，增加噴孔數量；
② 進(jìn)一步開(kāi)發(fā)壓電噴油器，研制新型智能傳感器；
③ 加強控制模式與算法的研究；
④ 加強安全保護、故障診斷及緊急運行能力的研究；
⑤ 提高系統的可靠性和壽命，降低成本。
總之，共軌電控燃油噴射系統發(fā)展前景非常遠大，這門(mén)綜合性的新技術(shù)，一定會(huì )在發(fā)展中得到進(jìn)一步完善。
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圖1 四缸柴油機高壓共軌燃油噴射系統 |
圖2 六缸柴油機高壓共軌燃油噴射系統 |
二、電控共軌系統工作原理
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，從圖3電控燃油系統模擬圖和圖4的原理圖可以看出，燃油由柴油發(fā)電機凸輪軸驅動(dòng)的齒輪泵經(jīng)濾清器從油箱中抽出，通過(guò)一個(gè)電磁緊急關(guān)閉閥流入供油泵。此時(shí)的壓力約為0.5MPa，然后油流分為兩路，一路經(jīng)安全閥上的小孔作為冷卻油通過(guò)供油泵的凸輪軸室流入壓力控制閥，然后流回油箱。另一路充入3缸供油泵。在供油泵內，燃油壓力上升到135MPa或更高，供入共軌。共軌上有一個(gè)壓力傳感器和一個(gè)通過(guò)切斷油路來(lái)控制流量的壓力控制閥。用這種方法來(lái)調節控制單元設定的共軌壓力。高壓燃油從共軌流入噴油器后又分為兩路：一路直接噴入燃燒室，另一路在噴油期間，與針閥導向部分和控制柱塞處泄漏出的燃油一起流回油箱。
1、輸油泵工作原理理及特點(diǎn)
（1）輸油泵燃油總流程
燃油從燃油箱被吸入到進(jìn)油泵，然后通過(guò)PCV輸送到抽吸機構。PCV將抽吸機構抽吸的燃油量調整到必要的排出量，然后燃油通過(guò)出油閥被壓送到油軌。
（2）燃油排供油控制
從進(jìn)油泵輸送的燃油經(jīng)過(guò)柱塞抽吸。為了調整油軌壓力，PCV對排放量進(jìn)行控制。每一個(gè)行程期間PCV和柱塞的操作：
① 進(jìn)氣行程
在柱塞下降行程中，PCV打開(kāi)，同時(shí)低壓燃油通過(guò)PCV被吸入到柱塞室中。
② 預行程
就在柱塞進(jìn)入上升行程時(shí)，PCV不通電并保持開(kāi)啟。此時(shí)，通過(guò)PCV吸入的燃油沒(méi)經(jīng)過(guò)加壓（預行程）而通過(guò)PCV返回。
③ 抽吸行程
在獲得所需排放量的最佳時(shí)機，提供電力使PCV關(guān)閉，則返回通道關(guān)閉，同時(shí)柱塞室中的壓力上升。因此，燃油流經(jīng)出油閥（反向切斷閥），然后被抽吸到油軌。具體情況是，PCV關(guān)閉之后柱塞升程部分變成排放量，而且通過(guò)改變PCV關(guān)閉正時(shí)（柱塞行程的終點(diǎn)），排放量得到改變，從而使油軌壓力得到控制。
④ 進(jìn)氣行程
當凸輪超過(guò)最大升程時(shí)，柱塞進(jìn)入下降行程，同時(shí)柱塞室中的壓力下降。此時(shí)，出油閥關(guān)閉，燃油抽吸停止。此外，PCV由于被斷電而打開(kāi)，低壓燃油被吸入到柱塞室。
2、噴油器工作原理
噴油器通過(guò)控制室中的燃油壓力來(lái)控制噴射。TWV通過(guò)對控制室中的燃油泄漏進(jìn)行控制從而對控制室的燃油壓力進(jìn)行控制。TWV隨噴油器類(lèi)型的不同而改變。
（1）無(wú)噴射
當TWV未通電時(shí)，它切斷控制室的溢流通道，因此控制室中的燃油壓力和施加到噴嘴針的燃油壓力為同一油軌壓力。從而，噴嘴針閥由于控制活塞的承壓面和噴嘴彈簧力之間的差別而關(guān)閉，燃油未噴射。對于X1型，外部閥被彈簧力和外部閥中的燃油壓力推向座，從而控制室的泄漏通道被切斷。對于X2/G2型，控制室出油量孔直接在彈簧力作用下關(guān)閉。
（2）噴射
當TWV通電開(kāi)始時(shí)，TWV閥被拉起，從而打開(kāi)控制室的溢流通道。當溢流通道打開(kāi)時(shí)，控制室中的燃油流出，壓力下降。由于控制室中的壓力下降，噴嘴針處的壓力克服向下壓的力，噴嘴針被向上推，噴射開(kāi)始。當燃油從控制室泄漏時(shí)，流量受到量孔的限制，因此噴嘴逐漸打開(kāi)。隨著(zhù)噴嘴打開(kāi)，噴射率升高。隨著(zhù)電流被繼續施加到TWV，噴嘴針最終達到最大升程，從而實(shí)現最大噴射率。
（3）噴射結束
TWV通電結束時(shí)，閥下降，從而關(guān)閉控制室的溢流通道。當溢流通道關(guān)閉時(shí)，控制室中的燃油壓力立即返回油軌壓力，噴嘴突然關(guān)閉，噴射停止。
3、高壓共軌柴油機工作原理
高壓共軌系統利用較大容積的共軌腔將油泵輸出的高壓燃油蓄積起來(lái)，并消除燃油中的壓力波動(dòng)，然后再輸送給每個(gè)噴油器，通過(guò)控制噴油器上的電磁閥實(shí)現噴射的開(kāi)始和終止。其主要特點(diǎn)可以概括如下：共軌腔內的高壓直接用于噴射，可以省去噴油器內的增壓機構；而且共軌腔內是持續高壓，高壓油泵所需的驅動(dòng)力矩比傳統油泵小得多。
（1）通過(guò)高壓油泵上的壓力調節電磁閥，可以根據發(fā)動(dòng)機負荷狀況以及經(jīng)濟性和排放性的要求對共軌腔內的油壓進(jìn)行靈活調節，尤其優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機的低速性能。
（2）通過(guò)噴油器上的電磁閥控制噴射定時(shí)，噴射油量以及噴射速率，還可以靈活調節不同工況下預噴射和后噴射的噴射油量以及與主噴射的間隔。供油泵從油箱將燃油泵入高壓油泵的進(jìn)油口，由發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的高壓油泵將燃油增壓后送入共軌腔內，再由電磁閥控制各缸噴油器在相應時(shí)刻噴油。
（3）預噴射在主噴射之前，將小部分燃油噴入氣缸，在缸內發(fā)生預混合或者部分燃燒，縮短主噴射的著(zhù)火延遲期。這樣缸內壓力升高率和峰值壓力都會(huì )下降，發(fā)動(dòng)機工作比較緩和，同時(shí)缸內溫度降低使得NOX排放減小。預噴射還可以降低失火的可能性，改善高壓共軌系統的冷起動(dòng)性能。
（4）柴油機主噴射初期降低噴射速率，也可以減少著(zhù)火延遲期內噴入氣缸內的油量。提高主噴射中期的噴射速率，可以縮短噴射時(shí)間從而縮短緩燃期，使燃燒在發(fā)動(dòng)機更有效的曲軸轉角范圍內完成，提高輸出功率，減少燃油消耗，降低碳煙排放。主噴射末期快速斷油可以減少不完全燃燒的燃油，降低煙度和碳氫排放。共軌式電控燃油噴射技術(shù)通過(guò)共軌直接或間接地形成恒定的高壓燃油，分送到每個(gè)噴油器，并借助于集成在每個(gè)噴油器上的高速電磁開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟與閉合，定時(shí)、定量地控制噴油器噴射至柴油機燃燒室的油量，從而保證柴油機達到最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的點(diǎn)火時(shí)間、足夠的點(diǎn)火能量和最少的污染排放。
共軌技術(shù)是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)程彼此完全分開(kāi)的一種供油方式。它由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過(guò)對公共供油管內的油壓實(shí)現精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機的轉速無(wú)關(guān)，可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發(fā)動(dòng)機轉速的變化，因此也就減少了傳統柴油機的缺陷。
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圖3 康明斯柴油機高壓共軌系統3D模擬圖 |
圖4 高壓共軌燃油系統原理圖 |
三、康明斯共軌系統的組成
電控共軌系統主要部件有高壓油泵、高壓油軌、高壓油管、高壓油管接管、電控噴油器、低壓油管、柴濾、油箱等，如圖5所示。
1、電控高壓油泵
（1）電裝共軌系統的高壓油泵
高壓油泵有兩個(gè)高壓柱塞泵，靠飛輪端為油泵，靠前端為油泵。分別由兩個(gè)凸輪（每個(gè)凸輪上均有3個(gè)凸緣）驅動(dòng)，按時(shí)將六缸所需要的燃油供應給高壓油軌。其結構外觀(guān)示意圖如圖6所示。
（2）輸油泵
手油泵用于排出燃油噴射系統中油路的空氣，其結構外觀(guān)如圖7所示。輸油泵位于高壓油泵的左側，與高壓油泵集成在一起，提供高壓油泵一定壓力的燃油。位于油泵上部的兩個(gè)黃色閥體為壓力控制閥（PCV），分別控制兩個(gè)泵的供油量與供油時(shí)刻。兩個(gè)電磁閥分別各對應一個(gè)線(xiàn)束插頭，靠飛輪端為閥（PCV1），靠前端為閥（PCV2）。其作用是調整共軌管內的燃油壓力，方法是調整油泵壓入共軌管內的燃油量。
（3）凸輪軸位置傳感器（G傳感器）
凸輪軸位置傳感器用于判斷柴油發(fā)電機第1缸壓縮上止點(diǎn)的到來(lái)時(shí)刻，作為噴油的基準信號。高壓油泵內部集成了一個(gè)凸輪軸位置傳感器和二個(gè)相應的信號盤(pán)，凸輪軸置傳感器的插頭在油泵正面中部位置。
① 柱塞下行時(shí)，壓力控制閥開(kāi)啟，低壓燃油經(jīng)控制閥流入柱塞腔。
② 柱塞上行時(shí)，由于控制閥中尚未通電，處于開(kāi)啟狀態(tài)，低壓燃油經(jīng)控制閥流回低壓腔。
③ 在達到供油量定時(shí)的時(shí)刻，控制閥通電，使之關(guān)閉，回流油路被切斷，柱塞腔中的燃油被壓縮，燃油經(jīng)出油閥進(jìn)入高壓油軌。利用控制閥關(guān)閉時(shí)間的不同，控制進(jìn)入高壓油軌的油量的多少，從而達到控制高壓油軌壓力的目的。
④ 凸輪經(jīng)過(guò)最大升程后，柱塞進(jìn)入下降行程，柱塞腔內的壓力降低，出油閥關(guān)閉，停止供油，這時(shí)控制閥停止供電，處于開(kāi)啟狀態(tài)、低壓燃油進(jìn)入柱塞腔，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
2、高壓共軌管組件
高壓共軌管將供油泵提供的高壓燃油經(jīng)穩壓、濾波后，供應給各缸噴油器，起蓄壓器的作用。它的容積應削減高壓油泵的供油壓力波動(dòng)和每個(gè)噴油器由噴油過(guò)程引起的壓力振蕩，使高壓油軌中的壓力波動(dòng)控制在5MPa之下。其軌壓分布圖如圖8所示。
（1）軌壓限制閥的作用是當共軌壓力超過(guò)共軌管所能承受的最高壓力時(shí)，軌壓限制閥會(huì )自動(dòng)開(kāi)啟，將共軌壓力降低到約30MPa。
（2）在共軌管的上部有六個(gè)流量限制閥（同缸數一致），分別與六個(gè)缸的高壓油管相連。當某一缸的高壓油管有泄漏或噴油器故障而導致燃油噴射址超過(guò)限值時(shí)，流量限制閥會(huì )動(dòng)作，切斷該缸的燃油供應。共軌的外側有1～2個(gè)進(jìn)油口，分別與高壓油泵的高壓油的出油口相連。軌壓傳感器位于共軌的右側，帶有一個(gè)線(xiàn)束插頭。
（3）采用電裝共軌系統的康明斯柴油發(fā)電機高壓油管共8根，其中2根由高壓油泵到高壓油軌，6根由高壓油軌到各缸噴油器。
3、共軌系統控制系統
電控共軌系統可以分成三大部分：傳感器、計算機和執行器。
計算機是電控共軌燃油系統的核心部分。根據各個(gè)傳感器的信息，計算機進(jìn)行計算、完成各種處理后，求出最佳噴油時(shí)間和最合適的噴油量，并且計算出在什么時(shí)刻、在多長(cháng)的時(shí)間范圍內向噴油器發(fā)出開(kāi)啟電磁閥、或關(guān)閉電磁閥的指令等，從而精確控制柴油發(fā)電機的工作過(guò)程。電子控制系統的核心是ECU——電子控制單元。ECU就是一個(gè)微型計算機。ECU的輸入是安裝在發(fā)電機組和柴油發(fā)電機上的各種傳感器和開(kāi)關(guān)；ECU的輸出是送往各個(gè)執行機構的電子信息
4、共軌系統燃料供給系統
燃油供給系統的主要構成是供油泵、共軌和噴油器。燃油供給系統的基本工作原理是供油泵將燃油加壓成高壓，供入共軌內；共軌實(shí)際上是一種燃油分配管。儲存在共軌內的燃油在適當的時(shí)刻通過(guò)噴油器噴入柴油發(fā)電機氣缸內。電控共軌系統中的噴油器是一種由電磁閥控制的噴油閥，電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉由計算機控制。
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圖5 電控高壓共軌系統主要組成部件 |
圖6 電控柴油機高壓油泵 |
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圖7 電控柴油機輸油泵結構圖 |
圖8 柴油機高壓共軌系統軌壓分布圖 |
四、電控高壓共軌系統的特點(diǎn)
1、自由調節噴油壓力
通過(guò)控制共軌壓力而控制噴油壓力。利用共軌壓力傳感器測量燃油壓力，從而調整供油泵的供油量、調整共軌壓力。此外，還可以根據柴油發(fā)電機轉速、噴油量的大小與設定了的最佳值（指令值）始終一致地進(jìn)行反饋控制。
2、自由調節噴油量
以柴油發(fā)電機的轉速及油門(mén)開(kāi)度信號為基礎，計算機計算出最佳噴油量，并控制噴油器的通斷電時(shí)間。
3、自由調節噴油率形狀
根據柴油發(fā)電機用途的需要，設置并控制噴油率形狀：預噴射、后噴射、多段噴射等。
4、自由調節噴油時(shí)間
根據柴油發(fā)電機的轉速和噴油量等參數，計算出最佳噴油時(shí)間，并控制電控噴油器在適當的時(shí)刻開(kāi)啟，在適當的時(shí)刻關(guān)閉等，從而準確控制噴油時(shí)間。
（1）在電控共軌系統中，由各種傳感器——柴油發(fā)電機轉速傳感器、油門(mén)開(kāi)度傳感器、各種溫度傳感器等——實(shí)時(shí)檢測出柴油發(fā)電機的實(shí)際運行狀態(tài)，由微型計算機根據預先設計的計算程序進(jìn)行計算后，定出適合于該運行狀態(tài)的噴油量、噴油葉間、噴油率模型等參數，使柴油發(fā)電機始終都能在**佳狀態(tài)下工作。
（2）計算機具有自我診斷功能，對系統的主要零部件進(jìn)行技術(shù)診斷，如果某個(gè)零件產(chǎn)生了故障，則診斷系統會(huì )向操作員發(fā)出警報，并根據故障情況自動(dòng)作出處理；或使柴油發(fā)電機停止運行——即所謂故障應急功能，或切換控制方法，使發(fā)電機組繼續運行到安全的地方。
傳統的泵管嘴燃油系統中，噴油壓力與柴油發(fā)電機的轉速和負荷有關(guān)，不是一個(gè)獨立變量。在高壓電控共軌系統中，噴油壓力（共軌壓力）與柴油發(fā)電機的轉速和負荷無(wú)關(guān)，是可以獨立控制的。由共軌壓力傳感器測出燃油壓力，并與設定的目標燃油壓力進(jìn)行比較后進(jìn)行反饋控制。
總結：
共軌式柴油機電控燃油噴射系統技術(shù)集計算機控制技術(shù)、現代傳感檢測技術(shù)和先進(jìn)的噴油結構于一身。共軌式電控燃油噴射系統不再采用傳統的柱塞泵脈動(dòng)供油的原理，而是共軌直接或間接的形成恒定的高壓燃油，分送到每個(gè)噴油器，并借助于集成在每個(gè)噴油器上的高速電磁開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟與閉合，定時(shí)，定量的控制噴油器噴射至最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的點(diǎn)火時(shí)間、足夠的點(diǎn)火能量和最少的污染排放。該新技術(shù)已在國外以柴油機提供動(dòng)力的發(fā)電機組上投入使用。共軌式燃油噴射技術(shù)的現有研究結果表明噴油壓力高，燃油霧化后顆粒就越細，排放的有害氣體顆粒就越少。
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