新聞主題	改善康明斯柴油發(fā)電機的燃油系統(tǒng)方法

 

前言：當前，為了適應全球?qū)?jié)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(guī)。經(jīng)國務院批準，在全國范圍內(nèi)對所有非道路用柴油發(fā)電機實施國家第三階段排放標準(簡稱國3排放)。排放法規(guī)的不斷嚴格推動了柴油發(fā)電機的技術進步，目前從發(fā)展趨勢來看，共軌和單體泵是比較成熟的國3技術，但是由于其核心零部件由國外企業(yè)壟斷，國內(nèi)企業(yè)要裝配不但價格高，而且供應量也存在問題。為了解決這一問題，作為中美合資品牌康明斯發(fā)電機廠家在分析了柴油發(fā)電機排放控制技術發(fā)展的基礎上，經(jīng)過多年的實踐和探索研究后，開發(fā)了一種新型的燃油噴射系統(tǒng)“直列泵+電子調(diào)速器+冷卻ECR”，該技術在國內(nèi)獲得了成功。這一技術在成本和維修方面優(yōu)勢明顯，符合中國當下的實際情況，得到了各企業(yè)的青睞。接下來康明斯廠家小編將著重介紹這一技術思路中的燃油系統(tǒng)的開發(fā)。

 

一、現(xiàn)代柴油機尾氣排放技術概述

 

      隨著經(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)電機排放控制的關鍵。

1、放熱規(guī)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(tǒng)總體構(gòu)造、控制策略，建立了一套有效的EGR控制系統(tǒng)，并在對同時降低NOx和PM的方法進行了相關探討。本文以電控技術和EGR技術為基礎，根據(jù)多個工況的試驗，制取了EGR最佳控制MAP圖，并通過試驗表明，EGR電控系統(tǒng)和柴油機相匹配良好，EGR電控系統(tǒng)能夠在合理控制PM排放的基礎上切實有效的降低NOx的排放，并且柴油機的動力性和經(jīng)濟性無明顯惡化。

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

      放熱規(guī)律與示功圖如圖2所示。放熱規(guī)律的韋伯公式表達最常見的方法是利用半經(jīng)驗公式，韋伯公式就是其中的一種，也稱為韋伯燃燒規(guī)律。鏈式反應的化學性質(zhì)是由反應過程中形成的話化中心的數(shù)量來確定的。50年代，韋伯根據(jù)鏈反應理論提出了描寫內(nèi)燃機燃燒速度的半經(jīng)驗公式，認為參與化學反應的原始物質(zhì)的分子數(shù)與能引起有效反應的活化中心的數(shù)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，由此縮短整個燃燒期間，使燃燒過程及時又完全。

      柴油發(fā)電機機內(nèi)凈化的核心是對燃燒過程進行優(yōu)化，使柴油機達到混合均勻、燃燒充分、工作柔和、啟動可靠、排放較少的要求。采取機內(nèi)凈化是治本之舉，它是通過改進柴油發(fā)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)或者增加附加裝置來改善燃燒性能，進而達到減少NOx排放的目的。

 

圖1  柴油機燃燒過程（混合氣的形式）

圖2  放熱規(guī)律與示功圖

 

2、噴油系統(tǒng)的優(yōu)化

       噴油系統(tǒng)的優(yōu)化就是使燃油噴射參數(shù)最佳化。這些參數(shù)包括噴油定時、噴油壓力、噴油速度和噴孔結(jié)構(gòu)等。通過參數(shù)的優(yōu)化來抑制預混合燃燒，即減少在滯燃期內(nèi)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。

      NOx排放對噴油定時極為敏感。延遲噴油可降低NOx排放，但必須合理調(diào)整燃燒系統(tǒng)及噴油系統(tǒng)的其他參數(shù)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(diào)壓閥技術（如圖3所示）和根據(jù)運行工況調(diào)節(jié)噴油始點，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使微粒排放增加。

（3）優(yōu)化噴油速度。

      當噴油提前角一定時，提高噴油速率，縮短噴油持續(xù)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(jié)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，應綜合權(quán)衡以謀求各參數(shù)的最佳值。

（4）優(yōu)化噴孔結(jié)構(gòu)。

       噴油器噴孔直徑和數(shù)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，減少孔徑會減少初期噴油量，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(shù)，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(diào)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

      為滿足國3排放法規(guī)，康明斯發(fā)電機廠家斷定必須改善柴油發(fā)電機的燃燒性能，燃油系統(tǒng)作為柴油發(fā)電機的“心臟”是研發(fā)的重中之重。康明斯廠家的設計開發(fā)思路是：燃油系統(tǒng)的嘴端噴射壓力要達到130MPa以上；采用頂隙柱塞偶件實現(xiàn)噴油正時；采用電子調(diào)速器來提高系統(tǒng)響應速度，滿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(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。如果提高燃油系統(tǒng)噴射壓力必須首先提高其泵端壓力，對于直列泵來說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，為滿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(tǒng)的嘴端噴射壓力大幅提升，遠超過130MPa以上，滿足供油要求。另外，由于提高了燃油系統(tǒng)的噴射壓力，使得噴油泵的驅(qū)動扭矩也隨之升高，這樣就導致傳統(tǒng)的機械式提前器的工作可靠性下降。為解決這一問題，目前的方法是取消傳統(tǒng)的機械式提前器，設計開發(fā)頂隙式柱塞偶件來滿足噴油正時要求。通過試驗，測試改進后噴油泵的噴油提前特性完全能滿足要求。

2、執(zhí)行器的設計和結(jié)構(gòu)布置

      目前國產(chǎn)執(zhí)行元件主要有比例電磁鐵執(zhí)行機構(gòu)和步進電機執(zhí)行機構(gòu)2種，設計方案中選用了推力大的比例電磁鐵作為執(zhí)行元件，它具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，推力大，響應快等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)位移的精確控制，并且維護簡單。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(gòu)連接執(zhí)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(diào)速器的空間尺寸，但在調(diào)節(jié)供油量的過程中容易產(chǎn)生供油死角，使噴油泵卡死，而且多出的杠桿機構(gòu)易損壞，可靠性差。為此可直接連接執(zhí)行元件和拉桿，即采用直線推動的控制方式來避免上述問題的產(chǎn)生，使調(diào)速器更簡便有效、可靠。

3、電子調(diào)速器的設計

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

4、位置傳感器的特點與布置

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

 

圖3  康明斯發(fā)動機電控燃油系統(tǒng)圖

圖4  康明斯電控燃油傳感器類型

 

總結(jié)：

      康明斯發(fā)電機廠家設計開發(fā)的這一整套電調(diào)型燃油系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)有的成熟機型通過匹配達到了國3排放標準。首先，通過設計改進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，進一步改善了燃燒；其次，設計了電子調(diào)速器，調(diào)速器不僅提高了燃油系統(tǒng)的響應，而且具備尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，使用維護方便的特點；ESC試驗循環(huán)結(jié)果表明，NO相對原機減少了lO％，顆粒減少了6o％，最終滿足國3排放標準的要求。

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