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康明斯發電機組電控共軌系統的結構與原理 |
摘要：能源危機和環境污染是社會大眾所面臨的問題，節約能源、降低排放的要求促進了柴油機噴射技術的發展。高壓共軌電控燃油噴射技術與傳統的噴油技術相比，進一步降低了燃油消耗，增強了動力性能，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。電控高壓共軌技術是目前國內柴油發電機行業為達到國三排放標準所普遍采用的一種成熟的電控技術。本文以康明斯國三電控共軌柴油發電機為例，在本文中簡述了其發展現狀，并對國三柴油發電機電控共軌系統的結構、原理進行了論述。
一、康明斯電控柴油機概述
1、電噴系統的分類
我們所說的電噴柴油發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電機噴油量和噴油時間的電子裝置，從而大大降低了柴油發電機排放污染并提高了燃油經濟性。
（2）第三種燃油系統是一種全新的燃油噴射系統，它是通過各種傳感器檢測出柴油發電機的實際運行狀態，通過計算機的計算和處理，可以對柴油發電機的噴油量、噴油時間、噴油壓力和噴油率進行最佳控制，從而實現了柴油發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、電控高壓共軌關鍵技術
（1）軟件技術
ECU軟件的實質是企業在技術開發過程中通過對發動機在各種工作狀態下進行試驗而獲得的知識和經驗積累，是一個不斷完善和細化的過程。ECU軟件先檢測出發動機的轉速和油門開度等參數，然后輸入到計算機內，形成MAP。在工作時可將發動機實時參數與MAP進行分析處理，然后向伺服回路發出指令進行控制。
（2）傳感器技術
隨著噴射壓力的不斷提高和其它相關技術的發展，將有更高精度和響應速度的新型智能傳感器來滿足使用要求。
3、高壓共軌技術研究方向
高壓共軌電控燃油噴射技術是柴油機領域的一次革命，它不僅保留了傳統柴油機卓越的燃油經濟性能，還進一步降低了有害氣體和粉塵的排放，使其更節能，更環保，在性能上已遠遠超過了傳統汽油機。同時，該技術還具有很大的發展潛力，進一步的研究主要體現在以下幾個方面：
① 提高噴射壓力，減小噴孔直徑，增加噴孔數量；
② 進一步開發壓電噴油器，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展前景非常遠大，這門綜合性的新技術，一定會在發展中得到進一步完善。
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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
簡單來說，從圖3電控燃油系統模擬圖和圖4的原理圖可以看出，燃油由柴油發電機凸輪軸驅動的齒輪泵經濾清器從油箱中抽出，通過一個電磁緊急關閉閥流入供油泵。此時的壓力約為0.5MPa，然后油流分為兩路，一路經安全閥上的小孔作為冷卻油通過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。共軌上有一個壓力傳感器和一個通過切斷油路來控制流量的壓力控制閥。用這種方法來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
（1）輸油泵燃油總流程
燃油從燃油箱被吸入到進油泵，然后通過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，然后燃油通過出油閥被壓送到油軌。
（2）燃油排供油控制
從進油泵輸送的燃油經過柱塞抽吸。為了調整油軌壓力，PCV對排放量進行控制。每一個行程期間PCV和柱塞的操作：
① 進氣行程
在柱塞下降行程中，PCV打開，同時低壓燃油通過PCV被吸入到柱塞室中。
② 預行程
就在柱塞進入上升行程時，PCV不通電并保持開啟。此時，通過PCV吸入的燃油沒經過加壓（預行程）而通過PCV返回。
③ 抽吸行程
在獲得所需排放量的最佳時機，提供電力使PCV關閉，則返回通道關閉，同時柱塞室中的壓力上升。因此，燃油流經出油閥（反向切斷閥），然后被抽吸到油軌。具體情況是，PCV關閉之后柱塞升程部分變成排放量，而且通過改變PCV關閉正時（柱塞行程的終點），排放量得到改變，從而使油軌壓力得到控制。
④ 進氣行程
當凸輪超過最大升程時，柱塞進入下降行程，同時柱塞室中的壓力下降。此時，出油閥關閉，燃油抽吸停止。此外，PCV由于被斷電而打開，低壓燃油被吸入到柱塞室。
2、噴油器工作原理
噴油器通過控制室中的燃油壓力來控制噴射。TWV通過對控制室中的燃油泄漏進行控制從而對控制室的燃油壓力進行控制。TWV隨噴油器類型的不同而改變。
（1）無噴射
當TWV未通電時，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閉。
（2）噴射
當TWV通電開始時，TWV閥被拉起，從而打開控制室的溢流通道。當溢流通道打開時，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，噴射開始。當燃油從控制室泄漏時，流量受到量孔的限制，因此噴嘴逐漸打開。隨著噴嘴打開，噴射率升高。隨著電流被繼續施加到TWV，噴嘴針最終達到最大升程，從而實現最大噴射率。
（3）噴射結束
TWV通電結束時，閥下降，從而關閉控制室的溢流通道。當溢流通道關閉時，控制室中的燃油壓力立即返回油軌壓力，噴嘴突然關閉，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，并消除燃油中的壓力波動，然后再輸送給每個噴油器，通過控制噴油器上的電磁閥實現噴射的開始和終止。其主要特點可以概括如下：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力矩比傳統油泵小得多。
（1）通過高壓油泵上的壓力調節電磁閥，可以根據發動機負荷狀況以及經濟性和排放性的要求對共軌腔內的油壓進行靈活調節，尤其優化了發動機的低速性能。
（2）通過噴油器上的電磁閥控制噴射定時，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油口，由發動機驅動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，在缸內發生預混合或者部分燃燒，縮短主噴射的著火延遲期。這樣缸內壓力升高率和峰值壓力都會下降，發動機工作比較緩和，同時缸內溫度降低使得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性能。
（4）柴油機主噴射初期降低噴射速率，也可以減少著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，可以縮短噴射時間從而縮短緩燃期，使燃燒在發動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通過共軌直接或間接地形成恒定的高壓燃油，分送到每個噴油器，并借助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關閥的開啟與閉合，定時、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，以及最佳的點火時間、足夠的點火能量和最少的污染排放。
共軌技術是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環系統中，將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。它由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過對公共供油管內的油壓實現精確控制，使高壓油管壓力大小與發動機的轉速無關，可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發動機轉速的變化，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
高壓油泵有兩個高壓柱塞泵，靠飛輪端為油泵，靠前端為油泵。分別由兩個凸輪（每個凸輪上均有3個凸緣）驅動，按時將六缸所需要的燃油供應給高壓油軌。其結構外觀示意圖如圖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黃色閥體為壓力控制閥（PCV），分別控制兩個泵的供油量與供油時刻。兩個電磁閥分別各對應一個線束插頭，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電機第1缸壓縮上止點的到來時刻，作為噴油的基準信號。高壓油泵內部集成了一個凸輪軸位置傳感器和二個相應的信號盤，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，壓力控制閥開啟，低壓燃油經控制閥流入柱塞腔。
② 柱塞上行時，由于控制閥中尚未通電，處于開啟狀態，低壓燃油經控制閥流回低壓腔。
③ 在達到供油量定時的時刻，控制閥通電，使之關閉，回流油路被切斷，柱塞腔中的燃油被壓縮，燃油經出油閥進入高壓油軌。利用控制閥關閉時間的不同，控制進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 凸輪經過最大升程后，柱塞進入下降行程，柱塞腔內的壓力降低，出油閥關閉，停止供油，這時控制閥停止供電，處于開啟狀態、低壓燃油進入柱塞腔，進入下一個循環。
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和每個噴油器由噴油過程引起的壓力振蕩，使高壓油軌中的壓力波動控制在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共軌管所能承受的最高壓力時，軌壓限制閥會自動開啟，將共軌壓力降低到約30MPa。
（2）在共軌管的上部有六個流量限制閥（同缸數一致），分別與六個缸的高壓油管相連。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限值時，流量限制閥會動作，切斷該缸的燃油供應。共軌的外側有1～2個進油口，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，帶有一個線束插頭。
（3）采用電裝共軌系統的康明斯柴油發電機高壓油管共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。根據各個傳感器的信息，計算機進行計算、完成各種處理后，求出最佳噴油時間和最合適的噴油量，并且計算出在什么時刻、在多長的時間范圍內向噴油器發出開啟電磁閥、或關閉電磁閥的指令等，從而精確控制柴油發電機的工作過程。電子控制系統的核心是ECU——電子控制單元。ECU就是一個微型計算機。ECU的輸入是安裝在發電機組和柴油發電機上的各種傳感器和開關；ECU的輸出是送往各個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；共軌實際上是一種燃油分配管。儲存在共軌內的燃油在適當的時刻通過噴油器噴入柴油發電機氣缸內。電控共軌系統中的噴油器是一種由電磁閥控制的噴油閥，電磁閥的開啟和關閉由計算機控制。
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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
1、自由調節噴油壓力
通過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）始終一致地進行反饋控制。
2、自由調節噴油量
以柴油發電機的轉速及油門開度信號為基礎，計算機計算出最佳噴油量，并控制噴油器的通斷電時間。
3、自由調節噴油率形狀
根據柴油發電機用途的需要，設置并控制噴油率形狀：預噴射、后噴射、多段噴射等。
4、自由調節噴油時間
根據柴油發電機的轉速和噴油量等參數，計算出最佳噴油時間，并控制電控噴油器在適當的時刻開啟，在適當的時刻關閉等，從而準確控制噴油時間。
（1）在電控共軌系統中，由各種傳感器——柴油發電機轉速傳感器、油門開度傳感器、各種溫度傳感器等——實時檢測出柴油發電機的實際運行狀態，由微型計算機根據預先設計的計算程序進行計算后，定出適合于該運行狀態的噴油量、噴油葉間、噴油率模型等參數，使柴油發電機始終都能在**佳狀態下工作。
（2）計算機具有自我診斷功能，對系統的主要零部件進行技術診斷，如果某個零件產生了故障，則診斷系統會向操作員發出警報，并根據故障情況自動作出處理；或使柴油發電機停止運行——即所謂故障應急功能，或切換控制方法，使發電機組繼續運行到安全的地方。
傳統的泵管嘴燃油系統中，噴油壓力與柴油發電機的轉速和負荷有關，不是一個獨立變量。在高壓電控共軌系統中，噴油壓力（共軌壓力）與柴油發電機的轉速和負荷無關，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行比較后進行反饋控制。
總結：
共軌式柴油機電控燃油噴射系統技術集計算機控制技術、現代傳感檢測技術和先進的噴油結構于一身。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，分送到每個噴油器，并借助于集成在每個噴油器上的高速電磁開關閥的開啟與閉合，定時，定量的控制噴油器噴射至最佳的燃燒比和良好的霧化，以及最佳的點火時間、足夠的點火能量和最少的污染排放。該新技術已在國外以柴油機提供動力的發電機組上投入使用。共軌式燃油噴射技術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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