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新闻主题	QSK19系列康明斯柴油发电机共轨系统概况

 

摘要：现代先进的柴油发电机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，在排放方面已取得重大突破，达到了相当高的水平。以采用先进的共轨系统(模块化的共轨燃油系统)康明斯QSK19为例，该发动机作为非公路用车已完全满足美国和欧洲Tier III排放法规。共轨系统于二十世纪90年代中后期才正式进入实用化阶段，目前在康明斯ISB，QSK19/23/38/50/60/78等发动机上已经得到了广泛的应用。

 

一、电喷系统的分类

 

      我们所说的电喷柴油发动机与传统的柴油机的主要区别在于它的燃油供给系统的不同，前者采用的是电子控制燃油系统，而后者采用的是机械式燃油系统，目前电子控制燃油系统可分为三种，分别为电控直列泵燃油系统、电控分配泵燃油系统和电控高压共轨燃油系统。前两种燃油系统是在传统的机械式燃油系统的基础上增加了一套精确控制发动机喷油量和喷油时间的电子装置，从而大大降低了发动机排放污染并提高了燃油经济性。第三种燃油系统是一种全新的燃油喷射系统，它是通过各种传感器检测出发动机的实际运行状态，通过计算机的计算和处理，可以对发动机的喷油量、喷油时间、喷油压力和喷油率进行最佳控制，从而实现了柴油发动机综合性能的又一次飞跃。三种不同电喷系统的优缺点分析如下：

 1、电控直列泵燃油喷射系统

（1）优点∶

① 预行程可变，因此喷油速率可变。

② 由于增加了预喷射口，可以实现预喷射。

③ 与原来的直列泵具有互换性，因此，柴油发电机组的发动机不需要作很大的改造。

（2）缺点：

①喷油正时和预喷射等的控制自由度低。

②由于喷油压力与发动机转速有关，低速时喷油压力较低。

③重量大

2、电控分配泵燃油系统

（1）优点∶

① 与传统端面凸轮的分配泵相比，可以实现高压喷射。

② 由于采用电磁阀来控制供油，因此可以实现预喷射。

③ 由于尺寸小、重量轻，安装性能好。

（2）缺点∶

① 与共轨喷油系统相比，控制喷油正时和预喷射的自由度低。

② 由于喷油压力与发动机转速有关，低速时的喷油压力低。

3、电控高压共轨燃油系统

（1）优点∶

① 喷射压力峰值较EUL/EUP低，但平均有效压力较高，喷油压力与转速无关。

② 可以独立改变喷油正时、喷油持续期和喷油压力。

③ 可以实现多段喷射。

④ 驱动转矩、机械噪声小。

（2）缺点∶

① 由于经需处于高的燃料压力下，必须在耐久性和安全性方面比柱塞式喷油泵花费更大的务力。

② 由于难于实现靴形喷油率，因此难以有效控制NO，的产生。

 

二、康明斯共轨系统概况

 

       康明斯柴油发电机在高速运转中，燃油喷射过程的时间控制在千分之几秒，实验证明，在喷射过程中燃油压力是随时间和位置的不断变化的。由于柴油的可压缩性和油路中柴油的压力波动，油管内的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，以至于出现二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧，尾气中于是增加了烟度和碳氢化合物的排放量，而且油耗也会增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷油，为了解决柴油发电机这个燃油压力变化的缺陷，康明斯采用了共轨系统技术，由高压油泵把经ECM控制的高压燃油输送到公共油轨，油轨压力大小与发动机的转速无关.ECM通过控制喷油器电磁阀时间来精确控制喷油量和喷油正时。康明斯高压共轨系统主要特点如下：

1、共轨系统的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油发电机综合性能。

2、可实现无级喷油正时，可控制NOx和微粒在较小的数值内，以满足排放要求。

3、通过电磁阀开启时间的长短精确控制燃油喷射量，从而提高燃油经济性和降低排放。

 

三、共轨系统及主要部件介绍

 

      如图1、图2所示，共轨系统主要由ECM、输油泵、齿轮泵、高压油泵、共轨管、电控喷油器、执行器以及各种传感器等组成。柴油发电机启动期间，输油泵将燃油输入齿轮泵，经齿轮泵输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的燃油压力由ECM通过执行器进行调节，ECM根据柴油发电机的运行状况，确定精确的喷油正时和喷油量，并通过电控喷油器将燃油喷入气缸。

 

图1  电控柴油发电机组喷射系统结构

图5  QSK19系列康明斯柴油发电机共轨系统

 

1、燃油泵

      共轨系统的燃油泵由三部分组成，如图3所示，即输油泵、齿轮泵和高压油泵。输油泵在发动机启动期间由ECM输出PWM信号来控制，工作时间仅为120秒，燃油经过输油泵进入齿轮泵，在齿轮泵的进口有一量孔，可调节油量的大小，同时齿轮泵里有一压力调节阀，将供应给高压泵的燃油压力调节到500-700Pa，在高压泵的进口有一由ECM控制的执行器，通过PWM信号控制，使高压泵(两缸柱塞泵)输出60Mpa-160Mpa的压力供应给高压油轨。在高压泵上还有-一个安全阀，当油轨中压力超过195Mpa时，安全阀会立即打开，迅速将高压油轨中的压力进行释放，并且导致发动机停机。

2、高压油管

      高压油管将高压泵提供的高压燃油输送到喷油器中。用于QSK19共轨系统的高压油管其容积与小功率的ISB共轨系统相比，它的容积较小，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油发电机工况的变化。而且，高压油管采用双层结构，以提高安全性和可靠性。高压共轨管上还安装了压力传感器，压力传感器向ECM提供高压油轨的压力信号。

3、电控喷油器

      电控喷油器是共轨系统中最关键和最复杂的部件，由ECM发出的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油管中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油发电机的燃烧室。电控喷油器的结构基本相似，都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成，图4为QSK19电控喷油器位置图。在电磁阀不通电时，电磁阀关闭，柱塞上下腔中的燃油压力相等，柱塞在弹簧弹力的作用下回位，使针阀关闭。当电磁阀通电时，柱塞上部腔中的燃油通过泄油口泄压，其压力下降，使得柱塞在下部腔中高压燃油的作用下开始上升，针阀被打开，开始喷油。由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此通过改变柴油发电机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。

 

图3  电控柴油机高压燃油泵结构图

图4  电喷柴油发电机的高压油管及喷油器

 

总结：

      由于共轨系统具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节的特点，该系统的采用可以使柴油发电机的经济性、动力性和排放性能都会有进一步的提高。然而，技术(软件和硬件)的引进也会大大增加我们产品的制造成本，因此需要我们加大对共轨系统的研究力度和国产化进程，使CCEC的柴油发电机水平跨上一个新的台阶。

 

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