阐述康明斯电喷机ECU电子控制技术的特点
发布时间：2022-02-01 16:25:18 ▏阅读：次
摘要：由于柴油发电机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解决康明斯发电机组能源问题最现实和最可靠的手段。因此柴油发电机的使用范围越来越广，数量越来越多。同时对柴油发电机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。依靠传统的机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转的要求。近年来，随着计算机技术、传感器技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油发电机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。
一、柴油发电机电子控制技术的发展状况
实际上，柴油发电机排气中CO和HC比汽油机少得多，NOX排放量与汽油机相近，只是排气微粒较多，这与柴油发电机燃烧机理有关。柴油发电机是一种非均质燃烧，可燃混合气形成时间很短，而且可燃混合气形成与燃烧过程交错在一起。通过分析柴油发电机喷油规律得到：喷入燃料的雾化质量、汽缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程的进展以及有害排放物的生成。提高喷油压力和柴油雾化效果、使用预喷射、分段喷射等可以有效的改善排放。
经过多年的研究和新技术应用，柴油发电机的现状已与以往大不相同。现代先进的柴油发电机一般采用电控喷射、高压共轨（见图1）、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。随着国际上日益严格的排放控制标准的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油发电机都面临着严峻的挑战，解决的办法之一是采用电子控制燃油喷射的技术。
图1 康明斯发电机组电控系统
二、柴油发电机电子控制技术的发展趋势
1、高的喷射压力
为满足排放法规的要求，柴油喷射压力从10MPa提高到200MPa。如此高的喷射压力可明显改善柴油和空气的混合质量，缩短着火延迟期，使燃烧更迅速、更彻底，并且控制燃烧温度，从而降低废气排放。
为满足排放法规的要求，柴油喷射压力从10MPa提高到200MPa。如此高的喷射压力可明显改善柴油和空气的混合质量，缩短着火延迟期，使燃烧更迅速、更彻底，并且控制燃烧温度，从而降低废气排放。
2、独立的喷射压力控制
传统柴油发电机的供油系统的喷射压力与柴油发电机的转速负荷有关。这种特性对于低转速、部分负荷条件下的燃油经济性和排放不利。若供油系统具有不依赖转速和负荷的喷射压力控制能力，就可选择最合适的喷射压力使喷射持续期、着火延迟期最佳，使柴油发电机在各种工况下的废气排放最低而经济性最优。
传统柴油发电机的供油系统的喷射压力与柴油发电机的转速负荷有关。这种特性对于低转速、部分负荷条件下的燃油经济性和排放不利。若供油系统具有不依赖转速和负荷的喷射压力控制能力，就可选择最合适的喷射压力使喷射持续期、着火延迟期最佳，使柴油发电机在各种工况下的废气排放最低而经济性最优。
3、改善柴油发电机燃油经济性
用户对柴油发电机的燃油消耗率非常关注。高喷射压力、独立的喷射压力控制、小喷孔、高平均喷油压力等措施都能降低燃油消耗率，从而提高了柴油发电机的燃油使用经济性。
用户对柴油发电机的燃油消耗率非常关注。高喷射压力、独立的喷射压力控制、小喷孔、高平均喷油压力等措施都能降低燃油消耗率，从而提高了柴油发电机的燃油使用经济性。
4、独立的燃油喷射正时控制
喷射正时直接影响到柴油发电机活塞上止点前喷入汽缸的油量，决定着汽缸的峰值爆发压力和最高温度。高的汽缸压力和温度可以改善燃油使用经济性，但导致NOX增加。而不依赖于转速和负荷的喷射正时控制能力，是在燃油消耗率和排放之间实现最佳平衡的关键措施。
喷射正时直接影响到柴油发电机活塞上止点前喷入汽缸的油量，决定着汽缸的峰值爆发压力和最高温度。高的汽缸压力和温度可以改善燃油使用经济性，但导致NOX增加。而不依赖于转速和负荷的喷射正时控制能力，是在燃油消耗率和排放之间实现最佳平衡的关键措施。
5、可变的预喷射控制能力
预喷射可以降低颗粒排放，又不增加NOX排放，还可改善柴油发电机冷启动性能、降低冷态工况下白烟的排放，降低噪声，改善低速扭矩。但是预喷射量、预喷射与主喷射之间的时间间隔在不同工况下的要求是不一样的。因此具有可变的预喷射控制能力对柴油发电机的性能和排放十分有利。
预喷射可以降低颗粒排放，又不增加NOX排放，还可改善柴油发电机冷启动性能、降低冷态工况下白烟的排放，降低噪声，改善低速扭矩。但是预喷射量、预喷射与主喷射之间的时间间隔在不同工况下的要求是不一样的。因此具有可变的预喷射控制能力对柴油发电机的性能和排放十分有利。
6、最小油量的控制能力
供油系统具有高喷射压力的能力与柴油发电机怠速所需要的小油量控制能力发生矛盾。当供油系统具有预喷射能力后将会使控制小油量的能力进一步降低。由于工程机械用柴油发电机的工况很复杂，怠速工况经常出现，而电喷柴油发电机容易实现最小油量控制。
供油系统具有高喷射压力的能力与柴油发电机怠速所需要的小油量控制能力发生矛盾。当供油系统具有预喷射能力后将会使控制小油量的能力进一步降低。由于工程机械用柴油发电机的工况很复杂，怠速工况经常出现，而电喷柴油发电机容易实现最小油量控制。
三、柴油发电机电子控制技术的目的及优点
目的：优化动力性、改善燃油使用经济性、控制排放，使柴油发电机从怠速至额定转速范围内均能获得最佳工作状况，防止可能发生的危险运行状况，延长零件的使用寿命。
优点：
1、具有多功能的自动调节性能
柴油发电机的运转工况是多变的，而且对油耗、排放和可靠性等要求较高。康明斯ECU控制器的自动控制技术应用于柴油发电机的调节系统正好可以实现多功能的自动调节，从而保证柴油发电机动力性、燃料使用经济性、可靠性和操作方便性等性能充分发挥。
柴油发电机的运转工况是多变的，而且对油耗、排放和可靠性等要求较高。康明斯ECU控制器的自动控制技术应用于柴油发电机的调节系统正好可以实现多功能的自动调节，从而保证柴油发电机动力性、燃料使用经济性、可靠性和操作方便性等性能充分发挥。
康明斯ECU控制器
2、减轻质量、缩小尺寸、提高柴油发电机的紧凑性
对于现代高速柴油发电机而言，由于驱动喷油泵的扭矩较大，要设计一个紧凑和可靠的供油提前自动调节器很复杂，而且在柴油发电机总体布置上也比较困难。采用自动控制技术解决供油提前角自动调节问题，不仅可以容易地解决上述难题，而且提高了柴油发电机的紧凑性。
对于现代高速柴油发电机而言，由于驱动喷油泵的扭矩较大，要设计一个紧凑和可靠的供油提前自动调节器很复杂，而且在柴油发电机总体布置上也比较困难。采用自动控制技术解决供油提前角自动调节问题，不仅可以容易地解决上述难题，而且提高了柴油发电机的紧凑性。
3、使柴油发电机的动力输出和负荷得到更精确的匹配
随着工程机械制造技术高速发展，为了提高自行式工程机械的作业效能，采用了电喷柴油发电机，电控自动变速器等自动控制装置，使自行式工程机械在作业时，能随着负荷的变化在一定范围内自动调整动力输出、动力传递，柴油发电机的动力输出和负荷得到更精确的匹配，充分发挥工程机械作业效能。
随着工程机械制造技术高速发展，为了提高自行式工程机械的作业效能，采用了电喷柴油发电机，电控自动变速器等自动控制装置，使自行式工程机械在作业时，能随着负荷的变化在一定范围内自动调整动力输出、动力传递，柴油发电机的动力输出和负荷得到更精确的匹配，充分发挥工程机械作业效能。
四、柴油发电机电控技术的特点
柴油发电机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元和执行器三部分组成。在电控喷射方面柴油发电机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比（汽油与空气的比例），柴油发电机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出油量的大小，且柴油发电机喷油控制是由康明斯发电机组的转速和加速踏板位置（油门、供油拉杆位置）来决定的。柴油发电机电控技术有两个明显的特点：一是柴油喷射电控执行器复杂，二是柴油电控喷射系统的多样化。
1、柴油发电机是一种热效率比较高的动力机械
柴油发电机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点。其喷射压力高达200MPa，为汽油机喷射压力的百倍以上。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制，困难大得多。而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高，相对于柴油发电机活塞上止点的角度位置远比汽油机要求准确，这就导致了柴油喷射的电控执行器要复杂得多。
柴油发电机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点。其喷射压力高达200MPa，为汽油机喷射压力的百倍以上。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制，困难大得多。而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高，相对于柴油发电机活塞上止点的角度位置远比汽油机要求准确，这就导致了柴油喷射的电控执行器要复杂得多。
2、由于柴油发电机的喷射系统形式多样
传统的柴油发电机具有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统。实施电控技术的执行机构比较复杂，形成了柴油喷射系统的多样化；同时柴油发电机需要对油量、定时、喷油压力等多参数进行综合控制，其软件的难度也大于汽油机。
传统的柴油发电机具有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统。实施电控技术的执行机构比较复杂，形成了柴油喷射系统的多样化；同时柴油发电机需要对油量、定时、喷油压力等多参数进行综合控制，其软件的难度也大于汽油机。
3、电控柴油喷射系统分类
最先出现的是电控喷油泵技术，而后又发展了电控泵喷嘴技术（见图3）和高压共轨喷射技术，后两种技术是现在最主要的柴油发电机电控喷射技术。其中，电控泵喷嘴技术的喷油压力非常高，可以达到200MPa，并且泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引导部分，泵喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式預喷射，这是很符合柴油发电机的要求。但电控泵喷嘴技术的喷油压力受柴油发电机转速影响，使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决这个问题。它的喷油压力低于泵喷嘴系统，能达到160MPa。
最先出现的是电控喷油泵技术，而后又发展了电控泵喷嘴技术（见图3）和高压共轨喷射技术，后两种技术是现在最主要的柴油发电机电控喷射技术。其中，电控泵喷嘴技术的喷油压力非常高，可以达到200MPa，并且泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引导部分，泵喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式預喷射，这是很符合柴油发电机的要求。但电控泵喷嘴技术的喷油压力受柴油发电机转速影响，使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决这个问题。它的喷油压力低于泵喷嘴系统，能达到160MPa。
图3 康明斯原装喷油器
电子伺服机构代替机械调速器控制供油滑套位置以实现供油量的调整。其特点是保留了传统的喷油泵——高压油管——喷油器系统，只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械调速器控制改为计算机控制。这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的TICS系统。
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