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康明斯发电机组电控共轨系统的结构与原理 |
摘要：能源危机和环境污染是社会大众所面临的问题，节约能源、降低排放的要求促进了柴油机喷射技术的发展。高压共轨电控燃油喷射技术与传统的喷油技术相比，进一步降低了燃油消耗，增强了动力性能，达到了更加严格排放法规的要求，并使系统具有更高的喷射压力和更加灵活的喷油方式。电控高压共轨技术是目前国内柴油发电机行业为达到国三排放标准所普遍采用的一种成熟的电控技术。本文以康明斯国三电控共轨柴油发电机为例，在本文中简述了其发展现状，并对国三柴油发电机电控共轨系统的结构、原理进行了论述。
一、康明斯电控柴油机概述
1、电喷系统的分类
我们所说的电喷柴油发电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
（1）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柴油发电机喷油量和喷油时间的电子装置，从而大大降低了柴油发电机排放污染并提高了燃油经济性。
（2）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柴油发电机的实际运行状态，通过计算机的计算和处理，可以对柴油发电机的喷油量、喷油时间、喷油压力和喷油率进行最佳控制，从而实现了柴油发电机综合性能的又一次飞跃。以康明斯柴油机为例，其4缸电喷机型燃油系统结构如图1所示；6缸电喷机型燃油系统结构如图2所示。
2、电控高压共轨关键技术
（1）软件技术
ECU软件的实质是企业在技术开发过程中通过对发动机在各种工作状态下进行试验而获得的知识和经验积累，是一个不断完善和细化的过程。ECU软件先检测出发动机的转速和油门开度等参数，然后输入到计算机内，形成MAP。在工作时可将发动机实时参数与MAP进行分析处理，然后向伺服回路发出指令进行控制。
（2）传感器技术
随着喷射压力的不断提高和其它相关技术的发展，将有更高精度和响应速度的新型智能传感器来满足使用要求。
3、高压共轨技术研究方向
高压共轨电控燃油喷射技术是柴油机领域的一次革命，它不仅保留了传统柴油机卓越的燃油经济性能，还进一步降低了有害气体和粉尘的排放，使其更节能，更环保，在性能上已远远超过了传统汽油机。同时，该技术还具有很大的发展潜力，进一步的研究主要体现在以下几个方面：
① 提高喷射压力，减小喷孔直径，增加喷孔数量；
② 进一步开发压电喷油器，研制新型智能传感器；
③ 加强控制模式与算法的研究；
④ 加强安全保护、故障诊断及紧急运行能力的研究；
⑤ 提高系统的可靠性和寿命，降低成本。
总之，共轨电控燃油喷射系统发展前景非常远大，这门综合性的新技术，一定会在发展中得到进一步完善。
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图1 四缸柴油机高压共轨燃油喷射系统 |
图2 六缸柴油机高压共轨燃油喷射系统 |
二、电控共轨系统工作原理
简单来说，从图3电控燃油系统模拟图和图4的原理图可以看出，燃油由柴油发电机凸轮轴驱动的齿轮泵经滤清器从油箱中抽出，通过一个电磁紧急关闭阀流入供油泵。此时的压力约为0.5MPa，然后油流分为两路，一路经安全阀上的小孔作为冷却油通过供油泵的凸轮轴室流入压力控制阀，然后流回油箱。另一路充入3缸供油泵。在供油泵内，燃油压力上升到135MPa或更高，供入共轨。共轨上有一个压力传感器和一个通过切断油路来控制流量的压力控制阀。用这种方法来调节控制单元设定的共轨压力。高压燃油从共轨流入喷油器后又分为两路：一路直接喷入燃烧室，另一路在喷油期间，与针阀导向部分和控制柱塞处泄漏出的燃油一起流回油箱。
1、输油泵工作原理理及特点
（1）输油泵燃油总流程
燃油从燃油箱被吸入到进油泵，然后通过PCV输送到抽吸机构。PCV将抽吸机构抽吸的燃油量调整到必要的排出量，然后燃油通过出油阀被压送到油轨。
（2）燃油排供油控制
从进油泵输送的燃油经过柱塞抽吸。为了调整油轨压力，PCV对排放量进行控制。每一个行程期间PCV和柱塞的操作：
① 进气行程
在柱塞下降行程中，PCV打开，同时低压燃油通过PCV被吸入到柱塞室中。
② 预行程
就在柱塞进入上升行程时，PCV不通电并保持开启。此时，通过PCV吸入的燃油没经过加压（预行程）而通过PCV返回。
③ 抽吸行程
在获得所需排放量的最佳时机，提供电力使PCV关闭，则返回通道关闭，同时柱塞室中的压力上升。因此，燃油流经出油阀（反向切断阀），然后被抽吸到油轨。具体情况是，PCV关闭之后柱塞升程部分变成排放量，而且通过改变PCV关闭正时（柱塞行程的终点），排放量得到改变，从而使油轨压力得到控制。
④ 进气行程
当凸轮超过最大升程时，柱塞进入下降行程，同时柱塞室中的压力下降。此时，出油阀关闭，燃油抽吸停止。此外，PCV由于被断电而打开，低压燃油被吸入到柱塞室。
2、喷油器工作原理
喷油器通过控制室中的燃油压力来控制喷射。TWV通过对控制室中的燃油泄漏进行控制从而对控制室的燃油压力进行控制。TWV随喷油器类型的不同而改变。
（1）无喷射
当TWV未通电时，它切断控制室的溢流通道，因此控制室中的燃油压力和施加到喷嘴针的燃油压力为同一油轨压力。从而，喷嘴针阀由于控制活塞的承压面和喷嘴弹簧力之间的差别而关闭，燃油未喷射。对于X1型，外部阀被弹簧力和外部阀中的燃油压力推向座，从而控制室的泄漏通道被切断。对于X2/G2型，控制室出油量孔直接在弹簧力作用下关闭。
（2）喷射
当TWV通电开始时，TWV阀被拉起，从而打开控制室的溢流通道。当溢流通道打开时，控制室中的燃油流出，压力下降。由于控制室中的压力下降，喷嘴针处的压力克服向下压的力，喷嘴针被向上推，喷射开始。当燃油从控制室泄漏时，流量受到量孔的限制，因此喷嘴逐渐打开。随着喷嘴打开，喷射率升高。随着电流被继续施加到TWV，喷嘴针最终达到最大升程，从而实现最大喷射率。
（3）喷射结束
TWV通电结束时，阀下降，从而关闭控制室的溢流通道。当溢流通道关闭时，控制室中的燃油压力立即返回油轨压力，喷嘴突然关闭，喷射停止。
3、高压共轨柴油机工作原理
高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。其主要特点可以概括如下：共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。
（1）通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。
（2）通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。
（3）预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内发生预混合或者部分燃烧，缩短主喷射的着火延迟期。这样缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发动机工作比较缓和，同时缸内温度降低使得NOX排放减小。预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的冷起动性能。
（4）柴油机主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放。共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。
共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。
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图3 康明斯柴油机高压共轨系统3D模拟图 |
图4 高压共轨燃油系统原理图 |
三、康明斯共轨系统的组成
电控共轨系统主要部件有高压油泵、高压油轨、高压油管、高压油管接管、电控喷油器、低压油管、柴滤、油箱等，如图5所示。
1、电控高压油泵
（1）电装共轨系统的高压油泵
高压油泵有两个高压柱塞泵，靠飞轮端为油泵，靠前端为油泵。分别由两个凸轮（每个凸轮上均有3个凸缘）驱动，按时将六缸所需要的燃油供应给高压油轨。其结构外观示意图如图6所示。
（2）输油泵
手油泵用于排出燃油喷射系统中油路的空气，其结构外观如图7所示。输油泵位于高压油泵的左侧，与高压油泵集成在一起，提供高压油泵一定压力的燃油。位于油泵上部的两个黄色阀体为压力控制阀（PCV），分别控制两个泵的供油量与供油时刻。两个电磁阀分别各对应一个线束插头，靠飞轮端为阀（PCV1），靠前端为阀（PCV2）。其作用是调整共轨管内的燃油压力，方法是调整油泵压入共轨管内的燃油量。
（3）凸轮轴位置传感器（G传感器）
凸轮轴位置传感器用于判断柴油发电机第1缸压缩上止点的到来时刻，作为喷油的基准信号。高压油泵内部集成了一个凸轮轴位置传感器和二个相应的信号盘，凸轮轴置传感器的插头在油泵正面中部位置。
① 柱塞下行时，压力控制阀开启，低压燃油经控制阀流入柱塞腔。
② 柱塞上行时，由于控制阀中尚未通电，处于开启状态，低压燃油经控制阀流回低压腔。
③ 在达到供油量定时的时刻，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的燃油被压缩，燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制进入高压油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的。
④ 凸轮经过最大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭，停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态、低压燃油进入柱塞腔，进入下一个循环。
2、高压共轨管组件
高压共轨管将供油泵提供的高压燃油经稳压、滤波后，供应给各缸喷油器，起蓄压器的作用。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力振荡，使高压油轨中的压力波动控制在5MPa之下。其轨压分布图如图8所示。
（1）轨压限制阀的作用是当共轨压力超过共轨管所能承受的最高压力时，轨压限制阀会自动开启，将共轨压力降低到约30MPa。
（2）在共轨管的上部有六个流量限制阀（同缸数一致），分别与六个缸的高压油管相连。当某一缸的高压油管有泄漏或喷油器故障而导致燃油喷射址超过限值时，流量限制阀会动作，切断该缸的燃油供应。共轨的外侧有1～2个进油口，分别与高压油泵的高压油的出油口相连。轨压传感器位于共轨的右侧，带有一个线束插头。
（3）采用电装共轨系统的康明斯柴油发电机高压油管共8根，其中2根由高压油泵到高压油轨，6根由高压油轨到各缸喷油器。
3、共轨系统控制系统
电控共轨系统可以分成三大部分：传感器、计算机和执行器。
计算机是电控共轨燃油系统的核心部分。根据各个传感器的信息，计算机进行计算、完成各种处理后，求出最佳喷油时间和最合适的喷油量，并且计算出在什么时刻、在多长的时间范围内向喷油器发出开启电磁阀、或关闭电磁阀的指令等，从而精确控制柴油发电机的工作过程。电子控制系统的核心是ECU——电子控制单元。ECU就是一个微型计算机。ECU的输入是安装在发电机组和柴油发电机上的各种传感器和开关；ECU的输出是送往各个执行机构的电子信息
4、共轨系统燃料供给系统
燃油供给系统的主要构成是供油泵、共轨和喷油器。燃油供给系统的基本工作原理是供油泵将燃油加压成高压，供入共轨内；共轨实际上是一种燃油分配管。储存在共轨内的燃油在适当的时刻通过喷油器喷入柴油发电机气缸内。电控共轨系统中的喷油器是一种由电磁阀控制的喷油阀，电磁阀的开启和关闭由计算机控制。
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图5 电控高压共轨系统主要组成部件 |
图6 电控柴油机高压油泵 |
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图7 电控柴油机输油泵结构图 |
图8 柴油机高压共轨系统轨压分布图 |
四、电控高压共轨系统的特点
1、自由调节喷油压力
通过控制共轨压力而控制喷油压力。利用共轨压力传感器测量燃油压力，从而调整供油泵的供油量、调整共轨压力。此外，还可以根据柴油发电机转速、喷油量的大小与设定了的最佳值（指令值）始终一致地进行反馈控制。
2、自由调节喷油量
以柴油发电机的转速及油门开度信号为基础，计算机计算出最佳喷油量，并控制喷油器的通断电时间。
3、自由调节喷油率形状
根据柴油发电机用途的需要，设置并控制喷油率形状：预喷射、后喷射、多段喷射等。
4、自由调节喷油时间
根据柴油发电机的转速和喷油量等参数，计算出最佳喷油时间，并控制电控喷油器在适当的时刻开启，在适当的时刻关闭等，从而准确控制喷油时间。
（1）在电控共轨系统中，由各种传感器——柴油发电机转速传感器、油门开度传感器、各种温度传感器等——实时检测出柴油发电机的实际运行状态，由微型计算机根据预先设计的计算程序进行计算后，定出适合于该运行状态的喷油量、喷油叶间、喷油率模型等参数，使柴油发电机始终都能在**佳状态下工作。
（2）计算机具有自我诊断功能，对系统的主要零部件进行技术诊断，如果某个零件产生了故障，则诊断系统会向操作员发出警报，并根据故障情况自动作出处理；或使柴油发电机停止运行——即所谓故障应急功能，或切换控制方法，使发电机组继续运行到安全的地方。
传统的泵管嘴燃油系统中，喷油压力与柴油发电机的转速和负荷有关，不是一个独立变量。在高压电控共轨系统中，喷油压力（共轨压力）与柴油发电机的转速和负荷无关，是可以独立控制的。由共轨压力传感器测出燃油压力，并与设定的目标燃油压力进行比较后进行反馈控制。
总结：
共轨式柴油机电控燃油喷射系统技术集计算机控制技术、现代传感检测技术和先进的喷油结构于一身。共轨式电控燃油喷射系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理，而是共轨直接或间接的形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时，定量的控制喷油器喷射至最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。该新技术已在国外以柴油机提供动力的发电机组上投入使用。共轨式燃油喷射技术的现有研究结果表明喷油压力高，燃油雾化后颗粒就越细，排放的有害气体颗粒就越少。
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