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性能特点和作用说明 |
康明斯柴油机燃油共轨系统结构特点 |
摘要：康明斯燃油共轨系统采用康明斯柴油机现有直喷系列基础结构，在国二柴油发电机基础上，通过对燃油系统和控制系统的升级，应用康明斯CES的SCR后处理技术开发实现的国三产品。电控发动机机型开发也是康明斯全球Rainbow项目的一部分，是康明斯为中国国三开发的具有统一性能和结构的电控柴油发电机。因此产品在开发中充分考虑了中国的环保、气候等运行环境，以满足长期中国市场的应用和要求。
一、高压共轨系统基本原理
1、电控喷射技术
通过控制喷油时间来调节出油量的大小是柴油机控制喷油的方式，而柴油机喷油控制则是由发动机的转速和加速踏板位置(油门拉杆位置)来决定的。因此，这项技术的基本原理是计算机根据转速传感器和油门位置传感器的输入信号，首先计算出基本喷油量，然后根据水温、进气温度和进气压力等传感器的信号进行修正，再与来自控制位置传感器的信号进行反馈修正，从而确定最佳喷油量。
电控柴油喷射系统由传感器、ECU(计算机)和执行机构三部分组成，其作用是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度和压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与已储存的参数值进行比较，经过处理计算，按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀和预热塞等执行机构进行控制，使柴油机达到最佳运行状态。
2、共轨技术
共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统将喷射压力的产生与喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。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。喷油器的喷油量由ECU控制，喷油量大小取决于燃油轨(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有：
① 该系统中的喷油压力大小可以调节，可确定不同工况所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机的综合性能。
② 可独立地柔性控制喷油正时，配合高喷射压力(120~200MPa)，可同时将废气和颗粒控制在最少范围之内，以满足排放要求。
③ 柔性控制喷油速率变化，达到理想的喷油规律，既可降低柴油机NOx，又能保证其优良的动力性和经济性。
④ 由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零等现象，因此，在柴油机运转范围内循环喷油量变动小，可改善各缸供油的均匀性，从而减轻柴油机的振动和降低排放。
二、康明斯电控共轨系统组成
共轨系统是指柴油从油箱，被齿轮泵吸出，经过油水分离器，过齿轮泵，到柴油精滤器，到高压泵、共轨管、喷油器，并与传感器和ECU组成的闭环燃油供给系统，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。根据图1的基本原理，由共轨泵把高压燃油输送到公共供油管（共轨管），ECU通过控制共轨泵的流量电磁调节阀的开度，对共轨管的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与柴油机的转速无关，因此克服了柴油机供油压力随柴油机转速而变化的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。
1、喷油器
燃油共轨系统采用的是电控喷油器，它是根据电子控制单元的指令在适当的时候将适量的燃油喷射到燃烧室中。电控高压喷油器主要由喷油器体、喷油器控制电磁阀、喷油器偶件、O形密封圈、QR code信息片、喷油器电磁阀接线柱等部分组成。电控喷油器的工作原理如图2所示。其工作过程如下：
① 未喷油状态
高压油轨内的燃油进入喷油器，但电磁阀没通电，TWV阀关闭，控制室压力等于油轨压力，喷嘴关闭。
② 喷油过程
ECU控制电磁阀通电，TWV阀打开，控制室压力得到释放，使控制活塞上移，喷嘴打开喷射燃油。
③ 喷油结束
电磁阀断电，TWV阀关闭，控制室压力与油轨压力同步，喷嘴关闭，喷油结束。
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图1 电控高压共轨燃油系统结构图 |
图2 柴油机电控喷油器工作原理图 |
2、电子控制单元
电子控制单元是整个柴油机电控系统的“计算机与控制中心”，它是电控系统的“大脑”整个电控系统的核心，控制原理如图3所示。它承担整个电控系统的信号采集与处理、数据运算与分析、控制策略的实现、控制指令的产生、数据的通信与交换等功能。ECU通过各种传感器和开关，采集到柴油发电机当前的工作状态信息，进行分析计算并按此状态下预先标定好的最佳参数，控制柴油发电机的喷油量、喷油时间及喷油压力，从而调整柴油发电机的工作状态，达到省油、高效、低排放的目的。
3、传感器
传感器是一种转换器，作用是进行信号变换。柴油机电控系统中常用的传感器有温度、压力、转速传感器等。
（1）曲轴转速传感器
曲轴转速传感器（Ne传感器）可以确定活塞上止点位置，同时测量柴油发电机曲轴的转速。曲轴转速传感器安装在飞轮壳体上。传感器信号产生的原理是：飞轮360°范围内按6°间隔打58个孔!剩下2孔未打，形成闻隙，作为判断活塞上止点的依据。传感器中的磁通跟随着通过的孔与间隙而变化，产生正弦交流电压，其波幅随着柴油发电机转速而变化。设定间隙到传感器位置的角度，可确定一缸上止点。结合凸轮轴传感器正时凸轮，确定一缸点火上止点。
（2）进气压力传感器
进气压力传感器的安装位置：进气压力传感器为半导体压敏电阻式压力传感器，其作用是把进气压力信号转化为电压信号，然后发送给ECU，由ECU计算进入柴油发电机汽缸的空气量，用来控制喷油量（空燃比）。
（3）轨压传感器
轨压传感器安装在共轨管的一端，位置示意图如图4所示。用于实时测量共轨管中的燃油压力，测量范围为0～200MPa。其原理是把压力信号转化为电压信号，再将信号放大后输送到ECU，由ECU对压力控制阀（PCV）实施反馈控制，通过增减油泵供油量来调节油压，使油压稳定在目标值。
（4）冷却液温度传感器
冷却液温度传感器安装在节温器体上，是负温度系数的热敏电阻传感器，使用范围为-40～130℃。该传感器主要用于测量柴油发电机冷却的温度，把温度信号转化为电压信号，从而进一步精确控制燃油喷射量。
（5）进气温度传感器
进气温度传感器为负温度系数的热敏电阻，安装于进气歧管上，主要用于测量进气管中的进气温度，从而进一步精确控制燃油喷射量。
4、执行器
① 主继电器控制
电装共轨系统的主继电器控制电路。当打开点火开关到“ON”位置后，ECU端子中KEY/SW端子得电，M_REL端子就输出低电平，导致主继电器动作，+BP端子就输入24V电压供给整个ECU工作；当电源关断或掉电时，M_REL端子由软件控制，并不马上变为高电平，而是维持一段时间，使得ECU有足够时间保存数据。只有当延迟时间结束后，M_REL端子才由低电平转变成高电平，从而切断ECU的工作电源。
② PCV继电器控制
压力控制阀用于控制从供给泵到共轨管内的燃油量，电装共轨系统的PCV继电器控制电路：当点火开关打到“ON”位置时，PCV继电器动作，向PCV1和PCV2供电，当ECU发出PCV驱动指令后，三级管导通，PCV开始工作。
③ 燃油计量阀
燃油计量阀安装在高压油泵的进油位置，ECU通过控制其通电时间来调整油泵的燃油供给量，从而控制共轨中的燃油压力值。燃油计量单元在断电状态下，靠弹簧作用力，阀处于全开位置当通电后电磁阀作用，克服弹簧力，将阀关闭。在柴油机启动或柴油机运转时，根据ECU的指令来执行电磁阀的动作，保证高压轨内压力稳定在规定要求。
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图3 柴油机ECM控制系统原理图 |
图4 柴油机轨压传感器位置示意图 |
二、康明斯电控共轨系统的基本特点
高压共轨是指通过高压油泵、压力传感器、ECU（电子控制单元）构成的闭环方式，将喷射压力的产生和喷射过程完全分离的供油方式。高压共轨发动机的最大特点是采用了高度集成化的燃油控制系统，实物图如图5所示。在这个系统中，高压油泵、高压油管、压力传感器、电磁喷油嘴等组件都集成在一个轨道内，从而实现了燃油的高精度喷射和高效率燃烧。与传统的泵喷式发动机相比，高压共轨发动机具有响应更快、燃油经济性更好、噪音更低、排放更干净等优势。电控高压共轨系统的特点可以归纳如图6所示。
（1）采纳先进的电子控制装置，使得喷油历程的控制非常方便，而且可控参数多，有利于柴油燃烧历程的全程优化，电子控制的压电式实行器开关阀频率高，实现了快速断油本领，其控制精度非常高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的征象，因此在柴油机运转范畴内，每循环喷油量变更小，各缸供油不匀称得到改进。
（2）采纳高压共轨方法供油，喷油体系压力颠簸小，各喷油器之间的相互影响小，压力巨细与发动机转速无关，喷射压力控制精度较高，喷油量控制较正确，高压共轨体系中的喷油压力柔性可调，对差别工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油的综合性。
（3）采纳电控高压共轨技能综合优化了柴油机的喷油纪律，轻易实现预喷射和多次喷射，可独立地柔性控制喷油正时，配全高的喷射压力，可控制氮氧化物和微粒的较小的数值内以满意排放要求，同时又能具备精良的动力性。
（4）公共轨道技术是在由高压油泵、压力传感器、ECU构成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程完全分离的上油方式，通过高压油泵向公共加油管输送高压燃料通过正确控制公共加油管内的油压，可以使高压油管的压力大小与柴油机的转速无关，大大降低伴随着发动机转速的加油压力变化，也可以降低以往柴油机的缺陷。
（5）ECU根据燃料轨道（公共加油管）的压力和电磁阀的开闭时间的长度来控制油喷射量。共轨室内的高压被直接用于喷射，可以省略油喷射内的增压机构。另外，共轨室内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比以往的油泵小得多。
（6）通过高压油泵上的压力调节电磁阀，能够根据发动机负荷状况及经济性及排出性的要求灵活地调节共轨室内的油压，特别优化了发动机的低速性能。
（7）通过喷射器上的电磁阀控制喷射定时、喷射油量和喷射速度，可以灵活地调整不同场景下的预备喷射和后喷射的喷射油量和主喷射之间的间隔。
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图5 康明斯高压共轨电子喷射系统实物图 |
图6 柴油机高压共轨系统的特点 |
总结：
在电控共轨系统中，由各种传感器实时检测出柴油机的实际运行状态，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，使柴油机始终都能在最佳状态下工作。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；或使柴油机停止运行——即所谓故障应急功能，或切换控制方法。传统的泵管嘴燃油系统中，喷油压力与柴油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。
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