新聞主題	康明斯柴油發(fā)電機組電子噴射燃油系統的介紹

 

摘要：電噴型康明斯柴油機燃料供給系統的主要構成是供油泵、共軌和噴油器。其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(shí)際上是一種燃油分配管。儲存在共軌內的燃油在適當的時(shí)刻通過(guò)噴油器噴入發(fā)動(dòng)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(kāi)啟和關(guān)閉由計算機控制。本文介紹了對QSK60-G23型康明斯柴油機電子噴射燃油系統運用AVL公司HYDSIM軟件進(jìn)行建模和模擬計算的方法，并對模擬計算結果與實(shí)測數據進(jìn)行了比較，對HYDSIM軟件的實(shí)用性和局限性進(jìn)行了初步探討。

 一、康明斯電子噴射系統的特點(diǎn)與參數

 

      根據圖1原理示意圖和圖2結構示意圖，康明斯電子噴射燃油系統的原理是燃油由發(fā)動(dòng)機凸輪軸驅動(dòng)的齒輪泵經(jīng)濾清器從油箱中抽出，通過(guò)一個(gè)電磁緊急關(guān)閉閥流入供油泵。此時(shí)的壓力約為0.5MPa,然后，油流分為兩路，一路經(jīng)安全閥上的小孔作為冷卻油通過(guò)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(gè)壓力傳感器和一個(gè)通過(guò)切斷油路來(lái)控制流量的壓力控制閥。用這種方法來(lái)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、電控燃油系統的特點(diǎn)

（1）采用康明斯發(fā)動(dòng)機專(zhuān)用型噴油嘴。

（2）康明斯柴油機噴油泵只規定安裝角度。

（3）康明斯柴油機噴油泵不帶提前器，利用頂隙結構可提前3°。

（4）柴油濾清器帶有油水分離器。

（5）噴油器的回油從汽缸蓋回油道中引出。

2、電控燃油系統參數

（1）康明斯發(fā)動(dòng)機燃油輸油泵出口最大壓力：180kPa。

（2）康明斯發(fā)動(dòng)機燃油濾清器阻力（流過(guò)濾清器的最大壓力降）：35kPa。

（3）康明斯發(fā)動(dòng)機燃油噴射泵油道壓力：140kPa。

（4）康明斯發(fā)動(dòng)機噴油器調整壓力25～26MPa。

3、電控燃油系統布置

      康明斯柴油發(fā)電機采用P型噴油嘴，用壓板壓在汽缸蓋油嘴孔內。柴油通過(guò)高壓油管進(jìn)入噴油器高壓油管接管，然后再進(jìn)入噴油器，油嘴回油通過(guò)接管與汽缸蓋之間的空間匯集到汽缸蓋體內的回油通道引出。

（1）水加熱器供應管（3/4 英寸 NPTF） ；

（2）進(jìn)油連接管（1/4 英寸 NPTF） ；

（3）電磁傳感器位置（3/4-16 UNF）；

（4）機油壓力管（1/8 英寸 NPTF） 。

 

圖1  柴油發(fā)電機組燃油供給系統路徑框圖

圖2  柴油發(fā)電機組電子燃油噴射系統結構圖

 

二、柴油機電噴系統的模型建立

 

      康明斯電噴機型采用的電控單元ECM是發(fā)動(dòng)機的大腦，它的智能升級幫助康明斯不斷滿(mǎn)足全球嚴格的排放和油耗法規。電控單元的控制器、傳感器都是基于全球化的工程平臺開(kāi)發(fā)，所有產(chǎn)品都經(jīng)過(guò)嚴格的評估驗證和匹配，不管在移動(dòng)電站還是固定發(fā)電機組，在國內外市場(chǎng)積累了豐富的產(chǎn)品經(jīng)驗和良好的電子架構。這些都支持CEFS能夠快速識別市場(chǎng)需求，針對國內復雜的應用環(huán)境對控制器和傳感器進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，完成大量的開(kāi)發(fā)驗證并最終將可靠穩定的產(chǎn)品投入市場(chǎng)。

      AVL HYDSIM軟件是應用于流體液壓系統和液力-機械系統動(dòng)態(tài)分析的專(zhuān)業(yè)程序，尤其在發(fā)動(dòng)機燃油噴射系統的開(kāi)發(fā)中得到廣泛運用，其計算結果對于分析燃油噴射過(guò)程有較好的定性及定量參考性。我們運用該軟件對康明斯QSK60-G23系列柴油機燃油電子噴射系統進(jìn)行了建模模擬，在發(fā)動(dòng)機不同工作工況下的模擬計算均給出了較好的結果。

      根據電噴系統原型中的功能劃分（泵-管-嘴），模擬計算模型也相應主要劃分為三大部分，即“電噴泵”、“高壓油管”、“噴油器”；凸輪型線(xiàn)、燃油進(jìn)油壓力、氣缸壓力等則作為輸入邊界條件。實(shí)物中的油孔、管子在模型中均用管子表示，其長(cháng)度、孔徑、壁厚從零件圖紙中提??；各類(lèi)容積的數值則是通過(guò)在三維CAD建模軟件中進(jìn)行三維建模后對實(shí)物的容積腔進(jìn)行計算取得。模型也對局部地方適當進(jìn)行了簡(jiǎn)化，對于一些不太重要或無(wú)法模擬的細微結構則忽略不計，如：高壓油管與噴油器迸油管接頭錐面連接處的微小容積等。電噴系統中一些較重要的參數（如：電磁閥開(kāi)閉時(shí)刻流通截面積與時(shí)間的函數關(guān)系），在無(wú)法獲得準確真實(shí)數據的情況下，通過(guò)參考Hydsim軟件本身提供的一些示例及反復計算比較和修正，確定了這些參數。其中，電噴系統高壓油泵模型結構如圖3所示，共軌管及軌壓傳感器模型結構分別如圖4（a）與圖4（b）所示。

 

圖3  柴油機電噴系統高壓油泵結構圖

圖4  電噴系統共軌管及壓力傳感器結構圖

 

三、柴油機電噴系統的模擬計算

 

1、模擬計算工況的載荷條件及采用的計算方法

      從康明斯QSK60-G23系列柴油機實(shí)際性能測試的試驗數據中選取表1中五個(gè)工況，用HYDSIM軟件分別進(jìn)行計算模擬，然后將每個(gè)工況的計算結果與實(shí)測實(shí)驗數據進(jìn)行對比分析。

 表1    柴油發(fā)動(dòng)機工況數據表

 

      如前所述，由于缺乏部分關(guān)鍵結構的參數（如電磁閥部分），為檢查所建立模型的有效適用性和保證后續計算結果的可靠性， 對模型進(jìn)行初步計算驗證并對一些模型參數進(jìn)行修正調整是很有必要的。柴油機啟動(dòng)時(shí)噴油量修正曲線(xiàn)如圖5所示，冷卻液溫度修正曲線(xiàn)如圖6所示。

      為此，把工況1的模擬計算用于對模型的計算驗證，即：通過(guò)修正模型參數使得工況1的模擬計算的結果與發(fā)動(dòng)機實(shí)際測試所獲得的數據盡可能一致。然后在不改變模型參數的前提下進(jìn)行工況2~5部分的模擬計算，若其計算結果仍能基本保持與實(shí)測實(shí)驗數據的一致性，則可以認為建立的模擬模型是成功的，該模型可以用于以后對該電噴系統的系統分析及設計改進(jìn)。

      具體作法是，在工況1的計算模擬中給定供油的起點(diǎn)和供油持續期，計算獲得系統中各容積腔壓力波形、噴油量流量特性、凸輪表面接觸應力等數據，再與實(shí)測數據或其他軟件的計算結果比較。在工況1的計算模擬取得成功后，在工況2的計算模擬中則換用另一種算法——DSIM軟件的自動(dòng)優(yōu)化計算功能，即：給定目標噴油量（同時(shí)給定供油始點(diǎn)），由軟件自動(dòng)優(yōu)化逼近該數值，最后得到該工況下的各壓力波形、供油持續期、凸輪表面接觸應力等數據。對于工況3～5，主要是希望了解HYDSIM軟件對小流量噴射過(guò)程的模擬效果，因此仍采用與工況1相同的數據輸入形式進(jìn)行了計算。

2、模擬計算結果

      工況1計算完成后，在HYDSIM軟件的后處理環(huán)境PP2中以曲線(xiàn)的形式對部分模擬計算結果數據與實(shí)際測試數據進(jìn)行了對比。圖4顯示的是高壓油管壓力波曲線(xiàn)，可以非常直觀(guān)地看出，計算結果與實(shí)測數據吻合得很好。計算曲線(xiàn)與實(shí)測曲線(xiàn)走向基本一致，形狀完全相似，二者的最大壓力值雖有差異，但最大壓力點(diǎn)出現的位置基本一致，均為柴油機上止點(diǎn)后7度曲軸轉角處。同時(shí)，用我公司自行開(kāi)發(fā)的凸輪計算軟件（A軟件）得到的凸輪表面接觸應力也與用HYDSIM軟件的計算結果非常接近，對比情況見(jiàn)圖5。

（1）工況1的成功計算模擬為后續工況的模擬計算提供了一個(gè)較為可靠實(shí)用的基本模型。

（2）工況2的計算結果表明，通過(guò)HYDSIM軟件的優(yōu)化逼近算法也得到了理想的結果，供油持續期的計算值與實(shí)測值相差僅0.3CA°。模擬計算與實(shí)測的最高高壓油管壓力值的下降幅度相同。見(jiàn)表2。這從另一個(gè)途徑驗證了所建立模型的穩定性和實(shí)用性。

表2    模擬工況2計算與實(shí)測結果比較表

 

（3）工況3～5是空載工況的模擬，計算結果中高壓油管壓力波與實(shí)測壓力波曲線(xiàn)基本一致，但噴油量數據指標出現很大的差異，如表3。

表3    模擬工況3-5計算與實(shí)測結果比較表

3、模擬計算結果分析

      分析認為產(chǎn)生這種差異的原因可能有三點(diǎn)：

（1）實(shí)測循環(huán)供油量值本身計算不準。該實(shí)測值是假定“各缸供油量完全一致”，再根據柴油機在該工況時(shí)的油耗進(jìn)行16缸油量的算術(shù)平均計算得到的，而實(shí)際過(guò)程中，尤其是低負荷和空載時(shí)柴油機各缸工作情況差異很大（個(gè)別氣缸實(shí)際上甚至可能根本不工作），造成不同氣缸的實(shí)際供油量遠高于或遠低于平均值。

（2）空載工況時(shí)模型參數選取不合適。與大負荷工況相比，空載工況的供油量很小，而流量系數等參數隨流量的大小是變化的，由于沒(méi)有實(shí)測的經(jīng)驗數據，我們在計算中沒(méi)有也無(wú)法做到相應地改變這些參數。

（3）模擬計算軟件本身的不足。與AVLHYDSIM軟件專(zhuān)家Dr.Valdas Caika交流后，他認為空載工況本身不穩定，震蕩大，完全準確模擬很困難。

 

圖5  柴油機高壓共軌系統燃油流量修正曲線(xiàn)

圖6  柴油機高壓共軌系統冷卻液溫度修正曲線(xiàn)

 

總結：

      通過(guò)選取適當的參數建立合適的模型，運用HYDSIM軟件對康明斯QSK60-G23系列柴油機電子燃油噴射系統的工作過(guò)程可以實(shí)現比較有效的模擬計算分析，其計算結果精度和可信度較高，與實(shí)測結果吻合較好，因此計算的結果對研究柴油機燃油噴射系統有一定的指導意義。模擬計算是一個(gè)了解分析噴射過(guò)程的有效途徑，但必須有真實(shí)準確的試驗數據（如：流量系數、節流系數等）支持才有可能建立一個(gè)較可信可靠的模型，做到較為精確的計算模擬。同時(shí)，用實(shí)際測量結果對模型進(jìn)行修正和驗證也是必要的。模擬計算結果表明，康明斯QSK60-G23系列柴油機電子燃油噴射系統各零部件設計參數選取基本合適，工作過(guò)程正常，沒(méi)有二次噴射現象，但柴油機凸輪型面接觸應力較大，有待改進(jìn)以提高可靠性和壽命。

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