性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

康明斯柴油機燃油共軌系統結構特點(diǎn)

 

摘要：康明斯燃油共軌系統采用康明斯柴油機現有直噴系列基礎結構，在國二柴油發(fā)電機基礎上，通過(guò)對燃油系統和控制系統的升級，應用康明斯CES的SCR后處理技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)現的國三產(chǎn)品。電控發(fā)動(dòng)機機型開(kāi)發(fā)也是康明斯全球Rainbow項目的一部分，是康明斯為中國國三開(kāi)發(fā)的具有統一性能和結構的電控柴油發(fā)電機。因此產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)中充分考慮了中國的環(huán)保、氣候等運行環(huán)境，以滿(mǎn)足長(cháng)期中國市場(chǎng)的應用和要求。

 

一、高壓共軌系統基本原理

 

1、電控噴射技術(shù)

      通過(guò)控制噴油時(shí)間來(lái)調節出油量的大小是柴油機控制噴油的方式，而柴油機噴油控制則是由發(fā)動(dòng)機的轉速和加速踏板位置(油門(mén)拉桿位置)來(lái)決定的。因此，這項技術(shù)的基本原理是計算機根據轉速傳感器和油門(mén)位置傳感器的輸入信號，首先計算出基本噴油量，然后根據水溫、進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣壓力等傳感器的信號進(jìn)行修正，再與來(lái)自控制位置傳感器的信號進(jìn)行反饋修正，從而確定最佳噴油量。

      電控柴油噴射系統由傳感器、ECU(計算機)和執行機構三部分組成，其作用是對噴油系統進(jìn)行電子控制，實(shí)現對噴油量及噴油定時(shí)隨運行工況的實(shí)時(shí)控制。采用轉速、溫度和壓力等傳感器，將實(shí)時(shí)檢測的參數同步輸入計算機，與已儲存的參數值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)處理計算，按照最佳值對噴油泵、廢氣再循環(huán)閥和預熱塞等執行機構進(jìn)行控制，使柴油機達到最佳運行狀態(tài)。

2、共軌技術(shù)

      共軌技術(shù)是指高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統將噴射壓力的產(chǎn)生與噴射過(guò)程彼此完全分開(kāi)的一種供油方式。由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過(guò)對公共供油管內的油壓實(shí)現精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機的轉速無(wú)關(guān)，可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發(fā)動(dòng)機轉速的變化。噴油器的噴油量由ECU控制，噴油量大小取決于燃油軌(公共供油管)壓力和電磁閥開(kāi)啟時(shí)間的長(cháng)短。高壓共軌系統可實(shí)現在傳統噴油系統中無(wú)法實(shí)現的功能，其優(yōu)點(diǎn)有：

① 該系統中的噴油壓力大小可以調節，可確定不同工況所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油機的綜合性能。

② 可獨立地柔性控制噴油正時(shí)，配合高噴射壓力(120~200MPa)，可同時(shí)將廢氣和顆?？刂圃谧钌俜秶畠?，以滿(mǎn)足排放要求。

③ 柔性控制噴油速率變化，達到理想的噴油規律，既可降低柴油機NOx，又能保證其優(yōu)良的動(dòng)力性和經(jīng)濟性。

④ 由電磁閥控制噴油，其控制精度較高，高壓油路中不會(huì )出現氣泡和殘壓為零等現象，因此，在柴油機運轉范圍內循環(huán)噴油量變動(dòng)小，可改善各缸供油的均勻性，從而減輕柴油機的振動(dòng)和降低排放。

 

二、康明斯電控共軌系統組成

 

      共軌系統是指柴油從油箱，被齒輪泵吸出，經(jīng)過(guò)油水分離器，過(guò)齒輪泵，到柴油精濾器，到高壓泵、共軌管、噴油器，并與傳感器和ECU組成的閉環(huán)燃油供給系統，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)程彼此完全分開(kāi)的一種供油方式。根據圖1的基本原理，由共軌泵把高壓燃油輸送到公共供油管（共軌管），ECU通過(guò)控制共軌泵的流量電磁調節閥的開(kāi)度，對共軌管的油壓實(shí)現精確控制，使高壓油管壓力大小與柴油機的轉速無(wú)關(guān)，因此克服了柴油機供油壓力隨柴油機轉速而變化的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量，噴油量大小取決于燃油軌（公共供油管）壓力和電磁閥開(kāi)啟時(shí)間的長(cháng)短。

1、噴油器

      燃油共軌系統采用的是電控噴油器，它是根據電子控制單元的指令在適當的時(shí)候將適量的燃油噴射到燃燒室中。電控高壓噴油器主要由噴油器體、噴油器控制電磁閥、噴油器偶件、O形密封圈、QR code信息片、噴油器電磁閥接線(xiàn)柱等部分組成。電控噴油器的工作原理如圖2所示。其工作過(guò)程如下：

① 未噴油狀態(tài)

      高壓油軌內的燃油進(jìn)入噴油器，但電磁閥沒(méi)通電，TWV閥關(guān)閉，控制室壓力等于油軌壓力，噴嘴關(guān)閉。

② 噴油過(guò)程

      ECU控制電磁閥通電，TWV閥打開(kāi)，控制室壓力得到釋放，使控制活塞上移，噴嘴打開(kāi)噴射燃油。

③ 噴油結束

      電磁閥斷電，TWV閥關(guān)閉，控制室壓力與油軌壓力同步，噴嘴關(guān)閉，噴油結束。

 

圖1  電控高壓共軌燃油系統結構圖

圖2  柴油機電控噴油器工作原理圖

 

2、電子控制單元

      電子控制單元是整個(gè)柴油機電控系統的“計算機與控制中心”，它是電控系統的“大腦”整個(gè)電控系統的核心，控制原理如圖3所示。它承擔整個(gè)電控系統的信號采集與處理、數據運算與分析、控制策略的實(shí)現、控制指令的產(chǎn)生、數據的通信與交換等功能。ECU通過(guò)各種傳感器和開(kāi)關(guān)，采集到柴油發(fā)電機當前的工作狀態(tài)信息，進(jìn)行分析計算并按此狀態(tài)下預先標定好的最佳參數，控制柴油發(fā)電機的噴油量、噴油時(shí)間及噴油壓力，從而調整柴油發(fā)電機的工作狀態(tài)，達到省油、高效、低排放的目的。

3、傳感器

      傳感器是一種轉換器，作用是進(jìn)行信號變換。柴油機電控系統中常用的傳感器有溫度、壓力、轉速傳感器等。

（1）曲軸轉速傳感器

      曲軸轉速傳感器（Ne傳感器）可以確定活塞上止點(diǎn)位置，同時(shí)測量柴油發(fā)電機曲軸的轉速。曲軸轉速傳感器安裝在飛輪殼體上。傳感器信號產(chǎn)生的原理是：飛輪360°范圍內按6°間隔打58個(gè)孔!剩下2孔未打，形成聞隙，作為判斷活塞上止點(diǎn)的依據。傳感器中的磁通跟隨著(zhù)通過(guò)的孔與間隙而變化，產(chǎn)生正弦交流電壓，其波幅隨著(zhù)柴油發(fā)電機轉速而變化。設定間隙到傳感器位置的角度，可確定一缸上止點(diǎn)。結合凸輪軸傳感器正時(shí)凸輪，確定一缸點(diǎn)火上止點(diǎn)。

（2）進(jìn)氣壓力傳感器

      進(jìn)氣壓力傳感器的安裝位置：進(jìn)氣壓力傳感器為半導體壓敏電阻式壓力傳感器，其作用是把進(jìn)氣壓力信號轉化為電壓信號，然后發(fā)送給ECU，由ECU計算進(jìn)入柴油發(fā)電機汽缸的空氣量，用來(lái)控制噴油量（空燃比）。

（3）軌壓傳感器

      軌壓傳感器安裝在共軌管的一端，位置示意圖如圖4所示。用于實(shí)時(shí)測量共軌管中的燃油壓力，測量范圍為0～200MPa。其原理是把壓力信號轉化為電壓信號，再將信號放大后輸送到ECU，由ECU對壓力控制閥（PCV）實(shí)施反饋控制，通過(guò)增減油泵供油量來(lái)調節油壓，使油壓穩定在目標值。

（4）冷卻液溫度傳感器

      冷卻液溫度傳感器安裝在節溫器體上，是負溫度系數的熱敏電阻傳感器，使用范圍為-40～130℃。該傳感器主要用于測量柴油發(fā)電機冷卻的溫度，把溫度信號轉化為電壓信號，從而進(jìn)一步精確控制燃油噴射量。

（5）進(jìn)氣溫度傳感器

      進(jìn)氣溫度傳感器為負溫度系數的熱敏電阻，安裝于進(jìn)氣歧管上，主要用于測量進(jìn)氣管中的進(jìn)氣溫度，從而進(jìn)一步精確控制燃油噴射量。

4、執行器

① 主繼電器控制

      電裝共軌系統的主繼電器控制電路。當打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)到“ON”位置后，ECU端子中KEY/SW端子得電，M_REL端子就輸出低電平，導致主繼電器動(dòng)作，+BP端子就輸入24V電壓供給整個(gè)ECU工作；當電源關(guān)斷或掉電時(shí)，M_REL端子由軟件控制，并不馬上變?yōu)楦唠娖?，而是維持一段時(shí)間，使得ECU有足夠時(shí)間保存數據。只有當延遲時(shí)間結束后，M_REL端子才由低電平轉變成高電平，從而切斷ECU的工作電源。

② PCV繼電器控制

      壓力控制閥用于控制從供給泵到共軌管內的燃油量，電裝共軌系統的PCV繼電器控制電路：當點(diǎn)火開(kāi)關(guān)打到“ON”位置時(shí)，PCV繼電器動(dòng)作，向PCV1和PCV2供電，當ECU發(fā)出PCV驅動(dòng)指令后，三級管導通，PCV開(kāi)始工作。

③ 燃油計量閥

      燃油計量閥安裝在高壓油泵的進(jìn)油位置，ECU通過(guò)控制其通電時(shí)間來(lái)調整油泵的燃油供給量，從而控制共軌中的燃油壓力值。燃油計量單元在斷電狀態(tài)下，靠彈簧作用力，閥處于全開(kāi)位置當通電后電磁閥作用，克服彈簧力，將閥關(guān)閉。在柴油機啟動(dòng)或柴油機運轉時(shí)，根據ECU的指令來(lái)執行電磁閥的動(dòng)作，保證高壓軌內壓力穩定在規定要求。

 

圖3  柴油機ECM控制系統原理圖

圖4  柴油機軌壓傳感器位置示意圖

 

二、康明斯電控共軌系統的基本特點(diǎn)

 

      高壓共軌是指通過(guò)高壓油泵、壓力傳感器、ECU（電子控制單元）構成的閉環(huán)方式，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)程完全分離的供油方式。高壓共軌發(fā)動(dòng)機的最大特點(diǎn)是采用了高度集成化的燃油控制系統，實(shí)物圖如圖5所示。在這個(gè)系統中，高壓油泵、高壓油管、壓力傳感器、電磁噴油嘴等組件都集成在一個(gè)軌道內，從而實(shí)現了燃油的高精度噴射和高效率燃燒。與傳統的泵噴式發(fā)動(dòng)機相比，高壓共軌發(fā)動(dòng)機具有響應更快、燃油經(jīng)濟性更好、噪音更低、排放更干凈等優(yōu)勢。電控高壓共軌系統的特點(diǎn)可以歸納如圖6所示。

（1）采納先進(jìn)的電子控制裝置，使得噴油歷程的控制非常方便，而且可控參數多，有利于柴油燃燒歷程的全程優(yōu)化，電子控制的壓電式實(shí)行器開(kāi)關(guān)閥頻率高，實(shí)現了快速斷油本領(lǐng)，其控制精度非常高，高壓油路中不會(huì )出現氣泡和殘壓為零的征象，因此在柴油機運轉范疇內，每循環(huán)噴油量變更小，各缸供油不勻稱(chēng)得到改進(jìn)。

（2）采納高壓共軌方法供油，噴油體系壓力顛簸小，各噴油器之間的相互影響小，壓力巨細與發(fā)動(dòng)機轉速無(wú)關(guān)，噴射壓力控制精度較高，噴油量控制較正確，高壓共軌體系中的噴油壓力柔性可調，對差別工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油的綜合性。

（3）采納電控高壓共軌技能綜合優(yōu)化了柴油機的噴油紀律，輕易實(shí)現預噴射和多次噴射，可獨立地柔性控制噴油正時(shí)，配全高的噴射壓力，可控制氮氧化物和微粒的較小的數值內以滿(mǎn)意排放要求，同時(shí)又能具備精良的動(dòng)力性。

（4）公共軌道技術(shù)是在由高壓油泵、壓力傳感器、ECU構成的閉環(huán)系統中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)程完全分離的上油方式，通過(guò)高壓油泵向公共加油管輸送高壓燃料通過(guò)正確控制公共加油管內的油壓，可以使高壓油管的壓力大小與柴油機的轉速無(wú)關(guān)，大大降低伴隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機轉速的加油壓力變化，也可以降低以往柴油機的缺陷。

（5）ECU根據燃料軌道（公共加油管）的壓力和電磁閥的開(kāi)閉時(shí)間的長(cháng)度來(lái)控制油噴射量。共軌室內的高壓被直接用于噴射，可以省略油噴射內的增壓機構。另外，共軌室內是持續高壓，高壓油泵所需的驅動(dòng)力矩比以往的油泵小得多。

（6）通過(guò)高壓油泵上的壓力調節電磁閥，能夠根據發(fā)動(dòng)機負荷狀況及經(jīng)濟性及排出性的要求靈活地調節共軌室內的油壓，特別優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機的低速性能。

（7）通過(guò)噴射器上的電磁閥控制噴射定時(shí)、噴射油量和噴射速度，可以靈活地調整不同場(chǎng)景下的預備噴射和后噴射的噴射油量和主噴射之間的間隔。

 

圖5  康明斯高壓共軌電子噴射系統實(shí)物圖

圖6  柴油機高壓共軌系統的特點(diǎn)

 

總結：

      在電控共軌系統中，由各種傳感器實(shí)時(shí)檢測出柴油機的實(shí)際運行狀態(tài)，由微型計算機根據預先設計的計算程序進(jìn)行計算后，定出適合于該運行狀態(tài)的噴油量、噴油葉間、噴油率模型等參數，使柴油機始終都能在最佳狀態(tài)下工作。計算機具有自我診斷功能，對系統的主要零部件進(jìn)行技術(shù)診斷，如果某個(gè)零件產(chǎn)生了故障，則診斷系統會(huì )向操作員發(fā)出警報，并根據故障情況自動(dòng)作出處理；或使柴油機停止運行——即所謂故障應急功能，或切換控制方法。傳統的泵管嘴燃油系統中，噴油壓力與柴油機的轉速和負荷有關(guān)，不是一個(gè)獨立變量。在高壓電控共軌系統中，噴油壓力（共軌壓力）與柴油機的轉速和負荷無(wú)關(guān)，是可以獨立控制的。由共軌壓力傳感器測出燃油壓力，并與設定的目標燃油壓力進(jìn)行比較后進(jìn)行反饋控制。

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