新聞主題	康明斯柴油發(fā)電機(jī)組電子噴射燃油系統(tǒng)的介紹

 

摘要：電噴型康明斯柴油機(jī)燃料供給系統(tǒng)的主要構(gòu)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(nèi)；共軌實(shí)際上是一種燃油分配管。儲(chǔ)存在共軌內(nèi)的燃油在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻通過噴油器噴入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)。電控共軌系統(tǒng)中的噴油器是一種由電磁閥控制的噴油閥，電磁閥的開啟和關(guān)閉由計(jì)算機(jī)控制。本文介紹了對(duì)QSK60-G23型康明斯柴油機(jī)電子噴射燃油系統(tǒng)運(yùn)用AVL公司HYDSIM軟件進(jìn)行建模和模擬計(jì)算的方法，并對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，對(duì)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(tǒng)的特點(diǎn)與參數(shù)

 

      根據(jù)圖1原理示意圖和圖2結(jié)構(gòu)示意圖，康明斯電子噴射燃油系統(tǒng)的原理是燃油由發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸驅(qū)動(dòng)的齒輪泵經(jīng)濾清器從油箱中抽出，通過一個(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(nèi)，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)通過切斷油路來控制流量的壓力控制閥。用這種方法來調(diào)節(jié)控制單元設(shè)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(dǎo)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(tǒng)的特點(diǎn)

（1）采用康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)專用型噴油嘴。

（2）康明斯柴油機(jī)噴油泵只規(guī)定安裝角度。

（3）康明斯柴油機(jī)噴油泵不帶提前器，利用頂隙結(jié)構(gòu)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(tǒng)參數(shù)

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

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

（3）康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射泵油道壓力：140kPa。

（4）康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器調(diào)整壓力25～26MPa。

3、電控燃油系統(tǒng)布置

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

（1）水加熱器供應(yīng)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(jī)油壓力管（1/8 英寸 NPTF） 。

 

圖1  柴油發(fā)電機(jī)組燃油供給系統(tǒng)路徑框圖

圖2  柴油發(fā)電機(jī)組電子燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

二、柴油機(jī)電噴系統(tǒng)的模型建立

 

      康明斯電噴機(jī)型采用的電控單元ECM是發(fā)動(dòng)機(jī)的大腦，它的智能升級(jí)幫助康明斯不斷滿足全球嚴(yán)格的排放和油耗法規(guī)。電控單元的控制器、傳感器都是基于全球化的工程平臺(tái)開發(fā)，所有產(chǎn)品都經(jīng)過嚴(yán)格的評(píng)估驗(yàn)證和匹配，不管在移動(dòng)電站還是固定發(fā)電機(jī)組，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)積累了豐富的產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)和良好的電子架構(gòu)。這些都支持CEFS能夠快速識(shí)別市場(chǎng)需求，針對(duì)國(guó)內(nèi)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境對(duì)控制器和傳感器進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，完成大量的開發(fā)驗(yàn)證并最終將可靠穩(wěn)定的產(chǎn)品投入市場(chǎng)。

      AVL HYDSIM軟件是應(yīng)用于流體液壓系統(tǒng)和液力-機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析的專業(yè)程序，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的開發(fā)中得到廣泛運(yùn)用，其計(jì)算結(jié)果對(duì)于分析燃油噴射過程有較好的定性及定量參考性。我們運(yùn)用該軟件對(duì)康明斯QSK60-G23系列柴油機(jī)燃油電子噴射系統(tǒng)進(jìn)行了建模模擬，在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作工況下的模擬計(jì)算均給出了較好的結(jié)果。

      根據(jù)電噴系統(tǒng)原型中的功能劃分（泵-管-嘴），模擬計(jì)算模型也相應(yīng)主要?jiǎng)澐譃槿蟛糠郑?ldquo;電噴泵”、“高壓油管”、“噴油器”；凸輪型線、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(zhǎng)度、孔徑、壁厚從零件圖紙中提取；各類容積的數(shù)值則是通過在三維CAD建模軟件中進(jìn)行三維建模后對(duì)實(shí)物的容積腔進(jìn)行計(jì)算取得。模型也對(duì)局部地方適當(dāng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，對(duì)于一些不太重要或無法模擬的細(xì)微結(jié)構(gòu)則忽略不計(jì)，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(tǒng)中一些較重要的參數(shù)（如：電磁閥開閉時(shí)刻流通截面積與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系），在無法獲得準(zhǔn)確真實(shí)數(shù)據(jù)的情況下，通過參考Hydsim軟件本身提供的一些示例及反復(fù)計(jì)算比較和修正，確定了這些參數(shù)。其中，電噴系統(tǒng)高壓油泵模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，共軌管及軌壓傳感器模型結(jié)構(gòu)分別如圖4（a）與圖4（b）所示。

 

圖3  柴油機(jī)電噴系統(tǒng)高壓油泵結(jié)構(gòu)圖

圖4  電噴系統(tǒng)共軌管及壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

 

三、柴油機(jī)電噴系統(tǒng)的模擬計(jì)算

 

1、模擬計(jì)算工況的載荷條件及采用的計(jì)算方法

      從康明斯QSK60-G23系列柴油機(jī)實(shí)際性能測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取表1中五個(gè)工況，用HYDSIM軟件分別進(jìn)行計(jì)算模擬，然后將每個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

 表1    柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工況數(shù)據(jù)表

 

      如前所述，由于缺乏部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的參數(shù)（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(xù)計(jì)算結(jié)果的可靠性， 對(duì)模型進(jìn)行初步計(jì)算驗(yàn)證并對(duì)一些模型參數(shù)進(jìn)行修正調(diào)整是很有必要的。柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)噴油量修正曲線如圖5所示，冷卻液溫度修正曲線如圖6所示。

      為此，把工況1的模擬計(jì)算用于對(duì)模型的計(jì)算驗(yàn)證，即：通過修正模型參數(shù)使得工況1的模擬計(jì)算的結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際測(cè)試所獲得的數(shù)據(jù)盡可能一致。然后在不改變模型參數(shù)的前提下進(jìn)行工況2~5部分的模擬計(jì)算，若其計(jì)算結(jié)果仍能基本保持與實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，則可以認(rèn)為建立的模擬模型是成功的，該模型可以用于以后對(duì)該電噴系統(tǒng)的系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)。

      具體作法是，在工況1的計(jì)算模擬中給定供油的起點(diǎn)和供油持續(xù)期，計(jì)算獲得系統(tǒng)中各容積腔壓力波形、噴油量流量特性、凸輪表面接觸應(yīng)力等數(shù)據(jù)，再與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或其他軟件的計(jì)算結(jié)果比較。在工況1的計(jì)算模擬取得成功后，在工況2的計(jì)算模擬中則換用另一種算法——DSIM軟件的自動(dòng)優(yōu)化計(jì)算功能，即：給定目標(biāo)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(shù)值，最后得到該工況下的各壓力波形、供油持續(xù)期、凸輪表面接觸應(yīng)力等數(shù)據(jù)。對(duì)于工況3～5，主要是希望了解HYDSIM軟件對(duì)小流量噴射過程的模擬效果，因此仍采用與工況1相同的數(shù)據(jù)輸入形式進(jìn)行了計(jì)算。

2、模擬計(jì)算結(jié)果

      工況1計(jì)算完成后，在HYDSIM軟件的后處理環(huán)境PP2中以曲線的形式對(duì)部分模擬計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。圖4顯示的是高壓油管壓力波曲線，可以非常直觀地看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合得很好。計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線走向基本一致，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(xiàn)的位置基本一致，均為柴油機(jī)上止點(diǎn)后7度曲軸轉(zhuǎn)角處。同時(shí)，用我公司自行開發(fā)的凸輪計(jì)算軟件（A軟件）得到的凸輪表面接觸應(yīng)力也與用HYDSIM軟件的計(jì)算結(jié)果非常接近，對(duì)比情況見圖5。

（1）工況1的成功計(jì)算模擬為后續(xù)工況的模擬計(jì)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(jì)算結(jié)果表明，通過HYDSIM軟件的優(yōu)化逼近算法也得到了理想的結(jié)果，供油持續(xù)期的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差僅0.3CA°。模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)的最高高壓油管壓力值的下降幅度相同。見表2。這從另一個(gè)途徑驗(yàn)證了所建立模型的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

表2    模擬工況2計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果比較表

 

（3）工況3～5是空載工況的模擬，計(jì)算結(jié)果中高壓油管壓力波與實(shí)測(cè)壓力波曲線基本一致，但噴油量數(shù)據(jù)指標(biāo)出現(xiàn)很大的差異，如表3。

表3    模擬工況3-5計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果比較表

3、模擬計(jì)算結(jié)果分析

      分析認(rèn)為產(chǎn)生這種差異的原因可能有三點(diǎn)：

（1）實(shí)測(cè)循環(huán)供油量值本身計(jì)算不準(zhǔn)。該實(shí)測(cè)值是假定“各缸供油量完全一致”，再根據(jù)柴油機(jī)在該工況時(shí)的油耗進(jìn)行16缸油量的算術(shù)平均計(jì)算得到的，而實(shí)際過程中，尤其是低負(fù)荷和空載時(shí)柴油機(jī)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(yuǎn)高于或遠(yuǎn)低于平均值。

（2）空載工況時(shí)模型參數(shù)選取不合適。與大負(fù)荷工況相比，空載工況的供油量很小，而流量系數(shù)等參數(shù)隨流量的大小是變化的，由于沒有實(shí)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們?cè)谟?jì)算中沒有也無法做到相應(yīng)地改變這些參數(shù)。

（3）模擬計(jì)算軟件本身的不足。與AVLHYDSIM軟件專家Dr.Valdas Caika交流后，他認(rèn)為空載工況本身不穩(wěn)定，震蕩大，完全準(zhǔn)確模擬很困難。

 

圖5  柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)燃油流量修正曲線

圖6  柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)冷卻液溫度修正曲線

 

總結(jié)：

      通過選取適當(dāng)?shù)膮?shù)建立合適的模型，運(yùn)用HYDSIM軟件對(duì)康明斯QSK60-G23系列柴油機(jī)電子燃油噴射系統(tǒng)的工作過程可以實(shí)現(xiàn)比較有效的模擬計(jì)算分析，其計(jì)算結(jié)果精度和可信度較高，與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，因此計(jì)算的結(jié)果對(duì)研究柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)有一定的指導(dǎo)意義。模擬計(jì)算是一個(gè)了解分析噴射過程的有效途徑，但必須有真實(shí)準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（如：流量系數(shù)、節(jié)流系數(shù)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(jì)算模擬。同時(shí)，用實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修正和驗(yàn)證也是必要的。模擬計(jì)算結(jié)果表明，康明斯QSK60-G23系列柴油機(jī)電子燃油噴射系統(tǒng)各零部件設(shè)計(jì)參數(shù)選取基本合適，工作過程正常，沒有二次噴射現(xiàn)象，但柴油機(jī)凸輪型面接觸應(yīng)力較大，有待改進(jìn)以提高可靠性和壽命。

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