性能特點和作用說明

康明斯柴油機燃油共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點

 

摘要：康明斯燃油共軌系統(tǒng)采用康明斯柴油機現(xiàn)有直噴系列基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在國二柴油發(fā)電機基礎(chǔ)上，通過對燃油系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的升級，應(yīng)用康明斯CES的SCR后處理技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)的國三產(chǎn)品。電控發(fā)動機機型開發(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發(fā)的具有統(tǒng)一性能和結(jié)構(gòu)的電控柴油發(fā)電機。因此產(chǎn)品在開發(fā)中充分考慮了中國的環(huán)保、氣候等運行環(huán)境，以滿足長期中國市場的應(yīng)用和要求。

 

一、高壓共軌系統(tǒng)基本原理

 

1、電控噴射技術(shù)

      通過控制噴油時間來調(diào)節(jié)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)動機的轉(zhuǎn)速和加速踏板位置(油門拉桿位置)來決定的。因此，這項技術(shù)的基本原理是計算機根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器和油門位置傳感器的輸入信號，首先計算出基本噴油量，然后根據(jù)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(tǒng)由傳感器、ECU(計算機)和執(zhí)行機構(gòu)三部分組成，其作用是對噴油系統(tǒng)進(jìn)行電子控制，實現(xiàn)對噴油量及噴油定時隨運行工況的實時控制。采用轉(zhuǎn)速、溫度和壓力等傳感器，將實時檢測的參數(shù)同步輸入計算機，與已儲存的參數(shù)值進(jìn)行比較，經(jīng)過處理計算，按照最佳值對噴油泵、廢氣再循環(huán)閥和預(yù)熱塞等執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制，使柴油機達(dá)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(tǒng)將噴射壓力的產(chǎn)生與噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過對公共供油管內(nèi)的油壓實現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)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)壓力和電磁閥開啟時間的長短。高壓共軌系統(tǒng)可實現(xiàn)在傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)中無法實現(xiàn)的功能，其優(yōu)點有：

① 該系統(tǒng)中的噴油壓力大小可以調(diào)節(jié)，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，配合高噴射壓力(120~200MPa)，可同時將廢氣和顆粒控制在最少范圍之內(nèi)，以滿足排放要求。

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

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

 

二、康明斯電控共軌系統(tǒng)組成

 

      共軌系統(tǒng)是指柴油從油箱，被齒輪泵吸出，經(jīng)過油水分離器，過齒輪泵，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(tǒng)，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。根據(jù)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通過控制共軌泵的流量電磁調(diào)節(jié)閥的開度，對共軌管的油壓實現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與柴油機的轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此克服了柴油機供油壓力隨柴油機轉(zhuǎn)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）壓力和電磁閥開啟時間的長短。

1、噴油器

      燃油共軌系統(tǒng)采用的是電控噴油器，它是根據(jù)電子控制單元的指令在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)⑦m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。其工作過程如下：

① 未噴油狀態(tài)

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

② 噴油過程

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

③ 噴油結(jié)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(jié)束。

 

圖1  電控高壓共軌燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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柴油機電控系統(tǒng)的“計算機與控制中心”，它是電控系統(tǒng)的“大腦”整個電控系統(tǒng)的核心，控制原理如圖3所示。它承擔(dān)整個電控系統(tǒng)的信號采集與處理、數(shù)據(jù)運算與分析、控制策略的實現(xiàn)、控制指令的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的通信與交換等功能。ECU通過各種傳感器和開關(guān)，采集到柴油發(fā)電機當(dāng)前的工作狀態(tài)信息，進(jìn)行分析計算并按此狀態(tài)下預(yù)先標(biāo)定好的最佳參數(shù)，控制柴油發(fā)電機的噴油量、噴油時間及噴油壓力，從而調(diào)整柴油發(fā)電機的工作狀態(tài)，達(dá)到省油、高效、低排放的目的。

3、傳感器

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

（1）曲軸轉(zhuǎn)速傳感器

      曲軸轉(zhuǎn)速傳感器（Ne傳感器）可以確定活塞上止點位置，同時測量柴油發(fā)電機曲軸的轉(zhuǎn)速。曲軸轉(zhuǎn)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(nèi)按6°間隔打58個孔!剩下2孔未打，形成聞隙，作為判斷活塞上止點的依據(jù)。傳感器中的磁通跟隨著通過的孔與間隙而變化，產(chǎn)生正弦交流電壓，其波幅隨著柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速而變化。設(shè)定間隙到傳感器位置的角度，可確定一缸上止點。結(jié)合凸輪軸傳感器正時凸輪，確定一缸點火上止點。

（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(dǎo)體壓敏電阻式壓力傳感器，其作用是把進(jìn)氣壓力信號轉(zhuǎn)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。用于實時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(zhuǎn)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）實施反饋控制，通過增減油泵供油量來調(diào)節(jié)油壓，使油壓穩(wěn)定在目標(biāo)值。

（4）冷卻液溫度傳感器

      冷卻液溫度傳感器安裝在節(jié)溫器體上，是負(fù)溫度系數(shù)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(zhuǎn)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(fù)溫度系數(shù)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(zhí)行器

① 主繼電器控制

      電裝共軌系統(tǒng)的主繼電器控制電路。當(dāng)打開點火開關(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(dǎo)致主繼電器動作，+BP端子就輸入24V電壓供給整個ECU工作；當(dāng)電源關(guān)斷或掉電時，M_REL端子由軟件控制，并不馬上變?yōu)楦唠娖剑蔷S持一段時間，使得ECU有足夠時間保存數(shù)據(jù)。只有當(dāng)延遲時間結(jié)束后，M_REL端子才由低電平轉(zhuǎn)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(nèi)的燃油量，電裝共軌系統(tǒng)的PCV繼電器控制電路：當(dāng)點火開關(guān)打到“ON”位置時，PCV繼電器動作，向PCV1和PCV2供電，當(dāng)ECU發(fā)出PCV驅(qū)動指令后，三級管導(dǎo)通，PCV開始工作。

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通過控制其通電時間來調(diào)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，閥處于全開位置當(dāng)通電后電磁閥作用，克服彈簧力，將閥關(guān)閉。在柴油機啟動或柴油機運轉(zhuǎn)時，根據(jù)ECU的指令來執(zhí)行電磁閥的動作，保證高壓軌內(nèi)壓力穩(wěn)定在規(guī)定要求。

 

圖3  柴油機ECM控制系統(tǒng)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(tǒng)的基本特點

 

      高壓共軌是指通過高壓油泵、壓力傳感器、ECU（電子控制單元）構(gòu)成的閉環(huán)方式，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程完全分離的供油方式。高壓共軌發(fā)動機的最大特點是采用了高度集成化的燃油控制系統(tǒng)，實物圖如圖5所示。在這個系統(tǒng)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軌道內(nèi)，從而實現(xiàn)了燃油的高精度噴射和高效率燃燒。與傳統(tǒng)的泵噴式發(fā)動機相比，高壓共軌發(fā)動機具有響應(yīng)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(tǒng)的特點可以歸納如圖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(shù)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行器開關(guān)閥頻率高，實現(xiàn)了快速斷油本領(lǐng)，其控制精度非常高，高壓油路中不會出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的征象，因此在柴油機運轉(zhuǎn)范疇內(nèi)，每循環(huán)噴油量變更小，各缸供油不勻稱得到改進(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(xì)與發(fā)動機轉(zhuǎn)速無關(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(diào)，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(jì)律，輕易實現(xiàn)預(yù)噴射和多次噴射，可獨立地柔性控制噴油正時，配全高的噴射壓力，可控制氮氧化物和微粒的較小的數(shù)值內(nèi)以滿意排放要求，同時又能具備精良的動力性。

（4）公共軌道技術(shù)是在由高壓油泵、壓力傳感器、ECU構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程完全分離的上油方式，通過高壓油泵向公共加油管輸送高壓燃料通過正確控制公共加油管內(nèi)的油壓，可以使高壓油管的壓力大小與柴油機的轉(zhuǎn)速無關(guān)，大大降低伴隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)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(jù)燃料軌道（公共加油管）的壓力和電磁閥的開閉時間的長度來控制油噴射量。共軌室內(nèi)的高壓被直接用于噴射，可以省略油噴射內(nèi)的增壓機構(gòu)。另外，共軌室內(nèi)是持續(xù)高壓，高壓油泵所需的驅(qū)動力矩比以往的油泵小得多。

（6）通過高壓油泵上的壓力調(diào)節(jié)電磁閥，能夠根據(jù)發(fā)動機負(fù)荷狀況及經(jīng)濟性及排出性的要求靈活地調(diào)節(jié)共軌室內(nèi)的油壓，特別優(yōu)化了發(fā)動機的低速性能。

（7）通過噴射器上的電磁閥控制噴射定時、噴射油量和噴射速度，可以靈活地調(diào)整不同場景下的預(yù)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(tǒng)實物圖

圖6  柴油機高壓共軌系統(tǒng)的特點

 

總結(jié)：

      在電控共軌系統(tǒng)中，由各種傳感器實時檢測出柴油機的實際運行狀態(tài)，由微型計算機根據(jù)預(yù)先設(shè)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(shù)，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(tǒng)的主要零部件進(jìn)行技術(shù)診斷，如果某個零件產(chǎn)生了故障，則診斷系統(tǒng)會向操作員發(fā)出警報，并根據(jù)故障情況自動作出處理；或使柴油機停止運行——即所謂故障應(yīng)急功能，或切換控制方法。傳統(tǒng)的泵管嘴燃油系統(tǒng)中，噴油壓力與柴油機的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷有關(guān)，不是一個獨立變量。在高壓電控共軌系統(tǒng)中，噴油壓力（共軌壓力）與柴油機的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷無關(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(shè)定的目標(biāo)燃油壓力進(jìn)行比較后進(jìn)行反饋控制。

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