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QSK19系列康明斯柴油發(fā)電機共軌系統(tǒng)概況 |
摘要：現(xiàn)代先進(jìn)的柴油發(fā)電機一般采用電控噴射、共軌、渦輪增壓中冷等技術(shù)，在排放方面已取得重大突破，達(dá)到了相當(dāng)高的水平。以采用先進(jìn)的共軌系統(tǒng)(模塊化的共軌燃油系統(tǒng))康明斯QSK19為例，該發(fā)動機作為非公路用車已完全滿足美國和歐洲Tier III排放法規(guī)。共軌系統(tǒng)于二十世紀(jì)90年代中后期才正式進(jìn)入實用化階段，目前在康明斯ISB，QSK19/23/38/50/60/78等發(fā)動機上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
一、電噴系統(tǒng)的分類
我們所說的電噴柴油發(fā)動機與傳統(tǒng)的柴油機的主要區(qū)別在于它的燃油供給系統(tǒng)的不同，前者采用的是電子控制燃油系統(tǒng)，而后者采用的是機械式燃油系統(tǒng)，目前電子控制燃油系統(tǒng)可分為三種，分別為電控直列泵燃油系統(tǒng)、電控分配泵燃油系統(tǒng)和電控高壓共軌燃油系統(tǒng)。前兩種燃油系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的機械式燃油系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一套精確控制發(fā)動機噴油量和噴油時間的電子裝置，從而大大降低了發(fā)動機排放污染并提高了燃油經(jīng)濟性。第三種燃油系統(tǒng)是一種全新的燃油噴射系統(tǒng)，它是通過各種傳感器檢測出發(fā)動機的實際運行狀態(tài)，通過計算機的計算和處理，可以對發(fā)動機的噴油量、噴油時間、噴油壓力和噴油率進(jìn)行最佳控制，從而實現(xiàn)了柴油發(fā)動機綜合性能的又一次飛躍。三種不同電噴系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析如下：
1、電控直列泵燃油噴射系統(tǒng)
（1）優(yōu)點∶
① 預(yù)行程可變，因此噴油速率可變。
② 由于增加了預(yù)噴射口，可以實現(xiàn)預(yù)噴射。
③ 與原來的直列泵具有互換性，因此，柴油發(fā)電機組的發(fā)動機不需要作很大的改造。
（2）缺點：
①噴油正時和預(yù)噴射等的控制自由度低。
②由于噴油壓力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速有關(guān)，低速時噴油壓力較低。
③重量大
2、電控分配泵燃油系統(tǒng)
（1）優(yōu)點∶
① 與傳統(tǒng)端面凸輪的分配泵相比，可以實現(xiàn)高壓噴射。
② 由于采用電磁閥來控制供油，因此可以實現(xiàn)預(yù)噴射。
③ 由于尺寸小、重量輕，安裝性能好。
（2）缺點∶
① 與共軌噴油系統(tǒng)相比，控制噴油正時和預(yù)噴射的自由度低。
② 由于噴油壓力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速有關(guān)，低速時的噴油壓力低。
3、電控高壓共軌燃油系統(tǒng)
（1）優(yōu)點∶
① 噴射壓力峰值較EUL/EUP低，但平均有效壓力較高，噴油壓力與轉(zhuǎn)速無關(guān)。
② 可以獨立改變噴油正時、噴油持續(xù)期和噴油壓力。
③ 可以實現(xiàn)多段噴射。
④ 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、機械噪聲小。
（2）缺點∶
① 由于經(jīng)需處于高的燃料壓力下，必須在耐久性和安全性方面比柱塞式噴油泵花費更大的務(wù)力。
② 由于難于實現(xiàn)靴形噴油率，因此難以有效控制NO，的產(chǎn)生。
二、康明斯共軌系統(tǒng)概況
康明斯柴油發(fā)電機在高速運轉(zhuǎn)中，燃油噴射過程的時間控制在千分之幾秒，實驗證明，在噴射過程中燃油壓力是隨時間和位置的不斷變化的。由于柴油的可壓縮性和油路中柴油的壓力波動，油管內(nèi)的壓力波動有時還會在主噴射之后，使高壓油管內(nèi)的壓力再次上升，達(dá)到令噴油器的針閥開啟的壓力，以至于出現(xiàn)二次噴油現(xiàn)象，由于二次噴油不可能完全燃燒，尾氣中于是增加了煙度和碳?xì)浠衔锏呐欧帕?，而且油耗也會增加。此外，每次噴射循環(huán)后高壓油管內(nèi)的殘壓都會發(fā)生變化，隨之引起不穩(wěn)定的噴油，為了解決柴油發(fā)電機這個燃油壓力變化的缺陷，康明斯采用了共軌系統(tǒng)技術(shù)，由高壓油泵把經(jīng)ECM控制的高壓燃油輸送到公共油軌，油軌壓力大小與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速無關(guān).ECM通過控制噴油器電磁閥時間來精確控制噴油量和噴油正時?？得魉垢邏汗曹壪到y(tǒng)主要特點如下：
1、共軌系統(tǒng)的噴油壓力柔性可調(diào)，對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優(yōu)化柴油發(fā)電機綜合性能。
2、可實現(xiàn)無級噴油正時，可控制NOx和微粒在較小的數(shù)值內(nèi)，以滿足排放要求。
3、通過電磁閥開啟時間的長短精確控制燃油噴射量，從而提高燃油經(jīng)濟性和降低排放。
三、共軌系統(tǒng)及主要部件介紹
如圖1、圖2所示，共軌系統(tǒng)主要由ECM、輸油泵、齒輪泵、高壓油泵、共軌管、電控噴油器、執(zhí)行器以及各種傳感器等組成。柴油發(fā)電機啟動期間，輸油泵將燃油輸入齒輪泵，經(jīng)齒輪泵輸入高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌，高壓油軌中的燃油壓力由ECM通過執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，ECM根據(jù)柴油發(fā)電機的運行狀況，確定精確的噴油正時和噴油量，并通過電控噴油器將燃油噴入氣缸。
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圖1 電控柴油發(fā)電機組噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu) |
圖5 QSK19系列康明斯柴油發(fā)電機共軌系統(tǒng) |
1、燃油泵
共軌系統(tǒng)的燃油泵由三部分組成，如圖3所示，即輸油泵、齒輪泵和高壓油泵。輸油泵在發(fā)動機啟動期間由ECM輸出PWM信號來控制，工作時間僅為120秒，燃油經(jīng)過輸油泵進(jìn)入齒輪泵，在齒輪泵的進(jìn)口有一量孔，可調(diào)節(jié)油量的大小，同時齒輪泵里有一壓力調(diào)節(jié)閥，將供應(yīng)給高壓泵的燃油壓力調(diào)節(jié)到500-700Pa，在高壓泵的進(jìn)口有一由ECM控制的執(zhí)行器，通過PWM信號控制，使高壓泵(兩缸柱塞泵)輸出60Mpa-160Mpa的壓力供應(yīng)給高壓油軌。在高壓泵上還有-一個安全閥，當(dāng)油軌中壓力超過195Mpa時，安全閥會立即打開，迅速將高壓油軌中的壓力進(jìn)行釋放，并且導(dǎo)致發(fā)動機停機。
2、高壓油管
高壓油管將高壓泵提供的高壓燃油輸送到噴油器中。用于QSK19共軌系統(tǒng)的高壓油管其容積與小功率的ISB共軌系統(tǒng)相比，它的容積較小，以保證共軌有足夠的壓力響應(yīng)速度以快速跟蹤柴油發(fā)電機工況的變化。而且，高壓油管采用雙層結(jié)構(gòu)，以提高安全性和可靠性。高壓共軌管上還安裝了壓力傳感器，壓力傳感器向ECM提供高壓油軌的壓力信號。
3、電控噴油器
電控噴油器是共軌系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件，由ECM發(fā)出的控制信號，通過控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將高壓油管中的燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率噴入柴油發(fā)電機的燃燒室。電控噴油器的結(jié)構(gòu)基本相似，都是由于傳統(tǒng)噴油器相似的噴油嘴、控制活塞、控制量孔、控制電磁閥組成，圖4為QSK19電控噴油器位置圖。在電磁閥不通電時，電磁閥關(guān)閉，柱塞上下腔中的燃油壓力相等，柱塞在彈簧彈力的作用下回位，使針閥關(guān)閉。當(dāng)電磁閥通電時，柱塞上部腔中的燃油通過泄油口泄壓，其壓力下降，使得柱塞在下部腔中高壓燃油的作用下開始上升，針閥被打開，開始噴油。由于高壓共軌噴射系統(tǒng)的噴射壓力非常高，因此其噴油嘴的噴孔截面積很小，在如此小的噴孔直徑和如此高的噴射壓力下，燃油流動處于極端不穩(wěn)定狀態(tài)，油束的噴霧錐角變大，燃油霧化更好，但貫穿距離變小，因此通過改變柴油發(fā)電機進(jìn)氣的渦流強度、燃燒室結(jié)構(gòu)形狀以確保最佳的燃燒過程。
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圖3 電控柴油機高壓燃油泵結(jié)構(gòu)圖 |
圖4 電噴柴油發(fā)電機的高壓油管及噴油器 |
總結(jié)：
由于共軌系統(tǒng)具有可以對噴油定時、噴油持續(xù)期、噴油壓力、噴油規(guī)律進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)的特點，該系統(tǒng)的采用可以使柴油發(fā)電機的經(jīng)濟性、動力性和排放性能都會有進(jìn)一步的提高。然而，技術(shù)(軟件和硬件)的引進(jìn)也會大大增加我們產(chǎn)品的制造成本，因此需要我們加大對共軌系統(tǒng)的研究力度和國產(chǎn)化進(jìn)程，使CCEC的柴油發(fā)電機水平跨上一個新的臺階。
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