闡述康明斯電噴機ECU電子控制技術的特點
發(fā)布時間：2022-02-01 16:25:18 ▏閱讀：次
摘要：由于柴油發(fā)電機具備高扭矩、高壽命、低油耗、低排放等特點，柴油機成為解決康明斯發(fā)電機組能源問題最現(xiàn)實和最可靠的手段。因此柴油發(fā)電機的使用范圍越來越廣，數(shù)量越來越多。同時對柴油發(fā)電機的動力性能、經濟性能、控制廢氣排放和噪聲污染的要求也越來越高。依靠傳統(tǒng)的機械控制噴油系統(tǒng)已無法滿足上述要求，也難以實現(xiàn)噴油量、噴油壓力和噴射正時完全按最佳工況運轉的要求。近年來，隨著計算機技術、傳感器技術及信息技術的迅速發(fā)展，使電子產品的可靠性、成本、體積等各方面都能滿足柴油發(fā)電機進行電子控制的要求，并且電子控制燃油噴射很容易實現(xiàn)。
一、柴油發(fā)電機電子控制技術的發(fā)展狀況
實際上，柴油發(fā)電機排氣中CO和HC比汽油機少得多，NOX排放量與汽油機相近，只是排氣微粒較多，這與柴油發(fā)電機燃燒機理有關。柴油發(fā)電機是一種非均質燃燒，可燃混合氣形成時間很短，而且可燃混合氣形成與燃燒過程交錯在一起。通過分析柴油發(fā)電機噴油規(guī)律得到：噴入燃料的霧化質量、汽缸內氣體的流動以及燃燒室形狀等均直接影響燃燒過程的進展以及有害排放物的生成。提高噴油壓力和柴油霧化效果、使用預噴射、分段噴射等可以有效的改善排放。
經過多年的研究和新技術應用，柴油發(fā)電機的現(xiàn)狀已與以往大不相同。現(xiàn)代先進的柴油發(fā)電機一般采用電控噴射、高壓共軌（見圖1）、渦輪增壓中冷等技術，在重量、噪音、煙度等方面已取得重大突破，達到了汽油機的水平。隨著國際上日益嚴格的排放控制標準的頒布與實施，無論是汽油機還是柴油發(fā)電機都面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，解決的辦法之一是采用電子控制燃油噴射的技術。
圖1 康明斯發(fā)電機組電控系統(tǒng)
二、柴油發(fā)電機電子控制技術的發(fā)展趨勢
1、高的噴射壓力
為滿足排放法規(guī)的要求，柴油噴射壓力從10MPa提高到200MPa。如此高的噴射壓力可明顯改善柴油和空氣的混合質量，縮短著火延遲期，使燃燒更迅速、更徹底，并且控制燃燒溫度，從而降低廢氣排放。
為滿足排放法規(guī)的要求，柴油噴射壓力從10MPa提高到200MPa。如此高的噴射壓力可明顯改善柴油和空氣的混合質量，縮短著火延遲期，使燃燒更迅速、更徹底，并且控制燃燒溫度，從而降低廢氣排放。
2、獨立的噴射壓力控制
傳統(tǒng)柴油發(fā)電機的供油系統(tǒng)的噴射壓力與柴油發(fā)電機的轉速負荷有關。這種特性對于低轉速、部分負荷條件下的燃油經濟性和排放不利。若供油系統(tǒng)具有不依賴轉速和負荷的噴射壓力控制能力，就可選擇最合適的噴射壓力使噴射持續(xù)期、著火延遲期最佳，使柴油發(fā)電機在各種工況下的廢氣排放最低而經濟性最優(yōu)。
傳統(tǒng)柴油發(fā)電機的供油系統(tǒng)的噴射壓力與柴油發(fā)電機的轉速負荷有關。這種特性對于低轉速、部分負荷條件下的燃油經濟性和排放不利。若供油系統(tǒng)具有不依賴轉速和負荷的噴射壓力控制能力，就可選擇最合適的噴射壓力使噴射持續(xù)期、著火延遲期最佳，使柴油發(fā)電機在各種工況下的廢氣排放最低而經濟性最優(yōu)。
3、改善柴油發(fā)電機燃油經濟性
用戶對柴油發(fā)電機的燃油消耗率非常關注。高噴射壓力、獨立的噴射壓力控制、小噴孔、高平均噴油壓力等措施都能降低燃油消耗率，從而提高了柴油發(fā)電機的燃油使用經濟性。
用戶對柴油發(fā)電機的燃油消耗率非常關注。高噴射壓力、獨立的噴射壓力控制、小噴孔、高平均噴油壓力等措施都能降低燃油消耗率，從而提高了柴油發(fā)電機的燃油使用經濟性。
4、獨立的燃油噴射正時控制
噴射正時直接影響到柴油發(fā)電機活塞上止點前噴入汽缸的油量，決定著汽缸的峰值爆發(fā)壓力和最高溫度。高的汽缸壓力和溫度可以改善燃油使用經濟性，但導致NOX增加。而不依賴于轉速和負荷的噴射正時控制能力，是在燃油消耗率和排放之間實現(xiàn)最佳平衡的關鍵措施。
噴射正時直接影響到柴油發(fā)電機活塞上止點前噴入汽缸的油量，決定著汽缸的峰值爆發(fā)壓力和最高溫度。高的汽缸壓力和溫度可以改善燃油使用經濟性，但導致NOX增加。而不依賴于轉速和負荷的噴射正時控制能力，是在燃油消耗率和排放之間實現(xiàn)最佳平衡的關鍵措施。
5、可變的預噴射控制能力
預噴射可以降低顆粒排放，又不增加NOX排放，還可改善柴油發(fā)電機冷啟動性能、降低冷態(tài)工況下白煙的排放，降低噪聲，改善低速扭矩。但是預噴射量、預噴射與主噴射之間的時間間隔在不同工況下的要求是不一樣的。因此具有可變的預噴射控制能力對柴油發(fā)電機的性能和排放十分有利。
預噴射可以降低顆粒排放，又不增加NOX排放，還可改善柴油發(fā)電機冷啟動性能、降低冷態(tài)工況下白煙的排放，降低噪聲，改善低速扭矩。但是預噴射量、預噴射與主噴射之間的時間間隔在不同工況下的要求是不一樣的。因此具有可變的預噴射控制能力對柴油發(fā)電機的性能和排放十分有利。
6、最小油量的控制能力
供油系統(tǒng)具有高噴射壓力的能力與柴油發(fā)電機怠速所需要的小油量控制能力發(fā)生矛盾。當供油系統(tǒng)具有預噴射能力后將會使控制小油量的能力進一步降低。由于工程機械用柴油發(fā)電機的工況很復雜，怠速工況經常出現(xiàn)，而電噴柴油發(fā)電機容易實現(xiàn)最小油量控制。
供油系統(tǒng)具有高噴射壓力的能力與柴油發(fā)電機怠速所需要的小油量控制能力發(fā)生矛盾。當供油系統(tǒng)具有預噴射能力后將會使控制小油量的能力進一步降低。由于工程機械用柴油發(fā)電機的工況很復雜，怠速工況經常出現(xiàn)，而電噴柴油發(fā)電機容易實現(xiàn)最小油量控制。
三、柴油發(fā)電機電子控制技術的目的及優(yōu)點
目的：優(yōu)化動力性、改善燃油使用經濟性、控制排放，使柴油發(fā)電機從怠速至額定轉速范圍內均能獲得最佳工作狀況，防止可能發(fā)生的危險運行狀況，延長零件的使用壽命。
優(yōu)點：
1、具有多功能的自動調節(jié)性能
柴油發(fā)電機的運轉工況是多變的，而且對油耗、排放和可靠性等要求較高。康明斯ECU控制器的自動控制技術應用于柴油發(fā)電機的調節(jié)系統(tǒng)正好可以實現(xiàn)多功能的自動調節(jié)，從而保證柴油發(fā)電機動力性、燃料使用經濟性、可靠性和操作方便性等性能充分發(fā)揮。
柴油發(fā)電機的運轉工況是多變的，而且對油耗、排放和可靠性等要求較高。康明斯ECU控制器的自動控制技術應用于柴油發(fā)電機的調節(jié)系統(tǒng)正好可以實現(xiàn)多功能的自動調節(jié)，從而保證柴油發(fā)電機動力性、燃料使用經濟性、可靠性和操作方便性等性能充分發(fā)揮。
康明斯ECU控制器
2、減輕質量、縮小尺寸、提高柴油發(fā)電機的緊湊性
對于現(xiàn)代高速柴油發(fā)電機而言，由于驅動噴油泵的扭矩較大，要設計一個緊湊和可靠的供油提前自動調節(jié)器很復雜，而且在柴油發(fā)電機總體布置上也比較困難。采用自動控制技術解決供油提前角自動調節(jié)問題，不僅可以容易地解決上述難題，而且提高了柴油發(fā)電機的緊湊性。
對于現(xiàn)代高速柴油發(fā)電機而言，由于驅動噴油泵的扭矩較大，要設計一個緊湊和可靠的供油提前自動調節(jié)器很復雜，而且在柴油發(fā)電機總體布置上也比較困難。采用自動控制技術解決供油提前角自動調節(jié)問題，不僅可以容易地解決上述難題，而且提高了柴油發(fā)電機的緊湊性。
3、使柴油發(fā)電機的動力輸出和負荷得到更精確的匹配
隨著工程機械制造技術高速發(fā)展，為了提高自行式工程機械的作業(yè)效能，采用了電噴柴油發(fā)電機，電控自動變速器等自動控制裝置，使自行式工程機械在作業(yè)時，能隨著負荷的變化在一定范圍內自動調整動力輸出、動力傳遞，柴油發(fā)電機的動力輸出和負荷得到更精確的匹配，充分發(fā)揮工程機械作業(yè)效能。
隨著工程機械制造技術高速發(fā)展，為了提高自行式工程機械的作業(yè)效能，采用了電噴柴油發(fā)電機，電控自動變速器等自動控制裝置，使自行式工程機械在作業(yè)時，能隨著負荷的變化在一定范圍內自動調整動力輸出、動力傳遞，柴油發(fā)電機的動力輸出和負荷得到更精確的匹配，充分發(fā)揮工程機械作業(yè)效能。
四、柴油發(fā)電機電控技術的特點
柴油發(fā)電機電控技術與汽油機電控技術有許多相似之處，整個系統(tǒng)都是由傳感器、電控單元和執(zhí)行器三部分組成。在電控噴射方面柴油發(fā)電機與汽油機的主要差別是，汽油機的電控噴射系統(tǒng)只是控制空燃比（汽油與空氣的比例），柴油發(fā)電機的電控噴射系統(tǒng)則是通過控制噴油時間來調節(jié)輸出油量的大小，且柴油發(fā)電機噴油控制是由康明斯發(fā)電機組的轉速和加速踏板位置（油門、供油拉桿位置）來決定的。柴油發(fā)電機電控技術有兩個明顯的特點：一是柴油噴射電控執(zhí)行器復雜，二是柴油電控噴射系統(tǒng)的多樣化。
1、柴油發(fā)電機是一種熱效率比較高的動力機械
柴油發(fā)電機燃油噴射具有高壓、高頻、脈動等特點。其噴射壓力高達200MPa，為汽油機噴射壓力的百倍以上。對燃油高壓噴射系統(tǒng)實施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對噴射正時的精度要求很高，相對于柴油發(fā)電機活塞上止點的角度位置遠比汽油機要求準確，這就導致了柴油噴射的電控執(zhí)行器要復雜得多。
柴油發(fā)電機燃油噴射具有高壓、高頻、脈動等特點。其噴射壓力高達200MPa，為汽油機噴射壓力的百倍以上。對燃油高壓噴射系統(tǒng)實施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對噴射正時的精度要求很高，相對于柴油發(fā)電機活塞上止點的角度位置遠比汽油機要求準確，這就導致了柴油噴射的電控執(zhí)行器要復雜得多。
2、由于柴油發(fā)電機的噴射系統(tǒng)形式多樣
傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結構完全不同的系統(tǒng)。實施電控技術的執(zhí)行機構比較復雜，形成了柴油噴射系統(tǒng)的多樣化；同時柴油發(fā)電機需要對油量、定時、噴油壓力等多參數(shù)進行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機。
傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結構完全不同的系統(tǒng)。實施電控技術的執(zhí)行機構比較復雜，形成了柴油噴射系統(tǒng)的多樣化；同時柴油發(fā)電機需要對油量、定時、噴油壓力等多參數(shù)進行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機。
3、電控柴油噴射系統(tǒng)分類
最先出現(xiàn)的是電控噴油泵技術，而后又發(fā)展了電控泵噴嘴技術（見圖3）和高壓共軌噴射技術，后兩種技術是現(xiàn)在最主要的柴油發(fā)電機電控噴射技術。其中，電控泵噴嘴技術的噴油壓力非常高，可以達到200MPa，并且泵和噴嘴裝在一起，所以只需要很短的高壓油引導部分，泵噴嘴系統(tǒng)也可以實現(xiàn)很小的預噴量，其噴油特性是三角形的，并采用了分段式預噴射，這是很符合柴油發(fā)電機的要求。但電控泵噴嘴技術的噴油壓力受柴油發(fā)電機轉速影響，使用蓄壓系統(tǒng)的高壓共軌技術可以解決這個問題。它的噴油壓力低于泵噴嘴系統(tǒng)，能達到160MPa。
最先出現(xiàn)的是電控噴油泵技術，而后又發(fā)展了電控泵噴嘴技術（見圖3）和高壓共軌噴射技術，后兩種技術是現(xiàn)在最主要的柴油發(fā)電機電控噴射技術。其中，電控泵噴嘴技術的噴油壓力非常高，可以達到200MPa，并且泵和噴嘴裝在一起，所以只需要很短的高壓油引導部分，泵噴嘴系統(tǒng)也可以實現(xiàn)很小的預噴量，其噴油特性是三角形的，并采用了分段式預噴射，這是很符合柴油發(fā)電機的要求。但電控泵噴嘴技術的噴油壓力受柴油發(fā)電機轉速影響，使用蓄壓系統(tǒng)的高壓共軌技術可以解決這個問題。它的噴油壓力低于泵噴嘴系統(tǒng)，能達到160MPa。
圖3 康明斯原裝噴油器
電子伺服機構代替機械調速器控制供油滑套位置以實現(xiàn)供油量的調整。其特點是保留了傳統(tǒng)的噴油泵——高壓油管——噴油器系統(tǒng)，只是對齒條或滑套的運動位置由原來的機械調速器控制改為計算機控制。這類技術已發(fā)展到了可以同時控制定時和預噴射的TICS系統(tǒng)。
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