行業(yè)新聞/柴油發(fā)電機(jī)組
闡述康明斯電噴機(jī)ECU電子控制技術(shù)的特點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間：2022-02-01 16:25:18 ▏閱讀：次
摘要：由于柴油發(fā)電機(jī)具備高扭矩、高壽命、低油耗、低排放等特點(diǎn)，柴油機(jī)成為解決康明斯發(fā)電機(jī)組能源問(wèn)題最現(xiàn)實(shí)和最可靠的手段。因此柴油發(fā)電機(jī)的使用范圍越來(lái)越廣，數(shù)量越來(lái)越多。同時(shí)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能、控制廢氣排放和噪聲污染的要求也越來(lái)越高。依靠傳統(tǒng)的機(jī)械控制噴油系統(tǒng)已無(wú)法滿足上述要求，也難以實(shí)現(xiàn)噴油量、噴油壓力和噴射正時(shí)完全按最佳工況運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)及信息技術(shù)的迅速發(fā)展，使電子產(chǎn)品的可靠性、成本、體積等各方面都能滿足柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行電子控制的要求，并且電子控制燃油噴射很容易實(shí)現(xiàn)。
一、柴油發(fā)電機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r
實(shí)際上，柴油發(fā)電機(jī)排氣中CO和HC比汽油機(jī)少得多，NOX排放量與汽油機(jī)相近，只是排氣微粒較多，這與柴油發(fā)電機(jī)燃燒機(jī)理有關(guān)。柴油發(fā)電機(jī)是一種非均質(zhì)燃燒，可燃混合氣形成時(shí)間很短，而且可燃混合氣形成與燃燒過(guò)程交錯(cuò)在一起。通過(guò)分析柴油發(fā)電機(jī)噴油規(guī)律得到：噴入燃料的霧化質(zhì)量、汽缸內(nèi)氣體的流動(dòng)以及燃燒室形狀等均直接影響燃燒過(guò)程的進(jìn)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(yù)噴射、分段噴射等可以有效的改善排放。
經(jīng)過(guò)多年的研究和新技術(shù)應(yīng)用，柴油發(fā)電機(jī)的現(xiàn)狀已與以往大不相同。現(xiàn)代先進(jìn)的柴油發(fā)電機(jī)一般采用電控噴射、高壓共軌（見(jiàn)圖1）、渦輪增壓中冷等技術(shù)，在重量、噪音、煙度等方面已取得重大突破，達(dá)到了汽油機(jī)的水平。隨著國(guó)際上日益嚴(yán)格的排放控制標(biāo)準(zhǔn)的頒布與實(shí)施，無(wú)論是汽油機(jī)還是柴油發(fā)電機(jī)都面臨著嚴(yán)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(shù)。
圖1 康明斯發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)
二、柴油發(fā)電機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
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(zhì)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(zhì)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(dú)立的噴射壓力控制
傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的供油系統(tǒng)的噴射壓力與柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速負(fù)荷有關(guān)。這種特性對(duì)于低轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷條件下的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放不利。若供油系統(tǒng)具有不依賴(lài)轉(zhuǎn)速和負(fù)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(jī)在各種工況下的廢氣排放最低而經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。
傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的供油系統(tǒng)的噴射壓力與柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速負(fù)荷有關(guān)。這種特性對(duì)于低轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷條件下的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放不利。若供油系統(tǒng)具有不依賴(lài)轉(zhuǎn)速和負(fù)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(jī)在各種工況下的廢氣排放最低而經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。
3、改善柴油發(fā)電機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性
用戶對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的燃油消耗率非常關(guān)注。高噴射壓力、獨(dú)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(jī)的燃油使用經(jīng)濟(jì)性。
用戶對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的燃油消耗率非常關(guān)注。高噴射壓力、獨(dú)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(jī)的燃油使用經(jīng)濟(jì)性。
4、獨(dú)立的燃油噴射正時(shí)控制
噴射正時(shí)直接影響到柴油發(fā)電機(jī)活塞上止點(diǎn)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(jīng)濟(jì)性，但導(dǎo)致NOX增加。而不依賴(lài)于轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的噴射正時(shí)控制能力，是在燃油消耗率和排放之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡的關(guān)鍵措施。
噴射正時(shí)直接影響到柴油發(fā)電機(jī)活塞上止點(diǎn)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(jīng)濟(jì)性，但導(dǎo)致NOX增加。而不依賴(lài)于轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的噴射正時(shí)控制能力，是在燃油消耗率和排放之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡的關(guān)鍵措施。
5、可變的預(yù)噴射控制能力
預(yù)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(jī)冷啟動(dòng)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(yù)噴射量、預(yù)噴射與主噴射之間的時(shí)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(yù)噴射控制能力對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的性能和排放十分有利。
預(yù)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(jī)冷啟動(dòng)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(yù)噴射量、預(yù)噴射與主噴射之間的時(shí)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(yù)噴射控制能力對(duì)柴油發(fā)電機(jī)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(jī)怠速所需要的小油量控制能力發(fā)生矛盾。當(dāng)供油系統(tǒng)具有預(yù)噴射能力后將會(huì)使控制小油量的能力進(jìn)一步降低。由于工程機(jī)械用柴油發(fā)電機(jī)的工況很復(fù)雜，怠速工況經(jīng)常出現(xiàn)，而電噴柴油發(fā)電機(jī)容易實(shí)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(jī)怠速所需要的小油量控制能力發(fā)生矛盾。當(dāng)供油系統(tǒng)具有預(yù)噴射能力后將會(huì)使控制小油量的能力進(jìn)一步降低。由于工程機(jī)械用柴油發(fā)電機(jī)的工況很復(fù)雜，怠速工況經(jīng)常出現(xiàn)，而電噴柴油發(fā)電機(jī)容易實(shí)現(xiàn)最小油量控制。
三、柴油發(fā)電機(jī)電子控制技術(shù)的目的及優(yōu)點(diǎn)
目的：優(yōu)化動(dòng)力性、改善燃油使用經(jīng)濟(jì)性、控制排放，使柴油發(fā)電機(jī)從怠速至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能獲得最佳工作狀況，防止可能發(fā)生的危險(xiǎn)運(yùn)行狀況，延長(zhǎng)零件的使用壽命。
優(yōu)點(diǎn)：
1、具有多功能的自動(dòng)調(diào)節(jié)性能
柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況是多變的，而且對(duì)油耗、排放和可靠性等要求較高。康明斯ECU控制器的自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于柴油發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)正好可以實(shí)現(xiàn)多功能的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保證柴油發(fā)電機(jī)動(dòng)力性、燃料使用經(jīng)濟(jì)性、可靠性和操作方便性等性能充分發(fā)揮。
柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況是多變的，而且對(duì)油耗、排放和可靠性等要求較高。康明斯ECU控制器的自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于柴油發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)正好可以實(shí)現(xiàn)多功能的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保證柴油發(fā)電機(jī)動(dòng)力性、燃料使用經(jīng)濟(jì)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(zhì)量、縮小尺寸、提高柴油發(fā)電機(jī)的緊湊性
對(duì)于現(xiàn)代高速柴油發(fā)電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)噴油泵的扭矩較大，要設(shè)計(jì)一個(gè)緊湊和可靠的供油提前自動(dòng)調(diào)節(jié)器很復(fù)雜，而且在柴油發(fā)電機(jī)總體布置上也比較困難。采用自動(dòng)控制技術(shù)解決供油提前角自動(dòng)調(diào)節(jié)問(wèn)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(jī)的緊湊性。
對(duì)于現(xiàn)代高速柴油發(fā)電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)噴油泵的扭矩較大，要設(shè)計(jì)一個(gè)緊湊和可靠的供油提前自動(dòng)調(diào)節(jié)器很復(fù)雜，而且在柴油發(fā)電機(jī)總體布置上也比較困難。采用自動(dòng)控制技術(shù)解決供油提前角自動(dòng)調(diào)節(jié)問(wèn)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(jī)的緊湊性。
3、使柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力輸出和負(fù)荷得到更精確的匹配
隨著工程機(jī)械制造技術(shù)高速發(fā)展，為了提高自行式工程機(jī)械的作業(yè)效能，采用了電噴柴油發(fā)電機(jī)，電控自動(dòng)變速器等自動(dòng)控制裝置，使自行式工程機(jī)械在作業(yè)時(shí)，能隨著負(fù)荷的變化在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整動(dòng)力輸出、動(dòng)力傳遞，柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力輸出和負(fù)荷得到更精確的匹配，充分發(fā)揮工程機(jī)械作業(yè)效能。
隨著工程機(jī)械制造技術(shù)高速發(fā)展，為了提高自行式工程機(jī)械的作業(yè)效能，采用了電噴柴油發(fā)電機(jī)，電控自動(dòng)變速器等自動(dòng)控制裝置，使自行式工程機(jī)械在作業(yè)時(shí)，能隨著負(fù)荷的變化在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整動(dòng)力輸出、動(dòng)力傳遞，柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力輸出和負(fù)荷得到更精確的匹配，充分發(fā)揮工程機(jī)械作業(yè)效能。
四、柴油發(fā)電機(jī)電控技術(shù)的特點(diǎn)
柴油發(fā)電機(jī)電控技術(shù)與汽油機(jī)電控技術(shù)有許多相似之處，整個(gè)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(jī)與汽油機(jī)的主要差別是，汽油機(jī)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(jī)的電控噴射系統(tǒng)則是通過(guò)控制噴油時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出油量的大小，且柴油發(fā)電機(jī)噴油控制是由康明斯發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和加速踏板位置（油門(mén)、供油拉桿位置）來(lái)決定的。柴油發(fā)電機(jī)電控技術(shù)有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：一是柴油噴射電控執(zhí)行器復(fù)雜，二是柴油電控噴射系統(tǒng)的多樣化。
1、柴油發(fā)電機(jī)是一種熱效率比較高的動(dòng)力機(jī)械
柴油發(fā)電機(jī)燃油噴射具有高壓、高頻、脈動(dòng)等特點(diǎn)。其噴射壓力高達(dá)200MPa，為汽油機(jī)噴射壓力的百倍以上。對(duì)燃油高壓噴射系統(tǒng)實(shí)施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對(duì)噴射正時(shí)的精度要求很高，相對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)活塞上止點(diǎn)的角度位置遠(yuǎn)比汽油機(jī)要求準(zhǔn)確，這就導(dǎo)致了柴油噴射的電控執(zhí)行器要復(fù)雜得多。
柴油發(fā)電機(jī)燃油噴射具有高壓、高頻、脈動(dòng)等特點(diǎn)。其噴射壓力高達(dá)200MPa，為汽油機(jī)噴射壓力的百倍以上。對(duì)燃油高壓噴射系統(tǒng)實(shí)施噴油量的電子控制，困難大得多。而且柴油噴射對(duì)噴射正時(shí)的精度要求很高，相對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)活塞上止點(diǎn)的角度位置遠(yuǎn)比汽油機(jī)要求準(zhǔn)確，這就導(dǎo)致了柴油噴射的電控執(zhí)行器要復(fù)雜得多。
2、由于柴油發(fā)電機(jī)的噴射系統(tǒng)形式多樣
傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結(jié)構(gòu)完全不同的系統(tǒng)。實(shí)施電控技術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，形成了柴油噴射系統(tǒng)的多樣化；同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)需要對(duì)油量、定時(shí)、噴油壓力等多參數(shù)進(jìn)行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機(jī)。
傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)具有直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等結(jié)構(gòu)完全不同的系統(tǒng)。實(shí)施電控技術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，形成了柴油噴射系統(tǒng)的多樣化；同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)需要對(duì)油量、定時(shí)、噴油壓力等多參數(shù)進(jìn)行綜合控制，其軟件的難度也大于汽油機(jī)。
3、電控柴油噴射系統(tǒng)分類(lèi)
最先出現(xiàn)的是電控噴油泵技術(shù)，而后又發(fā)展了電控泵噴嘴技術(shù)（見(jiàn)圖3）和高壓共軌噴射技術(shù)，后兩種技術(shù)是現(xiàn)在最主要的柴油發(fā)電機(jī)電控噴射技術(shù)。其中，電控泵噴嘴技術(shù)的噴油壓力非常高，可以達(dá)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(dǎo)部分，泵噴嘴系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)很小的預(yù)噴量，其噴油特性是三角形的，并采用了分段式預(yù)噴射，這是很符合柴油發(fā)電機(jī)的要求。但電控泵噴嘴技術(shù)的噴油壓力受柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速影響，使用蓄壓系統(tǒng)的高壓共軌技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。它的噴油壓力低于泵噴嘴系統(tǒng)，能達(dá)到160MPa。
最先出現(xiàn)的是電控噴油泵技術(shù)，而后又發(fā)展了電控泵噴嘴技術(shù)（見(jiàn)圖3）和高壓共軌噴射技術(shù)，后兩種技術(shù)是現(xiàn)在最主要的柴油發(fā)電機(jī)電控噴射技術(shù)。其中，電控泵噴嘴技術(shù)的噴油壓力非常高，可以達(dá)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(dǎo)部分，泵噴嘴系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)很小的預(yù)噴量，其噴油特性是三角形的，并采用了分段式預(yù)噴射，這是很符合柴油發(fā)電機(jī)的要求。但電控泵噴嘴技術(shù)的噴油壓力受柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速影響，使用蓄壓系統(tǒng)的高壓共軌技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。它的噴油壓力低于泵噴嘴系統(tǒng)，能達(dá)到160MPa。
圖3 康明斯原裝噴油器
電子伺服機(jī)構(gòu)代替機(jī)械調(diào)速器控制供油滑套位置以實(shí)現(xiàn)供油量的調(diào)整。其特點(diǎn)是保留了傳統(tǒng)的噴油泵——高壓油管——噴油器系統(tǒng)，只是對(duì)齒條或滑套的運(yùn)動(dòng)位置由原來(lái)的機(jī)械調(diào)速器控制改為計(jì)算機(jī)控制。這類(lèi)技術(shù)已發(fā)展到了可以同時(shí)控制定時(shí)和預(yù)噴射的TICS系統(tǒng)。
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