康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	康明斯柴油发电机组电子喷射燃油系统的介绍

 

摘要：电喷型康明斯柴油机燃料供给系统的主要构成是供油泵、共轨和喷油器。其基本工作原理是供油泵将燃油加压成高压，供入共轨内；共轨实际上是一种燃油分配管。储存在共轨内的燃油在适当的时刻通过喷油器喷入发动机气缸内。电控共轨系统中的喷油器是一种由电磁阀控制的喷油阀，电磁阀的开启和关闭由计算机控制。本文介绍了对QSK60-G23型康明斯柴油机电子喷射燃油系统运用AVL公司HYDSIM软件进行建模和模拟计算的方法，并对模拟计算结果与实测数据进行了比较，对HYDSIM软件的实用性和局限性进行了初步探讨。

 一、康明斯电子喷射系统的特点与参数

 

      根据图1原理示意图和图2结构示意图，康明斯电子喷射燃油系统的原理是燃油由发动机凸轮轴驱动的齿轮泵经滤清器从油箱中抽出，通过一个电磁紧急关闭阀流入供油泵。此时的压力约为0.5MPa,然后，油流分为两路，一路经安全阀上的小孔作为冷却油通过供油泵的凸轮轴室流入压力控制阀，然后流回油箱。另一路充入3缸供油泵。在供油泵内，燃油压力上升到135MPa或更高，供入共轨。共轨上有一个压力传感器和一个通过切断油路来控制流量的压力控制阀。用这种方法来调节控制单元设定的共轨压力。高压燃油从共轨流入喷油器后又分为两路：一路直接喷入燃烧室，另一路在喷油期间，与针阀导向部分和控制柱塞处泄漏出的燃油一起流回油箱。

1、电控燃油系统的特点

（1）采用康明斯发动机专用型喷油嘴。

（2）康明斯柴油机喷油泵只规定安装角度。

（3）康明斯柴油机喷油泵不带提前器，利用顶隙结构可提前3°。

（4）柴油滤清器带有油水分离器。

（5）喷油器的回油从汽缸盖回油道中引出。

2、电控燃油系统参数

（1）康明斯发动机燃油输油泵出口最大压力：180kPa。

（2）康明斯发动机燃油滤清器阻力（流过滤清器的最大压力降）：35kPa。

（3）康明斯发动机燃油喷射泵油道压力：140kPa。

（4）康明斯发动机喷油器调整压力25～26MPa。

3、电控燃油系统布置

      康明斯柴油发电机采用P型喷油嘴，用压板压在汽缸盖油嘴孔内。柴油通过高压油管进入喷油器高压油管接管，然后再进入喷油器，油嘴回油通过接管与汽缸盖之间的空间汇集到汽缸盖体内的回油通道引出。

（1）水加热器供应管（3/4 英寸 NPTF） ；

（2）进油连接管（1/4 英寸 NPTF） ；

（3）电磁传感器位置（3/4-16 UNF）；

（4）机油压力管（1/8 英寸 NPTF） 。

 

图1  柴油发电机组燃油供给系统路径框图

图2  柴油发电机组电子燃油喷射系统结构图

 

二、柴油机电喷系统的模型建立

 

      康明斯电喷机型采用的电控单元ECM是发动机的大脑，它的智能升级帮助康明斯不断满足全球严格的排放和油耗法规。电控单元的控制器、传感器都是基于全球化的工程平台开发，所有产品都经过严格的评估验证和匹配，不管在移动电站还是固定发电机组，在国内外市场积累了丰富的产品经验和良好的电子架构。这些都支持CEFS能够快速识别市场需求，针对国内复杂的应用环境对控制器和传感器进行改进优化，完成大量的开发验证并最终将可靠稳定的产品投入市场。

      AVL HYDSIM软件是应用于流体液压系统和液力-机械系统动态分析的专业程序，尤其在发动机燃油喷射系统的开发中得到广泛运用，其计算结果对于分析燃油喷射过程有较好的定性及定量参考性。我们运用该软件对康明斯QSK60-G23系列柴油机燃油电子喷射系统进行了建模模拟，在发动机不同工作工况下的模拟计算均给出了较好的结果。

      根据电喷系统原型中的功能划分（泵-管-嘴），模拟计算模型也相应主要划分为三大部分，即“电喷泵”、“高压油管”、“喷油器”；凸轮型线、燃油进油压力、气缸压力等则作为输入边界条件。实物中的油孔、管子在模型中均用管子表示，其长度、孔径、壁厚从零件图纸中提取；各类容积的数值则是通过在三维CAD建模软件中进行三维建模后对实物的容积腔进行计算取得。模型也对局部地方适当进行了简化，对于一些不太重要或无法模拟的细微结构则忽略不计，如：高压油管与喷油器迸油管接头锥面连接处的微小容积等。电喷系统中一些较重要的参数（如：电磁阀开闭时刻流通截面积与时间的函数关系），在无法获得准确真实数据的情况下，通过参考Hydsim软件本身提供的一些示例及反复计算比较和修正，确定了这些参数。其中，电喷系统高压油泵模型结构如图3所示，共轨管及轨压传感器模型结构分别如图4（a）与图4（b）所示。

 

图3  柴油机电喷系统高压油泵结构图

图4  电喷系统共轨管及压力传感器结构图

 

三、柴油机电喷系统的模拟计算

 

1、模拟计算工况的载荷条件及采用的计算方法

      从康明斯QSK60-G23系列柴油机实际性能测试的试验数据中选取表1中五个工况，用HYDSIM软件分别进行计算模拟，然后将每个工况的计算结果与实测实验数据进行对比分析。

 表1    柴油发动机工况数据表

 

      如前所述，由于缺乏部分关键结构的参数（如电磁阀部分），为检查所建立模型的有效适用性和保证后续计算结果的可靠性， 对模型进行初步计算验证并对一些模型参数进行修正调整是很有必要的。柴油机启动时喷油量修正曲线如图5所示，冷却液温度修正曲线如图6所示。

      为此，把工况1的模拟计算用于对模型的计算验证，即：通过修正模型参数使得工况1的模拟计算的结果与发动机实际测试所获得的数据尽可能一致。然后在不改变模型参数的前提下进行工况2~5部分的模拟计算，若其计算结果仍能基本保持与实测实验数据的一致性，则可以认为建立的模拟模型是成功的，该模型可以用于以后对该电喷系统的系统分析及设计改进。

      具体作法是，在工况1的计算模拟中给定供油的起点和供油持续期，计算获得系统中各容积腔压力波形、喷油量流量特性、凸轮表面接触应力等数据，再与实测数据或其他软件的计算结果比较。在工况1的计算模拟取得成功后，在工况2的计算模拟中则换用另一种算法——DSIM软件的自动优化计算功能，即：给定目标喷油量（同时给定供油始点），由软件自动优化逼近该数值，最后得到该工况下的各压力波形、供油持续期、凸轮表面接触应力等数据。对于工况3～5，主要是希望了解HYDSIM软件对小流量喷射过程的模拟效果，因此仍采用与工况1相同的数据输入形式进行了计算。

2、模拟计算结果

      工况1计算完成后，在HYDSIM软件的后处理环境PP2中以曲线的形式对部分模拟计算结果数据与实际测试数据进行了对比。图4显示的是高压油管压力波曲线，可以非常直观地看出，计算结果与实测数据吻合得很好。计算曲线与实测曲线走向基本一致，形状完全相似，二者的最大压力值虽有差异，但最大压力点出现的位置基本一致，均为柴油机上止点后7度曲轴转角处。同时，用我公司自行开发的凸轮计算软件（A软件）得到的凸轮表面接触应力也与用HYDSIM软件的计算结果非常接近，对比情况见图5。

（1）工况1的成功计算模拟为后续工况的模拟计算提供了一个较为可靠实用的基本模型。

（2）工况2的计算结果表明，通过HYDSIM软件的优化逼近算法也得到了理想的结果，供油持续期的计算值与实测值相差仅0.3CA°。模拟计算与实测的最高高压油管压力值的下降幅度相同。见表2。这从另一个途径验证了所建立模型的稳定性和实用性。

表2    模拟工况2计算与实测结果比较表

 

（3）工况3～5是空载工况的模拟，计算结果中高压油管压力波与实测压力波曲线基本一致，但喷油量数据指标出现很大的差异，如表3。

表3    模拟工况3-5计算与实测结果比较表

3、模拟计算结果分析

      分析认为产生这种差异的原因可能有三点：

（1）实测循环供油量值本身计算不准。该实测值是假定“各缸供油量完全一致”，再根据柴油机在该工况时的油耗进行16缸油量的算术平均计算得到的，而实际过程中，尤其是低负荷和空载时柴油机各缸工作情况差异很大（个别气缸实际上甚至可能根本不工作），造成不同气缸的实际供油量远高于或远低于平均值。

（2）空载工况时模型参数选取不合适。与大负荷工况相比，空载工况的供油量很小，而流量系数等参数随流量的大小是变化的，由于没有实测的经验数据，我们在计算中没有也无法做到相应地改变这些参数。

（3）模拟计算软件本身的不足。与AVLHYDSIM软件专家Dr.Valdas Caika交流后，他认为空载工况本身不稳定，震荡大，完全准确模拟很困难。

 

图5  柴油机高压共轨系统燃油流量修正曲线

图6  柴油机高压共轨系统冷却液温度修正曲线

 

总结：

      通过选取适当的参数建立合适的模型，运用HYDSIM软件对康明斯QSK60-G23系列柴油机电子燃油喷射系统的工作过程可以实现比较有效的模拟计算分析，其计算结果精度和可信度较高，与实测结果吻合较好，因此计算的结果对研究柴油机燃油喷射系统有一定的指导意义。模拟计算是一个了解分析喷射过程的有效途径，但必须有真实准确的试验数据（如：流量系数、节流系数等）支持才有可能建立一个较可信可靠的模型，做到较为精确的计算模拟。同时，用实际测量结果对模型进行修正和验证也是必要的。模拟计算结果表明，康明斯QSK60-G23系列柴油机电子燃油喷射系统各零部件设计参数选取基本合适，工作过程正常，没有二次喷射现象，但柴油机凸轮型面接触应力较大，有待改进以提高可靠性和寿命。

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