康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	改善康明斯柴油发电机的燃油系统方法

 

前言：当前，为了适应全球对节能环保的要求，我国推出了更严格的针对柴油发电机尾气排放的法规。经国务院批准，在全国范围内对所有非道路用柴油发电机实施国家第三阶段排放标准(简称国3排放)。排放法规的不断严格推动了柴油发电机的技术进步，目前从发展趋势来看，共轨和单体泵是比较成熟的国3技术，但是由于其核心零部件由国外企业垄断，国内企业要装配不但价格高，而且供应量也存在问题。为了解决这一问题，作为中美合资品牌康明斯发电机厂家在分析了柴油发电机排放控制技术发展的基础上，经过多年的实践和探索研究后，开发了一种新型的燃油喷射系统“直列泵+电子调速器+冷却ECR”，该技术在国内获得了成功。这一技术在成本和维修方面优势明显，符合中国当下的实际情况，得到了各企业的青睐。接下来康明斯厂家小编将着重介绍这一技术思路中的燃油系统的开发。

 

一、现代柴油机尾气排放技术概述

 

      随着经济的发展，发电机组逐渐成为大气排放污染物的主要来源，使得对柴油发电机排放的控制更为紧迫。因为柴油发电机排放出大量的微粒物质(PM)和氮氧化物(NOx)，所以微粒物质和氮氧化物这两种排放物的减少也成为柴油发电机排放控制的关键。

1、放热规律的控制机理

      康明斯公司主要目标是为了有效降低NOx的排放，研究了电控EGR系统总体构造、控制策略，建立了一套有效的EGR控制系统，并在对同时降低NOx和PM的方法进行了相关探讨。本文以电控技术和EGR技术为基础，根据多个工况的试验，制取了EGR最佳控制MAP图，并通过试验表明，EGR电控系统和柴油机相匹配良好，EGR电控系统能够在合理控制PM排放的基础上切实有效的降低NOx的排放，并且柴油机的动力性和经济性无明显恶化。

      根据柴油发电机的混合气形成和燃烧特点（如图1所示），以及其有害排放物的产生机理，柴油发电机燃烧过程或有害排放物的控制策略主要体现在放热规律的控制上。

      放热规律与示功图如图2所示。放热规律的韦伯公式表达最常见的方法是利用半经验公式，韦伯公式就是其中的一种，也称为韦伯燃烧规律。链式反应的化学性质是由反应过程中形成的话化中心的数量来确定的。50年代，韦伯根据链反应理论提出了描写内燃机燃烧速度的半经验公式，认为参与化学反应的原始物质的分子数与能引起有效反应的活化中心的数目成正比。

（1）从控制柴油发电机燃烧噪声及NOx排放物的角度而言，应尽可能降低预混合燃烧阶段的放热速率；

（2）从改善动力性、经济性及碳烟排放的角度而言，应提高扩散燃烧速度，由此缩短整个燃烧期间，使燃烧过程及时又完全。

      柴油发电机机内净化的核心是对燃烧过程进行优化，使柴油机达到混合均匀、燃烧充分、工作柔和、启动可靠、排放较少的要求。采取机内净化是治本之举，它是通过改进柴油发电机结构参数或者增加附加装置来改善燃烧性能，进而达到减少NOx排放的目的。

 

图1  柴油机燃烧过程（混合气的形式）

图2  放热规律与示功图

 

2、喷油系统的优化

       喷油系统的优化就是使燃油喷射参数最佳化。这些参数包括喷油定时、喷油压力、喷油速度和喷孔结构等。通过参数的优化来抑制预混合燃烧，即减少在滞燃期内形成的可燃混合气量是降低NOx排放的有效途径。

（1）优化喷油定时。

      NOx排放对喷油定时极为敏感。延迟喷油可降低NOx排放，但必须合理调整燃烧系统及喷油系统的其他参数以减少油耗、烟度和微粒排放方面的损失。为减少延迟喷油对经济性的不利影响，可采用较高的压缩比和较高的喷油压力。采用电控调压阀技术（如图3所示）和根据运行工况调节喷油始点，可降低NOx的排放。

（2）优化喷油压力。

      电控喷油器的压力分布如图4所示。提高喷油压力可有效地改善燃料的雾化性能，使混合气的混合质量得以改善，燃烧更加充分，燃烧温度上升，NOx排放增加。因为提高喷油压力能改善燃烧过程，故可以补偿由于延迟喷油造成的油耗上升，但这又使延迟喷油以降低NOx排放的目的落空。为减少NOx排放应该降低喷油压力，而喷油压力降低后又会使微粒排放增加。

（3）优化喷油速度。

      当喷油提前角一定时，提高喷油速率，缩短喷油持续期，可以使柴油发电机产生的NOx较少。提高喷油速度与延迟喷油相结合亦可减少NOx的排放。另外，喷油速度还与HC、碳烟的排放及燃油消耗、噪声有关，应综合权衡以谋求各参数的最佳值。

（4）优化喷孔结构。

       喷油器喷孔直径和数目对柴油发电机排放也有明显的影响。当循环供油量与启喷压力一定时，减少孔径会减少初期喷油量，抑制预混合燃烧和最高燃烧温度，以减少NOx的生成。当喷油压力、喷油速度及喷孔总面积不变的情况下，增加喷孔直径或增加孔数，可降低流阻，改善燃油的雾化和分布，因而能降低NOx的排放。

 

图1  柴油机高压共轨电控调压阀

图2  电控喷油器压力分布图

 

二、康明斯国三机型的排放技术

      为满足国3排放法规，康明斯发电机厂家断定必须改善柴油发电机的燃烧性能，燃油系统作为柴油发电机的“心脏”是研发的重中之重。康明斯厂家的设计开发思路是：燃油系统的嘴端喷射压力要达到130MPa以上；采用顶隙柱塞偶件实现喷油正时；采用电子调速器来提高系统响应速度，满足欧洲负荷响应试验(ELR)的测试循环要求。

1、喷油泵的设计

      燃油系统的基本结构如图5所示。如果提高燃油系统喷射压力必须首先提高其泵端压力，对于直列泵来说最直接的措施就是提高其供油速率，因此采用的方案是：以强化的Pz型机械泵为基础，增大柱塞直径，提高凸轮升程；同时在保证供油速率不变的情况下，为了增加可靠性，采用“大升程、小柱塞直径”思路，即在设计计算时，为满足要求而尽量去增加凸轮升程尺寸，并尽可能小的增加柱塞直径尺寸。这样在同样的泵端压力下，可以减小凸轮轴的接触应力，提高柱塞高压油腔的容积效率。最终将凸轮升程设计为14mm，柱塞直径设计为12mm，并与小孔径的喷油嘴匹配，将燃油系统的嘴端喷射压力大幅提升，远超过130MPa以上，满足供油要求。另外，由于提高了燃油系统的喷射压力，使得喷油泵的驱动扭矩也随之升高，这样就导致传统的机械式提前器的工作可靠性下降。为解决这一问题，目前的方法是取消传统的机械式提前器，设计开发顶隙式柱塞偶件来满足喷油正时要求。通过试验，测试改进后喷油泵的喷油提前特性完全能满足要求。

2、执行器的设计和结构布置

      目前国产执行元件主要有比例电磁铁执行机构和步进电机执行机构2种，设计方案中选用了推力大的比例电磁铁作为执行元件，它具有结构简单，可靠性高，推力大，响应快等特点，能够实现位移的精确控制，并且维护简单。在比例电磁铁与喷油泵拉杆联接的布餐上，使用杠杆机构连接执行元件和拉杆是一种常用的连接方式，这种方式可以缩短调速器的空间尺寸，但在调节供油量的过程中容易产生供油死角，使喷油泵卡死，而且多出的杠杆机构易损坏，可靠性差。为此可直接连接执行元件和拉杆，即采用直线推动的控制方式来避免上述问题的产生，使调速器更简便有效、可靠。

3、电子调速器的设计

      现阶段国内外研究的电子调速器多采用位移控制方式，通过电子控制的执行器来调节喷油泵拉杆位移，达到控制循环供油量的目的。对电子调速器的设计中主要涉及到4个方面。电子调速器的结构布置整体布局的优化保证电调泵在柴油发电机上的安装，尽可能的避免对原机的改动。在调速器外形的设计上结合柴油发电机有限的安装空间，做到结构紧凑，并且在对各部件的设计时就考虑到这一要求，控制其外围尺寸，节省空间。电调燃油系统提高柴油发电机本身的燃烧效率，并通过对柴油发电机进行优化匹配，如：改进设计燃烧室；改进设计配气机构；改进设计进排气系统；改进增压系统，调节供油提前角等措施，有效地降低了NO的排放，同时平衡排放物中NO，和颗粒的含量，满足排放标准要求。

4、位置传感器的特点与布置

      电控传感器的类型如图4所示。在各种位置传感器中，霍尔位置传感器结构简单，尺寸小，便于在调速器中的安装，选用该种传感器可以有效的节省空间，有助于优化调速器的整体尺寸结构；另外，该传感器价格便宜，灵敏度完全能够满足设计要求，可以降低生产成本。

 

图3  康明斯发动机电控燃油系统图

图4  康明斯电控燃油传感器类型

 

总结：

      康明斯发电机厂家设计开发的这一整套电调型燃油系统，系统结合现有的成熟机型通过匹配达到了国3排放标准。首先，通过设计改进喷油泵和喷油器提高了喷射压力可以达到160MPa以上，使燃油雾化颗粒更小，油气混合更充分，进一步改善了燃烧；其次，设计了电子调速器，调速器不仅提高了燃油系统的响应，而且具备尺寸小、结构简单，性能可靠，使用维护方便的特点；ESC试验循环结果表明，NO相对原机减少了lO％，颗粒减少了6o％，最终满足国3排放标准的要求。

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