双油路电控喷油系统在机车柴油机应用的研究

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1、 双油路电控喷油系统 在机车柴油机应用的研究 大连理工大学吴 迪 高希彦周雅 夫 T h e r e s e a r c h o f T w o 一w a y e l e c t r o n i c c o n t r o l i n j e t i o n s y s t e m a p p l y i n g o n l o c o mo t i v e d i e s e l Wu D i G a o X i y a n Z h o u Y a f u Da l i a n Uni v e r s i ty o f Te c h no l o g y 摘要 针对机车柴油机进行了 双油 路

2、电技 喷油系 统的研究， 并且进行了 软硬件的 开发， 经过试验浏试以验证系统的拉制性能。 要扭词电撞双油路电暄喻油系统机车柴油机 A b s t r a c t T w o 一wa y e l e c t o n i c c o n t r o l i n j e c t i o n s y s t e m b a s e d o n l o c o mo t i v e d ie s e l h a s b e e n r e s e a r c h e d a n d t h e s o f t w a r e a n d h a r d w a r e h a v e b e e n

3、d o n e t o v e r i f y t h e c o n t r o l c a p a c i t y o f t h e s y s t e m. K e y w o r d s e l e c t r o n i c c o n t r o l T w o 一w a y e le c t o n i c c o n t r o l i n je c t i o n s y s t e m l o c o - mo t i v e d i e s e l 1 国产机 车柴油机燃油喷 射系统现 状 现役国产主型机车柴油机( 包括 2 4 0系列 和2 8 。 系列) 采用的 燃

4、油喷射系统都是单体泵 一高压 油管一喷油嘴系统。 单体泵由 供油凸 轮 驱动， 喷油压力 随柴油机转速变化而变化， 最大 喷 射压 力一般在7 0 -9 0 M P a , 机车柴油机燃烧过程的组织是比较粗糙 的。 对应不同 的手把位， 喷油系 统靠喷油泵 柱塞 的螺旋边进行循环供油量的控制， 而供油提前 角不能随 工况的 变化而变化。 所以， 通常只 能在 8 5 洲标定功率附 近较好地组织燃烧， 但难以兼 顾其它工况和惰转时的经济性。 实际上， 机车柴 油机相当一 部分时间是在部 分负荷和惰转 条件 下运行。 据统计资料表明， 货运机车负荷率在 6 0 环-7 0 %左右， 客运机车在 4

5、 0 - 5 0 %, 惰转 时间占运行时间3 0 %左右。所以， 降低部分负 荷的油耗率具有重要意义。 现在机车上采用的用调速器带动齿条拉杆 的调整办法， 在转速较低时， 调整器推动齿条的 力很小。 这样， 外界负荷的微小变动就有可能引 起齿条较大的抖动， 因而导致游车， 使转速不 稳。 所以， 目前国产机车柴油机的惰转转速只能 达到 4 0 0 - 4 5 0 r / mi n , 近年来， 人们在环境污染的控制方面， 已经 注意到了机车柴油机对铁 路交通枢纽城市， 特 别是对站台附近的大气污染。 因此， 各国相继出 台了柴油机排放限制标准和法规。我国在 G B . 2 6 7 -8 7

6、中， 也对机车柴油机的排放提出7 限制 要求。 现在排放 性能的 好坏已 经成为机车 柴油机能否进入国际市场的重要指标之一， 这 使机 车生产厂不得不把排 放的控 制提到议事日 程上来。 而降低排放的有效途径之一， 就是采用 1 5 5 电子控制燃油喷射技术， 这就为电 控喷射提供 了市场条件。 小型车用 高速柴油机的电 控喷射技术已经 发展得比较完善， 泵一喷嘴及共轨蓄压系统都 已 有产品进人商品化阶 段。电控燎油喷 射系 统 在美国G E公司D A S H 9 系列和A C 6 0 0 0 型内 燃机车上的成功运用， 把电 控喷射技术推广到 了机车柴油机这个新的领域。这使我们对该技 术在国

7、产机车柴油机上的运用有了 更直观更深 刻的认识。 可以 说， 在国产机车柴油 机上采用电 控喷射系统的条件已基本成熟。 2 双油路电喷系统简介 与小型高速柴油机相比， 中速柴油机的电 控喷射技术 起步较晚。 直到8 0 年代末， 国外一 些厂家才开始了电控喷 射技术在中 速柴油机上 的应用研究工作。国内的研制开发工作在这个 领域荃本上是一片空白。 而取消凸轮， 由液压驱 动的电控燃油系统在大功率机车柴油机上应 用， 国内尚属首次。 双油路电控喷油系统是一种蓄压共轨式喷 油系统、 它不采用传统的柱塞泵脉动供油， 油泵 的作用是为公共蓄压室 共轨) 建立压力。系统 分为燃油和机油两个回路， 其中机

8、油为喷油器 的控制油。 高压机油泵将机油泵人共轨油管， 并 作用到各喷油 器。 共轨油压力 调节阀控制， 其压 力值可以按发动机最佳性能豁要在 4 0 b a r 2 0 0 b a r 之间 的调节。 共轨压力 作为系统的压力 源， 嫩油喷射压力取决于增压活塞的面积和共 轨压力， 最高喷射压力可以达到 1 , 5 0 0 b a r 以 上， 并可通过对共轨油压的控制而任意调节. 喷 油器电磁阀的通电时刻及通电时间决定供油时 刻和供油时间， 共轨压力决定供油速率。 E C U 接受控制指令， 并根据发动机的运行工况控制 压力调节阀和喷油器电磁阀的开启和关闭， 实 现对燃油系统的实时控制， 以

9、获得最佳的发动 机特性。 在实现良好的经济性能的同时， 排放性 能也得到改善。共轨系统中喷射压力与发动机 转速无关， 完全由E C U控制， 可灵活调节。 双油路电控喷油系统的工作过程 图 1 是双油路系统装置示意图 压力 调节蔺压力表 Ih 7 Jv m a 电控单 元 E C甘 大往塞 发动机 工 况 r )ir,162% 曰白 匆白 图 1 系统示愈图 1 5 6 系统主要装置说明: 油腔容量为6 0 0 mt 。机油通过泵经滤 清器进入油腔， 油压在 4 0 b a r - 2 0 0 6 a r 之间， 由 压力调节阀控制。 压力 调节阀， 即电磁开关阀， 由E C U控 制开启 和

10、关闭， 调节油腔压力。 电磁阀三通阀， 由E C U控制开启和 关闭， 控制喷油始点、 终点和持续时间。 增压住塞 是把油腔机油压力放大的装 置， 由 增压柱塞两端面积比实 现。 系 统的工作 过程分为油腔压力控制和喷油 控制两部分: ( 1 ) 高 速旋转泵供油经滤清器给油腔， 最大 供油压力 为2 0 0 6 a r , E C U采集发动机工况， 确 定油腔压力， 控制压力调节阀开启和关闭， 调整 油腔压力。E C U采集压力传感器信号， 得到反 馈值. 进行闭环控制， 如图2 . M E C U采集发动 机工况 和外部指令确定 喷油时刻和持 续时间， 控 制电 磁阀开 启和关闭。 当电

11、 磁阀开启， 油腔与增压 柱塞上 端接通， 油腔 中的压力油 进人增压柱塞上端， 并且推动增压 柱塞下行， 压缩燃油、 喷嘴的针阀抬起， 开始喷 油。 当电 磁阀 断电 关闭， 增压 柱塞上端与机油箱 接通， 压力油回油， 增压柱塞 复位. 针阀 关闭， 一 次喷油结束。 F R I - -k-m i,- io#Lj:“R 4 电控单元( E C U ) 由于本系统处于试验阶段， 也为了以后能 够丰富成为通用的电控喷油系统的试脸台， 适 用于不同结构的喷油系统， 因此采用奔腾 1 6 6 P C 机作为 控制 机， 配上自己 研制的3 2 路快 速A / D数据采集 器， 通过P C机并行口发

12、出脉 冲信号， 经调整控制智能功率开关 I C - B T S 4 1 2 ， 利用外接电 源控制电磁阀。 4 . 1 A/ D采集器 A / D采集器的最大采集速度为 5 0 0 KH z / s ， 输入信号为。 -5 V , 经整形和A / D转换等处 理， 输出给P C机。 A / D采集器的逻辑结 构如图 3 。 图2 压力调节阀控制示愈图 图 3 A / D采集器逻辑结构图 1 5 7 4 . 2 I C -B T S 4 1 2简介 在电力电子学领域， 功率半导体器件大致 分为 三类， 第一类是以可控硅为代表的半控器 件， 这类器件控制功率大， 工作频率低， 具有自 保持特性。

13、第二类是以大功率双极晶体管、 V M O S , I G B T为代表的全控器件， 这类器件工 作频率高， 可以自 然关断， 正处于使用的全盛 期。第 三类是八十年代末期才崛起的智能型功 率器件S m a r t p o w e r , 以B T S 4 1 2 为 典型代表。 主要特点如下: ( 1 ) 在负载端发生短路时可快速切断电源， 实现 自我保护。B T S 4 1 2的额定输 出电流为 1 0 A ， 当电流超过2 4 A时超控. 6 0 m s 内 将电流 衰减下来。 ( 幻器件温升超过一规定值后可立即切断 电源以 自我保护。B T S 4 1 2在器件温度达到 1 6 0 。.

14、 1 7 0 0 C的过热状态时， 在4 0 m s 内自 行关 断 。 ( 3 ) 器件输入端是 5 V低压控制， 与微机、 C M O S和T T L逻辑兼容， 可直接输入控制信 号。 ( 4 ) 器件具有一单独引脚作为故障 诊断的 反馈信号端， 可直接为微机所利用。 ( 5 ) 具有很强的抗脉冲干扰能力。 B T S 4 1 2 的主要特性如下: 二输 入 构 成 为 C MOS , 输 出构 成 为 VMOS;- 一一一 - ， 工作电 压-3 5 V ; ， 工作电 流1 0 A , 导通电 阻(0 . 2 0 n ; ， 工作温度一5 5 ， 1 5 0 0 C; * 芯片面积 4

15、 . 7 X 4 . 2 m m . 二 保护功能为过流、 过压和过热; ， 具 有 自 诊 断 功 能 夕 工作频率在4 0 0 H : 以下时， B T S 4 1 2 的开 关特性可靠稳定， 适用于阻性、 容性和感性负 载。 4 . 3 E C U主 控模块 E C U的功能主要靠系统软件完成， 系 统软 件主要包括: 1 ) 输人检测模块 主要完 成发动 机工况的 采集， 包括转速、 上 止点等。 2 ) 控制 计算模块 主要完成顺序喷射， 喷油量控制， 喷油定时 控制， 喷油率控制， 喷油压力控制。 3 ) 输出驱动模块 主要完成驱动信号生成， 喷油器驱动。 5 试验及结果 5 .

16、1 增压压力试验 双油路电控喷油试验是在油泵试验台进 行， 增压活塞面积比即增压比为6 . 2 5 , 油腔压 力P 分别为6 , 8 , 1 0 , 1 2 , 1 6 . 1 8 , 2 0 M P a 、 根据油 腔压力传感器和喷油传感器得到的试验结果如 图4 ,图中 有两条线， 浅色为 理论增压压力线， 深色为测量增压压力线， 压力变比为 5 . 6 左右， 在油腔压力高于 1 6 0 6 a r 时， 实际增压比又有下 降。 这主要 是因 为系 统中存在 压力损失 和泄 露 造成的。 _ _ 5 . 2 喷油始点和喷油量试验 通过E C U对喷油电磁阀的开启和关闭， 可以有效地控制喷油始点和喷油量。图5 和图 6 是不同通电时间、 不同压力下的喷油曲线。 1 5 9 ; n 1 2 0 0 1 0 0 0 髦 仁叭 8 写一一 帕仍沁。 .户1卜- -资参 ? 0 8 0 1 2 0 i 6 0 沈腔不力b a r 图4 试验结果曲线 Z o / 一一了 月飞 厂下 几 一丫介 厂 一/一 I A