高压共轨电控系统柴油机在孟加拉内燃动车组中的应用浅析

2013-09-15查晓菲

中国新技术新产品 2013年8期

高红厚琳杨毅查晓菲

（唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山 063035）

在孟加拉内燃动车组项目中采用的柴油机是德国MAN公司的D2876LUE622高压共轨系统电控柴油机。MAN柴油机一般应用于国内汽车行业或是船舶行业，应用于铁路机车还是首次。机车发电用的柴油机比船舶应用柴油机对调速的要求更高，必须保证负荷变化时柴油机的转速保持不变，因此机车发电用的柴油机的调速性能是否良好非常重要，直接影响柴油机运转的稳定性和可靠性以及车辆整车性能。

本文详细分析了改型号柴油机的电气结构及特性，在充分了解柴油机特性的基础上，针对实际项目中出现的调速问题进行分析原因，针对调速不稳情况，采集实际柴油机运转情况数据，重新更换控制器，验证在低速区域转速控制良好。

1 柴油机高压共轨电控系统的发展

柴油机电控喷油系统的开发研究从20世纪70年代开始，已经经历了三代。

第一代是位置控制式喷油系统，它的优点是无须对柴油机的结构进行改动，生产继承性好，便于对现有机型进行技术改造；缺点是控制自由度小，精度差，喷油率和喷油压力难于控制，而且不能改变传统喷油系统固有的喷射特性，因此很难大幅度地提高喷射压力。

第二代是时间控制式喷油系统，其优点是可以更加灵活而准确的控制喷油量和喷油定时，而且可以实现分缸独立控制，高压喷油能力增加。其缺点是依赖于传统的脉动高压系统，受到转速的限制，无法实现大范围的喷油定时控制和灵活的喷油压力调节。

图1 油路简图

图2 柴油机电气接口图

第三代是时间-压力控制式喷油系统，即电控共轨式喷油系统。它克服上两代的缺点，具有下述优点：可实现高压喷射，喷射压力高；喷射压力独立于柴油机转速，可改善柴油机低速、低负荷性能；可以实现预喷射，调节喷油速率；喷油定时和喷油量可自由选定；具有良好的喷射特性，优化燃烧过程；结构简单，可靠性好，适应性强。

从以上可以看出，电控高压共轨系统具有更大的优势，是柴油机燃油喷射系统的发展趋势。

2 高压共轨电控系统

本文针对孟加拉内燃动车组项目中采用的德国MAN公司的D2876LUE622高压共轨电控系统柴油机为例来分析该柴油机的调速性能及控制原理。该型号柴油机采用的是高压共轨电控系统，简单分析一下高压共轨系统的控制原理，具体说明如下：结合图1油路简图，燃油箱内的燃油经过初次滤清器过滤后，进入低压油泵，由低压油泵输送到滤清器，滤清器再次过滤后由高压供油泵加压并输送到共轨管内，共轨内的高压燃油经高压油管送入到各缸的喷油器中。EDC根据传感器（共轨压力、曲轴速度、凸轮轴速度、燃油低压、进气温度、机油压力、冷却水温度、增进压力温度）采集的信号判断柴油机工况，根据运行工况从历史数据中确定基本的喷油量、喷油压力及喷油定时等控制信息，并根据外界大气温度及其他传感器信号进行修正，确定最佳控制参数后，EDC发出指令控制燃油喷射，完成整个喷油过程。

高压共轨控制原理系统主要由电控单元（软件、硬件）、传感器及执行器组成。下面对主要部件进行说明。

2.1 电控单元

EDC是电控系统的核心，硬件包括微控制模块、输入信号处理模块、输出驱动模块、电源模块、通讯模块等。喷油压力控制策略，EDC根据柴油机转速和确定的喷油量查询历史存储数据，确定喷油压力的目标值，然后根据传感器信号进行修正，采用控制策略来控制喷油压力，实现恒压喷油。

实现柴油机的最佳工作性能，良好的控制算法和策略是电控系统稳定工作的保证。影响控制的关键参数：从手柄级位得知司机转速的要求；曲轴速度传感器用于测定柴油机实际转速值；最终控制保证两者之间偏差为零。凸轮轴传感器用于确定在哪一缸点火，确定喷油始点；预喷射油量受到喷射时间的长短、喷射器口的大小及数量、共轨压力的影响，最终确定合适的喷油始点、预喷射油量。

2.2 传感器

传感器的作用是实时检测柴油机的运行工况，所测信号经过处理后发送到EDC，用于控制策略中修正参数。本项目中的传感器部分采用+5V电源，均来自EDC内部电路提供。

本项目中实际使用的传感器如下：（1）共轨压力传感器。安装于共轨管上，用于测量管内高压，是影响喷油量的关键参数。（2）曲轴传感器。安装于曲轴轮盘边缘，用于测量柴油机实际转速。（3）凸轮轴速度传感器。安装于凸轮轴轮盘边缘，用于确定喷油位置。（4）冷却水温度传感器。监控柴油机机组是否正常工作，冷却水温度高于98度，报警提示；高于102度，准备实施停机。（5）进气温度传感器。监控柴油机机组是否正常工作，当温度高于75度时，报警提示。（6）燃油低压传感器。安装于低压泵与高压泵之间的管路上，观察传感器压力值判断低压油路是否正常。（7）机油压力传感器。监控柴油机机组是否正常工作，当机油压力低于某转速值对应的限定值时，停机。

2.3 执行器

2.3.1 高压供油泵。高压供油泵的作用是将低压燃油加压后输送到共轨管内，并通过压力控制阀调节供入共轨内的燃油量来控制油压的大小。压力控制阀可根据EDC的指令打开或关闭，控制高压燃油的进入与停止。压力控制阀是以PWM信号来控制的，控制电压24V,波形控制因素100%时,零供油；0%时，最大供油。

图3 柴油机实际运行各参数曲线

2.3.2 电控喷油器。喷油器是高压共轨电控喷油系统中最关键的部件，它根据EDC传来的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将共轨内的高压燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室中。

2.3.3 开关量信号。本项目中的柴油机电控系统采用24V蓄电池供电。通讯模块采用CAN总线。电控系统需要采集的开关信号包括启机信号、怠速信号、停机信号。这些开关信号的触发可以由硬件引起，也可以由软件引起。本项目中启机信号、怠速信号、停机信号均采用硬线，不采用网络方式；调速信号采用硬线和软件两种方式，正常情况下采用网络调速，网络调速故障时，自动切换到硬线调速。