12V280ZJ柴油機電子噴射系統(tǒng)的應用與拓展

邢 瑜

(中國北車集團 大連機車車輛有限公司 柴油機開發(fā)部,遼寧大連116022)

12V 280ZJ柴油機是大連機車車輛有限公司與美國西南研究院聯合開發(fā)的中速大功率柴油機。該柴油機引進了國外先進的電子控制燃油噴射系統(tǒng)(電噴系統(tǒng)),是電噴系統(tǒng)在鐵路機車柴油機上的首次應用。

與傳統(tǒng)的機械調速和電子調速燃油噴射系統(tǒng)相比,電噴系統(tǒng)具有無法比擬的優(yōu)越性,有以下先進性:

(1)柴油機可控性好,可以通過簡單的參數修改來實現柴油機的控制和優(yōu)化。可以實現傳統(tǒng)機械調速和電子調速的全部功能,同時能實現單缸參數修正、燃油噴射始點和周期修改、開關量控制等過去實現不了或很難實現的功能。

(2)克服了傳統(tǒng)柴油機本身的固有缺陷。因電噴系統(tǒng)反饋時間趨近于零,克服了傳統(tǒng)柴油機穩(wěn)定時間長和易游車等缺點;克服了傳統(tǒng)柴油機變工況冒黑煙現象;克服了因機械故障引起的飛車事故。

(3)在柴油機充分優(yōu)化的基礎上降低燃油消耗率。盡管需要一兩個月的時間做優(yōu)化試驗,但優(yōu)化完成后經濟效果十分顯著。

(4)可以滿足新世紀的國際環(huán)保新要求。進入新世紀,世界各國為保護環(huán)境紛紛提高排放標準,歐洲要全面實施EU Ⅳ排放標準,美國環(huán)保署比照歐洲也要在2016年實施Tier4排放標準。可見,不控制排放的柴油機今后將很難進入國際市場。

(5)滿足新技術發(fā)展的需要。隨著車載微機的廣泛應用,電噴系統(tǒng)能提供相應的電子接口,更容易實現和其他控制單元的對接。不僅如此,電噴系統(tǒng)技術可以通過模擬量輸出實現對柴油機的診斷和監(jiān)控。電子技術的不斷發(fā)展使得原來難以實現的東西成為現實。

12V 280ZJ柴油機采用了第一代電噴系統(tǒng)。這種第一代PPN(泵—管—嘴式)電噴系統(tǒng)同機械調速系統(tǒng)比較,共同點就是一方面仍然采用凸輪驅動給供油系統(tǒng)加壓,另一方面采用噴油泵、高壓油管和噴油器的結構實現噴油;不同點是用速度傳感器替代了調速器的飛鐵和勻速盤,用電噴控制盒和程序替代了機械液壓調速器,用電磁閥替代了齒條拉桿,機械結構更加簡化。整個控制程序由我公司與德國 Heinzmann公司合作開發(fā),通過DcDesk2000軟件實現人機通訊。在早期應用階段,該軟件和硬件確實出現一些問題,一方面國外的軟件不是專門為機車開發(fā)的,在柴油機出廠驗收試驗、性能試驗和可靠耐久試驗中,必須通過二次開發(fā)來實現特殊的功能;另一方面,出現的大量柴油機與電噴系統(tǒng)有關的故障也需要在實踐中摸索。筆者通過對12V 280ZJ柴油機近10來年的摸索與應用,逐漸掌握了軟件的應用和故障處理,并進行了一些拓展開發(fā)。

1 12V280ZJ柴油機電噴系統(tǒng)控制原理

如圖1所示,發(fā)動機通過速度傳感器采集曲軸和凸輪軸轉速和相位關系,同步后對速度進行分析,得到速度梯度。在電噴系統(tǒng)控制盒內部有高速32位微處理器芯片,運行的程序永久地存儲于閃存ROM中。該電噴系統(tǒng)控制盒可以通過內部程序計算,得到柴油機的供油提前角,并通過供油始點圖(DB-MAP)和供油持續(xù)期圖表(DP-MAP)得到提前角和持續(xù)期,實現對電磁閥的控制。電磁閥的原理是通過對滑閥的控制,實現可變供油量。供油提前角控制電磁閥的開啟時刻,供油持續(xù)期控制電磁閥開放時間的長短,從而控制燃燒始點和供油量。一旦電磁閥得電,燃油就能進入到高壓油管,供油凸輪進一步加壓使得燃油壓力迅速到達開啟壓力,噴油器針閥起噴。反之,電磁閥斷電關閉,噴油泵停止工作。

圖1 電噴系統(tǒng)控制原理圖

電噴系統(tǒng)控制盒用24 V直流電源供電,通過系統(tǒng)通訊連接,可以將司機手柄位信號引入電噴系統(tǒng)控制盒,實現速度給定。

計算機通過串口連接控制電噴系統(tǒng)控制盒,從而實現對柴油機的參數控制。

柴油機和機車通過安裝各種傳感器,將相應工作參數傳遞給電噴系統(tǒng)控制盒,例如溫度和壓力,使電噴系統(tǒng)控制盒控制發(fā)動機在最佳的工況下運行。電噴系統(tǒng)控制盒可以輸出各種模擬量或者開關量信號,用以監(jiān)控柴油機或機車參數以及實現保護功能。

2 電噴系統(tǒng)在柴油機上的應用

12V 280ZJ柴油機樣機在2000年初組裝完成,在8年的時間里,對該柴油機進行了臺架試驗、性能試驗、型式試驗、可靠性試驗、耐久考核和出廠試驗。按照鐵標的要求,在不斷摸索中,利用電噴系統(tǒng)完成了全部試驗內容,解決了所有機械調速系統(tǒng)很難解決或無法解決的難題。

2.1 啟動試驗

和柴油機啟動相關的電噴系統(tǒng)參數及數值見表1。

啟動試驗的目的,一方面是縮短柴油機的啟動時間,另一方面是減少啟動噴油量,從而減少啟動冒黑煙的情況。筆者通過對表1中電噴系統(tǒng)參數的反復修改和測試,找到了12V 280ZJ柴油機的最佳啟動數據,見表2中第1行。

表1 啟動參數設置

表2 柴油機啟動優(yōu)化試驗數據表

2.2 超速保護動作試驗

電噴系統(tǒng)的速度信號取自安裝在曲軸處的兩個速度傳感器的任意一個。超速保護功能是用于其他功能出現致命錯誤時,使柴油機緊急停機。12V 280ZJ柴油機超速值設定為1 130 r/min,見表3。

表3 超速保護設置

在柴油機超速校驗試驗時,需要檢測電噴系統(tǒng)中該功能是否可靠。由于最大手柄位的限制,柴油機轉速通過司控器無法超越最大工作轉速,此時電噴系統(tǒng)需要將參數12設置為大于1 130 r/min,檢測后,再恢復為1 000 r/min。

電噴系統(tǒng)超速保護的功能通過軟件實現,而且電磁閥對各個氣缸分別控制,使得飛車的可能性幾乎為零。在筆者運用的所有電噴系統(tǒng)柴油機中,到目前為止沒有發(fā)生過飛車事故。

2.3 柴油機限油和突卸負荷

有了電噴系統(tǒng)以后,限油變得簡單可行。但限油曲線的設定要和牽引試驗結合起來,一旦柴油機供油量超過限油曲線,柴油機轉速要下降,同時發(fā)生冒黑煙現象,俗稱“功率壓轉速”。我們希望柴油機接近限油曲線并在其下方運行。按照筆者經驗,考慮到冬夏不同進氣溫度的影響,限油曲線在牽引曲線供油量上方10%～15%為宜(該限油曲線在標定點比止檔功率略低)。12V 280ZJ柴油機的限油曲線見圖2。

圖2 按照轉速變化設置的限油曲線

按照鐵標規(guī)定,柴油機要在驗收工況后進行突卸負載試驗。該試驗是在標定功率和負荷下,突然卸載,柴油機必須維持在標定轉速運行,不應超速停機,同時達到穩(wěn)定時間的要求,這是個難題。因為突卸負載后,轉速大幅上揚,必然會超速停機。在反復調試后,對限油曲線進行了更改,讓柴油機卸載后立刻把供油量降下來,速度不會跟隨飛升。而標定轉速空載時循環(huán)供油量本身就不大,也不會造成熄火停機。這就是為什么在圖2中能看到1 000 r/m in和1 100 r/min之間有一斜線,這個方法既滿足了突卸負載的功能,同時該曲線的斜率也決定了突卸負載后的穩(wěn)定時間,一舉兩得。

2.4 優(yōu)化試驗

電噴系統(tǒng)軟件本身沒有專門用于優(yōu)化柴油機的功能,需要通過一整套方法來實現柴油機的空載性能優(yōu)化、供油始點圖(DB-MAP)優(yōu)化、牽引曲線優(yōu)化、比例微積分圖(PID)優(yōu)化和供油持續(xù)期圖(DP-MAP)優(yōu)化。無論哪種優(yōu)化方式,最終都要達到柴油機最佳的經濟型和最優(yōu)的性能。無論哪種優(yōu)化試驗,其最終的目的是獲得最優(yōu)DB-MAP,使得牽引曲線上的點到達最佳油耗率。優(yōu)化試驗主要有以下幾個步驟:

(1)取消初始DB-MAP控制;

(2)手動控制供油始點;

(3)按牽引曲線進行負載特性試驗,改變供油始點,測量性能參數;

(4)按照爆發(fā)壓力、支管排溫和油耗率等指標,篩選最佳供油始點;

(5)將供油始點輸入DB-M AP;

(6)恢復優(yōu)化后的DB-MAP。

通過上述步驟得到12V 280ZJ柴油機的最佳DBMAP,見圖 3。

優(yōu)化中,主要用到的電噴系統(tǒng)調整參數見表4。

圖3 最佳DB-MAP

表4 優(yōu)化參數設置

通過上述過程,在最大運用工況,柴油機的最佳油耗率為193 g/(kW?h)。優(yōu)化后的12V 280ZJ柴油機曾在濟南和徐州機務段運用了半年時間,據司乘人員反映,該柴油機比其他同類柴油機省油15%～20%。

2.5 其他試驗

以上列舉了電噴系統(tǒng)的典型應用,在實際運用中,利用電噴系統(tǒng)還可以進行碰響**碰響試驗(CLICK-TEST):是指柴油機啟動前觸發(fā)脈沖電流,各個氣缸噴油泵電磁閥依次發(fā)出聲響,表明接收到脈沖信號。用于檢查連線連接是否正確,電磁閥是否能正常工作。、機械平衡、熱平衡、報警監(jiān)測、停缸、負載特性、速度特性等一系列不可或缺的重要試驗,電噴系統(tǒng)的功能被廣泛應用于12V 280ZJ柴油機的試驗中。

3 電噴系統(tǒng)的故障診斷

電噴系統(tǒng)不僅能實現柴油機的功能化,其更突出的貢獻在于實時監(jiān)測和故障處理。DcDesk控制軟件共有將近8 000個參數、6個圖表和10余條曲線控制,其直觀的界面和實時監(jiān)控更便于進行故障處理。

3.1 柴油機啟動故障

柴油機起不了機或啟動冒黑煙的故障占全部故障的50%以上,按照筆者的經驗,電噴系統(tǒng)可以進行如下啟動故障查詢:

(1)基本控制參數輸入錯誤;

(2)相位錯誤;

(3)停機信號作用;

(4)循環(huán)供油量過大;

(5)傳感器錯誤;

(6)接地或屏蔽錯誤;

(7)接線錯誤;

(8)電噴系統(tǒng)盒軟硬件錯誤;

(9)同步錯誤;

(10)歷史故障未清除。

實例1:2001年10月柴油機電噴系統(tǒng)程序改進后,重新上臺試驗。輸入電噴系統(tǒng)程序后,柴油機無法啟動,電噴系統(tǒng)實時監(jiān)測顯示無循環(huán)供油量和供油持續(xù)期。

檢查3802 enginestop=0,說明無停機信號作用,無接地和屏蔽;3806 enginereleased=0,說明電磁閥不釋放,電噴閥沒有開啟,燃油不能進入氣缸中;檢查2006 PMMErrorCode=80XX,而正常啟動應為00FF,說明電噴同步錯誤。正常情況下,曲軸有兩個速度傳感器,其感應線圈檢查曲軸泵傳動齒輪上的缺齒(該齒輪少一個齒,有一個缺口),凸輪軸一端有一個相位傳感器,檢查凸輪軸上的銷軸。電噴系統(tǒng)程序首先檢查缺口和銷軸的對應關系,如果正確,電磁閥才能釋放,柴油機才能得到燃油,這個過程叫同步。同步錯誤的原因有很多種,有傳感器的原因、接線的原因等。而經過仔細的查找,發(fā)現最終的原因是程序更改后,沒有把曲軸齒輪的齒數減去一個,造成電噴系統(tǒng)無法同步,找不到上止點。

將齒數從90齒改為89齒后,啟動成功,該實例的原因歸類為(1)。

實例2:2003年5月柴油機啟動不成功,顯示為同步正常,系統(tǒng)有循環(huán)供油量和供油持續(xù)期。參數顯示如下:3802 enginestop=0,3806 enginereleased=1,2006 PMM ErrorCode=00FF。

順次進行速度傳感器和電噴系統(tǒng)接線檢查、更換電噴盒、啟動供油量檢查、更改啟動方式、更換噴油泵和噴油器、燃油系統(tǒng)放氣等措施,將(3)～(10)的所有原因逐一排除。但該現象非常奇怪,電噴系統(tǒng)沒有任何錯誤跡象,柴油機就是無法啟動。

經過對所有電噴參數檢查無誤后,筆者將矛盾焦點聚集在相位上。將凸輪軸速度傳感器拔下,柴油機啟動3次后居然成功啟動了。觀察多次啟動效果,發(fā)現有50%成功的概率。電噴系統(tǒng)軟件在沒有凸輪軸速度傳感器的情況下,只靠曲軸的兩個轉速傳感器不能區(qū)分供油上止點和進排氣上止點,所以啟動成功概率只有50%。但為何接上凸輪軸轉速傳感器后,啟動成功概率卻為零?進一步檢查發(fā)現,凸輪軸上的銷軸安裝位置錯位180°,這樣電噴系統(tǒng)只能在進排氣上止點供油,此時,凸輪正旋轉到基圓位置,燃油進入到高壓油管后,無法產生高壓開啟噴油器針閥,所以柴油機無法啟動。

調整凸輪軸上的銷軸位置后,啟動成功,該實例的原因歸類為(2)。

(3)～(10)的啟動故障出現最多,但較容易查詢,這里不再一一枚舉。

3.2 柴油機游車

柴油機游車是指轉速波動超過公差范圍,柴油機不能穩(wěn)定工作的現象。就電噴系統(tǒng)而言,控制柴油機穩(wěn)定性可以通過以下調整來實現:

(1)調整PID,控制反饋時間;

(2)調整單缸噴油提前角和持續(xù)期,控制爆發(fā)壓力和排溫,達到柴油機機械平衡和熱平衡;

(3)調整PID-MAP;

(4)調整DB-MAP,使控制曲面平滑。

3.3 柴油機冒黑煙

柴油機冒黑煙是燃燒不好,表明該工況點的空燃比不好。用電噴系統(tǒng)調節(jié)進油量可以達到合適的空燃比匹配,解決冒黑煙問題。冒黑煙問題首先要檢查電噴系統(tǒng)接線、電噴系統(tǒng)接地線和屏蔽線,確認各個氣缸都能正常工作。然后控制各個工況點的供油量,能起到很好的效果。

3.4 柴油機故障停機

一般意義上的停機都是傳感器報警,如速度傳感器產生的超速報警、溫度傳感器的高溫報警或壓力傳感器的低壓報警。如果檢查柴油機本身沒有異常,就要檢查線路本身有無虛接,有無高電壓串接,傳感器有無損壞等。無論何種情況的報警,都會產生停機信號。

3802 EngineStop=1,總停機信號;2810 Sw itch-EngineStop=1,外部停機信號;3803 EngineStopped=1,顯示是否為停機狀態(tài)。

觀察上述參數有助于判斷停機信號的來源,縮短查找范圍。

實例:2006年6月柴油機運行在1 000 r/min,4 410 kW,1 h左右,出現突然停機,電噴系統(tǒng)中循環(huán)供油量出現峰值后歸零。電噴系統(tǒng)沒有出現超速現象,速度傳感器1和2同時報警,電噴系統(tǒng)控制盒內部溫度報警。查看3802 EngineStop=1,2810 SwitchEngineStop=0,3803 EngineStopped=1,說明是電噴系統(tǒng)內部原因引起的停機。進一步檢查發(fā)現速度1和2傳感器擊穿,電噴系統(tǒng)控制盒發(fā)熱。經過仔細查找發(fā)現原因為220 V電壓串入電噴系統(tǒng)控制盒(電噴控制盒輸入電壓為直流24 V,傳感器工作電壓為12 V),引發(fā)停機。

3.5 其他故障

電噴系統(tǒng)引起的其他故障還有供油量或轉速出現峰值、高頻振蕩或共振、壓轉速、碰響錯誤等,這些都可以通過對電噴系統(tǒng)原理的分析,一步步找到問題所在。電噴系統(tǒng)的使用使故障查詢更為快捷和方便,使故障診斷更加直觀和系統(tǒng)化。

4 電噴系統(tǒng)的拓展開發(fā)

12V 280ZJ柴油機在初期運用階段,經常發(fā)生增壓器燒毀的事件。筆者通過實踐,用電噴系統(tǒng)開發(fā)了增壓器機油壓力保護功能。

柴油機增壓器通常是通過將柴油機末端的機油壓力直接引入增壓器機油回路的節(jié)流口來實現潤滑的。為防止機油雜質阻塞節(jié)流口,從而使增壓器軸承燒毀,在柴油機末端機油壓力和增壓器機油回路節(jié)流口之間加裝了濾清器。但是,經過長時間的濾清積累,濾清器的阻力會逐漸增大,同樣有可能造成增壓器軸承機油潤滑壓力不足而燒毀。而且,柴油機的轉速越高,增壓器的轉速隨之增高,油壓隨溫度進一步降低,這種危險也就越大 。

該方法的保護原理如圖4。

圖4 增壓器機油壓力保護原理

該方法將增壓器節(jié)流口前的壓力信號引入到柴油機電噴系統(tǒng),實現對增壓器機油進口壓力曲線的實時動態(tài)監(jiān)測和控制。無論何種轉速下,一旦壓力小于曲線控制范圍,柴油機會自動報警和停機,從而實現了對增壓器的可靠保護。本方法含有開關量輸入功能,可以將該裝置短路,防止油壓傳感器故障引起的不必要停機;本方法含有模擬量的輸出功能,在油壓達到報警壓力時,用報警器警示司機進行手動降速和手動停機,從而減少高轉速和高負載下自動停機次數,保護增壓器軸承的使用壽命。

該方法實現了對電噴系統(tǒng)的拓展應用,有效的保護了柴油機增壓器。自該方案2003年實施后,再沒有發(fā)生增壓器燒損事件。

5 小結

隨著公司對12V 280ZJ柴油機電噴系統(tǒng)的不斷完善與應用,目前已經將電噴系統(tǒng)廣泛應用于240系列機車柴油機上,并將其逐步應用到船用240和280柴油機上。2003年起,公司引進的英國M AN 270柴油機上也開始研制開發(fā)了電噴系統(tǒng),2005年公司引進的美國EMD265柴油機全部為電噴系統(tǒng)。由此可見,隨著科技的不斷進步,電噴系統(tǒng)已經成為柴油機開發(fā)的首選,并必將逐漸全面取代傳統(tǒng)的機械控制系統(tǒng)。

[1]西安交通大學編寫組.內燃機原理[M].北京:中國鐵道出版社,2002.

[2]TB/T 2746—2002.動力裝置用柴油機例行試驗和驗收條件[S].

[3]德國海茵茨曼公司.Heinzmann Digital Electrical Speed Governor[Z].1999.

[4]德國海茵茨曼公司.Dardanos Basis Information 2000 for Electronically Controlled Injection Systems[Z].1999.