防爆電控柴油機電氣系統設計

王曉

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

目前以防爆柴油機為動力的防爆膠輪車以其方便、快捷、高效、安全的特點,已成為我國大部分現代化煤礦無軌輔助運輸的首要選擇。但防爆柴油機的應用需經過防爆改造,即增加進氣柵欄、排氣柵欄及廢氣處理箱等附件。但這樣既增大了進排氣壓力，造成防爆柴油機動力下降，又使排放變差，造成有害成分尾氣大量排出,危害煤礦作業人員的身體健康[1-3]。因此，如何研制一種防爆電控柴油機電氣系統值得探索。

我國現階段防爆膠輪車的防爆柴油機絕大多數采用機械式燃油噴射系統，在匹配良好的情況下勉強可以達到規定廢氣排放的水平。隨著煤礦機械的智能化要求越來越高，研究防爆柴油機電氣系統的設計就尤為重要，同時這也是快速檢測、修復防爆柴油機故障的手段之一[4]。

1 防爆電控柴油機電氣系統

1.1 啟動系統

啟動系統包括氣馬達、總開關、啟動開關、儲氣罐和電控氣動閥等。該系統具有空檔保護功能和防再啟動功能，即只有在變速器處于空檔位置時防爆柴油機才能啟動。在防爆柴油機啟動后，控制器保護端控制啟動保護斷開啟動線路，可防止防爆柴油機二次啟動。防爆柴油機啟動馬達參數為：

啟動壓力/MPa 0.6～0.8

啟動馬達功率/kW 11

馬達齒輪齒數/個 11

馬達齒輪模數/mm 3.5

1.2 預熱系統

防爆柴油機采用格柵進氣預熱，當電子控制單元(ECU)上電以后，ECU 根據防爆柴油機上的溫度傳感器感應環境溫度，并通過進氣加熱繼電器自動控制進氣柵格的工作，以利于冷啟動。進氣加熱工作過程如圖1所示。

圖1 防爆電控柴油機進氣加熱過程示意圖

由圖1可知，冷啟動的進氣加熱分為啟動前的預加熱和啟動后的后加熱，后一個過程不被司機察覺。根據環境溫度的不同，加熱時間不同。一般預加熱為1 min之內，后加熱時間略長，通常為2 min(-10℃時)。若冷啟動燈亮或閃爍過程中啟動防爆柴油機，則加熱過程即刻中斷。

1.3 熄火控制系統

1) 油路熄火控制系統。防爆柴油機在正常轉速下，當按下熄火開關后，防爆柴油機的ECU斷電，其柴油機的噴油泵停止噴油，防爆柴油機因得不到燃油就停止工作。

2) 風門熄火控制系統。風門熄火控制系統是一個輔助系統，當按下熄火開關后，防爆柴油機油路在被切斷的同時控制風門氣路的電磁閥便斷電，風門滅火缸斷氣，其風門重新處于關閉狀態，防爆柴油機因得不到空氣而停止工作。

2 防爆電控柴油機電源系統

該電源系統主要由防爆發電機和本質安全型蓄電池組成。防爆發電機既為防爆柴油機供電，又為防爆膠輪車供電。在防爆柴油機以高于怠速的速度運轉時，防爆發電機為照明燈、顯示屏及ECU供電，同時向蓄電池充電，電壓調節器裝在防爆發電機內部，使防爆發電機結構更為緊湊，性能更為可靠。本質安全型蓄電池為輔助電源，與防爆發電機并聯，可保證防爆柴油機電磁閥和ECU供電，并在防爆柴油機低速時，向防爆膠輪車照明燈、電氣保護系統供電。

3 防爆電控柴油機電控燃油噴射系統

該電控燃油噴射系統原理如圖 2 所示。該系統主要包括電子控制單元(ECU)、溫度傳感器、壓力傳感器、轉速傳感器、高壓共軌式輸油泵、共軌高壓噴油器及控制器等。ECU是該系統的控制核心，其溫度傳感器、壓力傳感器、轉速傳感器等將采集到的信號傳送給ECU，通過ECU對這些參數進行分析處理后，以最優狀態控制防爆柴油機的噴油量、噴油壓力及噴油提前角，始終使防爆柴油機的缸內燃燒處于最佳狀態，達到提高動力、降低排放的效果。

圖2 防爆柴油機電控燃油噴射系統圖

各種防爆式傳感器和控制器主要包括：澆封型壓力傳感器、澆封型轉速傳感器、澆封型水溫傳感器、隔爆型油門位置傳感器、澆封型噴油電磁閥、澆封型流量控油閥及防爆柴油機的保護裝置控制器。

需要說明的是，噴油器與機械式防爆柴油機的噴油器是不同的，其噴油器的頂部為電磁控制閥，電磁控制閥接到ECU的噴油信號后，根據柴油機工作狀態來控制噴油時間和噴油量。該噴油器是經特殊設計的，噴油器的參數，如噴孔數、流量、噴射夾角等需要通過防爆柴油機試驗臺架多次試驗，由匹配標定優化后確定，以保證防爆柴油機的動力性及排放要求。防爆柴油機噴油器的噴油量、噴油曲線等參數也需在噴油器專門試驗臺架上進行。

4 防爆電控柴油機故障診斷系統

該故障診斷系統由診斷接口、防爆柴油機故障燈和診斷開關組成。其中防爆電控柴油機配備的診斷接口接插件是標準OBDⅡ16 針接口，如圖3所示。診斷開關由ECU的1.72腳控制，診斷接口的信號由ECU的1.89腳輸出。

圖3 診斷接口接插件示意圖

ECU 具有故障自診斷功能，一旦ECU檢測出電控系統故障，將會產生對應的故障碼并存入內存，并依照故障的嚴重等級，使故障燈亮，并自動選擇不同的失效保護策略。

正常狀態下，診斷燈常亮為嚴重故障，需及時排查；診斷燈不亮但有故障碼,可能為歷史故障和當前級別較低的故障，不會影響正常工作。大部分情況下，失效保護策略仍能保持防爆柴油機以降低功率的方式帶故障運行，只有達到少數極其嚴重的故障，其失效保護策略立即使防爆柴油機停止噴油而熄火。

5 結論

通過分析研究，研制防爆電控柴油機可以有效地提高動力性，降低廢氣排放水平。其中ECU電子系統作為重要的組成部分，是提高防爆電控柴油機工作穩定性和靈敏性的關鍵，也是降低防爆柴油機排放水平的有效手段之一。