电控柴油机在工程机械中的应用

目前，国内工程机械发动机普遍采用涡轮增压及中冷技术，高技术含量的电喷技术还没有被广泛应用，发动机性能没有质的提高，影响了我国工程机械行业的整体水平。欧美国家对工程机械(非公路用)已经实施了相应严格的排放标准(欧Ⅱ或TierⅡ)，虽然我国还没有颁布相应的行业标准，但是颁布排放标准也势在必行。在工程机械中采用电喷柴油机可以达到排放标准，并获得较高的动力经济性能，结合国内外经验，宜采用中压共轨或高压共轨电控柴油机。
　　1、工程机械用柴油机的特殊要求
　　(1)柴油机负荷率高、冲击大。
　　例如装载机、铲运机类最大负荷工况与平均负荷之比为1.6～2.0，其中一个工作循环内大负荷时间为20～80s左右；推土机、单斗挖掘机类最大负荷工况与平均负荷之比为2～3，一个工作循环内最大负荷时间为10～15s。
　　(2)柴油机性能要适应变负荷工况。
　　当阻力转矩大于柴油机标定转矩时，柴油机进入速度特性区工作，柴油机在较大范围内波动。其中的低频小周期波动将使柴油机转速处于不稳定的工作状态。由于机械式调速器的惯性滞后作用于载荷产生不适应状况，这种波动将较大影响燃油供给系正常工作。
　　2、电控喷油柴油机的原理及优点
　　原理如图1所示。

　　通过各种传感器检测出发动机的实际运行状态，输入到电子控制单元(ECU)，形成数据MAP，从数据MAP中计算目标喷油量，向执行器发出指令，进行控制，并且反复循环操作。电喷系统有如下的优点。
　　(1)自由控制喷油压力。
　　电控喷油柴油机的喷油压力不受曲轴转速以及凸轮形状的影响，可以根据需要灵活控制，能够提高喷油压力、提高供油能量、改善雾化质量、缩短喷油延续时间，从而降低NOx排放。在大负荷工况下可以通过提高喷射压力。推迟喷油定时的方法求得NOx和PM(颗粒)的折中关系。在低负荷工况下则需要减少混合燃料的比例，同时降低喷油初期的喷射压力。
　　(2)精确控制喷油量。
　　根据传感器的信息。ECU计算出目标喷油量，计算出喷油装置需要的供油时间，并向驱动单元发送驱动信号，从而控制喷油量。在基本喷油量、怠速转速控制、启动油量控制、各缸不均匀油量补偿控制、恒定转速控制等各种运行状况下，实现最佳喷油量制。
　　(3)精确控制喷油定时。
　　通过各种传感器监测发动机当时的工况条件和环境条件，并根据这些实时条件计算出最佳喷油时间，将结果送给执行器(定时控制阀TCV)，控制流入或流出提前器的工作油。由于工作油对提前机构的作用，改变燃油压送凸轮的相位角，或提前、或延迟，从而控制喷油定时。
　　(4)自由控制喷油率。
　　电喷柴油机能够自由地实现对喷油率的控制，不仅能够实现靴形喷油率，还可以实现图2所示的多段喷油。各段喷油的作用和效果如表1所示。

　　(5)扩展了故障诊断、联络等功能。
　　自我故障诊断功能就是由ECU监视、发现电子控制系统中故障产生的位置，并向驾驶员或修理人员提供故障信息的功能。同时可以解决运行参数及监测数据的存储与传递，有利于对机械的动态管理。
　　3、工程机械中装配电喷柴油机的应用状况
　　采用电控喷射可以按照要求自由控制喷油时间、喷油压力、喷油量和喷油规律，在一定的意义上实现了可控燃烧。在工程机械上使用电控柴油机，应将柴油机电控系统与主机的控制系统结合，将机械的最大功率与一般功率等模态特征用程序写入控制单元中，并将工程机械液压油油压、油温以及负载传感器信号输入到ECU中，可根据作业情况，选择包括柴油机冷启动时的喷油量、低速加浓、最佳喷油提前角、调整特性、怠速、空燃比、正常压力补偿等最优化控制。达到较严的排放标准和更佳的经济性能，自我故障诊断能力可保证机械的可靠运行。
　　国外的电喷柴油机技术比较成熟，表2列举了常见的各种电控喷射系统的成熟产品。


　　工程机械中已经开始采用电控柴油机，如卡特彼勒公司生产的PM-102、PM-200、PM-201型路面冷铣刨机装配了机械驱动式电控单体喷油系统(MEUI)，它将电子控制技术的先进性与机械直接控制燃油喷射的简单性互相结合，并且在整个发动机运行速度范围内对喷射压力具有优良的控制能力，精确控制的燃烧周期降低了燃烧室温度，从而减少排放，燃烧更充分，使得燃油费用转换成更多的工作输出，满足TierⅡ和欧Ⅱ排放标准。PM-200型发动机装有HEUI电子喷射装置及ADEM A-4模块，可提高22%的喷射压力．便于燃油完全、高效燃烧，燃烧效率可提高5%，NOx下降40%，转矩增加35%，个别工程机械产品的机外噪声已降至72dB(A)。如北京三环路改造工程为了提高施工速度和质量，减少对环境的污染，采用了瑞典戴纳派克公司最新一代PL2100S铣刨机，该机配备了康明斯QSX15型全电控柴油机，具有非常明显的燃油经济性和超强动力性，大大降低了发动机的噪声，尾气排放达到汽车排放的欧Ⅱ标准。如迪尔采用EUI系统(电控泵喷嘴)，康明斯采用IS系统(一种交互式共轨喷射系统)等，并且有逐步扩大应用的趋势。
　　在我国电控柴油机技术取得了