高壓共軌電控系統柴油機在孟加拉內燃動車組中的應用淺析

高 紅 厚 琳 楊 毅 查曉菲

（唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063035）

在孟加拉內燃動車組項目中采用的柴油機是德國MAN公司的D2876LUE622高壓共軌系統電控柴油機。MAN柴油機一般應用于國內汽車行業或是船舶行業，應用于鐵路機車還是首次。機車發電用的柴油機比船舶應用柴油機對調速的要求更高，必須保證負荷變化時柴油機的轉速保持不變，因此機車發電用的柴油機的調速性能是否良好非常重要，直接影響柴油機運轉的穩定性和可靠性以及車輛整車性能。

本文詳細分析了改型號柴油機的電氣結構及特性，在充分了解柴油機特性的基礎上，針對實際項目中出現的調速問題進行分析原因，針對調速不穩情況，采集實際柴油機運轉情況數據，重新更換控制器，驗證在低速區域轉速控制良好。

1 柴油機高壓共軌電控系統的發展

柴油機電控噴油系統的開發研究從20世紀70年代開始，已經經歷了三代。

第一代是位置控制式噴油系統，它的優點是無須對柴油機的結構進行改動，生產繼承性好，便于對現有機型進行技術改造；缺點是控制自由度小，精度差，噴油率和噴油壓力難于控制，而且不能改變傳統噴油系統固有的噴射特性，因此很難大幅度地提高噴射壓力。

第二代是時間控制式噴油系統，其優點是可以更加靈活而準確的控制噴油量和噴油定時，而且可以實現分缸獨立控制，高壓噴油能力增加。其缺點是依賴于傳統的脈動高壓系統，受到轉速的限制，無法實現大范圍的噴油定時控制和靈活的噴油壓力調節。

圖1 油路簡圖

圖2 柴油機電氣接口圖

第三代是時間-壓力控制式噴油系統，即電控共軌式噴油系統。它克服上兩代的缺點，具有下述優點：可實現高壓噴射，噴射壓力高；噴射壓力獨立于柴油機轉速，可改善柴油機低速、低負荷性能；可以實現預噴射，調節噴油速率；噴油定時和噴油量可自由選定；具有良好的噴射特性，優化燃燒過程；結構簡單，可靠性好，適應性強。

從以上可以看出，電控高壓共軌系統具有更大的優勢，是柴油機燃油噴射系統的發展趨勢。

2 高壓共軌電控系統

本文針對孟加拉內燃動車組項目中采用的德國MAN公司的D2876LUE622高壓共軌電控系統柴油機為例來分析該柴油機的調速性能及控制原理。該型號柴油機采用的是高壓共軌電控系統，簡單分析一下高壓共軌系統的控制原理，具體說明如下：結合圖1油路簡圖，燃油箱內的燃油經過初次濾清器過濾后，進入低壓油泵，由低壓油泵輸送到濾清器，濾清器再次過濾后由高壓供油泵加壓并輸送到共軌管內，共軌內的高壓燃油經高壓油管送入到各缸的噴油器中。EDC根據傳感器（共軌壓力、曲軸速度、凸輪軸速度、燃油低壓、進氣溫度、機油壓力、冷卻水溫度、增進壓力溫度）采集的信號判斷柴油機工況，根據運行工況從歷史數據中確定基本的噴油量、噴油壓力及噴油定時等控制信息，并根據外界大氣溫度及其他傳感器信號進行修正，確定最佳控制參數后，EDC發出指令控制燃油噴射，完成整個噴油過程。

高壓共軌控制原理系統主要由電控單元（軟件、硬件）、傳感器及執行器組成。下面對主要部件進行說明。

2.1 電控單元

EDC是電控系統的核心，硬件包括微控制模塊、輸入信號處理模塊、輸出驅動模塊、電源模塊、通訊模塊等。噴油壓力控制策略，EDC根據柴油機轉速和確定的噴油量查詢歷史存儲數據，確定噴油壓力的目標值，然后根據傳感器信號進行修正，采用控制策略來控制噴油壓力，實現恒壓噴油。

實現柴油機的最佳工作性能，良好的控制算法和策略是電控系統穩定工作的保證。影響控制的關鍵參數：從手柄級位得知司機轉速的要求；曲軸速度傳感器用于測定柴油機實際轉速值；最終控制保證兩者之間偏差為零。凸輪軸傳感器用于確定在哪一缸點火，確定噴油始點；預噴射油量受到噴射時間的長短、噴射器口的大小及數量、共軌壓力的影響，最終確定合適的噴油始點、預噴射油量。

2.2 傳感器

傳感器的作用是實時檢測柴油機的運行工況，所測信號經過處理后發送到EDC，用于控制策略中修正參數。本項目中的傳感器部分采用+5V電源，均來自EDC內部電路提供。

本項目中實際使用的傳感器如下：（1）共軌壓力傳感器。安裝于共軌管上，用于測量管內高壓，是影響噴油量的關鍵參數。（2）曲軸傳感器。安裝于曲軸輪盤邊緣，用于測量柴油機實際轉速。（3）凸輪軸速度傳感器。安裝于凸輪軸輪盤邊緣，用于確定噴油位置。（4）冷卻水溫度傳感器。監控柴油機機組是否正常工作，冷卻水溫度高于98度，報警提示；高于102度，準備實施停機。（5）進氣溫度傳感器。監控柴油機機組是否正常工作，當溫度高于75度時，報警提示。（6）燃油低壓傳感器。安裝于低壓泵與高壓泵之間的管路上，觀察傳感器壓力值判斷低壓油路是否正常。（7）機油壓力傳感器。監控柴油機機組是否正常工作，當機油壓力低于某轉速值對應的限定值時，停機。

2.3 執行器

2.3.1 高壓供油泵。高壓供油泵的作用是將低壓燃油加壓后輸送到共軌管內，并通過壓力控制閥調節供入共軌內的燃油量來控制油壓的大小。壓力控制閥可根據EDC的指令打開或關閉，控制高壓燃油的進入與停止。壓力控制閥是以PWM信號來控制的，控制電壓24V,波形控制因素100%時,零供油；0%時，最大供油。

圖3 柴油機實際運行各參數曲線

2.3.2 電控噴油器。噴油器是高壓共軌電控噴油系統中最關鍵的部件，它根據EDC傳來的控制信號，通過控制電磁閥的開啟和關閉，將共軌內的高壓燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率噴入柴油機的燃燒室中。

2.3.3 開關量信號。本項目中的柴油機電控系統采用24V蓄電池供電。通訊模塊采用CAN總線。電控系統需要采集的開關信號包括啟機信號、怠速信號、停機信號。這些開關信號的觸發可以由硬件引起，也可以由軟件引起。本項目中啟機信號、怠速信號、停機信號均采用硬線，不采用網絡方式；調速信號采用硬線和軟件兩種方式，正常情況下采用網絡調速，網絡調速故障時，自動切換到硬線調速。

3 實際應用中的問題

針對實際運行中出現的低速區域（900-1100rpm）轉速不穩情況，在實際柴油機運行情況下時采集相關數據，MAN針對低速區域調速情況更改控制策略，重新更換EDC控制器后 ，最終驗證在低速轉速區域，轉速控制良好。

3.1 轉速不穩問題

在孟加拉項目柴油機轉速調試過程中，發現柴油機轉速從1100rpm降到900rpm時，轉速一直降不到900rpm，始終在1000rpm左右浮動；或在運行過程中，在某一轉速值時有波動，轉速不穩定。

3.2 轉速不穩問題

針對低速區域調速情況更改控制策略，重新更換EDC控制器后，最終驗證在低速轉速區域，轉速控制良好。

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