防爆電控柴油機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王曉

(中國煤炭科工集團(tuán) 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(jī)為動(dòng)力的防爆膠輪車以其方便、快捷、高效、安全的特點(diǎn),已成為我國大部分現(xiàn)代化煤礦無軌輔助運(yùn)輸?shù)氖滓x擇。但防爆柴油機(jī)的應(yīng)用需經(jīng)過防爆改造,即增加進(jìn)氣柵欄、排氣柵欄及廢氣處理箱等附件。但這樣既增大了進(jìn)排氣壓力，造成防爆柴油機(jī)動(dòng)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(yè)人員的身體健康[1-3]。因此，如何研制一種防爆電控柴油機(jī)電氣系統(tǒng)值得探索。

我國現(xiàn)階段防爆膠輪車的防爆柴油機(jī)絕大多數(shù)采用機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)，在匹配良好的情況下勉強(qiáng)可以達(dá)到規(guī)定廢氣排放的水平。隨著煤礦機(jī)械的智能化要求越來越高，研究防爆柴油機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就尤為重要，同時(shí)這也是快速檢測、修復(fù)防爆柴油機(jī)故障的手段之一[4]。

1 防爆電控柴油機(jī)電氣系統(tǒng)

1.1 啟動(dòng)系統(tǒng)

啟動(dòng)系統(tǒng)包括氣馬達(dá)、總開關(guān)、啟動(dòng)開關(guān)、儲氣罐和電控氣動(dòng)閥等。該系統(tǒng)具有空檔保護(hù)功能和防再啟動(dòng)功能，即只有在變速器處于空檔位置時(shí)防爆柴油機(jī)才能啟動(dòng)。在防爆柴油機(jī)啟動(dòng)后，控制器保護(hù)端控制啟動(dòng)保護(hù)斷開啟動(dòng)線路，可防止防爆柴油機(jī)二次啟動(dòng)。防爆柴油機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)參數(shù)為：

啟動(dòng)壓力/MPa 0.6～0.8

啟動(dòng)馬達(dá)功率/kW 11

馬達(dá)齒輪齒數(shù)/個(gè) 11

馬達(dá)齒輪模數(shù)/mm 3.5

1.2 預(yù)熱系統(tǒng)

防爆柴油機(jī)采用格柵進(jìn)氣預(yù)熱，當(dāng)電子控制單元(ECU)上電以后，ECU 根據(jù)防爆柴油機(jī)上的溫度傳感器感應(yīng)環(huán)境溫度，并通過進(jìn)氣加熱繼電器自動(dòng)控制進(jìn)氣柵格的工作，以利于冷啟動(dòng)。進(jìn)氣加熱工作過程如圖1所示。

圖1 防爆電控柴油機(jī)進(jìn)氣加熱過程示意圖

由圖1可知，冷啟動(dòng)的進(jìn)氣加熱分為啟動(dòng)前的預(yù)加熱和啟動(dòng)后的后加熱，后一個(gè)過程不被司機(jī)察覺。根據(jù)環(huán)境溫度的不同，加熱時(shí)間不同。一般預(yù)加熱為1 min之內(nèi)，后加熱時(shí)間略長，通常為2 min(-10℃時(shí))。若冷啟動(dòng)燈亮或閃爍過程中啟動(dòng)防爆柴油機(jī)，則加熱過程即刻中斷。

1.3 熄火控制系統(tǒng)

1) 油路熄火控制系統(tǒng)。防爆柴油機(jī)在正常轉(zhuǎn)速下，當(dāng)按下熄火開關(guān)后，防爆柴油機(jī)的ECU斷電，其柴油機(jī)的噴油泵停止噴油，防爆柴油機(jī)因得不到燃油就停止工作。

2) 風(fēng)門熄火控制系統(tǒng)。風(fēng)門熄火控制系統(tǒng)是一個(gè)輔助系統(tǒng)，當(dāng)按下熄火開關(guān)后，防爆柴油機(jī)油路在被切斷的同時(shí)控制風(fēng)門氣路的電磁閥便斷電，風(fēng)門滅火缸斷氣，其風(fēng)門重新處于關(guān)閉狀態(tài)，防爆柴油機(jī)因得不到空氣而停止工作。

2 防爆電控柴油機(jī)電源系統(tǒng)

該電源系統(tǒng)主要由防爆發(fā)電機(jī)和本質(zhì)安全型蓄電池組成。防爆發(fā)電機(jī)既為防爆柴油機(jī)供電，又為防爆膠輪車供電。在防爆柴油機(jī)以高于怠速的速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，防爆發(fā)電機(jī)為照明燈、顯示屏及ECU供電，同時(shí)向蓄電池充電，電壓調(diào)節(jié)器裝在防爆發(fā)電機(jī)內(nèi)部，使防爆發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊，性能更為可靠。本質(zhì)安全型蓄電池為輔助電源，與防爆發(fā)電機(jī)并聯(lián)，可保證防爆柴油機(jī)電磁閥和ECU供電，并在防爆柴油機(jī)低速時(shí)，向防爆膠輪車照明燈、電氣保護(hù)系統(tǒng)供電。

3 防爆電控柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)

該電控燃油噴射系統(tǒng)原理如圖 2 所示。該系統(tǒng)主要包括電子控制單元(ECU)、溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)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(tǒng)的控制核心，其溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等將采集到的信號傳送給ECU，通過ECU對這些參數(shù)進(jìn)行分析處理后，以最優(yōu)狀態(tài)控制防爆柴油機(jī)的噴油量、噴油壓力及噴油提前角，始終使防爆柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒處于最佳狀態(tài)，達(dá)到提高動(dòng)力、降低排放的效果。

圖2 防爆柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)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(zhuǎn)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(jī)的保護(hù)裝置控制器。

需要說明的是，噴油器與機(jī)械式防爆柴油機(jī)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(jù)柴油機(jī)工作狀態(tài)來控制噴油時(shí)間和噴油量。該噴油器是經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的，噴油器的參數(shù)，如噴孔數(shù)、流量、噴射夾角等需要通過防爆柴油機(jī)試驗(yàn)臺架多次試驗(yàn)，由匹配標(biāo)定優(yōu)化后確定，以保證防爆柴油機(jī)的動(dòng)力性及排放要求。防爆柴油機(jī)噴油器的噴油量、噴油曲線等參數(shù)也需在噴油器專門試驗(yàn)臺架上進(jìn)行。

4 防爆電控柴油機(jī)故障診斷系統(tǒng)

該故障診斷系統(tǒng)由診斷接口、防爆柴油機(jī)故障燈和診斷開關(guān)組成。其中防爆電控柴油機(jī)配備的診斷接口接插件是標(biāo)準(zhǔn)OBDⅡ16 針接口，如圖3所示。診斷開關(guān)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(tǒng)故障，將會產(chǎn)生對應(yīng)的故障碼并存入內(nèi)存，并依照故障的嚴(yán)重等級，使故障燈亮，并自動(dòng)選擇不同的失效保護(hù)策略。

正常狀態(tài)下，診斷燈常亮為嚴(yán)重故障，需及時(shí)排查；診斷燈不亮但有故障碼,可能為歷史故障和當(dāng)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(hù)策略仍能保持防爆柴油機(jī)以降低功率的方式帶故障運(yùn)行，只有達(dá)到少數(shù)極其嚴(yán)重的故障，其失效保護(hù)策略立即使防爆柴油機(jī)停止噴油而熄火。

5 結(jié)論

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