防爆电控柴油机电气系统设计

王晓

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

目前以防爆柴油机为动力的防爆胶轮车以其方便、快捷、高效、安全的特点,已成为我国大部分现代化煤矿无轨辅助运输的首要选择。但防爆柴油机的应用需经过防爆改造,即增加进气栅栏、排气栅栏及废气处理箱等附件。但这样既增大了进排气压力，造成防爆柴油机动力下降，又使排放变差，造成有害成分尾气大量排出,危害煤矿作业人员的身体健康[1-3]。因此，如何研制一种防爆电控柴油机电气系统值得探索。

我国现阶段防爆胶轮车的防爆柴油机绝大多数采用机械式燃油喷射系统，在匹配良好的情况下勉强可以达到规定废气排放的水平。随着煤矿机械的智能化要求越来越高，研究防爆柴油机电气系统的设计就尤为重要，同时这也是快速检测、修复防爆柴油机故障的手段之一[4]。

1 防爆电控柴油机电气系统

1.1 启动系统

启动系统包括气马达、总开关、启动开关、储气罐和电控气动阀等。该系统具有空档保护功能和防再启动功能，即只有在变速器处于空档位置时防爆柴油机才能启动。在防爆柴油机启动后，控制器保护端控制启动保护断开启动线路，可防止防爆柴油机二次启动。防爆柴油机启动马达参数为：

启动压力/MPa 0.6～0.8

启动马达功率/kW 11

马达齿轮齿数/个 11

马达齿轮模数/mm 3.5

1.2 预热系统

防爆柴油机采用格栅进气预热，当电子控制单元(ECU)上电以后，ECU 根据防爆柴油机上的温度传感器感应环境温度，并通过进气加热继电器自动控制进气栅格的工作，以利于冷启动。进气加热工作过程如图1所示。

图1 防爆电控柴油机进气加热过程示意图

由图1可知，冷启动的进气加热分为启动前的预加热和启动后的后加热，后一个过程不被司机察觉。根据环境温度的不同，加热时间不同。一般预加热为1 min之内，后加热时间略长，通常为2 min(-10℃时)。若冷启动灯亮或闪烁过程中启动防爆柴油机，则加热过程即刻中断。

1.3 熄火控制系统

1) 油路熄火控制系统。防爆柴油机在正常转速下，当按下熄火开关后，防爆柴油机的ECU断电，其柴油机的喷油泵停止喷油，防爆柴油机因得不到燃油就停止工作。

2) 风门熄火控制系统。风门熄火控制系统是一个辅助系统，当按下熄火开关后，防爆柴油机油路在被切断的同时控制风门气路的电磁阀便断电，风门灭火缸断气，其风门重新处于关闭状态，防爆柴油机因得不到空气而停止工作。

2 防爆电控柴油机电源系统

该电源系统主要由防爆发电机和本质安全型蓄电池组成。防爆发电机既为防爆柴油机供电，又为防爆胶轮车供电。在防爆柴油机以高于怠速的速度运转时，防爆发电机为照明灯、显示屏及ECU供电，同时向蓄电池充电，电压调节器装在防爆发电机内部，使防爆发电机结构更为紧凑，性能更为可靠。本质安全型蓄电池为辅助电源，与防爆发电机并联，可保证防爆柴油机电磁阀和ECU供电，并在防爆柴油机低速时，向防爆胶轮车照明灯、电气保护系统供电。

3 防爆电控柴油机电控燃油喷射系统

该电控燃油喷射系统原理如图 2 所示。该系统主要包括电子控制单元(ECU)、温度传感器、压力传感器、转速传感器、高压共轨式输油泵、共轨高压喷油器及控制器等。ECU是该系统的控制核心，其温度传感器、压力传感器、转速传感器等将采集到的信号传送给ECU，通过ECU对这些参数进行分析处理后，以最优状态控制防爆柴油机的喷油量、喷油压力及喷油提前角，始终使防爆柴油机的缸内燃烧处于最佳状态，达到提高动力、降低排放的效果。

图2 防爆柴油机电控燃油喷射系统图

各种防爆式传感器和控制器主要包括：浇封型压力传感器、浇封型转速传感器、浇封型水温传感器、隔爆型油门位置传感器、浇封型喷油电磁阀、浇封型流量控油阀及防爆柴油机的保护装置控制器。

需要说明的是，喷油器与机械式防爆柴油机的喷油器是不同的，其喷油器的顶部为电磁控制阀，电磁控制阀接到ECU的喷油信号后，根据柴油机工作状态来控制喷油时间和喷油量。该喷油器是经特殊设计的，喷油器的参数，如喷孔数、流量、喷射夹角等需要通过防爆柴油机试验台架多次试验，由匹配标定优化后确定，以保证防爆柴油机的动力性及排放要求。防爆柴油机喷油器的喷油量、喷油曲线等参数也需在喷油器专门试验台架上进行。

4 防爆电控柴油机故障诊断系统

该故障诊断系统由诊断接口、防爆柴油机故障灯和诊断开关组成。其中防爆电控柴油机配备的诊断接口接插件是标准OBDⅡ16 针接口，如图3所示。诊断开关由ECU的1.72脚控制，诊断接口的信号由ECU的1.89脚输出。

图3 诊断接口接插件示意图

ECU 具有故障自诊断功能，一旦ECU检测出电控系统故障，将会产生对应的故障码并存入内存，并依照故障的严重等级，使故障灯亮，并自动选择不同的失效保护策略。

正常状态下，诊断灯常亮为严重故障，需及时排查；诊断灯不亮但有故障码,可能为历史故障和当前级别较低的故障，不会影响正常工作。大部分情况下，失效保护策略仍能保持防爆柴油机以降低功率的方式带故障运行，只有达到少数极其严重的故障，其失效保护策略立即使防爆柴油机停止喷油而熄火。

5 结论

通过分析研究，研制防爆电控柴油机可以有效地提高动力性，降低废气排放水平。其中ECU电子系统作为重要的组成部分，是提高防爆电控柴油机工作稳定性和灵敏性的关键，也是降低防爆柴油机排放水平的有效手段之一。