性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有哪些特點(diǎn)和優(yōu)越性

 

摘要：柴油機(jī)電控噴射燃油系統(tǒng)的電控技術(shù)是一種用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程優(yōu)化控制的技術(shù)。它是發(fā)動(dòng)機(jī)上一系列傳感器檢測(cè)到的柴油機(jī)各種信息傳遞到柴油機(jī)上的電子控制模塊（ECU、ECM），對(duì)噴油器工作進(jìn)行控制，對(duì)噴油正時(shí)和噴油量調(diào)節(jié)，以使柴油機(jī)工作處于最佳狀態(tài)。使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有效提高，更好地控制尾氣排放，能滿足歐III排放限值法規(guī)的要求。電噴與共軌技術(shù)是滿足發(fā)動(dòng)機(jī)歐II排放的保障。

 

一、電子控制燃油系統(tǒng)概述

 

       配備了CM850電子控制模塊的康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)屬于電控燃油噴射系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本功能是對(duì)供油量和供油正時(shí)進(jìn)行控制，將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速限制在設(shè)定的低怠速和高怠速范圍內(nèi)，并在優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí)降低排放?？刂葡到y(tǒng)利用操作員和傳感器發(fā)出的輸入信號(hào)決定在發(fā)動(dòng)機(jī)要求的轉(zhuǎn)速下工作時(shí)的供油量和供油正時(shí)。

       電子控制模塊（ECM）是控制系統(tǒng)的中心，它的任務(wù)是處理所有的輸入信息，并對(duì)燃油系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組和發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置發(fā)出指令。ECM對(duì)大多數(shù)電路進(jìn)行診斷測(cè)試，如果在某個(gè)電路中檢測(cè)到故障就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)故障碼。隨著故障碼的出現(xiàn)，故障碼激活時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的速錄數(shù)據(jù)也儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器內(nèi)。現(xiàn)行故障碼會(huì)觸發(fā)診斷指示燈亮，以向操作員發(fā)出信號(hào)。通過(guò)SAE J1939數(shù)據(jù)通信接口或SAE J1708數(shù)據(jù)通信接口，ECM可以與服務(wù)軟件INSITET和其他一些控制裝置進(jìn)行通信。有的發(fā)電機(jī)組上還裝有SAE J1939 網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將許多智能控制器連接在一起。發(fā)電機(jī)組控制裝置能暫時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，以執(zhí)行它的某項(xiàng)功能。

1、電控噴射燃油系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展

       柴油機(jī)燃油系統(tǒng)電控技術(shù)與汽油機(jī)相似，都是由傳感器、電控單元和執(zhí)行器三部分組成整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，燃油流向如圖2所示。柴油機(jī)電控噴射方面與汽油機(jī)的主要差別：汽油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)控制的是汽油與空氣的比例，柴油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)則通過(guò)控制噴油時(shí)間調(diào)節(jié)輸出油量，且柴油機(jī)噴油控制是由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、油門和供油拉桿位置來(lái)決定的。柴油機(jī)電控技術(shù)明顯的特點(diǎn)有兩個(gè)：一是電控噴射系統(tǒng)的多樣化，二是噴射電控執(zhí)行器復(fù)雜程度。

       柴油機(jī)燃油噴射特點(diǎn)：高壓、高頻、脈動(dòng)等。高達(dá)200MPa的噴射壓力，百倍于汽油機(jī)噴射壓力。對(duì)燃油高壓噴射系統(tǒng)實(shí)施噴油量的電子控制難度較大。而且柴油噴射需要很高的噴射正時(shí)精度，柴油機(jī)活塞上止點(diǎn)的角度位置準(zhǔn)確遠(yuǎn)比汽油機(jī)要求高，導(dǎo)致柴油噴射的電控執(zhí)行器更加復(fù)雜。

       柴油機(jī)的噴射系統(tǒng)形式多樣，傳統(tǒng)的柴油機(jī)噴射系統(tǒng)有：直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等。實(shí)施電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，形成了柴油噴射系統(tǒng)多樣化；同時(shí)柴油機(jī)需要綜合控制油量、定時(shí)、噴油壓力等參數(shù)，其軟件的難度比汽油機(jī)高。

      電控噴射技術(shù)其任務(wù)是電子控制噴油系統(tǒng)，在運(yùn)行工況過(guò)程實(shí)時(shí)控制噴油量及噴油定時(shí)。實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等傳感器的參數(shù)同步輸入計(jì)算機(jī)，與ECU已儲(chǔ)存的參數(shù)值進(jìn)行比較及處理計(jì)算，按照最佳狀態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)噴油系統(tǒng)，使柴油機(jī)達(dá)到最佳運(yùn)作狀態(tài)。

       高壓噴射和電控噴射技術(shù)的有效采用，可充分霧化燃油，使各氣缸獲得最佳的空燃混合氣，達(dá)到降低排放，提高整機(jī)效率的目的。

       自20世紀(jì)70年代以來(lái)全球環(huán)境狀態(tài)日愈惡化，能源危機(jī)以及CO2排放被認(rèn)為是對(duì)溫室效應(yīng)有較大影響，對(duì)柴油機(jī)尾氣排放和經(jīng)濟(jì)性能有更高的要求。世界各國(guó)推出的排放法規(guī)和能源法規(guī)更加嚴(yán)格。采用電腦控制、機(jī)電一體化的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)非常關(guān)鍵。

       電噴技術(shù)即內(nèi)燃機(jī)燃油系統(tǒng)的電控燃油噴射技術(shù)。通過(guò)電信號(hào)來(lái)控制噴油時(shí)刻、噴射壓力，完全取代燃油系統(tǒng)機(jī)械控制結(jié)構(gòu)。采用電噴技術(shù)使柴油機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)性能好，使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、控制尾氣排放達(dá)到新的高度。

 

圖1  高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2  柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)油路流向

 

2、電噴式柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

       康明斯電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)外形如圖3、圖4所示。

（1）柴油機(jī)的調(diào)速控制改進(jìn)

       由電控調(diào)速器取代機(jī)械調(diào)速器的旋轉(zhuǎn)飛錘等裝置，使轉(zhuǎn)速精確控制。

（2）燃油經(jīng)濟(jì)性改善

      選定柴油機(jī)工況后控制模塊ECM（Electronic Control Module，電子控制模塊）按程序監(jiān)測(cè)柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，特別是影響噴油過(guò)程的定時(shí)、溫度、轉(zhuǎn)速和增壓壓力等。

（3）柴油機(jī)冷啟動(dòng)性改善

       在獲得冷卻液或機(jī)油溫度數(shù)值后，確定柴油機(jī)是否處于低溫狀態(tài)，ECM將根據(jù)傳感器輸入的信號(hào)優(yōu)化控制噴油定時(shí)和噴油量，減少啟動(dòng)的黑煙。

（4）柴油機(jī)排氣煙度降低

      ECM根據(jù)機(jī)油溫度和增壓壓力精確控制噴油定時(shí)和噴油量，使柴油機(jī)在穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況下的煙度滿足EPA（Environmental Protection Agency，環(huán)境保護(hù)署）排放法規(guī)的要求。

（5）柴油機(jī)的維護(hù)工作量減少

      由于燃油噴射嚴(yán)格控制，改善了柴油機(jī)的燃燒。另外，由于取消了機(jī)械調(diào)速器拉桿或齒條，減少了項(xiàng)目調(diào)整和維修。

 

圖3  康明斯電控發(fā)動(dòng)機(jī)等測(cè)圖

圖4  康明斯電控發(fā)動(dòng)機(jī)正面圖

 

二、電控共軌燃油系統(tǒng)組成

 

1、高壓油泵

      高壓油泵原理如圖5所示，結(jié)構(gòu)如圖6所示。共軌高壓油泵的供油量的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是必須保證在任何情況下的柴油機(jī)的噴油量與控制油量之和的需求，以及起動(dòng)的油量變化的需求。但實(shí)際上，如果高壓油路產(chǎn)生泄漏，則系統(tǒng)的高壓壓力將明顯下降，即使泄漏比較輕微，也會(huì)產(chǎn)生極大的影響的。這是因?yàn)?，共軌高壓油泵，輸出的燃油壓力，大大高于傳統(tǒng)柴油機(jī)燃油噴射壓力，屬于高壓力低流量類型油泵，超過(guò)設(shè)計(jì)的流量會(huì)明顯降低最終油壓。從結(jié)構(gòu)上看，高壓油泵是柱塞式的，吸油能力弱，想要正常工作還需要克服進(jìn)油閥的彈簧力，所以必須依靠通過(guò)輔助燃油泵在發(fā)動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)下以大約5bar的壓力對(duì)高壓泵供給足夠的燃油。當(dāng)我們遇到發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)里有燃油油軌油壓低故障碼，系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)流確實(shí)也是油壓過(guò)低時(shí)，應(yīng)首先檢查低壓輸油系統(tǒng)的油壓是否足夠。

      油軌軌壓過(guò)低，排除油軌軌壓傳感器信號(hào)不可信之后，這個(gè)故障可能性有兩個(gè)：

（1）高壓油泵柱塞磨損，不能產(chǎn)生足夠的燃油壓力；

（2）高壓油軌部分泄漏。比如噴射油嘴回油油路泄壓、壓力調(diào)節(jié)閥泄壓；

      我們可以通過(guò)逐一切斷各個(gè)噴射油嘴的高壓供油管路看油軌軌壓能否恢復(fù)，通過(guò)排除法，確認(rèn)是泄漏還有高壓油泵性能故障。

 

圖5  電控柴油機(jī)高壓油泵工作原理圖

圖6  電控柴油機(jī)高壓油泵結(jié)構(gòu)圖

 

2、高壓油泵燃油計(jì)量閥

      燃油計(jì)量閥內(nèi)置于高壓泵內(nèi)，如圖7所示。它根據(jù)需求調(diào)節(jié)高壓區(qū)內(nèi)的待壓縮燃油量，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是控制進(jìn)入油泵柱塞的低壓燃油油量。其優(yōu)點(diǎn)是高壓泵只制造當(dāng)前行駛條件所需要的壓力，由此降低高壓泵的功率消耗并避免燃油不必要的加熱。當(dāng)燃油計(jì)量閥失靈后，發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)入緊急運(yùn)行狀態(tài)。

3、高壓油軌與燃油壓力調(diào)節(jié)閥

      燃油壓力調(diào)節(jié)閥位于高壓儲(chǔ)存器（高壓油軌）上，如圖8所示。通過(guò)打開和關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)高壓區(qū)的燃油壓力。整個(gè)共軌高壓燃油系統(tǒng)的高壓壓力由燃油壓力傳感器G247反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)電腦，通過(guò)燃油計(jì)量閥N290和燃油壓力調(diào)節(jié)閥N276的共同作用，使得系統(tǒng)高壓壓力達(dá)到精確調(diào)節(jié)。

（1）油壓調(diào)節(jié)閥為長(zhǎng)通電磁閥，由電腦輸出脈沖控制信號(hào)控制。安裝油壓調(diào)節(jié)閥到油軌時(shí)，一定要小心，安裝螺紋及其容易損傷、泄漏。

（2）當(dāng)壓力調(diào)節(jié)閥失效、泄漏時(shí)，高壓油軌將不能建立壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)難以啟動(dòng)或者熄火。

 

圖7  高壓油泵燃油計(jì)量閥位置圖

圖8  電控柴油機(jī)燃油壓力調(diào)節(jié)閥

 

4、高壓噴油器

      高壓共軌直噴系統(tǒng)的噴射單元結(jié)構(gòu)如圖9所示。它是一種加工精度非常高的精密部件，接受ECU送來(lái)的噴油脈沖信號(hào)，精確的控制燃油噴射量。噴油單元控制作動(dòng)方式有電磁閥與壓電兩種，與受電磁閥控制的相比，壓電作動(dòng)器的開關(guān)速度大約快四倍，壓電技術(shù)的噴針的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量減小了約75%。因此產(chǎn)生以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）開關(guān)時(shí)間非常短；

（2）每工作循環(huán)可能多次部分噴射（最多為五次）；

（3）精確計(jì)量的噴射量。

     不管哪種方式控制的噴油嘴單元，電作動(dòng)器不像汽油直噴噴油嘴那樣直接控制噴油嘴針閥，而是通過(guò)中間的控制閥耦合控制，詳見圖10。

      因?yàn)閲娚鋯卧尼橀y的開啟和關(guān)閉是通過(guò)液壓壓力放大來(lái)控制的，也就會(huì)在這個(gè)過(guò)程中，產(chǎn)生一些燃油回油，通過(guò)這個(gè)現(xiàn)象，還可以判斷噴油嘴的工況狀態(tài)是否正常。這是因?yàn)樵趪娪妥旃ぷ髡r(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)所有的噴油嘴的回油油量應(yīng)是一致的，這個(gè)特性可以運(yùn)用到故障診斷上。如果我們檢查發(fā)現(xiàn)，某個(gè)噴油嘴的回油量出現(xiàn)異常的增多，意味著該噴油嘴出現(xiàn)了故障，當(dāng)回油油量大于測(cè)得的最小回油油量的三倍，必須更換該噴油嘴。

 

圖9  電磁式噴油器結(jié)構(gòu)示意圖

圖10  電控噴油器回油量故障診斷

 

總結(jié)：

      高壓共軌(commonrail)電噴技術(shù)是指在高壓油泵、壓力傳感器和電子控制單元(ecu)組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)程彼此完全分開的一種供油方式。當(dāng)今，汽車行業(yè)對(duì)排放性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性的要求越來(lái)越高，為了提高柴油機(jī)性能，燃油噴射的高壓化、精細(xì)化、靈巧化是燃油噴射系統(tǒng)的必然發(fā)展方向。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是當(dāng)今柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，而高壓共軌電控噴油器是高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，決定了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的噴霧特性、響應(yīng)速度、噴油速率、可靠性等多項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。由于高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)具有可以對(duì)噴油定時(shí)、噴油持續(xù)期、噴油壓力、噴油規(guī)律進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，該系統(tǒng)的采用可以使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能都會(huì)有進(jìn)一步的提高。這就需要我們加大對(duì)高壓共軌系統(tǒng)的研究力度，使我國(guó)的柴油機(jī)水平跨上一個(gè)新的臺(tái)階。

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