CATC9發動機電控柴油噴射技術分析

劉 水,劉 冬

(1.威斯特哈爾濱分公司;2.黑龍江省龍建路橋第三工程有限公司)

現代理論證明,對發動機燃油噴射的控制對其排放性能、經濟性能和動力性能有著十分重要的影響。傳統技術、方法已滿足不了控制要求,而必須采用新一代的電子控制技術。CATC9電控噴射柴油機是卡特公司的新產品,今年在我廠六臺新疆 40噸修井機上首次使用,其額定功率 250 kW,最高轉速2200r/min。其電控柴油噴射系統主要由燃油系統、進氣系統和電控系統三部分組成。

(1)燃油系統主要由燃油濾清器、輸油泵、高壓泵、壓力控制閥及噴油器組成。①燃油濾清器。燃油中的污染物會導致泵零部件、出油閥和噴油嘴的損壞,另外柴油中可能含有以結合態(乳狀液)或者以自由態(例如由于溫度改變而產生的冷凝水)存在的水。如果這些水進入噴射系統,就有可能因為腐蝕而導致零部件損壞。與其他噴射系統相似,電控噴射系統也需要帶有儲水器的燃油濾清器,過濾出來的水必須定時地從儲水器中放出來。②輸油泵采用機械驅動的齒輪泵,它集成于高壓泵中,與高壓泵共享一個驅動裝置,輸送油量與發動機轉速成正比。齒輪泵是免維護的。在第一次啟動之前或者當燃油箱被用“空”時,可以用裝在齒輪泵上的手動泵泵送燃油。③高壓泵連續不斷地產生高壓系統中需要的壓力。這意味著,與傳統系統相反,燃油不必專門為每一次噴射過程而單獨進行壓縮。高壓泵由它泵送的柴油進行潤滑,在其內部,燃油由三個相互以 120°的間隔角度徑向布置的泵油柱塞進行壓縮。④壓力控制閥用于根據發動機負荷設定高壓油系統的正確壓力,并使它保持在正確的水平上。如果高壓油系統內壓力過高,壓力控制閥就開啟,一部分燃油從高壓油管通過回油管返回燃油箱。如果壓力過低,壓力控制閥就關閉,使高壓部分相對于低壓部分保持密封。壓力控制有兩條控制環路:一條響應的電氣控制環路,用于設定高壓油系統變動著的平均壓力;一條快響應的機械控制環路用于補償高頻壓力脈動。壓力控制閥由彈簧和電磁鐵疊加控制,彈簧設計成可以達到大約 10MPa的最高壓力。電磁鐵的力正比與使它激活的電流,而這個激活電流是以脈寬調制的方式加以控制的。1kHZ的脈寬頻率就足以防止不希望發生的電磁鐵—銜鐵的運動和高壓油系統的壓力脈動。⑤噴油器是電磁式噴油器,它是噴射系統中一個關鍵的執行元件,它接受ECM(Electroniccontrolmodule)送來的噴油脈沖信號,精確地進行燃油噴射。因此它是一種加工精度非常高的精密偶件,要求其動態流量范圍大,抗堵塞和污染能力強,霧化性能好。噴油器由電磁線圈、銜鐵、閥芯、閥座、噴嘴及濾網組成,在筒狀外殼內裝有電磁線圈、柱塞、復位彈簧和針閥。柱塞和針閥共同裝成一體,在復位彈簧的壓力下,針閥貼在閥座上,將噴孔封閉。當電磁線圈有電流通過時,柱塞和針閥在電磁力吸引下向上移動,打開噴孔,噴出柴油。噴嘴針閥開啟后的延續時間取決于勵磁電流的脈沖寬度。其脈沖寬度由ECM根據空氣流量等參數來控制。

(2)進氣系統的主要部件有空氣濾清器、進氣溫度傳感器、增壓器、空氣冷卻器、增壓后溫度傳感器、增壓后壓力傳感器、節氣門體及節氣門開度傳感器、進氣岐管等。進氣系統的作用是測量和控制柴油燃燒時所需的空氣量,為發動機可燃混合氣的形成提供必需的空氣。空氣經空氣濾清器、節氣門、進氣總管至進氣岐管,被吸入汽缸和噴入的柴油混合后,燃燒做功。

一般行駛時,空氣的流量由通道中的節氣門來控制,其控制信號來自于速度位置傳感器;怠速行駛時,節氣門關閉,空氣由旁通道通過。怠速轉速的控制是由怠速調整螺釘和怠速空氣調整器調整流經旁通道的空氣流量來實現的。怠速空氣調整器一般由ECM控制。在氣溫低、發動機暖機時,怠速空氣調節器的通道打開,以供給暖機時必需的空氣量到進氣岐管,此時,發動機轉速較正常怠速高,稱為快怠速。隨著發動機冷卻水溫升高,怠速空氣調節器使旁通道開度逐漸減小,發動機轉速逐漸降低至正常怠速。

在發動機排量一定的情況下,提高發動機輸出功率的有效辦法是多提供燃燒燃料,但傳統的進氣系統很難提供足夠的空氣以支持燃料完全燃燒。增壓技術則是提高發動機進氣量的有效辦法。增壓和增壓中冷技術不僅可以提高柴油機的動力性和經濟性,還能消除冒黑煙現象,大幅度降低NOx的排放量。C9發動機采用廢氣渦輪增壓器,增壓后的空氣經過空氣冷卻器冷卻,以提高空氣密度,提高含氧量。冷卻后的空氣經過溫度傳感器測溫,向ECM發出信號,進而控制進氣加熱器通斷,使進氣溫度維持在一定范圍內,進氣溫度是控制噴射的一個修正信號。加溫后的空氣測量其壓力,作為控制噴射的主要信號,和發動機轉速一起推算出吸入的空氣量,并計算燃油流量的速度密度方式,稱為速度密度控制的柴油噴射系統。

(3)電子控制系統是電控柴油噴射系統控制中樞,其功能是根據發動機運行狀況和車輛運行狀況確定柴油的最佳噴射量。該系統由傳感器、電控單元(ECM)和執行器組成。其作用是通過各種傳感器把反映發動機工況的非電量信號轉換成各種電信號輸入ECM,經過ECM綜合判斷與計算,確定噴油器的開啟和持續噴油時間,指令噴油器噴油,以供給發動機最佳空燃比的混合氣。傳感器用來監測發動機的實際工況,并將監測結果輸給ECM,作為運算和控制噴油的依據。檢測發動機和車輛運行狀況的傳感器主要有發動機轉速傳感器、主用轉速正時傳感器、冷卻水溫傳感器、進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、速度位置傳感器等。除此之外還有控制供給噴油器電流的電阻等控制部件。

電控系統的主要部件即電控單元ECM實際上就是一個微型計算機,具有豐富的邏輯判斷功能和計算功能,是電子控制系統的指揮中心,負責處理從各種傳感器送來的信息,經過判斷和計算等處理后,向執行機構發出控制信號。電控單元ECM主要由中央處理器(CPU)、A/D轉換器、存儲器、I/O接口、總線及電源供給電路等部分組成。①CPU由運算器和控制器組成,它是電子控制單元的核心部分,其中運算器用于完成各種算術和邏輯運算,而控制器是微處理器的控制中樞,它按事先編好的程序進行工作,向系統的各個部分發出控制信號,指揮整個系統自動、協調地工作。②存儲器中存有柴油噴射控制的全部程序和各個工況下的最佳噴油量和噴油時刻等參數。ECM讀出由傳感器傳來的信號,并與其存儲器中的相應的信息進行比較,最終計算出與當前狀態適合的最佳噴油量和噴油時刻。③A/D轉換器把模擬信號(如溫度傳感器、壓力傳感器輸出信號等)轉變成數字信號后,輸入ECM進行處理。④I/O接口是用于CPU與各外部設備(傳感器和執行機構)之間控制數據流動和數據格式的一種電路。由于外部設備種類繁多,他們輸出或接受的信息在速度、電平、信息形式等方面都不一定能很好地與CPU相匹配,因此,必須通過I/O接口對所傳輸或交換的信息進行協調,才能實現外部設備與微機之間的信息交換和傳遞。⑤在微機系統中的信息傳輸線路均采用多點連結方式,即在上述各功能部件之間設置公共的信息傳輸線路,這便是總線(BUS)。各功能部件間通過總線的信息傳遞由CPU統一控制。⑥電源供給電路將汽車上的 24V電壓轉變為標準的 5V電壓,滿足微機工作的需要,同時維持一定時間的后備電源,以免微機在工作過程中出現短時間的電源中斷,造成數據和工作程序丟失。

存儲器中存放著柴油噴射控制的全部程序和與噴油量、噴油時刻等有關的數據與算法,一旦接通點火開關,ECM便開始執行程序,并在程序控制下工作,如控制系統自身的初始化(即完成A/D轉換、I/O接口等工作方式的設定、預置某些數據等等)。電子控制系統一旦收到起動信號,立即進入起動控制程序,并向噴油器發出起動控制脈沖,使起動機起動。發動機起動后,自動轉入正常運行程序。在發動機正常工作期間,各傳感器不斷地監測發動機的轉速、空氣流量、冷卻水溫度等信號,經輸入接口電路輸給ECM。ECM首先根據發動機轉速和空氣流量(負荷)信號按存儲器中的程序和數據,計算出該工況下的基本噴油量,并轉換為基本噴油脈沖寬度,再根據溫度、節氣門開度等傳感器提供的信號加以修正,得到發動機在這一工況下運行的最佳噴油持續時間,并將計算結果轉變為控制信號,精確地、不斷地控制噴油器工作。上述全部工作時間是在極短的時間內(不大于10ms)完成的,并在發動機工作期間周而復始地進行著。