玉柴天然氣發動機ESI電控系統及失效策略解析

煙臺汽車工程職業學院（265500） 李臣華

威海職業學院（264210） 劉 華

玉柴天然氣發動機ESI電控系統及失效策略解析

煙臺汽車工程職業學院（265500） 李臣華

威海職業學院（264210） 劉 華

與汽油機、柴油機相比較，天然氣（壓縮天然氣CNG、液化天然氣LNG）發動機具有較高的經濟性及安全性，特別是具有良好的排放性，因此，燃氣發動機在出租車、貨車及客車已得到較為廣泛的應用。

玉柴為國內較大的燃氣發動機生產廠家，其生產的貨車、客車用燃氣發動機除了YC6JN系列采用了美國Econtrols生產的ECI系統（電控調壓器式）外，其他系列（YC6KN、YC6MKN、YC6GN、YC4GN、YC4DN）發動機均采用具有自主產權的ESI（電控單點噴射式）系統。通過采用自主的ESI系統，徹底擺脫了進口電控系統“產品改進周期過長、標定策略受限制、價格高、供貨周期長”等局限。

玉柴燃氣發動機ESI系統具有下列技術特點：采用電控單點燃氣噴射方式控制燃氣量，為國際主流技術（第三代技術產品，電控調壓器式為第二代技術）；采用帶寬域氧傳感器的空燃比閉環控制，實現經濟性和排放性均衡；采用增壓、中冷及稀薄燃燒，實現高效節能和清潔燃燒；采用單缸獨立高能點火、銥金火花塞，提高燃料經濟性；采用電控節氣門，實現對進氣（空氣）量的精確控制；采用高精度的傳感器，保證控制系統測量、控制精準；具有強大的整車功能，以滿足國內客戶的各種需求；具有完善的故障診斷、保護策略，保護發動機，及時排除故障。玉柴生產的燃氣發動機通過加裝帶氧化型催化轉換裝置，可滿足國5排放標準。

1 玉柴燃氣發動機ESI電控系統組成

1.1 CNG發動機ESI電控系統

如圖1所示，CNG發動機ESI電控系統由燃料控制系統、空氣控制系統及點火系統等組成。

燃料控制系統主要由CNG氣罐、高壓減壓器及高壓電磁閥、低壓濾清器、氣軌總成及混合器總成等組成。其主要作用是對燃料的壓力、溫度及噴射量進行精確控制。

空氣控制系統主要由空氣濾清器、增壓器、旁通控制閥、增壓壓力傳感器、電子節氣門總成等組成，其主要作用是對空氣流量及增壓壓力進行控制。

點火系統主要由發動機ECU、點火線圈及火花塞（銥金火花塞、間隙為0.35 mm±0.05 mm，BOSCH或NGK公司產品）等組成。點火系統的作用是對最佳點火提前角、點火能量等進行控制。

CNG發動機的工作原理：高壓的壓縮天然氣從CNG氣罐出來后，經高壓電磁閥（ECU控制高壓電磁閥的開閉）進入高壓減壓器，高壓減壓器將高壓的壓縮天然氣（工作壓力為3 MPa～20 MPa）壓力調整至0.4 MPa～0.6 MPa；高壓天然氣在減壓過程中由于減壓膨脹，需要吸收大量的熱量，為防止減壓器結冰，將發動機冷卻液引出到減壓器對燃氣進行加熱；經減壓后的天然氣進入氣軌總成，氣軌總成的作用是根據發動機運行工況精確控制天然氣供給量；天然氣與經過電子節氣門計量后的空氣在混合器內充分混合，進入發動機缸內，經火花塞點燃；火花塞的點火時刻由發動機ECU控制，寬域氧傳感器實時監控燃燒后尾氣中的氧含量，ECU根據氧傳感器的反饋信號及時修正天然氣供給量，從而使修正后的空燃比接近目標值，實現空燃比的閉環控制。另外，ECU還對增壓壓力進行閉環控制。

圖1 玉柴CNG發動機ESI電控系統組成示意圖

1.2 LNG發動機ESI電控系統

LNG發動機ESI電控系統組成如圖2所示。對比圖2與圖1，可以看出：LNG發動機ESI電控系統與CNG發動機結構基本類似，主要區別在于所使用燃料的狀態不同，所以在燃料的供應方式上有所區別。液化天然氣自氣瓶出來后需要首先吸熱汽化變為氣態，然后經過穩壓、緩沖及過濾后送至氣軌總成。

2 玉柴燃氣發動機ESI電控系統自診斷

玉柴燃氣發動機ESI電控系統的ECU是通過對傳感器的輸入電信號監測來實現診斷功能的，若檢測出電控系統有故障，ECU將產生對應的故障代碼并存儲；依照故障的嚴重等級，自動進入不同的失效保護策略；大部分情況下，失效保護策略仍能保持發動機以降低功率的方式繼續工作，少數極其嚴重的故障，根據失效保護策略會使發動機熄火，并輸出故障警告和信息（例如點亮故障燈等）。

3 玉柴燃氣發動機ESI系統失效保護策略

發動機ECU根據發動機ESI電控系統出現的不同故障類型，將采取故障燈常亮、故障燈閃亮、空燃比閉環控制關閉、空燃比自適應關閉、一級限扭矩、二級限扭矩、強制怠速、限制最高轉速及停機等失效保護策略。

3.1 故障燈常亮

進入該失效處理模式后，故障指示燈常亮，直到故障消失。對于不涉及駕駛安全性的一般故障，ECU使用缺省值（故障后默認值）代替真實值，發動機繼續正常行駛。例如燃氣溫度傳感器，若該傳感器損壞或線路導致電壓超限時，ECU將采取點亮故障燈、產生故障代碼（P0182、P0183)、使用缺省值（25 ℃）代替等處理措施。

3.2 故障燈閃亮

圖2 玉柴LNG發動機ESI電控系統組成示意圖

對于較為重要的電控部件故障，通常故障燈閃亮以提醒駕駛人。故障燈閃亮并不獨立出現，通常伴隨強制怠速、一級限功率、二級限功率、停機等失效策略。例如加速踏板位置傳感器，若加速踏板位置傳感器損壞或其線路故障導致電壓超限時，ECU將采取故障燈閃亮、產生故障碼（P0122、P0123）、發動機進入強制怠速（1 200 r/min）等處理措施。

3.3 空燃比閉環控制關閉

當寬域氧傳感器及線路出現故障時，ECU將不對氧傳感器的測量值進行閉環反饋，即關閉空燃比閉環控制。

3.4 空燃比自適應關閉

此失效策略并不是指空燃比自適應不起作用，而是自適應表更新功能關閉，若故障導致系統的進氣量和燃料量計算出現偏差都將觸發此失效策略。

3.5 強制怠速

對于某些嚴重故障，采取強制怠速失效策略，加速失靈，發動機轉速維持在1 200 r/min。當出現加速踏板及其線路故障、進氣壓力傳感器及其線路故障、點火線圈及其線路故障時，將觸發進入該失效保護策略。

3.6 一級限轉矩和二級限轉矩

一級限制轉矩為限制發動機外特性轉矩為原外特性轉矩的80%；二級限制轉矩為限制發動機外特性轉矩為原外特性轉矩的50%。

3.7 停機

觸發該失效策略后，ECU會停止噴嘴驅動、關閉低壓切斷電磁閥、停止節氣門驅動。若出現節氣門位置傳感器的信號1與信號2同時超限、信號1與信號2關聯故障、節氣門卡滯無法關小等3個故障時即觸發該失效保護策略。

2016-06-20）