性能特點和作用說明

電控柴油發動機有哪些特點和優越性

 

摘要：柴油機電控噴射燃油系統的電控技術是一種用計算機來實現對柴油機工作過程優化控制的技術。它是發動機上一系列傳感器檢測到的柴油機各種信息傳遞到柴油機上的電子控制模塊（ECU、ECM），對噴油器工作進行控制，對噴油正時和噴油量調節，以使柴油機工作處于最佳狀態。使發動機的性能有效提高，更好地控制尾氣排放，能滿足歐III排放限值法規的要求。電噴與共軌技術是滿足發動機歐II排放的保障。

 

一、電子控制燃油系統概述

 

       配備了CM850電子控制模塊的康明斯發動機屬于電控燃油噴射系統。該系統的基本功能是對供油量和供油正時進行控制，將發動機的轉速限制在設定的低怠速和高怠速范圍內，并在優化發動機性能的同時降低排放?？刂葡到y利用操作員和傳感器發出的輸入信號決定在發動機要求的轉速下工作時的供油量和供油正時。

       電子控制模塊（ECM）是控制系統的中心，它的任務是處理所有的輸入信息，并對燃油系統、發電機組和發動機控制裝置發出指令。ECM對大多數電路進行診斷測試，如果在某個電路中檢測到故障就會產生一個故障碼。隨著故障碼的出現，故障碼激活時的發動機運行參數的速錄數據也儲存在存儲器內?，F行故障碼會觸發診斷指示燈亮，以向操作員發出信號。通過SAE J1939數據通信接口或SAE J1708數據通信接口，ECM可以與服務軟件INSITET和其他一些控制裝置進行通信。有的發電機組上還裝有SAE J1939 網絡，該網絡將許多智能控制器連接在一起。發電機組控制裝置能暫時控制發動機的轉速或轉矩，以執行它的某項功能。

1、電控噴射燃油系統的技術發展

       柴油機燃油系統電控技術與汽油機相似，都是由傳感器、電控單元和執行器三部分組成整個系統，系統構成如圖1所示，燃油流向如圖2所示。柴油機電控噴射方面與汽油機的主要差別：汽油機的電控噴射系統控制的是汽油與空氣的比例，柴油機的電控噴射系統則通過控制噴油時間調節輸出油量，且柴油機噴油控制是由發動機的轉速、油門和供油拉桿位置來決定的。柴油機電控技術明顯的特點有兩個：一是電控噴射系統的多樣化，二是噴射電控執行器復雜程度。

       柴油機燃油噴射特點：高壓、高頻、脈動等。高達200MPa的噴射壓力，百倍于汽油機噴射壓力。對燃油高壓噴射系統實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精度，柴油機活塞上止點的角度位置準確遠比汽油機要求高，導致柴油噴射的電控執行器更加復雜。

       柴油機的噴射系統形式多樣，傳統的柴油機噴射系統有：直列泵、分配泵、泵噴油器、單缸泵等。實施電控執行機構比較復雜，形成了柴油噴射系統多樣化；同時柴油機需要綜合控制油量、定時、噴油壓力等參數，其軟件的難度比汽油機高。

      電控噴射技術其任務是電子控制噴油系統，在運行工況過程實時控制噴油量及噴油定時。實時檢測轉速、溫度、壓力等傳感器的參數同步輸入計算機，與ECU已儲存的參數值進行比較及處理計算，按照最佳狀態控制執行機構，驅動噴油系統，使柴油機達到最佳運作狀態。

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

       自20世紀70年代以來全球環境狀態日愈惡化，能源危機以及CO2排放被認為是對溫室效應有較大影響，對柴油機尾氣排放和經濟性能有更高的要求。世界各國推出的排放法規和能源法規更加嚴格。采用電腦控制、機電一體化的發動機噴油系統非常關鍵。

       電噴技術即內燃機燃油系統的電控燃油噴射技術。通過電信號來控制噴油時刻、噴射壓力，完全取代燃油系統機械控制結構。采用電噴技術使柴油機運行穩定、動態性能好，使柴油機的經濟性、控制尾氣排放達到新的高度。

 

圖1  高壓共軌電控燃油噴射系統結構圖

圖2  柴油機高壓共軌燃油系統油路流向

 

2、電噴式柴油機的優點

       康明斯電控柴油發動機外形如圖3、圖4所示。

（1）柴油機的調速控制改進

       由電控調速器取代機械調速器的旋轉飛錘等裝置，使轉速精確控制。

（2）燃油經濟性改善

      選定柴油機工況后控制模塊ECM（Electronic Control Module，電子控制模塊）按程序監測柴油機的運轉工況，特別是影響噴油過程的定時、溫度、轉速和增壓壓力等。

（3）柴油機冷啟動性改善

       在獲得冷卻液或機油溫度數值后，確定柴油機是否處于低溫狀態，ECM將根據傳感器輸入的信號優化控制噴油定時和噴油量，減少啟動的黑煙。

（4）柴油機排氣煙度降低

      ECM根據機油溫度和增壓壓力精確控制噴油定時和噴油量，使柴油機在穩態及瞬態工況下的煙度滿足EPA（Environmental Protection Agency，環境保護署）排放法規的要求。

（5）柴油機的維護工作量減少

      由于燃油噴射嚴格控制，改善了柴油機的燃燒。另外，由于取消了機械調速器拉桿或齒條，減少了項目調整和維修。

 

圖3  康明斯電控發動機等測圖

圖4  康明斯電控發動機正面圖

 

二、電控共軌燃油系統組成

 

1、高壓油泵

      高壓油泵原理如圖5所示，結構如圖6所示。共軌高壓油泵的供油量的設計準則是必須保證在任何情況下的柴油機的噴油量與控制油量之和的需求，以及起動的油量變化的需求。但實際上，如果高壓油路產生泄漏，則系統的高壓壓力將明顯下降，即使泄漏比較輕微，也會產生極大的影響的。這是因為，共軌高壓油泵，輸出的燃油壓力，大大高于傳統柴油機燃油噴射壓力，屬于高壓力低流量類型油泵，超過設計的流量會明顯降低最終油壓。從結構上看，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油閥的彈簧力，所以必須依靠通過輔助燃油泵在發動機的各種運行狀態下以大約5bar的壓力對高壓泵供給足夠的燃油。當我們遇到發動機電控系統里有燃油油軌油壓低故障碼，系統工作數據流確實也是油壓過低時，應首先檢查低壓輸油系統的油壓是否足夠。

      油軌軌壓過低，排除油軌軌壓傳感器信號不可信之后，這個故障可能性有兩個：

（1）高壓油泵柱塞磨損，不能產生足夠的燃油壓力；

（2）高壓油軌部分泄漏。比如噴射油嘴回油油路泄壓、壓力調節閥泄壓；

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

 

圖5  電控柴油機高壓油泵工作原理圖

圖6  電控柴油機高壓油泵結構圖

 

2、高壓油泵燃油計量閥

      燃油計量閥內置于高壓泵內，如圖7所示。它根據需求調節高壓區內的待壓縮燃油量，簡單的說就是控制進入油泵柱塞的低壓燃油油量。其優點是高壓泵只制造當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。當燃油計量閥失靈后，發動機功率降低，發動機管理系統進入緊急運行狀態。

3、高壓油軌與燃油壓力調節閥

      燃油壓力調節閥位于高壓儲存器（高壓油軌）上，如圖8所示。通過打開和關閉調節閥，調節高壓區的燃油壓力。整個共軌高壓燃油系統的高壓壓力由燃油壓力傳感器G247反饋給發動機電腦，通過燃油計量閥N290和燃油壓力調節閥N276的共同作用，使得系統高壓壓力達到精確調節。

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

（2）當壓力調節閥失效、泄漏時，高壓油軌將不能建立壓力，發動機難以啟動或者熄火。

 

圖7  高壓油泵燃油計量閥位置圖

圖8  電控柴油機燃油壓力調節閥

 

4、高壓噴油器

      高壓共軌直噴系統的噴射單元結構如圖9所示。它是一種加工精度非常高的精密部件，接受ECU送來的噴油脈沖信號，精確的控制燃油噴射量。噴油單元控制作動方式有電磁閥與壓電兩種，與受電磁閥控制的相比，壓電作動器的開關速度大約快四倍，壓電技術的噴針的運動質量減小了約75%。因此產生以下優點：

（1）開關時間非常短；

（2）每工作循環可能多次部分噴射（最多為五次）；

（3）精確計量的噴射量。

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

      因為噴射單元的針閥的開啟和關閉是通過液壓壓力放大來控制的，也就會在這個過程中，產生一些燃油回油，通過這個現象，還可以判斷噴油嘴的工況狀態是否正常。這是因為在噴油嘴工作正常時，發動機所有的噴油嘴的回油油量應是一致的，這個特性可以運用到故障診斷上。如果我們檢查發現，某個噴油嘴的回油量出現異常的增多，意味著該噴油嘴出現了故障，當回油油量大于測得的最小回油油量的三倍，必須更換該噴油嘴。

 

圖9  電磁式噴油器結構示意圖

圖10  電控噴油器回油量故障診斷

 

總結：

      高壓共軌(commonrail)電噴技術是指在高壓油泵、壓力傳感器和電子控制單元(ecu)組成的閉環系統中，將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。當今，汽車行業對排放性、經濟性、可靠性的要求越來越高，為了提高柴油機性能，燃油噴射的高壓化、精細化、靈巧化是燃油噴射系統的必然發展方向。高壓共軌燃油噴射系統是當今柴油機燃油噴射系統的主要發展方向，而高壓共軌電控噴油器是高壓共軌燃油噴射系統的核心關鍵部件，決定了高壓共軌燃油噴射系統的噴霧特性、響應速度、噴油速率、可靠性等多項關鍵參數。由于高壓共軌式燃油噴射系統具有可以對噴油定時、噴油持續期、噴油壓力、噴油規律進行柔性調節的特點，該系統的采用可以使柴油機的經濟性、動力性和排放性能都會有進一步的提高。這就需要我們加大對高壓共軌系統的研究力度，使我國的柴油機水平跨上一個新的臺階。

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