康明斯动力（深圳）有限公司

 

新闻主题	康明斯柴油发电机的喷油正时控制原理

 

摘要：当喷油器的结构和喷油压差一定时，喷油量的多少就取决于喷油时间。在柴油机电控燃油喷射系统中，喷油量的控制是通过对喷油器喷油时间(喷油触发脉冲宽度)的控制来实现的。由于发动机工况不同，对混合气浓度的要求也不相同。为使发动机在各种运行工况下，都能获得最佳的混合气浓度，以提高柴油发电机的经济性和降低排放污染，因此需要对喷油量、喷油正时进行控制。

 

一、喷油控制原理

 

      康明斯燃油共轨电控柴油发电机的基本喷油正时是通过计算发动机转速来确定的，再根据冷却液温度和进气压力来进行修正，得出最佳的喷油正时（见图1）。由于喷油始点和喷油延续时间由指令脉冲决定，与转速及负荷无关，因此，ECU可以自由地控制喷油时间。ECU零件组成如图2所示。

1、喷油方式控制

      燃油共轨柴油发电机采用多次喷射，它将每个工作循环中的喷油过程分成几个阶段进行，每个阶段喷油都是相应独立的，其目的就是控制燃烧速率。喷射阶段分为先导喷射、预喷射、主喷射、后喷射和次后喷射等。在多次喷射过程中，电磁阀执行开启和关闭喷油器的工作，可以实现喷油规律优化。在主喷射之前的预喷射可以降低燃烧噪声，而预喷射靠近主喷射可有效降低PM（可吸入颗粒物）排放量。而后喷射过程中少量燃油随废气排放再燃烧，会使各有害颗粒进一步燃烧掉，更有效地减少PM的排放量。

2、喷油时间控制

      在燃油共轨柴油发电机中，为了实现最佳燃烧，ECU根据发动机的各运行工况和外部环境条件经常调节喷油时间，即进行最佳喷油时间控制。其具体方法是，由发动机决定基本喷油时间，同时根据发动机的负荷、冷却液温度、进气温度和压力、燃油压力和温度等对基本喷油时间进行修正，决定目标喷油时间。

3、喷油速率控制

      喷油规律是影响柴油发电机排放的主要因素。理想的喷油规律要求喷射初期要缓慢，喷油速率不能太高，目的是减少在滞燃期内的可燃混合气量，降低初期燃烧速率，以降低最高燃烧温度和压力上升率，抑制氮氧化合物的生成和降低燃烧噪声。预喷射式实现初期缓慢燃烧，喷射中期采用高喷射压力和高喷油速率，目的是加快燃烧速度，防止生成微粒和提高热效率。主喷射发生在中期，可以加快可燃混合气的扩散燃烧速度。喷油后期要求迅速结束喷油，防止在较低的喷油压力和喷油速率下燃油雾化变差，导致燃烧不完全，而使HC（碳氢化合物）和PM排放增加。后喷射可有效降低排放物，使未燃烧物进一步燃烧掉。在共轨柴油发电机中进行多次喷射可使喷油规律得到优化。

 

图1  柴油机喷油正时原理

图2  柴油机电子控制系统ECU

 

二、喷油正时控制

 

1、同时喷射

      如图4所示。各缸喷油器都由ECU控制，同时喷油和停油。喷油正时控制是以发动机最先进入作功行程的缸为基准，在该缸排气行程上止点前某一位置，ECU输出指令信号，接通该组喷油器电磁线圈电路开始喷油。

2．分组喷射

      如图5所示。分组喷射是把所有喷油器分成2～4组，由ECU分组控制喷油器。以各组最先进入作功的缸为基准，在该缸排气行程上止点前某一位置，ECU输出指令信号，接通该组喷油器电磁线圈电路，开始喷油。

3．顺序喷射

      如图6所示。顺序喷射的喷油器驱动回路数与气缸数目相等。ECU根据凸轮轴位置传感器（G信号）、曲轴位置传感器（Ne信号）和发动机的作功顺序，确定各缸工作位置。当确定各缸活塞运行至排气行程上止点某一位置时，ECU输出喷油控制信号，接通喷油器电磁线圈电路，该缸开始喷油。顺序喷射的特点是能够设立最佳喷油时间，对混合气形成有利；喷油正时在排气上止点前60-70°；但是其控制软件复杂。

 

图3  电控柴油机喷油器控制电路	图4  电控柴油机同时喷射控制
图5  电控柴油机分组喷射控制	图6  电控柴油机顺序喷射控制

 

三、喷油量控制

 

      ECU根据各传感器与开关输入的电信号，计算出喷油量，并与储存在ECU中的目标值和MAP图进行比较，最后确定喷油量。ECU发出驱动信号，确定喷油电磁阀开启或者关闭，控制喷油器供油开始和供油结束时刻，从而控制喷油量。喷油量控制的基本内容有基本喷油量、起动喷油量、怠速喷油量喷油量、不均匀油量补偿控制。

1、起动时喷油量的控制

      起动喷油量的控制如图7所示。

      起动时，发动机由起动马达带动运转。由于转速很低， 转速的波动也很大，因此这时空气流量传感器所测得的进气量信号有很大的误差。基于这个原因，在发动机起动时，电脑不以空气流量传感器的信号作为喷油量的计算依据，而是按预先给定的起动程序来进行喷油控制。电脑根据起动开关及转速传感器的信号，判定发动机是否处于起动状态，以决定是否按起动程序控制喷油（如图8（a））。当起动开关接通，且发动机转速低于 300转/分时，电脑判定发动机处于起动状态，从而按起动程序控制喷油。

      在起动喷油控制程序中，电脑按发动机水温、进气温度、起动转速计算出一个固定的喷油量。这一喷油量能使发动机获得顺利起动所需的浓混合气。冷车起动时，发动机温度很低，喷入进气道的燃油不易蒸发。为了能产生足够的燃油蒸气，形成足够浓度的可燃混合气，保证发动机在低温下也能正常起动，必须进一步增大喷油量。由电脑控制，通过增加各缸喷油器的喷油持续时间或喷油次数来增加喷油量。所增加的喷油量及加浓持续时间完全由电脑根据进气温度传感器和发动机水温传感器测得的温度高低来决定。发动机水温或进气温度愈低，喷油量就愈大，加浓的持续时间也就取长。这种冷起动控制方式不设冷起动喷油器和冷起动温度开关。 

2、起动后喷油控制

     如图8（b）所示。 在发动机运转中，电脑主要根据进气量和发动机转速来计算喷油量。此外，电脑还要参考节气门开度、发动机水温、进气温度、海拔高度及怠速工况、加速工况、全负荷工况等运转参数来修正喷油量，以提高控制精度。由于电脑要考虑的运转参数很多，为了简化电脑的计算程序，通常将喷油量分成基本喷油量、修正量、增量三个部分，并分别计算出结果。然后再将三个部分叠加在一起，作为总喷油量来控制喷油器喷油。

（1）基本喷油量：

      基本喷油量是根据发动机每个工作循环的进气量，按理论混合比(空燃比  ：1) 计算出的喷油量。

（2）修正量：

      修正量是根据进气温度、大气压力等实际运转情况，对基本喷油量进行适当修正,使发动机在不同运转条件下都能获得最佳浓度的混合气。

（3）增量：

      增量是在一些特殊工况下，为加浓混合气而增加的喷油量。加浓的目的是为了使发动机获得良好的使用性能(如动力性、加速性、平顺性等)。

3、不均匀油量补偿控制

      当发动机工作时，各缸喷油量不均匀会引起燃烧压力不均匀，各缸混合气燃烧差异引起各缸转速不均匀，曲轴旋转速度变化引起振动等。为减少转速波动，使运行平稳，需要调节各缸的喷油量，使每个气缸所需的燃油量精确，必须进行不均匀油量补偿。ECU负责检测各缸每次做功行程时转速的波动，再与其他所有气缸的平均转速相比较，分别向各缸补偿相应的喷油量。

 

图7  起动喷油量的控制

图8  电控柴油机喷油量控制

 

总结：

      喷油正时控制是指ECU对喷油开始时刻的控制，在间歇汽油喷射系统中，喷油正时控制有同步喷射和异步喷射两种控制方式。同步喷射方式，喷射的开始时刻与曲轴的转角位置有关，ECU根据曲轴的转角位置信号输出喷油脉冲信号，在固定的曲轴转角开始喷油，异步喷射方式，喷射的开始时刻与曲轴的转角位置无关，ECU根据需要进行异步喷射的信号或过程，输出喷油脉冲信号。因此。异步喷射方式是一种临时的补偿性喷射，是同步喷射的补充，发动机处于冷起动、加速等非怠速工况时，电控汽油喷射控制系统除了同时喷射外，还增加异步喷射，对同步喷射的喷油量进行增量修正。

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