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性能特点和作用说明 |
电控柴油发动机有哪些特点和优越性 |
摘要：柴油机电控喷射燃油系统的电控技术是一种用计算机来实现对柴油机工作过程优化控制的技术。它是发动机上一系列传感器检测到的柴油机各种信息传递到柴油机上的电子控制模块（ECU、ECM），对喷油器工作进行控制，对喷油正时和喷油量调节，以使柴油机工作处于最佳状态。使发动机的性能有效提高，更好地控制尾气排放，能满足欧III排放限值法规的要求。电喷与共轨技术是满足发动机欧II排放的保障。
一、电子控制燃油系统概述
配备了CM850电子控制模块的康明斯发动机属于电控燃油喷射系统。该系统的基本功能是对供油量和供油正时进行控制，将发动机的转速限制在设定的低怠速和高怠速范围内，并在优化发动机性能的同时降低排放。控制系统利用操作员和传感器发出的输入信号决定在发动机要求的转速下工作时的供油量和供油正时。
电子控制模块（ECM）是控制系统的中心，它的任务是处理所有的输入信息，并对燃油系统、发电机组和发动机控制装置发出指令。ECM对大多数电路进行诊断测试，如果在某个电路中检测到故障就会产生一个故障码。随着故障码的出现，故障码激活时的发动机运行参数的速录数据也储存在存储器内。现行故障码会触发诊断指示灯亮，以向操作员发出信号。通过SAE J1939数据通信接口或SAE J1708数据通信接口，ECM可以与服务软件INSITET和其他一些控制装置进行通信。有的发电机组上还装有SAE J1939 网络，该网络将许多智能控制器连接在一起。发电机组控制装置能暂时控制发动机的转速或转矩，以执行它的某项功能。
1、电控喷射燃油系统的技术发展
柴油机燃油系统电控技术与汽油机相似，都是由传感器、电控单元和执行器三部分组成整个系统，系统构成如图1所示，燃油流向如图2所示。柴油机电控喷射方面与汽油机的主要差别：汽油机的电控喷射系统控制的是汽油与空气的比例，柴油机的电控喷射系统则通过控制喷油时间调节输出油量，且柴油机喷油控制是由发动机的转速、油门和供油拉杆位置来决定的。柴油机电控技术明显的特点有两个：一是电控喷射系统的多样化，二是喷射电控执行器复杂程度。
柴油机燃油喷射特点：高压、高频、脉动等。高达200MPa的喷射压力，百倍于汽油机喷射压力。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制难度较大。而且柴油喷射需要很高的喷射正时精度，柴油机活塞上止点的角度位置准确远比汽油机要求高，导致柴油喷射的电控执行器更加复杂。
柴油机的喷射系统形式多样，传统的柴油机喷射系统有：直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等。实施电控执行机构比较复杂，形成了柴油喷射系统多样化；同时柴油机需要综合控制油量、定时、喷油压力等参数，其软件的难度比汽油机高。
电控喷射技术其任务是电子控制喷油系统，在运行工况过程实时控制喷油量及喷油定时。实时检测转速、温度、压力等传感器的参数同步输入计算机，与ECU已储存的参数值进行比较及处理计算，按照最佳状态控制执行机构，驱动喷油系统，使柴油机达到最佳运作状态。
高压喷射和电控喷射技术的有效采用，可充分雾化燃油，使各气缸获得最佳的空燃混合气，达到降低排放，提高整机效率的目的。
自20世纪70年代以来全球环境状态日愈恶化，能源危机以及CO2排放被认为是对温室效应有较大影响，对柴油机尾气排放和经济性能有更高的要求。世界各国推出的排放法规和能源法规更加严格。采用电脑控制、机电一体化的发动机喷油系统非常关键。
电喷技术即内燃机燃油系统的电控燃油喷射技术。通过电信号来控制喷油时刻、喷射压力，完全取代燃油系统机械控制结构。采用电喷技术使柴油机运行稳定、动态性能好，使柴油机的经济性、控制尾气排放达到新的高度。
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图1 高压共轨电控燃油喷射系统结构图 |
图2 柴油机高压共轨燃油系统油路流向 |
2、电喷式柴油机的优点
康明斯电控柴油发动机外形如图3、图4所示。
（1）柴油机的调速控制改进
由电控调速器取代机械调速器的旋转飞锤等装置，使转速精确控制。
（2）燃油经济性改善
选定柴油机工况后控制模块ECM（Electronic Control Module，电子控制模块）按程序监测柴油机的运转工况，特别是影响喷油过程的定时、温度、转速和增压压力等。
（3）柴油机冷启动性改善
在获得冷却液或机油温度数值后，确定柴油机是否处于低温状态，ECM将根据传感器输入的信号优化控制喷油定时和喷油量，减少启动的黑烟。
（4）柴油机排气烟度降低
ECM根据机油温度和增压压力精确控制喷油定时和喷油量，使柴油机在稳态及瞬态工况下的烟度满足EPA（Environmental Protection Agency，环境保护署）排放法规的要求。
（5）柴油机的维护工作量减少
由于燃油喷射严格控制，改善了柴油机的燃烧。另外，由于取消了机械调速器拉杆或齿条，减少了项目调整和维修。
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图3 康明斯电控发动机等测图 |
图4 康明斯电控发动机正面图 |
二、电控共轨燃油系统组成
1、高压油泵
高压油泵原理如图5所示，结构如图6所示。共轨高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求，以及起动的油量变化的需求。但实际上，如果高压油路产生泄漏，则系统的高压压力将明显下降，即使泄漏比较轻微，也会产生极大的影响的。这是因为，共轨高压油泵，输出的燃油压力，大大高于传统柴油机燃油喷射压力，属于高压力低流量类型油泵，超过设计的流量会明显降低最终油压。从结构上看，高压油泵是柱塞式的，吸油能力弱，想要正常工作还需要克服进油阀的弹簧力，所以必须依靠通过辅助燃油泵在发动机的各种运行状态下以大约5bar的压力对高压泵供给足够的燃油。当我们遇到发动机电控系统里有燃油油轨油压低故障码，系统工作数据流确实也是油压过低时，应首先检查低压输油系统的油压是否足够。
油轨轨压过低，排除油轨轨压传感器信号不可信之后，这个故障可能性有两个：
（1）高压油泵柱塞磨损，不能产生足够的燃油压力；
（2）高压油轨部分泄漏。比如喷射油嘴回油油路泄压、压力调节阀泄压；
我们可以通过逐一切断各个喷射油嘴的高压供油管路看油轨轨压能否恢复，通过排除法，确认是泄漏还有高压油泵性能故障。
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图5 电控柴油机高压油泵工作原理图 |
图6 电控柴油机高压油泵结构图 |
2、高压油泵燃油计量阀
燃油计量阀内置于高压泵内，如图7所示。它根据需求调节高压区内的待压缩燃油量，简单的说就是控制进入油泵柱塞的低压燃油油量。其优点是高压泵只制造当前行驶条件所需要的压力，由此降低高压泵的功率消耗并避免燃油不必要的加热。当燃油计量阀失灵后，发动机功率降低，发动机管理系统进入紧急运行状态。
3、高压油轨与燃油压力调节阀
燃油压力调节阀位于高压储存器（高压油轨）上，如图8所示。通过打开和关闭调节阀，调节高压区的燃油压力。整个共轨高压燃油系统的高压压力由燃油压力传感器G247反馈给发动机电脑，通过燃油计量阀N290和燃油压力调节阀N276的共同作用，使得系统高压压力达到精确调节。
（1）油压调节阀为长通电磁阀，由电脑输出脉冲控制信号控制。安装油压调节阀到油轨时，一定要小心，安装螺纹及其容易损伤、泄漏。
（2）当压力调节阀失效、泄漏时，高压油轨将不能建立压力，发动机难以启动或者熄火。
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图7 高压油泵燃油计量阀位置图 |
图8 电控柴油机燃油压力调节阀 |
4、高压喷油器
高压共轨直喷系统的喷射单元结构如图9所示。它是一种加工精度非常高的精密部件，接受ECU送来的喷油脉冲信号，精确的控制燃油喷射量。喷油单元控制作动方式有电磁阀与压电两种，与受电磁阀控制的相比，压电作动器的开关速度大约快四倍，压电技术的喷针的运动质量减小了约75%。因此产生以下优点：
（1）开关时间非常短；
（2）每工作循环可能多次部分喷射（最多为五次）；
（3）精确计量的喷射量。
不管哪种方式控制的喷油嘴单元，电作动器不像汽油直喷喷油嘴那样直接控制喷油嘴针阀，而是通过中间的控制阀耦合控制，详见图10。
因为喷射单元的针阀的开启和关闭是通过液压压力放大来控制的，也就会在这个过程中，产生一些燃油回油，通过这个现象，还可以判断喷油嘴的工况状态是否正常。这是因为在喷油嘴工作正常时，发动机所有的喷油嘴的回油油量应是一致的，这个特性可以运用到故障诊断上。如果我们检查发现，某个喷油嘴的回油量出现异常的增多，意味着该喷油嘴出现了故障，当回油油量大于测得的最小回油油量的三倍，必须更换该喷油嘴。
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图9 电磁式喷油器结构示意图 |
图10 电控喷油器回油量故障诊断 |
总结：
高压共轨(commonrail)电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ecu)组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。当今，汽车行业对排放性、经济性、可靠性的要求越来越高，为了提高柴油机性能，燃油喷射的高压化、精细化、灵巧化是燃油喷射系统的必然发展方向。高压共轨燃油喷射系统是当今柴油机燃油喷射系统的主要发展方向，而高压共轨电控喷油器是高压共轨燃油喷射系统的核心关键部件，决定了高压共轨燃油喷射系统的喷雾特性、响应速度、喷油速率、可靠性等多项关键参数。由于高压共轨式燃油喷射系统具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节的特点，该系统的采用可以使柴油机的经济性、动力性和排放性能都会有进一步的提高。这就需要我们加大对高压共轨系统的研究力度，使我国的柴油机水平跨上一个新的台阶。
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