CAT液壓挖掘機(jī) C9發(fā)動(dòng)機(jī)電控柴油噴射技術(shù)分析

隨著各油田用戶環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)和對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能要求的提高，新一代電控噴射柴油機(jī)開始在我廠修井機(jī)上使用。為了盡快熟悉此類發(fā)動(dòng)機(jī)性能，以便正確選型和指導(dǎo)用戶正確使用，我們有必要了解此類發(fā)動(dòng)機(jī)的核心控制技術(shù)—電控柴油噴射技術(shù)。


下面以ＣAT C9電控噴射柴油機(jī)為例進(jìn)行分析。
現(xiàn)代理論證明，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射的控制對(duì)其排放性能、經(jīng)濟(jì)性能和動(dòng)力性能有著十分重要的影響。傳統(tǒng)技術(shù)、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(shù)。ＣAT C9電控噴射柴油機(jī)是卡特公司的新產(chǎn)品，今年在我廠六臺(tái)新疆４０噸修井機(jī)上首次使用，其額定功率250KW,最高轉(zhuǎn)速2200r/min。其電控柴油噴射系統(tǒng)主要由燃油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)和電控系統(tǒng)三部分組成。
一，燃油系統(tǒng)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(huì)導(dǎo)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(jié)合態(tài)（乳狀液）或者以自由態(tài)（例如由于溫度改變而產(chǎn)生的冷凝水）存在的水。如果這些水進(jìn)入噴射系統(tǒng)，就有可能因?yàn)楦g而導(dǎo)致零部件損壞。與其他噴射系統(tǒng)相似，電控噴射系統(tǒng)也需要帶有儲(chǔ)水器的燃油濾清器，過濾出來的水必須定時(shí)地從儲(chǔ)水器中放出來。


②輸油泵采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)的齒輪泵，它集成于高壓泵中，與高壓泵共享一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，輸送油量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。齒輪泵是免維護(hù)的。在第一次啟動(dòng)之前或者當(dāng)燃油箱被用“空”時(shí)，可以用裝在齒輪泵上的手動(dòng)泵泵送燃油。


③高壓泵連續(xù)不斷地產(chǎn)生高壓系統(tǒng)中需要的壓力。這意味著，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相反，燃油不必專門為每一次噴射過程而單獨(dú)進(jìn)行壓縮。高壓泵由它泵送的柴油進(jìn)行潤滑，在其內(nèi)部，燃油由三個(gè)相互以120°的間隔角度徑向布置的泵油柱塞進(jìn)行壓縮。

④壓力控制閥用于根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷設(shè)定高壓油系統(tǒng)的正確壓力，并使它保持在正確的水平上。如果高壓油系統(tǒng)內(nèi)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(guān)閉，使高壓部分相對(duì)于低壓部分保持密封。壓力控制有兩條控制環(huán)路：一條響應(yīng)的電氣控制環(huán)路，用于設(shè)定高壓油系統(tǒng)變動(dòng)著的平均壓力；一條快響應(yīng)的機(jī)械控制環(huán)路用于補(bǔ)償高頻壓力脈動(dòng)。壓力控制閥由彈簧和電磁鐵疊加控制，彈簧設(shè)計(jì)成可以達(dá)到大約10MP的最高壓力。電磁鐵的力正比與使它激活的電流，而這個(gè)激活電流是以脈寬調(diào)制的方式加以控制的。1KHZ的脈寬頻率就足以防止不希望發(fā)生的電磁鐵—銜鐵的運(yùn)動(dòng)和高壓油系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)。⑤噴油器是電磁式噴油器，它是噴射系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵的執(zhí)行元件，它接受ECM(Electronic control module)送來的噴油脈沖信號(hào)，精確地進(jìn)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(dòng)態(tài)流量范圍大，抗堵塞和污染能力強(qiáng)，霧化性能好。噴油器由電磁線圈、銜鐵、閥芯、閥座、噴嘴及濾網(wǎng)組成，在筒狀外殼內(nèi)裝有電磁線圈、柱塞、復(fù)位彈簧和針閥。柱塞和針閥共同裝成一體，在復(fù)位彈簧的壓力下，針閥貼在閥座上，將噴孔封閉。當(dāng)電磁線圈有電流通過時(shí)，柱塞和針閥在電磁力吸引下向上移動(dòng)，打開噴孔，噴出柴油。噴嘴針閥開啟后的延續(xù)時(shí)間取決于勵(lì)磁電流的脈沖寬度。其脈沖寬度由ECM根據(jù)空氣流量等參數(shù)來控制。

二，進(jìn)氣系統(tǒng)的主要部件有空氣濾清器、進(jìn)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(jié)氣門體及節(jié)氣門開度傳感器、進(jìn)氣岐管等。進(jìn)氣系統(tǒng)的作用是測(cè)量和控制柴油燃燒時(shí)所需的空氣量，為發(fā)動(dòng)機(jī)可燃混合氣的形成提供必需的空氣?？諝饨?jīng)空氣濾清器、節(jié)氣門、進(jìn)氣總管至進(jìn)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(shí)，空氣的流量由通道中的節(jié)氣門來控制，其控制信號(hào)來自于速度位置傳感器；怠速行駛時(shí)，節(jié)氣門關(guān)閉，空氣由旁通道通過。怠速轉(zhuǎn)速的控制是由怠速調(diào)整螺釘和怠速空氣調(diào)整器調(diào)整流經(jīng)旁通道的空氣流量來實(shí)現(xiàn)的。怠速空氣調(diào)整器一般由ECM控制。在氣溫低、發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)，怠速空氣調(diào)節(jié)器的通道打開，以供給暖機(jī)時(shí)必需的空氣量到進(jìn)氣岐管，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較正常怠速高，稱為快怠速。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫升高，怠速空氣調(diào)節(jié)器使旁通道開度逐漸減小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降低至正常怠速。
在發(fā)動(dòng)機(jī)排量一定的情況下，提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的有效辦法是多提供燃燒燃料，但傳統(tǒng)的進(jìn)氣系統(tǒng)很難提供足夠的空氣以支持燃料完全燃燒。增壓技術(shù)則是提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的有效辦法。增壓和增壓中冷技術(shù)不僅可以提高柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，還能消除冒黑煙現(xiàn)象，大幅度降低NOx的排放量。C9發(fā)動(dòng)機(jī)采用廢氣渦輪增壓器，增壓后的空氣經(jīng)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(jīng)過溫度傳感器測(cè)溫,向ECM發(fā)出信號(hào)，進(jìn)而控制進(jìn)氣加熱器通斷，使進(jìn)氣溫度維持在一定范圍內(nèi)，進(jìn)氣溫度是控制噴射的一個(gè)修正信號(hào)。加溫后的空氣測(cè)量其壓力，作為控制噴射的主要信號(hào)，和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一起推算出吸入的空氣量，并計(jì)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(tǒng)。

三，電子控制系統(tǒng)是電控柴油噴射系統(tǒng)控制中樞，其功能是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況和車輛運(yùn)行狀況確定柴油的最佳噴射量。該系統(tǒng)由傳感器、電控單元（ECM）和執(zhí)行器組成。其作用是通過各種傳感器把反映發(fā)動(dòng)機(jī)工況的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成各種電信號(hào)輸入ECM,經(jīng)過ECM綜合判斷與計(jì)算，確定噴油器的開啟和持續(xù)噴油時(shí)間，指令噴油器噴油，以供給發(fā)動(dòng)機(jī)最佳空燃比的混合氣。傳感器用來監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果輸給ECM，作為運(yùn)算和控制噴油的依據(jù)。檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛運(yùn)行狀況的傳感器主要有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、主用轉(zhuǎn)速正時(shí)傳感器、冷卻水溫傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、進(jìn)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(tǒng)的主要部件即電控單元ECM實(shí)際上就是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，具有豐富的邏輯判斷功能和計(jì)算功能，是電子控制系統(tǒng)的指揮中心，負(fù)責(zé)處理從各種傳感器送來的信息，經(jīng)過判斷和計(jì)算等處理后，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)。電控單元ECM主要由中央處理器（CPU）、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、I/O接口、總線及電源供給電路等部分組成。①CPU由運(yùn)算器和控制器組成，它是電子控制單元的核心部分，其中運(yùn)算器用于完成各種算術(shù)和邏輯運(yùn)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(jìn)行工作，向系統(tǒng)的各個(gè)部分發(fā)出控制信號(hào)，指揮整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)、協(xié)調(diào)地工作。②存儲(chǔ)器中存有柴油噴射控制的全部程序和各個(gè)工況下的最佳噴油量和噴油時(shí)刻等參數(shù)。ECM讀出由傳感器傳來的信號(hào)，并與其存儲(chǔ)器中的相應(yīng)的信息進(jìn)行比較，最終計(jì)算出與當(dāng)前狀態(tài)適合的最佳噴油量和噴油時(shí)刻。③A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)（如溫度傳感器、壓力傳感器輸出信號(hào)等）轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)后，輸入ECM進(jìn)行處理。④I/O接口是用于CPU與各外部設(shè)備（傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)）之間控制數(shù)據(jù)流動(dòng)和數(shù)據(jù)格式的一種電路。由于外部設(shè)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(duì)所傳輸或交換的信息進(jìn)行協(xié)調(diào)，才能實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與微機(jī)之間的信息交換和傳遞。⑤在微機(jī)系統(tǒng)中的信息傳輸線路均采用多點(diǎn)連結(jié)方式，即在上述各功能部件之間設(shè)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(tǒng)一控制。⑥電源供給電路將汽車上的24V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的5V電壓，滿足微機(jī)工作的需要，同時(shí)維持一定時(shí)間的后備電源，以免微機(jī)在工作過程中出現(xiàn)短時(shí)間的電源中斷，造成數(shù)據(jù)和工作程序丟失。

存儲(chǔ)器中存放著柴油噴射控制的全部程序和與噴油量、噴油時(shí)刻等有關(guān)的數(shù)據(jù)與算法，一旦接通點(diǎn)火開關(guān)，ECM便開始執(zhí)行程序，并在程序控制下工作，如控制系統(tǒng)自身的初始化（即完成A/D轉(zhuǎn)換、I/O接口等工作方式的設(shè)定、預(yù)置某些數(shù)據(jù)等等）。電子控制系統(tǒng)一旦收到起動(dòng)信號(hào)，立即進(jìn)入起動(dòng)控制程序，并向噴油器發(fā)出起動(dòng)控制脈沖，使起動(dòng)機(jī)起動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行程序。在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作期間，各傳感器不斷地監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、空氣流量、冷卻水溫度等信號(hào)，經(jīng)輸入接口電路輸給ECM。ECM首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空氣流量（負(fù)荷）信號(hào)按存儲(chǔ)器中的程序和數(shù)據(jù)，計(jì)算出該工況下的基本噴油量，并轉(zhuǎn)換為基本噴油脈沖寬度，再根據(jù)溫度、節(jié)氣門開度等傳感器提供的信號(hào)加以修正，得到發(fā)動(dòng)機(jī)在這一工況下運(yùn)行的最佳噴油持續(xù)時(shí)間，并將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?hào)，精確地、不斷地控制噴油器工作。上述全部工作時(shí)間是在極短的時(shí)間內(nèi)（不大于10ms）完成的，并在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間周而復(fù)始地進(jìn)行著

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