【卡特彼勒】CAT C9发动机电控柴油喷射技术分析

CAT C9发动机电控柴油喷射技术分析

CAT C9发动机电控柴油喷射技术分析

随着各油田用户环保意识的加强和对车用发动机经济性能要求的提高，新一代电控喷射柴油机开始在我厂修井机上使用。为了尽快熟悉此类发动机性能，以便正确选型和指导用户正确使用，我们有必要了解此类发动机的核心控制技术—电控柴油喷射技术。下面以ＣAT C9电控喷射柴油机为例进行分析。

现代理论证明，对发动机燃油喷射的控制对其排放性能、经济性能和动力性能有着十分重要的影响。传统技术、方法已满足不了控制要求，而必须采用新一代的电子控制技术。ＣAT C9电控喷射柴油机是卡特公司的新产品，今年在我厂六台新疆４０吨修井机上首次使用，其额定功率250KW,最高转速2200r/min。其电控柴油喷射系统主要由燃油系统、进气系统和电控系统三部分组成。

一，燃油系统主要由燃油滤清器、输油泵、高压泵、压力控制阀及喷油器组成。

①燃油滤清器。燃油中的污染物会导致泵零部件、出油阀和喷油嘴的损坏，另外柴油中可能含有以结合态（乳状液）或者以自由态（例如由于温度改变而产生的冷凝水）存在的水。如果这些水进入喷射系统，就有可能因为腐蚀而导致零部件损坏。与其他喷射系统相似，电控喷射系统也需要带有储水器的燃油滤清器，过滤出来的水必须定时地从储水器中放出来。

②输油泵采用机械驱动的齿轮泵，它集成于高压泵中，与高压泵共享一个驱动装置，输送油量与发动机转速成正比。齿轮泵是免维护的。在第一次启动之前或者当燃油箱被用“空”时，可以用装在齿轮泵上的手动泵泵送燃油。

③高压泵连续不断地产生高压系统中需要的压力。这意味着，与传统系统相反，燃油不必专门为每一次喷射过程而单独进行压缩。高压泵由它泵送的柴油进行润滑，在其内部，燃油由三个相互以120°的间隔角度径向布置的泵油柱塞进行压缩。

④压力控制阀用于根据发动机负荷设定高压油系统的正确压力，并使它保持在正确的水平上。如果高压油系统内压力过高，压力控制阀就开启，一部分燃油从高压油管通过回油管返回燃油箱。如果压力过低，压力控制阀就关闭，使高压部分相对于低压部分保持密封。压力控制有两条控制环路：一条响应的电气控制环路，用于设定高压油系统变动着的平均压力；一条快响应的机械控制环路用于补偿高频压力脉动。压力控制阀由弹簧和电磁铁叠加控制，弹簧设计成可以达到大约10MP的最高压力。电磁铁的力正比与使它激活的电流，而这个激活电流是以脉宽调制的方式加以控制的。1KHZ的脉宽频率就足以防止不希望发生的电磁铁—衔铁的运动和高压油系统的压力脉动。⑤喷油器是电磁式喷油器，它是喷射系统中一个关键的执行元件，它接受ECM(Electronic control module)送来的喷油脉冲信号，精确地进行燃油喷射。因此它是一种加工精度非常高的精密偶件，要求其动态流量范围大，抗堵塞和污染能力强，雾化性能好。喷油器由电磁线圈、衔铁、阀芯、阀座、喷嘴及滤网组成，在筒状外壳内装有电磁线圈、柱塞、复位弹簧和针阀。柱塞和针阀共同装成一体，在复位弹簧的压力下，针阀贴在阀座上，将喷孔封闭。当电磁线圈有电流通过时，柱塞和针阀在电磁力吸引下向上移动，打开喷孔，喷出柴油。喷嘴针阀开启后的延续时间取决于励磁电流的脉冲宽度。其脉冲宽度由ECM根据空气流量等参数来控制。

二，进气系统的主要部件有空气滤清器、进气温度传感器、增压器、空气冷却器、增压后温度传感器、增压后压力传感器、节气门体及节气门开度传感器、进气岐管等。进气系统的作用是测量和控制柴油燃烧时所需的空气量，为发动机可燃混合气的形成提供必需的空气。空气经空气滤清器、节气门、进气总管至进气岐管，被吸入汽缸和喷入的柴油混合后，燃烧做功。

一般行驶时，空气的流量由通道中的节气门来控制，其控制信号来自于速度位置传感器；怠速行驶时，节气门关闭，空气由旁通道通过。怠速转速的控制是由怠速调整螺钉和怠速空气调整器调整流经旁通道的空气流量来实现的。怠速空气调整器一般由ECM控制。在气温低、发动机暖机时，怠速空气调节器的通道打开，以供给暖机时必需的空气量到进气岐管，此时，发动机转速较正常怠速高，称为快怠速。随着发动机冷却水温升高，怠速空气调节器使旁通道开度逐渐减小，发动机转速逐渐降低至正常怠速。

在发动机排量一定的情况下，提高发动机输出功率的有效办法是多提供燃烧燃料，但传统的进气系统很难提供足够的空气以支持燃料完全燃烧。增压技术则是提高发动机进气量的有效办法。增压和增压中冷技术不仅可以提高柴油机的动力性和经济性，还能消除冒黑烟现象，大幅度降低NOx的排放量。C9发动机采用废气涡轮增压器，增压后的空气经过空气冷却器冷却，以提高空气密度，提高含氧量。冷却后的空气经过温度传感器测温,向ECM发出信号，进而控制进气加热器通断，使进气温度维持在一定范围内，进气温度是控制喷射的一个修正信号。加温后的空气测量其压力，作为控制喷射的主要信号，和发动机转速一起推算出吸入的空气量，并计算燃油流量的速度密度方式，称为速度密度控制的柴油喷射系统。

三，电子控制系统是电控柴油喷射系统控制中枢，其功能是根据发动机运行状况和车辆运行状况确定柴油的最佳喷射量。该系统由传感器、电控单元（ECM）和执行器组成。其作用是通过各种传感器把反映发动机工况的非电量信号转换成各种电信号输入ECM,经过ECM综合判断与计算，确定喷油器的开启和持续喷油时间，指令喷油器喷油，以供给发动机最佳空燃比的混合气。传感器用来监测发动机的实际工况，并将监测结果输给ECM，作为运算和控制喷油的依据。检测发动机和车辆运行状况的传感器主要有发动机转速传感器、主用转速正时传感器、冷却水温传感器、进气温度传感器、进气压力传感器、速度位置传感器等。除此之外还有控制供给喷油器电流的电阻等控制部件。

电控系统的主要部件即电控单元ECM实际上就是一个微型计算机，具有丰富的逻辑判断功能和计算功能，是电子控制系统的指挥中心，负责处理从各种传感器送来的信息，经过判断和计算等处理后，向执行机构发出控制信号。电控单元ECM主要由中央处理器（CPU）、A/D转换器、存储器、I/O接口、总线及电源供给电路等部分组成。

①CPU由运算器和控制器组成，它是电子控制单元的核心部分，其中运算器用于完成各种算术和逻辑运算，而控制器是微处理器的控制中枢，它按事先编好的程序进行工作，向系统的各个部分发出控制信号，指挥整个系统自动、协调地工作。

②存储器中存有柴油喷射控制的全部程序和各个工况下的最佳喷油量和喷油时刻等参数。ECM读出由传感器传来的信号，并与其存储器中的相应的信息进行比较，最终计算出与当前状态适合的最佳喷油量和喷油时刻。

③A/D转换器把模拟信号（如温度传感器、压力传感器输出信号等）转变成数字信号后，输入ECM进行处理。

④I/O接口是用于CPU与各外部设备（传感器和执行机构）之间控制数据流动和数据格式的一种电路。由于外部设备种类繁多，他们输出或接受的信息在速度、电平、信息形式等方面都不一定能很好地与CPU相匹配，因此，必须通过I/O接口对所传输或交换的信息进行协调，才能实现外部设备与微机之间的信息交换和传递。

⑤在微机系统中的信息传输线路均采用多点连结方式，即在上述各功能部件之间设置公共的信息传输线路，这便是总线（BUS）。各功能部件间通过总线的信息传递由CPU统一控制。⑥电源供给电路将汽车上的24V电压转变为标准的5V电压，满足微机工作的需要，同时维持一定时间的后备电源，以免微机在工作过程中出现短时间的电源中断，造成数据和工作程序丢失。

存储器中存放着柴油喷射控制的全部程序和与喷油量、喷油时刻等有关的数据与算法，一旦接通点火开关，ECM便开始执行程序，并在程序控制下工作，如控制系统自身的初始化（即完成A/D转换、I/O接口等工作方式的设定、预置某些数据等等）。电子控制系统一旦收到起动信号，立即进入起动控制程序，并向喷油器发出起动控制脉冲，使起动机起动。发动机起动后，自动转入正常运行程序。在发动机正常工作期间，各传感器不断地监测发动机的转速、空气流量、冷却水温度等信号，经输入接口电路输给ECM。ECM首先根据发动机转速和空气流量（负荷）信号按存储器中的程序和数据，计算出该工况下的基本喷油量，并转换为基本喷油脉冲宽度，再根据温度、节气门开度等传感器提供的信号加以修正，得到发动机在这一工况下运行的最佳喷油持续时间，并将计算结果转变为控制信号，精确地、不断地控制喷油器工作。上述全部工作时间是在极短的时间内（不大于10ms）完成的，并在发动机工作期间周而复始地进行着。