新聞主題	康明斯柴油發(fā)電機的噴油正時(shí)控制原理

 

摘要：當噴油器的結構和噴油壓差一定時(shí)，噴油量的多少就取決于噴油時(shí)間。在柴油機電控燃油噴射系統中，噴油量的控制是通過(guò)對噴油器噴油時(shí)間(噴油觸發(fā)脈沖寬度)的控制來(lái)實(shí)現的。由于發(fā)動(dòng)機工況不同，對混合氣濃度的要求也不相同。為使發(fā)動(dòng)機在各種運行工況下，都能獲得最佳的混合氣濃度，以提高柴油發(fā)電機的經(jīng)濟性和降低排放污染，因此需要對噴油量、噴油正時(shí)進(jìn)行控制。

 

一、噴油控制原理

 

      康明斯燃油共軌電控柴油發(fā)電機的基本噴油正時(shí)是通過(guò)計算發(fā)動(dòng)機轉速來(lái)確定的，再根據冷卻液溫度和進(jìn)氣壓力來(lái)進(jìn)行修正，得出最佳的噴油正時(shí)（見(jiàn)圖1）。由于噴油始點(diǎn)和噴油延續時(shí)間由指令脈沖決定，與轉速及負荷無(wú)關(guān)，因此，ECU可以自由地控制噴油時(shí)間。ECU零件組成如圖2所示。

1、噴油方式控制

      燃油共軌柴油發(fā)電機采用多次噴射，它將每個(gè)工作循環(huán)中的噴油過(guò)程分成幾個(gè)階段進(jìn)行，每個(gè)階段噴油都是相應獨立的，其目的就是控制燃燒速率。噴射階段分為先導噴射、預噴射、主噴射、后噴射和次后噴射等。在多次噴射過(guò)程中，電磁閥執行開(kāi)啟和關(guān)閉噴油器的工作，可以實(shí)現噴油規律優(yōu)化。在主噴射之前的預噴射可以降低燃燒噪聲，而預噴射靠近主噴射可有效降低PM（可吸入顆粒物）排放量。而后噴射過(guò)程中少量燃油隨廢氣排放再燃燒，會(huì )使各有害顆粒進(jìn)一步燃燒掉，更有效地減少PM的排放量。

2、噴油時(shí)間控制

      在燃油共軌柴油發(fā)電機中，為了實(shí)現最佳燃燒，ECU根據發(fā)動(dòng)機的各運行工況和外部環(huán)境條件經(jīng)常調節噴油時(shí)間，即進(jìn)行最佳噴油時(shí)間控制。其具體方法是，由發(fā)動(dòng)機決定基本噴油時(shí)間，同時(shí)根據發(fā)動(dòng)機的負荷、冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度和壓力、燃油壓力和溫度等對基本噴油時(shí)間進(jìn)行修正，決定目標噴油時(shí)間。

3、噴油速率控制

      噴油規律是影響柴油發(fā)電機排放的主要因素。理想的噴油規律要求噴射初期要緩慢，噴油速率不能太高，目的是減少在滯燃期內的可燃混合氣量，降低初期燃燒速率，以降低最高燃燒溫度和壓力上升率，抑制氮氧化合物的生成和降低燃燒噪聲。預噴射式實(shí)現初期緩慢燃燒，噴射中期采用高噴射壓力和高噴油速率，目的是加快燃燒速度，防止生成微粒和提高熱效率。主噴射發(fā)生在中期，可以加快可燃混合氣的擴散燃燒速度。噴油后期要求迅速結束噴油，防止在較低的噴油壓力和噴油速率下燃油霧化變差，導致燃燒不完全，而使HC（碳氫化合物）和PM排放增加。后噴射可有效降低排放物，使未燃燒物進(jìn)一步燃燒掉。在共軌柴油發(fā)電機中進(jìn)行多次噴射可使噴油規律得到優(yōu)化。

 

圖1  柴油機噴油正時(shí)原理

圖2  柴油機電子控制系統ECU

 

二、噴油正時(shí)控制

 

1、同時(shí)噴射

      如圖4所示。各缸噴油器都由ECU控制，同時(shí)噴油和停油。噴油正時(shí)控制是以發(fā)動(dòng)機最先進(jìn)入作功行程的缸為基準，在該缸排氣行程上止點(diǎn)前某一位置，ECU輸出指令信號，接通該組噴油器電磁線(xiàn)圈電路開(kāi)始噴油。

2．分組噴射

      如圖5所示。分組噴射是把所有噴油器分成2～4組，由ECU分組控制噴油器。以各組最先進(jìn)入作功的缸為基準，在該缸排氣行程上止點(diǎn)前某一位置，ECU輸出指令信號，接通該組噴油器電磁線(xiàn)圈電路，開(kāi)始噴油。

3．順序噴射

      如圖6所示。順序噴射的噴油器驅動(dòng)回路數與氣缸數目相等。ECU根據凸輪軸位置傳感器（G信號）、曲軸位置傳感器（Ne信號）和發(fā)動(dòng)機的作功順序，確定各缸工作位置。當確定各缸活塞運行至排氣行程上止點(diǎn)某一位置時(shí)，ECU輸出噴油控制信號，接通噴油器電磁線(xiàn)圈電路，該缸開(kāi)始噴油。順序噴射的特點(diǎn)是能夠設立最佳噴油時(shí)間，對混合氣形成有利；噴油正時(shí)在排氣上止點(diǎn)前60-70°；但是其控制軟件復雜。

 

圖3  電控柴油機噴油器控制電路	圖4  電控柴油機同時(shí)噴射控制
圖5  電控柴油機分組噴射控制	圖6  電控柴油機順序噴射控制

 

三、噴油量控制

 

      ECU根據各傳感器與開(kāi)關(guān)輸入的電信號，計算出噴油量，并與儲存在ECU中的目標值和MAP圖進(jìn)行比較，最后確定噴油量。ECU發(fā)出驅動(dòng)信號，確定噴油電磁閥開(kāi)啟或者關(guān)閉，控制噴油器供油開(kāi)始和供油結束時(shí)刻，從而控制噴油量。噴油量控制的基本內容有基本噴油量、起動(dòng)噴油量、怠速?lài)娪土繃娪土?、不均勻油量補償控制。

1、起動(dòng)時(shí)噴油量的控制

      起動(dòng)噴油量的控制如圖7所示。

      起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機由起動(dòng)馬達帶動(dòng)運轉。由于轉速很低， 轉速的波動(dòng)也很大，因此這時(shí)空氣流量傳感器所測得的進(jìn)氣量信號有很大的誤差?；谶@個(gè)原因，在發(fā)動(dòng)機起動(dòng)時(shí)，電腦不以空氣流量傳感器的信號作為噴油量的計算依據，而是按預先給定的起動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行噴油控制。電腦根據起動(dòng)開(kāi)關(guān)及轉速傳感器的信號，判定發(fā)動(dòng)機是否處于起動(dòng)狀態(tài)，以決定是否按起動(dòng)程序控制噴油（如圖8（a））。當起動(dòng)開(kāi)關(guān)接通，且發(fā)動(dòng)機轉速低于 300轉/分時(shí)，電腦判定發(fā)動(dòng)機處于起動(dòng)狀態(tài)，從而按起動(dòng)程序控制噴油。

      在起動(dòng)噴油控制程序中，電腦按發(fā)動(dòng)機水溫、進(jìn)氣溫度、起動(dòng)轉速計算出一個(gè)固定的噴油量。這一噴油量能使發(fā)動(dòng)機獲得順利起動(dòng)所需的濃混合氣。冷車(chē)起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機溫度很低，噴入進(jìn)氣道的燃油不易蒸發(fā)。為了能產(chǎn)生足夠的燃油蒸氣，形成足夠濃度的可燃混合氣，保證發(fā)動(dòng)機在低溫下也能正常起動(dòng)，必須進(jìn)一步增大噴油量。由電腦控制，通過(guò)增加各缸噴油器的噴油持續時(shí)間或噴油次數來(lái)增加噴油量。所增加的噴油量及加濃持續時(shí)間完全由電腦根據進(jìn)氣溫度傳感器和發(fā)動(dòng)機水溫傳感器測得的溫度高低來(lái)決定。發(fā)動(dòng)機水溫或進(jìn)氣溫度愈低，噴油量就愈大，加濃的持續時(shí)間也就取長(cháng)。這種冷起動(dòng)控制方式不設冷起動(dòng)噴油器和冷起動(dòng)溫度開(kāi)關(guān)。 

2、起動(dòng)后噴油控制

     如圖8（b）所示。 在發(fā)動(dòng)機運轉中，電腦主要根據進(jìn)氣量和發(fā)動(dòng)機轉速來(lái)計算噴油量。此外，電腦還要參考節氣門(mén)開(kāi)度、發(fā)動(dòng)機水溫、進(jìn)氣溫度、海拔高度及怠速工況、加速工況、全負荷工況等運轉參數來(lái)修正噴油量，以提高控制精度。由于電腦要考慮的運轉參數很多，為了簡(jiǎn)化電腦的計算程序，通常將噴油量分成基本噴油量、修正量、增量三個(gè)部分，并分別計算出結果。然后再將三個(gè)部分疊加在一起，作為總噴油量來(lái)控制噴油器噴油。

（1）基本噴油量：

      基本噴油量是根據發(fā)動(dòng)機每個(gè)工作循環(huán)的進(jìn)氣量，按理論混合比(空燃比  ：1) 計算出的噴油量。

（2）修正量：

      修正量是根據進(jìn)氣溫度、大氣壓力等實(shí)際運轉情況，對基本噴油量進(jìn)行適當修正,使發(fā)動(dòng)機在不同運轉條件下都能獲得最佳濃度的混合氣。

（3）增量：

      增量是在一些特殊工況下，為加濃混合氣而增加的噴油量。加濃的目的是為了使發(fā)動(dòng)機獲得良好的使用性能(如動(dòng)力性、加速性、平順性等)。

3、不均勻油量補償控制

      當發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，各缸噴油量不均勻會(huì )引起燃燒壓力不均勻，各缸混合氣燃燒差異引起各缸轉速不均勻，曲軸旋轉速度變化引起振動(dòng)等。為減少轉速波動(dòng)，使運行平穩，需要調節各缸的噴油量，使每個(gè)氣缸所需的燃油量精確，必須進(jìn)行不均勻油量補償。ECU負責檢測各缸每次做功行程時(shí)轉速的波動(dòng)，再與其他所有氣缸的平均轉速相比較，分別向各缸補償相應的噴油量。

 

圖7  起動(dòng)噴油量的控制

圖8  電控柴油機噴油量控制

 

總結：

      噴油正時(shí)控制是指ECU對噴油開(kāi)始時(shí)刻的控制，在間歇汽油噴射系統中，噴油正時(shí)控制有同步噴射和異步噴射兩種控制方式。同步噴射方式，噴射的開(kāi)始時(shí)刻與曲軸的轉角位置有關(guān)，ECU根據曲軸的轉角位置信號輸出噴油脈沖信號，在固定的曲軸轉角開(kāi)始噴油，異步噴射方式，噴射的開(kāi)始時(shí)刻與曲軸的轉角位置無(wú)關(guān)，ECU根據需要進(jìn)行異步噴射的信號或過(guò)程，輸出噴油脈沖信號。因此。異步噴射方式是一種臨時(shí)的補償性噴射，是同步噴射的補充，發(fā)動(dòng)機處于冷起動(dòng)、加速等非怠速工況時(shí)，電控汽油噴射控制系統除了同時(shí)噴射外，還增加異步噴射，對同步噴射的噴油量進(jìn)行增量修正。

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