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康明斯柴油發(fā)電機(jī)的噴油正時控制原理 |
摘要：當(dāng)噴油器的結(jié)構(gòu)和噴油壓差一定時，噴油量的多少就取決于噴油時間。在柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)中，噴油量的控制是通過對噴油器噴油時間(噴油觸發(fā)脈沖寬度)的控制來實(shí)現(xiàn)的。由于發(fā)動機(jī)工況不同，對混合氣濃度的要求也不相同。為使發(fā)動機(jī)在各種運(yùn)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(jī)的經(jīng)濟(jì)性和降低排放污染，因此需要對噴油量、噴油正時進(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(jī)的基本噴油正時是通過計算發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速來確定的，再根據(jù)冷卻液溫度和進(jìn)氣壓力來進(jìn)行修正，得出最佳的噴油正時（見圖1）。由于噴油始點(diǎn)和噴油延續(xù)時間由指令脈沖決定，與轉(zhuǎn)速及負(fù)荷無關(guān)，因此，ECU可以自由地控制噴油時間。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(jī)采用多次噴射，它將每個工作循環(huán)中的噴油過程分成幾個階段進(jìn)行，每個階段噴油都是相應(yīng)獨(dú)立的，其目的就是控制燃燒速率。噴射階段分為先導(dǎo)噴射、預(yù)噴射、主噴射、后噴射和次后噴射等。在多次噴射過程中，電磁閥執(zhí)行開啟和關(guān)閉噴油器的工作，可以實(shí)現(xiàn)噴油規(guī)律優(yōu)化。在主噴射之前的預(yù)噴射可以降低燃燒噪聲，而預(yù)噴射靠近主噴射可有效降低PM（可吸入顆粒物）排放量。而后噴射過程中少量燃油隨廢氣排放再燃燒，會使各有害顆粒進(jìn)一步燃燒掉，更有效地減少PM的排放量。
2、噴油時間控制
在燃油共軌柴油發(fā)電機(jī)中，為了實(shí)現(xiàn)最佳燃燒，ECU根據(jù)發(fā)動機(jī)的各運(yùn)行工況和外部環(huán)境條件經(jīng)常調(diào)節(jié)噴油時間，即進(jìn)行最佳噴油時間控制。其具體方法是，由發(fā)動機(jī)決定基本噴油時間，同時根據(jù)發(fā)動機(jī)的負(fù)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間進(jìn)行修正，決定目標(biāo)噴油時間。
3、噴油速率控制
噴油規(guī)律是影響柴油發(fā)電機(jī)排放的主要因素。理想的噴油規(guī)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(nèi)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(yù)噴射式實(shí)現(xiàn)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(kuò)散燃燒速度。噴油后期要求迅速結(jié)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(dǎo)致燃燒不完全，而使HC（碳?xì)浠衔铮┖蚉M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(jī)中進(jìn)行多次噴射可使噴油規(guī)律得到優(yōu)化。
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圖1 柴油機(jī)噴油正時原理 |
圖2 柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)ECU |
二、噴油正時控制
1、同時噴射
如圖4所示。各缸噴油器都由ECU控制，同時噴油和停油。噴油正時控制是以發(fā)動機(jī)最先進(jìn)入作功行程的缸為基準(zhǔn)，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圈電路開始噴油。
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(zhǔn)，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圈電路，開始噴油。
3．順序噴射
如圖6所示。順序噴射的噴油器驅(qū)動回路數(shù)與氣缸數(shù)目相等。ECU根據(jù)凸輪軸位置傳感器（G信號）、曲軸位置傳感器（Ne信號）和發(fā)動機(jī)的作功順序，確定各缸工作位置。當(dāng)確定各缸活塞運(yùn)行至排氣行程上止點(diǎn)某一位置時，ECU輸出噴油控制信號，接通噴油器電磁線圈電路，該缸開始噴油。順序噴射的特點(diǎn)是能夠設(shè)立最佳噴油時間，對混合氣形成有利；噴油正時在排氣上止點(diǎn)前60-70°；但是其控制軟件復(fù)雜。
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圖3 電控柴油機(jī)噴油器控制電路 |
圖4 電控柴油機(jī)同時噴射控制 |
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圖5 電控柴油機(jī)分組噴射控制 |
圖6 電控柴油機(jī)順序噴射控制 |
三、噴油量控制
ECU根據(jù)各傳感器與開關(guān)輸入的電信號，計算出噴油量，并與儲存在ECU中的目標(biāo)值和MAP圖進(jìn)行比較，最后確定噴油量。ECU發(fā)出驅(qū)動信號，確定噴油電磁閥開啟或者關(guān)閉，控制噴油器供油開始和供油結(jié)束時刻，從而控制噴油量。噴油量控制的基本內(nèi)容有基本噴油量、起動噴油量、怠速噴油量噴油量、不均勻油量補(bǔ)償控制。
1、起動時噴油量的控制
起動噴油量的控制如圖7所示。
起動時，發(fā)動機(jī)由起動馬達(dá)帶動運(yùn)轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)速很低， 轉(zhuǎn)速的波動也很大，因此這時空氣流量傳感器所測得的進(jìn)氣量信號有很大的誤差。基于這個原因，在發(fā)動機(jī)起動時，電腦不以空氣流量傳感器的信號作為噴油量的計算依據(jù)，而是按預(yù)先給定的起動程序來進(jìn)行噴油控制。電腦根據(jù)起動開關(guān)及轉(zhuǎn)速傳感器的信號，判定發(fā)動機(jī)是否處于起動狀態(tài)，以決定是否按起動程序控制噴油（如圖8（a））。當(dāng)起動開關(guān)接通，且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于 300轉(zhuǎn)/分時，電腦判定發(fā)動機(jī)處于起動狀態(tài)，從而按起動程序控制噴油。
在起動噴油控制程序中，電腦按發(fā)動機(jī)水溫、進(jìn)氣溫度、起動轉(zhuǎn)速計算出一個固定的噴油量。這一噴油量能使發(fā)動機(jī)獲得順利起動所需的濃混合氣。冷車起動時，發(fā)動機(jī)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)動機(jī)在低溫下也能正常起動，必須進(jìn)一步增大噴油量。由電腦控制，通過增加各缸噴油器的噴油持續(xù)時間或噴油次數(shù)來增加噴油量。所增加的噴油量及加濃持續(xù)時間完全由電腦根據(jù)進(jìn)氣溫度傳感器和發(fā)動機(jī)水溫傳感器測得的溫度高低來決定。發(fā)動機(jī)水溫或進(jìn)氣溫度愈低，噴油量就愈大，加濃的持續(xù)時間也就取長。這種冷起動控制方式不設(shè)冷起動噴油器和冷起動溫度開關(guān)。
2、起動后噴油控制
如圖8（b）所示。 在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，電腦主要根據(jù)進(jìn)氣量和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速來計算噴油量。此外，電腦還要參考節(jié)氣門開度、發(fā)動機(jī)水溫、進(jìn)氣溫度、海拔高度及怠速工況、加速工況、全負(fù)荷工況等運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)來修正噴油量，以提高控制精度。由于電腦要考慮的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)很多，為了簡化電腦的計算程序，通常將噴油量分成基本噴油量、修正量、增量三個部分，并分別計算出結(jié)果。然后再將三個部分疊加在一起，作為總噴油量來控制噴油器噴油。
（1）基本噴油量：
基本噴油量是根據(jù)發(fā)動機(jī)每個工作循環(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(jù)進(jìn)氣溫度、大氣壓力等實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，對基本噴油量進(jìn)行適當(dāng)修正,使發(fā)動機(jī)在不同運(yùn)轉(zhuǎn)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)動機(jī)獲得良好的使用性能(如動力性、加速性、平順性等)。
3、不均勻油量補(bǔ)償控制
當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，各缸噴油量不均勻會引起燃燒壓力不均勻，各缸混合氣燃燒差異引起各缸轉(zhuǎn)速不均勻，曲軸旋轉(zhuǎn)速度變化引起振動等。為減少轉(zhuǎn)速波動，使運(yùn)行平穩(wěn)，需要調(diào)節(jié)各缸的噴油量，使每個氣缸所需的燃油量精確，必須進(jìn)行不均勻油量補(bǔ)償。ECU負(fù)責(zé)檢測各缸每次做功行程時轉(zhuǎn)速的波動，再與其他所有氣缸的平均轉(zhuǎn)速相比較，分別向各缸補(bǔ)償相應(yīng)的噴油量。
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圖7 起動噴油量的控制 |
圖8 電控柴油機(jī)噴油量控制 |
總結(jié)：
噴油正時控制是指ECU對噴油開始時刻的控制，在間歇汽油噴射系統(tǒng)中，噴油正時控制有同步噴射和異步噴射兩種控制方式。同步噴射方式，噴射的開始時刻與曲軸的轉(zhuǎn)角位置有關(guān)，ECU根據(jù)曲軸的轉(zhuǎn)角位置信號輸出噴油脈沖信號，在固定的曲軸轉(zhuǎn)角開始噴油，異步噴射方式，噴射的開始時刻與曲軸的轉(zhuǎn)角位置無關(guān)，ECU根據(jù)需要進(jìn)行異步噴射的信號或過程，輸出噴油脈沖信號。因此。異步噴射方式是一種臨時的補(bǔ)償性噴射，是同步噴射的補(bǔ)充，發(fā)動機(jī)處于冷起動、加速等非怠速工況時，電控汽油噴射控制系統(tǒng)除了同時噴射外，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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