玉柴天然氣發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)及失效策略解析

煙臺汽車工程職業(yè)學院（265500） 李臣華

威海職業(yè)學院（264210） 劉 華

玉柴天然氣發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)及失效策略解析

煙臺汽車工程職業(yè)學院（265500） 李臣華

威海職業(yè)學院（264210） 劉 華

與汽油機、柴油機相比較，天然氣（壓縮天然氣CNG、液化天然氣LNG）發(fā)動機具有較高的經(jīng)濟性及安全性，特別是具有良好的排放性，因此，燃氣發(fā)動機在出租車、貨車及客車已得到較為廣泛的應用。

玉柴為國內(nèi)較大的燃氣發(fā)動機生產(chǎn)廠家，其生產(chǎn)的貨車、客車用燃氣發(fā)動機除了YC6JN系列采用了美國Econtrols生產(chǎn)的ECI系統(tǒng)（電控調(diào)壓器式）外，其他系列（YC6KN、YC6MKN、YC6GN、YC4GN、YC4DN）發(fā)動機均采用具有自主產(chǎn)權的ESI（電控單點噴射式）系統(tǒng)。通過采用自主的ESI系統(tǒng)，徹底擺脫了進口電控系統(tǒng)“產(chǎn)品改進周期過長、標定策略受限制、價格高、供貨周期長”等局限。

玉柴燃氣發(fā)動機ESI系統(tǒng)具有下列技術特點：采用電控單點燃氣噴射方式控制燃氣量，為國際主流技術（第三代技術產(chǎn)品，電控調(diào)壓器式為第二代技術）；采用帶寬域氧傳感器的空燃比閉環(huán)控制，實現(xiàn)經(jīng)濟性和排放性均衡；采用增壓、中冷及稀薄燃燒，實現(xiàn)高效節(jié)能和清潔燃燒；采用單缸獨立高能點火、銥金火花塞，提高燃料經(jīng)濟性；采用電控節(jié)氣門，實現(xiàn)對進氣（空氣）量的精確控制；采用高精度的傳感器，保證控制系統(tǒng)測量、控制精準；具有強大的整車功能，以滿足國內(nèi)客戶的各種需求；具有完善的故障診斷、保護策略，保護發(fā)動機，及時排除故障。玉柴生產(chǎn)的燃氣發(fā)動機通過加裝帶氧化型催化轉(zhuǎn)換裝置，可滿足國5排放標準。

1 玉柴燃氣發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)組成

1.1 CNG發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)

如圖1所示，CNG發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)由燃料控制系統(tǒng)、空氣控制系統(tǒng)及點火系統(tǒng)等組成。

燃料控制系統(tǒng)主要由CNG氣罐、高壓減壓器及高壓電磁閥、低壓濾清器、氣軌總成及混合器總成等組成。其主要作用是對燃料的壓力、溫度及噴射量進行精確控制。

空氣控制系統(tǒng)主要由空氣濾清器、增壓器、旁通控制閥、增壓壓力傳感器、電子節(jié)氣門總成等組成，其主要作用是對空氣流量及增壓壓力進行控制。

點火系統(tǒng)主要由發(fā)動機ECU、點火線圈及火花塞（銥金火花塞、間隙為0.35 mm±0.05 mm，BOSCH或NGK公司產(chǎn)品）等組成。點火系統(tǒng)的作用是對最佳點火提前角、點火能量等進行控制。

CNG發(fā)動機的工作原理：高壓的壓縮天然氣從CNG氣罐出來后，經(jīng)高壓電磁閥（ECU控制高壓電磁閥的開閉）進入高壓減壓器，高壓減壓器將高壓的壓縮天然氣（工作壓力為3 MPa～20 MPa）壓力調(diào)整至0.4 MPa～0.6 MPa；高壓天然氣在減壓過程中由于減壓膨脹，需要吸收大量的熱量，為防止減壓器結(jié)冰，將發(fā)動機冷卻液引出到減壓器對燃氣進行加熱；經(jīng)減壓后的天然氣進入氣軌總成，氣軌總成的作用是根據(jù)發(fā)動機運行工況精確控制天然氣供給量；天然氣與經(jīng)過電子節(jié)氣門計量后的空氣在混合器內(nèi)充分混合，進入發(fā)動機缸內(nèi)，經(jīng)火花塞點燃；火花塞的點火時刻由發(fā)動機ECU控制，寬域氧傳感器實時監(jiān)控燃燒后尾氣中的氧含量，ECU根據(jù)氧傳感器的反饋信號及時修正天然氣供給量，從而使修正后的空燃比接近目標值，實現(xiàn)空燃比的閉環(huán)控制。另外，ECU還對增壓壓力進行閉環(huán)控制。

圖1 玉柴CNG發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)組成示意圖

1.2 LNG發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)

LNG發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)組成如圖2所示。對比圖2與圖1，可以看出：LNG發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)與CNG發(fā)動機結(jié)構(gòu)基本類似，主要區(qū)別在于所使用燃料的狀態(tài)不同，所以在燃料的供應方式上有所區(qū)別。液化天然氣自氣瓶出來后需要首先吸熱汽化變?yōu)闅鈶B(tài)，然后經(jīng)過穩(wěn)壓、緩沖及過濾后送至氣軌總成。

2 玉柴燃氣發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)自診斷

玉柴燃氣發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)的ECU是通過對傳感器的輸入電信號監(jiān)測來實現(xiàn)診斷功能的，若檢測出電控系統(tǒng)有故障，ECU將產(chǎn)生對應的故障代碼并存儲；依照故障的嚴重等級，自動進入不同的失效保護策略；大部分情況下，失效保護策略仍能保持發(fā)動機以降低功率的方式繼續(xù)工作，少數(shù)極其嚴重的故障，根據(jù)失效保護策略會使發(fā)動機熄火，并輸出故障警告和信息（例如點亮故障燈等）。

3 玉柴燃氣發(fā)動機ESI系統(tǒng)失效保護策略

發(fā)動機ECU根據(jù)發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)出現(xiàn)的不同故障類型，將采取故障燈常亮、故障燈閃亮、空燃比閉環(huán)控制關閉、空燃比自適應關閉、一級限扭矩、二級限扭矩、強制怠速、限制最高轉(zhuǎn)速及停機等失效保護策略。

3.1 故障燈常亮

進入該失效處理模式后，故障指示燈常亮，直到故障消失。對于不涉及駕駛安全性的一般故障，ECU使用缺省值（故障后默認值）代替真實值，發(fā)動機繼續(xù)正常行駛。例如燃氣溫度傳感器，若該傳感器損壞或線路導致電壓超限時，ECU將采取點亮故障燈、產(chǎn)生故障代碼（P0182、P0183)、使用缺省值（25 ℃）代替等處理措施。

3.2 故障燈閃亮

圖2 玉柴LNG發(fā)動機ESI電控系統(tǒng)組成示意圖

對于較為重要的電控部件故障，通常故障燈閃亮以提醒駕駛?cè)?。故障燈閃亮并不獨立出現(xiàn)，通常伴隨強制怠速、一級限功率、二級限功率、停機等失效策略。例如加速踏板位置傳感器，若加速踏板位置傳感器損壞或其線路故障導致電壓超限時，ECU將采取故障燈閃亮、產(chǎn)生故障碼（P0122、P0123）、發(fā)動機進入強制怠速（1 200 r/min）等處理措施。

3.3 空燃比閉環(huán)控制關閉

當寬域氧傳感器及線路出現(xiàn)故障時，ECU將不對氧傳感器的測量值進行閉環(huán)反饋，即關閉空燃比閉環(huán)控制。

3.4 空燃比自適應關閉

此失效策略并不是指空燃比自適應不起作用，而是自適應表更新功能關閉，若故障導致系統(tǒng)的進氣量和燃料量計算出現(xiàn)偏差都將觸發(fā)此失效策略。

3.5 強制怠速

對于某些嚴重故障，采取強制怠速失效策略，加速失靈，發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持在1 200 r/min。當出現(xiàn)加速踏板及其線路故障、進氣壓力傳感器及其線路故障、點火線圈及其線路故障時，將觸發(fā)進入該失效保護策略。

3.6 一級限轉(zhuǎn)矩和二級限轉(zhuǎn)矩

一級限制轉(zhuǎn)矩為限制發(fā)動機外特性轉(zhuǎn)矩為原外特性轉(zhuǎn)矩的80%；二級限制轉(zhuǎn)矩為限制發(fā)動機外特性轉(zhuǎn)矩為原外特性轉(zhuǎn)矩的50%。

3.7 停機

觸發(fā)該失效策略后，ECU會停止噴嘴驅(qū)動、關閉低壓切斷電磁閥、停止節(jié)氣門驅(qū)動。若出現(xiàn)節(jié)氣門位置傳感器的信號1與信號2同時超限、信號1與信號2關聯(lián)故障、節(jié)氣門卡滯無法關小等3個故障時即觸發(fā)該失效保護策略。

2016-06-20）