CAT-C18發(fā)動機電氣控制原理

許周密，何照建

（云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司采礦車間，云南文山 663701）

0 引言

卡特C18 發(fā)動機是美國卡特彼勒公司生產(chǎn)的一款排量為18.1 L 的直列式6 缸電控柴油發(fā)動機，其運用搖臂壓單體電子噴油器以及卡特ACERT 排放控制技術(shù)，相比傳統(tǒng)機械式發(fā)動機，電控發(fā)動機能更有效、更精準的控制噴油正時和空燃比，提高柴油的能量利用效率。該發(fā)動機配置在D9T 推土機上時具有306 kW 的凈功率輸出，帶動轉(zhuǎn)向泵、工作泵、風(fēng)扇泵、變速泵等附件，主要動力通過變矩器、行星齒輪變速箱、輪邊減速箱后輸出最大牽引力可達716 500 N。本文將對該款發(fā)動機的電氣控制原理進行分析。

1 發(fā)動機的電氣部件結(jié)構(gòu)及工作原理

發(fā)動機電子燃油噴射系統(tǒng)由ECM（電控裝置）、電子控制式單體噴油器、導(dǎo)線線束、開關(guān)、傳感器和電磁閥組成，如圖1 所示。

（1）電子控制裝置（ECM）。ECM 類似于PLC，閃存文件是它的編程，但閃存文件是由廠家編程好的文件，只能對應(yīng)機型更新，不能修改。只有發(fā)動機序列號、FLS（最大功率限制）、FTS（最大扭矩限制）、風(fēng)扇泵標定、正時標定、故障代碼、事件代碼等配置參數(shù)才能修改。

ECM 有一個70 針的J1 接口和一個120 針的J2 接口。J1接口是外部接口，主要由駕駛室連接提供電源、功能開關(guān)、數(shù)據(jù)通信，J2 接口是發(fā)動機上電氣元件接口，主要連接傳感器、電磁閥來監(jiān)控發(fā)動機。

ECM 的輸入端與PLC 相同，是用來接收開關(guān)和傳感器信號，把信號根據(jù)已編制的程序輸出相應(yīng)指令。輸出端由內(nèi)部晶體管控制，除了可以控制電源開關(guān)，還可以控制噴油器或比列電磁閥等需要改變電壓、電流和時間的負載。

圖1 發(fā)動機電子控制系統(tǒng)

（2）單體電子噴油器。燃油通過曲軸齒輪帶動的一個小齒輪泵從燃油箱中吸取，再經(jīng)過濾芯過濾并聯(lián)供給6 支噴油器，最后通過溢流閥回到燃油箱，使噴油器有（538～641）kPa 的注油壓力及足夠的流量供給。其中，噴油器操作過程分為噴油前、噴油、噴油結(jié)束和加注等4 個階段。噴油器柱塞利用凸輪軸帶動搖臂壓挺桿的機械傳動方式使燃油形成高壓輸送至氣缸內(nèi)。

噴油前階段：當氣缸活塞達到上止點前，噴油器柱塞由沖程頂端開始向下壓燃油，此時ECM 未對噴油器電磁閥供電，電磁閥中的提升閥在開啟位置，燃油通過電磁閥繼續(xù)流入供油道。

噴油階段：ECM 通過正時傳感器的信號確定哪一個氣缸活塞達到噴油上止點，ECM 對應(yīng)此氣缸噴油器發(fā)送一個105V 的信號給電磁閥，電磁閥產(chǎn)生一個磁場，從而吸引電樞，電樞組件使提升閥保持在閉合位置。如圖2 所示，提升閥閉合后阻止了燃油流出柱塞油室，使柱塞油室壓力不斷升高至約345 00 kPa后，高壓燃油壓力會克服彈簧壓力把噴油嘴的撞針打開，燃油噴入缸內(nèi)，噴油量由電磁閥通電時間決定。

噴油結(jié)束階段：達到所需要的燃油噴射量后ECM 會停止對噴油器供電，在彈簧及燃油壓力的作用下會使提升閥迅速復(fù)位至開啟狀態(tài)，導(dǎo)致噴油壓力快速下降至約240 00 kPa 后，噴油嘴閉合、噴油結(jié)束。

加注階段：通過挺桿彈簧作用力把噴油器柱塞向上拉，使燃油通過供油道進入柱塞油室，柱塞達到行程頂部后注油階段結(jié)束，這也是噴油前階段的開始。

（3）開關(guān)。除了駕駛室操作的功能開關(guān)外，還有一類用作監(jiān)測的開關(guān)，如燃油壓差開關(guān)是利用燃油濾芯上進口和出口的壓力差監(jiān)測濾芯是否堵塞，當燃油溫度在40±3 ℃、進口出口壓力差值大于34 kPa、持續(xù)10 s 后就會觸發(fā)燃油濾芯堵塞的故障報警。

冷卻液流量開關(guān)是在發(fā)動機運行時，冷卻液的流動使冷卻液流量開關(guān)結(jié)合。當冷卻液發(fā)生泄漏、堵塞或水泵損壞時，冷卻液流量開關(guān)處于斷開狀態(tài)超過10 s 則觸發(fā)該項報警提醒操作人員。這種用作監(jiān)測的開關(guān)設(shè)計簡單、成本低，能夠有效避免小問題引發(fā)大故障。

圖2 單體電子噴油器

（4）傳感器。該發(fā)動機使用的傳感器是脈沖信號傳感器，由ECM 對傳感器供電DC 5 V 或8 V。傳感器把監(jiān)測到的壓力、位置或溫度信號通過傳感器內(nèi)部集成電路轉(zhuǎn)換為（150～1000）Hz 的脈沖信號給ECM，ECM 通過監(jiān)測該脈沖信號的頻率來確定傳感器測量的壓力、位置或溫度的值。此類型傳感器有效避免了線路上造成的誤差，給ECM 提供準確有效的信號。

（5）電磁閥。電磁閥有兩大類，風(fēng)扇反轉(zhuǎn)電磁閥、噴油器電磁閥、乙醚啟動電磁閥這類是開關(guān)型電磁閥，這類電磁閥電壓及電流都是額定不變，只是在時間和條件上控制開或關(guān)。

風(fēng)扇泵電磁閥是比例電磁閥，它由ECM 調(diào)節(jié)輸出給電磁閥的電流大小來改變電磁閥的磁通量，從而改變電磁閥閥芯的開度。隨著電控技術(shù)的提升，這項技術(shù)逐步應(yīng)用于工程設(shè)備的液壓泵、主控閥上，使得工程設(shè)備的操作更加輕便靈敏、故障率更低、控制精度更高。

（6）監(jiān)視器。ECM 具有對電子系統(tǒng)和發(fā)動機運行故障的檢測能力，當發(fā)動機出現(xiàn)其中一種故障時，ECM 將故障信息通過CAT DATALINK 和CAN 的數(shù)據(jù)線傳送給監(jiān)視器顯示狀態(tài)信息、故障代碼或事件代碼。監(jiān)視器根據(jù)代碼報警的級別進行聲光提醒，發(fā)動機ECM 也會根據(jù)故障的嚴重性降低發(fā)動機功率或直接停機，例如發(fā)動機水溫達到107 ℃時觸發(fā)二級報警，發(fā)動機功率降低60%，如果發(fā)動機水溫繼續(xù)升高達到115 ℃時觸發(fā)三級報警，發(fā)動機立即停機。

2 系統(tǒng)配置參數(shù)

（1）標定參數(shù)。該發(fā)動機有噴油器、風(fēng)扇泵電磁閥和正時傳感器等3 個標定。每支噴油器制造誤差不同，噴油器靠0.2 mm 行程的提升閥控制345 00 kPa 的燃油，并且發(fā)動機高怠速運轉(zhuǎn)時每支噴油器每秒通斷17 次，為了讓機械響應(yīng)效果達到理論上的方波，生產(chǎn)商針對每支噴油器編制出噴油器校準文件，ECM 通過校準文件使用電控的方式調(diào)整電磁閥通電波形，減小機械誤差的影響。

風(fēng)扇泵電磁閥控制的是風(fēng)扇泵斜盤調(diào)節(jié)壓力，通過該電磁閥的標定可以設(shè)置風(fēng)扇的最小轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)速。生產(chǎn)電磁閥時也會有制造誤差，比例電磁閥要求控制精準，所以標定電磁閥可以讓設(shè)備恢復(fù)出廠設(shè)置，使運行參數(shù)在標準范圍內(nèi)。

凸輪軸是曲軸通過齒輪帶動的，雖然齒輪傳動精準度已經(jīng)很高了，但是齒輪也會有磨損。該發(fā)動機設(shè)置了正時標定接口，對凸輪軸進行定位，精準控制正時。

（2）發(fā)動機功率配置。FLS 和FTS 兩個參數(shù)是發(fā)動機最大扭矩設(shè)定值，也代表發(fā)動機的最大功率，出廠時此參數(shù)是對應(yīng)著發(fā)動機進行設(shè)置的，正常情況下不更改。

ECM 利用“空燃比油量限制”和“額定油量限制”配合發(fā)動機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)當前噴油量。當發(fā)動機油門位置設(shè)定在高怠速且未踩下減速踏板時，發(fā)動機雖然以2000 r/min 最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，但并非最大噴油量。在發(fā)動機遇到較大負載時，ECM 通過曲軸轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測到發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降，所以增加當前噴油量。如果噴油量突然增加，會使進入氣缸內(nèi)的氣量與油量比例過大，導(dǎo)致黑煙產(chǎn)生，所以ECM 通過大氣壓力傳感器和進氣壓力傳感器監(jiān)測發(fā)動機進氣量從而生成“空燃比油量限制”，使當前噴油量始終被限制在“空燃比油量限制”的下方。當ECM 檢測到進氣量逐步增加，“空燃比油量限制”也逐步提高，當前噴油量跟隨“空燃比油量限制”逐步增加，使噴油量有個緩增過程。

如果負載持續(xù)上升使噴油量到達“額定油量限制”時，當前整機噴油量為95 L/h 不再增加，進氣壓力為90 kPa 大氣壓力＋130 kPa 增壓壓力，此時發(fā)動機功率接近560 kW，變矩器失速。

3 小結(jié)

該款發(fā)動機特點主要體現(xiàn)在燃油噴射控制，閃存編程為控制核心，再利用正時傳感器標定和噴油器電磁閥標定等輔助程序與精細的機械設(shè)計把燃油噴射精準控制，從根本上減少黑煙的產(chǎn)生，有效控制廢氣排放問題。