CAT-C18發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)，其運(yùn)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(jī)械式發(fā)動機(jī)，電控發(fā)動機(jī)能更有效、更精準(zhǔn)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(jī)配置在D9T 推土機(jī)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(dá)716 500 N。本文將對該款發(fā)動機(jī)的電氣控制原理進(jìn)行分析。

1 發(fā)動機(jī)的電氣部件結(jié)構(gòu)及工作原理

發(fā)動機(jī)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。

圖1 發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)

（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(jī)型更新，不能修改。只有發(fā)動機(jī)序列號、FLS（最大功率限制）、FTS（最大扭矩限制）、風(fēng)扇泵標(biāo)定、正時標(biāo)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(jī)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(jī)。

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(fù)載。

（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(jī)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(dāng)氣缸活塞達(dá)到上止點(diǎn)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(dá)到噴油上止點(diǎn)，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。

圖2 單體電子噴油器

噴油結(jié)束階段：達(dá)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(jìn)入柱塞油室，柱塞達(dá)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(jìn)口和出口的壓力差監(jiān)測濾芯是否堵塞，當(dāng)燃油溫度在40±3 ℃、進(jìn)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(jī)運(yùn)行時，冷卻液的流動使冷卻液流量開關(guān)結(jié)合。當(dāng)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(xiàng)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。

（4）傳感器。該發(fā)動機(jī)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(zhǔn)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(xiàng)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(jī)運(yùn)行故障的檢測能力，當(dāng)發(fā)動機(jī)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(jìn)行聲光提醒，發(fā)動機(jī)ECM 也會根據(jù)故障的嚴(yán)重性降低發(fā)動機(jī)功率或直接停機(jī)，例如發(fā)動機(jī)水溫達(dá)到107 ℃時觸發(fā)二級報警，發(fā)動機(jī)功率降低60%，如果發(fā)動機(jī)水溫繼續(xù)升高達(dá)到115 ℃時觸發(fā)三級報警，發(fā)動機(jī)立即停機(jī)。

2 系統(tǒng)配置參數(shù)

（1）標(biāo)定參數(shù)。該發(fā)動機(jī)有噴油器、風(fēng)扇泵電磁閥和正時傳感器等3 個標(biāo)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(jī)高怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時每支噴油器每秒通斷17 次，為了讓機(jī)械響應(yīng)效果達(dá)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(zhǔn)文件，ECM 通過校準(zhǔn)文件使用電控的方式調(diào)整電磁閥通電波形，減小機(jī)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(biāo)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(zhǔn)，所以標(biāo)定電磁閥可以讓設(shè)備恢復(fù)出廠設(shè)置，使運(yùn)行參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)度已經(jīng)很高了，但是齒輪也會有磨損。該發(fā)動機(jī)設(shè)置了正時標(biāo)定接口，對凸輪軸進(jìn)行定位，精準(zhǔn)控制正時。

（2）發(fā)動機(jī)功率配置。FLS 和FTS 兩個參數(shù)是發(fā)動機(jī)最大扭矩設(shè)定值，也代表發(fā)動機(jī)的最大功率，出廠時此參數(shù)是對應(yīng)著發(fā)動機(jī)進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)當(dāng)前噴油量。當(dāng)發(fā)動機(jī)油門位置設(shè)定在高怠速且未踩下減速踏板時，發(fā)動機(jī)雖然以2000 r/min 最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，但并非最大噴油量。在發(fā)動機(jī)遇到較大負(fù)載時，ECM 通過曲軸轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，所以增加當(dāng)前噴油量。如果噴油量突然增加，會使進(jìn)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(jìn)氣壓力傳感器監(jiān)測發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量從而生成“空燃比油量限制”，使當(dāng)前噴油量始終被限制在“空燃比油量限制”的下方。當(dāng)ECM 檢測到進(jìn)氣量逐步增加，“空燃比油量限制”也逐步提高，當(dāng)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(fù)載持續(xù)上升使噴油量到達(dá)“額定油量限制”時，當(dāng)前整機(jī)噴油量為95 L/h 不再增加，進(jìn)氣壓力為90 kPa 大氣壓力＋130 kPa 增壓壓力，此時發(fā)動機(jī)功率接近560 kW，變矩器失速。

3 小結(jié)

該款發(fā)動機(jī)特點(diǎn)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(biāo)定和噴油器電磁閥標(biāo)定等輔助程序與精細(xì)的機(jī)械設(shè)計把燃油噴射精準(zhǔn)控制，從根本上減少黑煙的產(chǎn)生，有效控制廢氣排放問題。