林海全地形車電噴系統(tǒng)簡析

張 平

(江蘇林海動力機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 泰州 225300)

隨著全球?qū)Υ髿猸h(huán)境治理力度的加大，歐盟對全地形車歐四排放標(biāo)準(zhǔn)(歐五標(biāo)準(zhǔn)2021年開始實(shí)施)、排放法規(guī)的執(zhí)行逐年加嚴(yán)，達(dá)不到排放法規(guī)要求的車輛將不允許投放市場。電控燃油噴射技術(shù)以其良好的節(jié)能效果和低排放性能在發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

1 電噴系統(tǒng)簡介

全地形車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)搭載了主流電噴系統(tǒng)—德爾福小型發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由ECU、節(jié)氣門閥體(集成了怠速控制閥、進(jìn)氣溫度和壓力傳感器、油門開度傳感器)、噴嘴、氧傳感器、水溫傳感器、點(diǎn)火線圈、油泵等構(gòu)成。系統(tǒng)通過曲軸位置傳感器的信號確定活塞在上止點(diǎn)前的具體位置，再利用節(jié)氣門閥體上進(jìn)氣壓力傳感器的判定信號即可確定上止點(diǎn)以及所處的工作行程，進(jìn)而輸出控制指令，驅(qū)動噴嘴進(jìn)行燃油噴射或者驅(qū)動點(diǎn)火線圈點(diǎn)火。系統(tǒng)布置如圖1所示。

2 電噴系統(tǒng)開發(fā)過程

林海全地形車電噴標(biāo)定過程：首先進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架標(biāo)定、零部件特性標(biāo)定，然后進(jìn)行車輛改裝，整車基礎(chǔ)標(biāo)定，在基礎(chǔ)標(biāo)定結(jié)束后進(jìn)行高溫和低溫環(huán)境的修正，到海拔4 000 m進(jìn)行高原修正、系統(tǒng)驗(yàn)證、最后量產(chǎn)。電噴系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。

3 發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)控制

3.1 啟動控制

點(diǎn)火開關(guān)打開后，油泵運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)秒后停止；啟動時(shí)發(fā)動機(jī)開始轉(zhuǎn)動，ECU檢測到2個(gè)有效的24X信號后油泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)；在啟動初期進(jìn)氣歧管內(nèi)部壓力為周圍大氣壓力，節(jié)氣門關(guān)閉，步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)是一個(gè)根據(jù)啟動溫度而定的固定值。啟動過程中空燃比根據(jù)發(fā)動機(jī)的溫度而變化，點(diǎn)火角也不斷隨著發(fā)動機(jī)溫度、進(jìn)氣溫度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速而調(diào)整，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過800 r/min時(shí)，啟動工況結(jié)束。

圖1 發(fā)動機(jī)電控管理系統(tǒng)布置

圖2 電噴系統(tǒng)開發(fā)流程

3.2 噴油脈寬控制

ECU根據(jù)相關(guān)各傳感器輸入的信號計(jì)算出空氣流量，根據(jù)計(jì)算出的空氣流量按照各個(gè)工況點(diǎn)設(shè)定的空燃比最終得出特定工況下所需的供油量。噴油脈寬的影響因素如圖3所示。

3.3 點(diǎn)火控制

發(fā)動機(jī)水溫正常后，節(jié)氣門開啟時(shí)的主點(diǎn)火角就是最佳扭矩點(diǎn)(MBT)時(shí)的最小點(diǎn)火角或爆震臨界點(diǎn)(KBL)，節(jié)氣門關(guān)閉時(shí)，點(diǎn)火角應(yīng)小于MBT點(diǎn)以獲得怠速穩(wěn)定性。點(diǎn)火提前角通過水溫、進(jìn)氣溫度、海拔高度、怠速、加速、動力加濃、減速斷油等來修正。

圖3 噴油脈寬影響因素

3.4 怠速控制

怠速控制是指在節(jié)氣門閥體關(guān)閉狀態(tài)下系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，系統(tǒng)對怠速的控制是通過對步進(jìn)電機(jī)怠速空氣量控制、 燃油噴射量控制、 點(diǎn)火正時(shí)控制這幾個(gè)參數(shù)的調(diào)整使實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)怠速相吻合。目標(biāo)怠速由發(fā)動機(jī)溫度補(bǔ)償、系統(tǒng)電壓補(bǔ)償、啟動補(bǔ)償這幾個(gè)因素決定，當(dāng)發(fā)動機(jī)溫度或水溫較低時(shí)，系統(tǒng)給出較高的目標(biāo)怠速以加速暖機(jī)；當(dāng)系統(tǒng)電壓較低時(shí)，系統(tǒng)會自動提升目標(biāo)怠速；在發(fā)動機(jī)啟動初期系統(tǒng)會提升一定數(shù)量的目標(biāo)怠速，然后逐步遞減到零。水溫和目標(biāo)怠速的對應(yīng)關(guān)系如圖4 所示。

圖4 水溫和目標(biāo)怠速的對應(yīng)關(guān)系

3.5 超速、減速及溢油斷油控制

無論何種情況，當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速超過系統(tǒng)中設(shè)定的最高轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)將切斷供油來抑制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速無限制地上升以保護(hù)發(fā)動機(jī)，防止“飛車”；當(dāng)轉(zhuǎn)速回到系統(tǒng)規(guī)定的最高轉(zhuǎn)速以下時(shí)，系統(tǒng)立即恢復(fù)供油。當(dāng)發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中駕駛員松開油門減速時(shí)，車輛進(jìn)入滑行并反拖發(fā)動機(jī)，此時(shí)車輛不需要發(fā)動機(jī)提供動力。節(jié)流閥完全關(guān)閉后，進(jìn)氣量很小，發(fā)動機(jī)會因?yàn)槿紵涣级斐捎泻ε欧盼镌黾樱虼讼到y(tǒng)在此時(shí)將切斷供油，這樣可以大大降低發(fā)動機(jī)有害排放物的生成，同時(shí)也能改善燃油經(jīng)濟(jì)性。發(fā)動機(jī)經(jīng)數(shù)次不成功啟動后，汽缸內(nèi)部會有未燃燒的汽油積存，俗稱“淹缸”，這時(shí)駕駛員可將油門拉到底，啟動發(fā)動機(jī)，系統(tǒng)會自動停止噴油，以使氣缸中多余汽油隨著發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動排出。

3.6 整車排放控制

整車的排放控制是采用閉環(huán)控制精確調(diào)整最初所作的開環(huán)燃油標(biāo)定數(shù)據(jù)，以優(yōu)化車輛的排放特性。氧傳感器安裝在排氣歧管與三元催化器之間，監(jiān)測廢氣中的氧含量。排放出氧含量稀的混合氣，產(chǎn)生約100 mV的傳感器電壓，氧含量濃混合氣產(chǎn)生約800 mV的傳感器電壓。當(dāng)空燃比為14.6∶1時(shí)，傳感器電壓有一個(gè)躍變，電腦閉環(huán)控制對氧傳感器信號作出響應(yīng)修改控制變量，使氧傳感器的電壓不斷在100～800 mV之間變化，以達(dá)到最佳空燃比控制的目的。

4 主要零部件的工作原理及應(yīng)用

4.1 電控單元ECU

特種車輛電控單元ECU 是以單片機(jī)為主芯片，加上信號處理電路以及驅(qū)動電路組成的一種發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)。其工作原理為：通過臺架和整車標(biāo)定試驗(yàn)，將發(fā)動機(jī)各運(yùn)行工況下的最佳噴油和點(diǎn)火參數(shù)預(yù)先存儲在數(shù)據(jù)區(qū)。發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)電控系統(tǒng)根據(jù)各傳感器的輸入信號判斷發(fā)動機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行工況，通過查表及計(jì)算得到最佳的噴油量和點(diǎn)火角，并通過驅(qū)動電路來控制噴油器的噴油時(shí)間和初級點(diǎn)火線圈的閉合時(shí)刻及斷電時(shí)刻，來精確地控制混合氣的空燃比與點(diǎn)火時(shí)刻，使發(fā)動機(jī)在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行。

4.2 發(fā)動機(jī)曲軸與轉(zhuǎn)速位置傳感器

發(fā)動機(jī)曲軸與轉(zhuǎn)速位置傳感器為磁電式傳感器，安裝于曲軸附近，與曲軸上的24X齒圈共同工作。曲軸轉(zhuǎn)動時(shí)，24X的齒頂和齒槽以不同的間距通過傳感器，傳感器感應(yīng)磁阻的變化，這個(gè)交變磁阻由傳感器產(chǎn)生交變的輸出電壓信號，ECU 利用此信號確定曲軸的旋轉(zhuǎn)位置和轉(zhuǎn)速。

4.3 氧傳感器

氧傳感器是閉環(huán)燃油控制系統(tǒng)的一個(gè)重要標(biāo)志性零件，它調(diào)整和保持理想的空燃比，使三元催化器達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)發(fā)動機(jī)燃燒的空燃比變稀時(shí)，排氣之中的氧含量增加，氧傳感器的輸出電壓降低，反之輸出電壓值則升高，由此向ECU反饋空燃比的狀況。

4.4 節(jié)氣門閥體

進(jìn)氣控制系統(tǒng)的功能是根據(jù)發(fā)動機(jī)動力輸出的要求提供相應(yīng)的空氣量。進(jìn)氣量的控制分為主動控制和系統(tǒng)自動控制，主動控制是駕駛員根據(jù)對發(fā)動機(jī)動力的不同需求，主動調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開度來改變進(jìn)氣量，以控制發(fā)動機(jī)的動力輸出；系統(tǒng)自動控制是系統(tǒng)根據(jù)閉環(huán)反饋的信息，自動調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，以穩(wěn)定發(fā)動機(jī)的工作。

節(jié)氣門閥體上配有節(jié)氣門位置傳感器(TPS)，由節(jié)氣門閥體軸帶動旋轉(zhuǎn)工作，用來測量節(jié)氣閥開度的大小并反饋給發(fā)動機(jī)電子控制模塊(ECU)，以反映發(fā)動機(jī)的運(yùn)行負(fù)載狀態(tài)(高低)，控制燃油供給量。節(jié)氣門閥體總成上配備有怠速空氣控制閥(IACV)，ECU通過控制節(jié)氣門閥體旁通氣道的流通面積調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣量，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)怠速的控制。發(fā)動機(jī)動態(tài)工作時(shí)，可使發(fā)動機(jī)過渡工況的運(yùn)行更加平穩(wěn)，有利于過渡工況駕駛性能的提高和優(yōu)化。同時(shí)閥體上還集成了進(jìn)氣絕對壓力與溫度傳感器(TMAP SENSOR)，這兩個(gè)傳感器是發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)中空氣燃料供給控制子系統(tǒng)中至關(guān)重要的部件。在該系統(tǒng)配置中，進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器被用以向系統(tǒng)提供發(fā)動機(jī)吸入的空氣壓力數(shù)據(jù)，進(jìn)氣溫度傳感器向系統(tǒng)提供發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)的進(jìn)氣溫度數(shù)據(jù)，以供ECU計(jì)算實(shí)際進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣密度，系統(tǒng)再依據(jù)發(fā)動機(jī)的其他相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而推算出實(shí)際進(jìn)入發(fā)動機(jī)參與燃燒的實(shí)際空氣供給量。

4.5 噴油嘴

噴油嘴是一個(gè)電磁開關(guān)裝置。線圈引出兩極經(jīng)過發(fā)動機(jī)線束與ECU和電源相連；線圈受ECU控制對系統(tǒng)導(dǎo)通后，產(chǎn)生磁力克服彈簧力、燃油的壓力和歧管的真空吸力，吸起鐵芯，燃油穿過與鐵芯一體的閥孔密封面，從導(dǎo)向孔噴出，霧狀地噴到進(jìn)氣門處；斷電后，磁力消失噴嘴關(guān)閉。噴油器的頂部采用橡膠密封圈與燃油導(dǎo)軌接口形成可靠壓力燃油密封，下部亦采用橡膠密封圈與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管對空氣密封。

5 故障診斷及其流程

發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中當(dāng)系統(tǒng)或零部件出現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)動機(jī)故障指示燈自動點(diǎn)亮，以提醒車輛駕駛?cè)藛T及時(shí)檢查和維修。

5.1 故障診斷手段

(1)通過故障指示燈代碼頻閃讀出故障碼：當(dāng)故障燈亮?xí)r，不啟動發(fā)動機(jī)，若系統(tǒng)當(dāng)前存在故障或故障排除后有未被清除的歷史故障碼，故障指示燈將以一定的規(guī)律閃爍，輸出系統(tǒng)所檢測出故障的代碼；在2 s內(nèi)將點(diǎn)火開關(guān)依次打開、關(guān)閉、打開、關(guān)閉、打開，ECU將依據(jù)故障碼記憶的順序報(bào)告故障，每個(gè)故障代碼由4位數(shù)字表示，故障代碼之間停頓3.2 s，數(shù)字以亮0.4 s滅0.4 s頻率閃爍，數(shù)位之間停頓1.2 s；數(shù)字0閃爍10次，其他數(shù)字與閃爍次數(shù)對應(yīng)；故障排除后，應(yīng)使用故障診斷儀清除故障碼，以免影響下一次維修時(shí)對故障的判斷。

(2)使用診斷儀：診斷儀的主要功能包括讀取系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)流及系統(tǒng)信息、對系統(tǒng)零部件進(jìn)行臨時(shí)控制和檢測、讀取或清除故障碼。由于其操作簡單的特點(diǎn)，使其成為目前整車故障判斷和系統(tǒng)狀況檢測的主要工具。

5.2 故障診斷流程

(1)無故障碼的故障排除順序：首先按照整車檢查模塊的順序?qū)φ囘M(jìn)行初步檢查，檢查中若發(fā)現(xiàn)傳感器或執(zhí)行器有問題，再按照零件的檢查模塊做進(jìn)一步檢查定位，按照點(diǎn)火系統(tǒng)模塊的方法對點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行檢查，按照供油系統(tǒng)模塊的方法對供油系統(tǒng)進(jìn)行檢查，對發(fā)動機(jī)的配氣系統(tǒng)進(jìn)行檢查。

(2)故障燈亮的故障排除要點(diǎn)：用故障診斷儀讀取故障碼或者使用手工方式讀取故障碼，查出故障碼的相關(guān)內(nèi)容。故障碼所顯示的內(nèi)容大多是線路故障或接插件接觸不良造成，首先檢查故障碼提示的傳感器或執(zhí)行器的相關(guān)電路，用測量電阻或電壓的方法對相關(guān)線路進(jìn)行檢測，用故障診斷儀讀取傳感器的值是否符合要求來判定故障排除結(jié)果，最后駕駛車輛來驗(yàn)證故障是否真正排除。

6 結(jié)束語

電噴技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于林海全地形車上，在保證可靠性、穩(wěn)定性等的前提下降低電噴系統(tǒng)的成本、利用電噴技術(shù)減少貴金屬的應(yīng)用、降低觸媒成本等來提高產(chǎn)品的市場競爭力是我們長期面臨的問題。