依维柯柴油发动机

南京依维柯索菲姆电控共轨柴油机及整车匹配新技术     一、引言     共轨柴油喷射系统（Common Rail System）是随着世界范围内对柴油机排放要求的提高以及电子控制技术的发展而产生的新一代燃油系统，它相对于其他燃油系统，在排放、噪声、振动和经济性等要求方面，具有极大的优越性。     欧美汽车发达国家已研制出成熟的共轨柴油机，并在汽车上获得应用。相比而言，我国对于共轨柴油喷射系统的研发和应用，还差距甚远。南京依维柯公司为了满足中国实施的柴油车欧Ⅲ排放要求，从依维柯公司引进了索菲姆8140.43S发动机，它是国内首例达到欧Ⅲ排放标准的小型柴油机。     引进之初，依维柯公司和博世公司都持谨慎态度，因为索菲姆8140.43S共轨发动机比之前以凸轮轴驱动的索菲姆2.8L柴油喷射系统，在共轨、电控技术以及对中国燃油品质和环境适应性要求方面，难度大很多。南京依维柯公司经过严格的二次开发，国产化索菲姆8140.43S发动机已经正式下线，装配该发动机的都灵V汽车也已投产并取得了很好的市场表现。     二、柴油发动机的电控共轨技术     （一）概述     为了降低排放中的微粒，要求特别高的喷射压力。如图1，索菲姆8140.43S柴油发动机采用博世EDCMS6.3电控共轨系统（注:EDC是ElectronicDieselControl的缩写，6.3代表控制单元的版本），它能适应柴油机高度复杂的控制需要，最高喷射压力可达135MPa，最高转速可达6000r/min。其中，“燃油轨（共轨）”是储存燃油的公共油轨，它使喷射时间能够自由地组织，完全与系统压力独立。“高压泵”用来生成喷射压力，它和燃油的喷射过程是独立的，生成的高压燃油被储存在共轨中等待着喷射。“电磁喷油器”具有预喷功能，在主喷之前1%秒内，少量的燃油被喷进了气缸压燃，预加热燃烧室。预热后的气缸使主喷射后的压燃更加容易，缸内的压力和温度不再是突然地增加，有利于降低燃烧噪音。在膨胀过程中进行后喷射，产生二次燃烧，将缸内温度增加200℃～250℃，降低了排气中的碳氢化合物。“电子控制单元ECU”是共轨系统的控制中心，它计算需要的燃油喷射量、喷射始点和喷射压力，控制喷油器中的电磁阀的动作，使得每一气缸的燃油喷射始点是完全独立控制的。 二、发动机的基本参数 索菲姆8140.43S共轨发动机的基本参数见表1及图2、图3。 三、电控共轨系统的架构 如图4，是索菲姆8140.43S发动机共轨燃油系统的架构，分为燃油供应系统和电子控制系统两部分，系统零部件的组成及在汽车上的布置见图5。 （四）电子控制策略 索菲姆8140.43S发动机油门的控制方式为电子控制（线控），取消了传统的拉丝控制，信号传递快。控制单元具有控制和诊断功能，能对系统中其他零部件实行闭环控制，并对系统执行许多精密的诊断。它根据从各个传感器监测到的各种参数进行计算、判断并下达控制指令给各个执行器（如喷油器等）。由于采用电子控制，因此，可控制的范围较广。系统主要的控制策略包括以下方面： 1．自诊断——闪烁代码 控制单元自诊断系统检测来自各个传感器的发信号，并将它们与限定值进行比较，如果超出，则相应的故障代码，该代码以不同的闪烁频率被仪表指示灯显示。 2．燃油温度 当在柴油滤清器上探测到燃油温度超过75℃时，控制单元控制压力调节器降低管道压力（不修正喷射）。假如温度超过90℃时，则功率将低60%。 3．燃油喷射量 控制单元根据来自传感器的信号和map值，控制压力调节器、在2200rpm改变预喷时间及改变主喷时间。 4．怠速调整控制 单元处理来自各种传感器的信号并调节燃油的喷射量、控制压力调节器的压力、改变电磁喷油器的喷射时间并保持蓄电池电压在一定范围。 5．调节发动机转速平滑过渡（防锯齿） 控制单元处理从传感器收到的信号，通过压力调节器和电磁喷油器打开时间来决定将要喷射的燃油量，以保证在转速提高时调节发动机匀速地增加转速。 6．加速排放烟度 在急加速时，根据从电位计（加速踏板传感器）和发动机转速收到的信号，控制单元控制压力调节器、改变电磁喷油器的喷射时间，以决定最适宜的喷油量。 7．空调系统的执行 控制单元操作空调压缩机： （1）当按压相应的空调控制开关时，控制压缩机的接通/断开； （2）在急加速或满负荷要求或发动机冷却温度到达接近105℃时，立即切断压缩机（将近6秒）。 8．燃油泵控制 与速度无关，电子控制单元： （1）当钥匙接通时向燃油泵供电； （2）假如发动机在几秒钟内没有起动，则切断燃油泵的电源。 9．气缸位置 在发动机的每一个循环行程内，控制单元识别哪一缸在做功行程并操作适当气缸的喷射次序。 10．预喷和主喷的提前角 按照来自各个传感器的信号，包括装在控制单元中的绝对压力传感器，控制单元根据内部脉谱图来决定最适宜的喷射点。 11．喷射压力的闭环 经过对来自各个传感器信号的处理来决定发动机负载，并根据发动机负载，控制单元操作调节器获得最适宜的管道压力。 12．燃油供应 正确供油可以避免噪音、排烟、过载、过热和增压器超速，供油的计算与加速踏板位置、发动机转速和进气量有关，水温影响输出结果是否正确。 在以下情况下供油可以被修正： （1）外部装置（ABS）、ABD、EDB的动作； （2）严重故障降低了负载或发动机停机。 通过测量空气量和温度决定了进气量之后，控制单元计算响应的燃油量以喷进相应的气缸（mg/每次供油），并考虑柴油温度。以这种方式计算的燃油量首先转换成体积（mm3/每次输送），然后转换为节气门开度或喷射持续时间。 13．根据水温校正流速 冷态发动机在运转时具有较大的阻力，摩擦力较高，机油粘性仍然很强，各种公差也不最优化。另外，将要喷射到金属表面压缩的燃油也仍然是冷的。对于冷态发动机的供油所以比热机的供油要多。 14．喷射提前角 从一个喷油器到下一个喷油器的提前角是不同的，从一个气缸到另一个气缸的提前角也是不同的，其计算与发动机负载有关。在加速阶段内，控制单元按照水温适当地修正提前角，以获得较低的排放、噪音和超负载以及更好的汽车加速。 一个极端的大的提前角是基于水温来设置起始的。从供油开始的反馈是通过改变喷油器电磁阀的电阻来提供的。 15．速度管理/最高转速限制 电子速度管理对怠速和最高车速、所有速度进行管理，在通常情况下，它是稳定的，而机械管理器是不精确的。根据转速，控制单元执行两个动作策略：在4250r/min，控制单元通过减少电磁喷油器的打开时间来降低燃油流量；当超过5000r/min时，它使电磁喷油器不工作。 16．发动机起动 在发动机最初几个运行过程中，烟度和1号气缸识别的信号（飞轮传感器和凸轮轴传感器）是同步的，加速踏板信号在起动时是被忽略的。起动供油的设置仅仅按照水温，通过特殊的脉谱。当控制单元探测到这个速度以及飞轮的加速度，就可以认为发动机在起动了，并不再由起动机来驱动，它再次使加速踏板起作用。 17．冷/热起动 假如任何三个温度传感器（水、空气或柴油）之一记录到温度低于10℃，则预热被激活。当钥匙接触使预热指示灯点亮并保持一段与温度对应的时间时（此时加热器在进气歧管中加热空气），然后闪烁，这时才可以起动发动机。 当起动机正在运转时，该指示器熄灭，此时加热器继续被通电某一段时间（变化的）进行预热。假如，指示器一直闪烁，发动机在20～25秒内没有起动，则动作被取消以便不耗费蓄电池电量，预热曲线也与蓄电池电压相对应。 假如提到的温度全部超过10℃，当钥匙接触使指示灯点亮持续将近2秒进行短暂的检测，然后熄灭，这时才可以起动发动机。 18．运转/运行后 当钥匙接触，电子控制单元传输信号至存储器，当发动机在最后停机进入主存储器时，并进行系统诊断。一旦用钥匙关闭发动机，则控制单元通过主继电器保持几秒的供电。这使微处理器能够从主存储器中将一些数据（变化的型号）转换为固定的，它们可以在EEPROM上被删除和重写，以便可以用作下一次的起动。 这些数据基本包含： （1）不同的设置（发动机怠速调整，等等）； （2）一些零部件的设置； （3）故障记忆。 该过程将持续几秒钟，通常从2～7秒（根据保存的数据量），之后，ECU会发出一个指令到主继电器并使ECU从蓄电池上切断。 19．降速/断油 万一发动机过热，就要修正喷射，减少供油以改变节气门的开度，使其与冷却液温度成比例。在释放加速踏板的相位内（汽车滑行），控制单元通过控制燃油压力调节器，切断电磁喷油器的供油；在到达怠速之前部分地恢复电磁喷油器的供油。 20．气缸平衡 单个气缸平衡有利于提高舒适性和操纵性。该功能允许单独地、定制地控制燃油输送以及每一个气缸的开始输油，尽管从一个气缸到另一个气缸是不同的，以补偿喷油器的液压公差。在不同喷油器之间的流量差异（输送），可以被控制单元直接评估。该信息是由Modus在装配时读取每一个喷油器的条形码而提供的。根据从传感器收到的信号，控制单元通过改变进入单个电磁喷油器中的喷油量（喷射时间）来控制怠速时的扭矩均匀。 21．冷却风扇控制 当冷却液温度超过98℃时电控中心将使风扇工作。 22．跛行功能 通常情况下，系统发生故障时，自动将发动机转速控制在1500r/min，以使驾驶员能将车开到就近的维修中心进行维修。 机的使用要求，并为其他整车厂利用共轨柴油机提供了参考。 三、电控共轨发动机匹配整车的技术     由于索菲姆8140.43S共轨发动机是在索菲姆机械2.8升柴油机的基础上，通过将传统机械式燃油喷射系统改为博世共轨喷射柴油喷射系统及发动机管理系统、并对气缸盖等相关部件进行相应改进而成的，它与仍在生产的索菲姆2.8L机械柴油机有较大的继承性和通用性，所以将它应用到南京依维柯都灵V汽车上时，在安装布置方面并未遇到太多困难，汽车动力性能和环保性能也有提高，而困难之处有三个方面：一是如何使发动机共轨零件与汽车外围共轨零件按的控制策略进行连接，使整个共轨系统得以有效运行；二是使汽车适应中国柴油品质和气候条件；三是建立EOL（End Of Line）工作站，以满足电控单元的在线自动化编程。因此可以说，索菲姆8140.43S共轨发动机匹配整车是一个复杂的系统工程。     （一）共轨系统专用零件的布置及技术特征     如图6，共轨系统专用件分为发动机件和汽车外围件，前者是固定的，后者的选择和布置则因车而异。根据都灵V汽车的结构，共轨系统专用件被合理布置，分成发动机部件、底盘部件、发动机舱部件和驾驶室部件四个部分。         1．发动机共轨专用件如图7，索菲姆8140.43S发动机上，分布着8个共轨专用件，其技术特征介绍如下。         ①凸轮传感器它是感应型传感器，安装在凸轮盖上。皮带轮作为声轮，上面有5个齿，即4+1用于相位识别，传感器的信号使电控单元在起动的同时识别发动机的相位，清楚哪一缸喷射。     ②飞轮传感器         它与凸轮传感器是相同的零件，安装在飞轮壳上。飞轮作为声轮，上面有58个孔，传感器感应飞轮的行程变化信号及飞轮上每两个孔之间的距离信号，使电控单元识别活塞上死点，了解发动机转速，进行喷射控制和驱动发动机转速表。         ③冷却液温度传感器     它是NTC型传感器，装在节温器上，测量发动机冷却液的温度，给电控单元提供发动机热态信号。         ④空气流量计     它集成了温度传感器和压力传感器，装在发动机的进气歧管上。向电控单元提供空气压力和温度信号，电控单元根据每一个循环喷射燃油量，计算需要的空气流量。         ⑤“共轨”组件：     它用来输送高压燃油进入喷射器，由以下部分组成：—“共轨”：它能在起动、转速较低及流量增大时快速建立燃油压力。     抑制流量的装置：当发生外部泄漏时，它能保护发动机或汽车的完整性。     高压油管：一次性使用的钢制管。     燃油压力传感器：测量“共轨”中的压力，电控单元根据其信号控制喷油压力。     过压阀：在最高压力时保护发动机零部件，如果高压油管破裂，则发动机立即停机。         ⑥高压泵组件     为博世CP1，用来提供供油系统最高为135MPa的压力。高压油泵由正时齿形带驱动，无需调整相位。它由以下部分组成：     径向柱塞泵体：为具有三个柱塞的径向柱塞泵，它通过正时齿形带驱动，无需调整，总容积为0.7cc。     压力调节器：是常开电磁阀，调节输送的燃油压力从25MPa到135MPa。     第三柱塞关闭阀：当发动机转速超过4200r/min时它被激活，关闭第三柱塞，使汽车进入经济程序。         ⑦电磁喷油器     为博世CR12、电磁控制喷射式，关键部件为喷嘴和电磁阀。电控单元根据各个传感器、信号生成器提供的信息，并根据储存的脉谱图（MAP），计算出最佳的喷射点和喷油量，通过控制喷油器高速电磁阀线圈的励磁时间来控制喷射时间，喷油量取决于喷油持续期（即取决于ECU发来的脉冲宽度）和喷油压力。         ⑧回油单元     来自电动输油泵、高压泵和溢流管的过剩燃油通过回油单元流回油箱，一路燃油被输送到预热电磁阀，供柴油机低温起动之用，残余的返回油箱。校准孔保证系统在0.07MPa的背压之下。         2．底盘共轨专用件     如图16，包括电动燃油泵以及与柴油清洁和柴油冷却相关的零部件，技术特征如下。         ①电动燃油泵是一种带旁通管路、旋转式、容积可测量的电动泵，为供油系统提供低压燃油（将燃油从燃油箱输送到高压油泵，供油压力为2.5bar），装在燃油箱外。         ②油水分离器是供油管路的第一级过滤器，将燃油中存在的大的杂质和水进行过滤。当储水舱到达极限水位时，积水传感器发出报警信号，点亮仪表上对应的报警灯。         ③柴油滤清器总成     由滤桶（-8）和水分离器（-9）组成，为滤纸式，滤芯过滤能力为5μ。旋下积水传感器可以将积水全部放出，它附带以下组件：—燃油温度传感器：与冷却水温度传感器同件，向电控单元提供燃油温度信号，用于精确计算喷射到各个气缸的喷油量；—积水传感器：积水容量大约为100Cm3，如超过限值，通过仪表报警灯指示积水。     堵塞传感器：是一个微分压力传感器，当压力≥0.6bar时，点亮仪表指示灯（与积水报警灯共用）。     加热电阻：当柴油温度低于6℃时，电子加热元件将柴油加热到大约15℃以后，再输送到电动输油泵；当柴油温度低于6℃时，电阻将柴油加热到最高15℃以后，再输送到高压泵，这样可以辅助冷起动。     过压阀：用于回油，打开压力为1.8bar。         3．发动机舱共轨专用件     如图20，包括电控单元和油门位置传感器，技术特征如下。         ①油门位置传感器     是一个电位计，带内置常开怠速开关。向电控单元提供油门控制信号。         ②电控单元（ECU）（附带大气压力传感器）     分三个模块电路：传感器和信号生成器电路、微处理器电路和执行器电路。来自传感器和信号生成器的电信号传到ECU中，ECU通过对型号的评价和计算，生成触发执行器的相应电信号。ECU采用闭环控制，主要控制：喷射、预热、巡航、风扇、空调和报警灯，可兼容电子防盗装置。其“A”插座与发动机部件相连，“B”插座与其他部件相连。         4．驾驶室共轨专用件     如图23，包括踏板开关、组合仪表、驾驶室电器组件，技术特征如下。         ①离合器踏板和制动踏板传感器     是相同的零件，1个装在离合器踏板上，2个装在制动踏板上，同为常开开关，向ECU提供踏板控制信号。         ②中央配电盒     在中央配电盒上设计布置了共轨电控系统专用继电器和保险丝。主要的继电器有主电源、预热塞、预热电磁阀、柴油滤清器加热、风扇离合器、制动信号、EOL工作站等。         ③组合仪表组合仪表参与到共轨系统中包括2个仪表和3只指示器。     EDC指示灯：指示共轨系统的运行状况。     预热指示灯：当ECU执行预热起动程序时，进行过程指示；—柴油滤清器指示灯：对油水分离器、柴油滤清器的积水、堵塞进行报警指示；—车速表：将车速表传感器的信号转化成为ECU可以识别的车速信号；—发动机转速表：ECU驱动发动机转速表运转，而无需发动机转速传感器。     ④通讯接口     它有38个端子，用来与EOL线尾工作站进行连接，将EOL工作站中发动机的标定参数输入到ECU中；或者与诊断仪进行连接，进行共轨电控系统的诊断及进行发动机测试。         ⑤故障码开关     它是带自动复位的按扭开关，附带指示灯，用于共轨电控系统的初步诊断。操纵开关，其指示灯发出两种频率的闪烁信号，即故障代码。