德國奔馳MTU柴油發(fā)動機(jī)的電控系統(tǒng)

一：前言

  從1996年起，德國MTU發(fā)動機(jī)公司和美國DDC（底特律柴油機(jī)）公司先后聯(lián)合設(shè)計開發(fā)了2000、4000、8000三種系列的新型柴油機(jī)，其設(shè)計思想是最大限度地提高可靠性、維修方便性和經(jīng)濟(jì)性”’。這種柴油機(jī)以單位功率重量小、尺寸小、燃油消耗率低、維修簡單方便、可靠性高以及所采用的先進(jìn)技術(shù)而取信于廣大用戶。其中先進(jìn)技術(shù)包括

MTU公司傳統(tǒng)機(jī)型的高度集成機(jī)體、分流式冷卻系統(tǒng)、三層壁排氣管等先進(jìn)技術(shù)，并在2000系列上應(yīng)用了新開發(fā)的由電磁閥控制的單泵燃油電子噴射系統(tǒng)，在4000系列上開發(fā)應(yīng)用了共軌式電子噴射系統(tǒng)，而8000系列所用的共軌式電子噴射系統(tǒng)又是在4000系列基礎(chǔ)上改進(jìn)的。因此，MTU電子燃油噴射系統(tǒng)和電子管理控制系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，使這三種系列柴油機(jī)達(dá)到新的世界先進(jìn)水平。

二：德國奔馳MTU柴油機(jī)的特點

  這三種系列柴油機(jī)均采用四沖程，以提供高性能、高可靠性和良好的經(jīng)濟(jì)性。其中2000和4000系列均有8、12和16缸機(jī)型，這兩種系列功率覆蓋范圍為270 -2 720kW；而8000系列則有12、16和20缸機(jī)型，其功率覆蓋范圍為4 920 -9 000kW。三種系列機(jī)型的共同特點為zl：

(l)能適應(yīng)各種不同的用途，改變其附屬裝置的配置或某些零部件的結(jié)構(gòu)，就可適應(yīng)船舶、鐵路、發(fā)電以及重型公路車輛等其它工業(yè)領(lǐng)域的不同用途；

  (2)使用壽命、可靠性得到了極大地提高。從結(jié)構(gòu)上保證了使用維護(hù)的方便性，降低了維修保養(yǎng)的工作量；

  (3)具有相當(dāng)高的性能指標(biāo)，燃油消耗率低，動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性好，振動噪聲等排放指標(biāo)先進(jìn)；

  (4)繼續(xù)采用了MTU公司先進(jìn)、成熟的技術(shù)，如，順序增壓、分流式冷卻系統(tǒng)、三層壁結(jié)構(gòu)的排氣歧管等；

  (5)開發(fā)了先進(jìn)的柴油機(jī)燃油電子噴射系統(tǒng)和電子管理系統(tǒng)。

三：德國奔馳MTU燃油電子噴射系統(tǒng)

  德國奔馳MTU2000系列柴油機(jī)采用電磁閥控制的電子噴射系統(tǒng)，其工作原理如圖i(a)所示¨’。它是一個電磁

闊控制的單體泵一高壓油管-噴油嘴系統(tǒng)。每個氣缸都有一個獨立的單體泵，這些單體泵安裝在柴油機(jī)的V形槽中，由一個大的凸輪軸驅(qū)動，凸輪的輪廓線隨柴油機(jī)的用途而異。安裝在單體泵燃油進(jìn)口處的電磁閥受柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)控制，某一缸的噴油量和供油始點就通過控制電磁閥的開關(guān)時刻來實現(xiàn)，由柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)對某一缸的噴油量和供油始點進(jìn)行任意調(diào)節(jié)，從而易于實現(xiàn)噴油優(yōu)化。德國奔馳MTU4000系列和8000系列柴油機(jī)則采用共軌式噴射系統(tǒng)，結(jié)合燃燒方法開發(fā)的最新經(jīng)驗，即可獲得有關(guān)廢氣排放和燃油消耗等重要的運行參數(shù)。共軌燃油噴射的原理是基于一個或多個專用高壓油泵供油的高壓蓄壓器系統(tǒng)，它設(shè)有電控噴油器，在整個噴射時間里以等量供油而與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，其工作原理如圖i(b)所示¨’。在使用傳統(tǒng)的噴射系統(tǒng)時，燃料量分配和壓力的產(chǎn)生是由凸輪軸操縱的噴射泵控制的，而采用共軌式噴射系統(tǒng)時，則把燃油的高壓產(chǎn)生與噴射的定時、定量完全分開，這種新的噴射系統(tǒng)對柴油機(jī)的設(shè)計有很大的影響。共軌式噴射系統(tǒng)由高壓泵、蓄壓器（公共油軌）、噴油嘴和電子控制裝置組成。高壓泵是一個多缸徑向柱塞泵，由發(fā)動機(jī)前端的一套齒輪驅(qū)動，將燃油以全負(fù)荷壓力提供給沿發(fā)動機(jī)縱向鋪設(shè)的共用給油管，每個氣缸蓋上裝一個由電磁閥控制的噴油器，由高壓油管將共用油管與噴油器相連通。電子裝置還通過電磁閥來控制燃油噴射定時和供給噴油器的燃油量。而高壓燃油在油軌中蓄勢待發(fā)，一旦某一噴油嘴接通，燃油即進(jìn)入噴油嘴進(jìn)入氣缸。該系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且還能在發(fā)動機(jī)各種轉(zhuǎn)速下（從標(biāo)定轉(zhuǎn)速直到怠速運轉(zhuǎn)）提供相同的噴射壓力。在4000系列發(fā)動機(jī)的噴射系統(tǒng)上，其噴射壓力約為120MPa．這相當(dāng)于在普通系統(tǒng)上的160 - 180MPa。雖然在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能提供最高壓力，但共用給油管的實際壓力是由電子控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，從而使之按發(fā)動機(jī)功率要求而取最佳值。

   油軌中的燃油壓力及噴油嘴開、閉的時刻決定了各缸的噴油量，這些都由電子裝置控制。電子裝置通過裝在油軌前的壓力傳感器感知系統(tǒng)中的壓力。而燃油是通過一節(jié)流閥進(jìn)入高壓泵的，在電子裝置的控制下，通過對流量的節(jié)流實現(xiàn)對壓力的調(diào)整。噴油嘴則具有控制噴油開始、停止的功能，從而控制噴油量以及調(diào)整著火延遲期噴油量等多項功

能。該噴油嘴通過一個電磁閥使針閥上方泄壓，然后由燃油壓力把針閥的開啟速度加以控制，當(dāng)控制閥泄流后，一個附加的液壓閥開始動作，使針閥快速關(guān)閉。這種輔助伺服式噴油嘴能分別調(diào)整開啟、關(guān)閉的特性，動作極其精確。它有極高的反應(yīng)速度，能夠控制怠速期問及小的供油量。

  而德國奔馳MTU8000系列柴油機(jī)共軌燃油噴射是在4000系列基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的，其改進(jìn)系統(tǒng)包括一個向兩個高壓油泵供油的低壓燃油供給泵，兩個高壓泵依次向各氣缸蓋I二壓力高達(dá)180MPa，經(jīng)過雙層管系的各蓄壓器供油，這-tj蓄壓器的容積可充分避免供給管系壓力嗣任f．U波動。另外，噴嘴位于各燃油噴射器的中心。

  共軌式噴射系統(tǒng)能夠精確地改變噴油定時、噴油量及噴油壓力。它可在極低的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下也獲得高的噴射壓力，從而有效地改善排放指標(biāo)。由于燃料霧化性能的改善，共軌系統(tǒng)的最高壓力可比傳統(tǒng)的噴油系統(tǒng)降低20%左右，從而降低了高壓系統(tǒng)的零件受力，降低了傳動機(jī)械能的消耗，隨之也降低了燃油消耗率，同時提高了高壓系統(tǒng)的使用壽命，節(jié)約了維修保養(yǎng)的費用，提高了經(jīng)濟(jì)性。

共軌式噴射系統(tǒng)可對所有影響燃燒的燃油噴射參數(shù)（如燃油噴射正時、噴射過程、噴射時問、噴射壓力等）單獨進(jìn)行調(diào)控，改善混合氣的形成，使之能很好適應(yīng)運行工況的各種設(shè)定。單獨控制燃油噴射參數(shù)可使發(fā)動機(jī)在整個功率曲線范圍內(nèi)減少燃油消耗和降低廢氣排放，有利于生態(tài)環(huán)境的改善，同時，有助于降低發(fā)動機(jī)的噪聲和振動水平。另外，噴油泵的驅(qū)動功率比以前使用的系統(tǒng)小，但效率卻得到了提高；并且高壓泵驅(qū)動裝置不再承受巨大的扭矩峰值，這樣，驅(qū)動凸輪軸和附加機(jī)組的整個齒輪傳動裝置中的交變角加速度得以避免；而在惰轉(zhuǎn)或較低的功率范圍內(nèi)，切斷單個氣缸或氣缸組，以防止較多的碳?xì)浠衔铮ò谉煟┑呐欧牛@樣即可以以最小的費用實現(xiàn)電子參數(shù)控制；還為噴射過程的形成（例如脈沖式噴射）提供了勢能。因此，共軌式噴射系統(tǒng)使4000和8000系列柴油機(jī)的整體性能提高到一個新的高度。

四：德國奔馳MTU電子管理系統(tǒng)

  這三種系列柴油機(jī)都有一套電子管理系統(tǒng)。柴油機(jī)的許多功能，如，順序增壓、取決于負(fù)荷的柴油機(jī)停缸、電子調(diào)速及電子噴射等，都由電子管理系統(tǒng)予以實現(xiàn)。

  德國奔馳MTU電子管理系統(tǒng)由柴油機(jī)控制單元( FCU)、柴油機(jī)監(jiān)測單元( EMU)、機(jī)旁控制箱(LOP)和一套裝在柴油機(jī)上的傳感器組成。

  德國奔馳MTUECU是電子管理系統(tǒng)的核心部分，它預(yù)置柴油機(jī)的性能參數(shù)、采集并貯存柴油機(jī)的運行數(shù)據(jù)，并通過對這些數(shù)據(jù)的計算、比較，對柴油機(jī)進(jìn)行控制。它還可通過對外接口與外界之間輸入或輸出有關(guān)信息，如，柴油機(jī)的功率特性曲線是由預(yù)置在數(shù)據(jù)模塊中的轉(zhuǎn)速及有關(guān)供油量的參數(shù)來保證的。通過接口可咀改變這些參數(shù)，從而改變特性曲線。

  柴油機(jī)自第一次開始運轉(zhuǎn)，其工作時間．載荷狀況就由ECU中的專門記錄器記錄。維護(hù)人員通過一插入接口的手提終端便可打印出記錄的整個運行歷程中的時間·載荷狀況，從而為編制柴油機(jī)的維護(hù)計劃提供依據(jù)。

  燃油的電子噴射更是一個復(fù)雜的電子管理系統(tǒng)運行過程。在德國奔馳MTU4000系列機(jī)中，ECU通過采集轉(zhuǎn)速及油軌中的壓力信息與存貯的特性曲線中的壓力額定值相比較，調(diào)整供人油泵的燃油量來控制油軌壓力，并通過控制電磁閥的開、閉來獲得相應(yīng)的供油量。

EMC包含有一個單獨的安全系統(tǒng)，此外，還提供了根據(jù)船級社要求而額外配置的傳感器接口。對于沒有船級社要求的用途，EMC單元則被省略。LOP用來實現(xiàn)柴油機(jī)的機(jī)旁操作和監(jiān)測。通過儀表及聲光訊號顯示出柴油機(jī)的運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)及故障信息，實現(xiàn)柴油機(jī)的正常及緊急起、停。此外，它還提供MDFC及機(jī)外遙控、監(jiān)測裝置的接口，擴(kuò)展管理系統(tǒng)的功能。這種擴(kuò)展，可以包括故障診斷、艦船管理乃至幾乎所有的功能。圖2為柴油機(jī)用作艦船主機(jī)時的一種電子管理系統(tǒng)配置型式。

 

S/A_傳感器／動作振總線，PIM-外圍接口模塊，Pcs-主機(jī)控制系統(tǒng)，LOP-帶顯示器的機(jī)旁控制箱，ECU-發(fā)動機(jī)控制單元，Ccu-齒輪箱控制單元。

德國奔馳MTU2000系列和4000系列柴油機(jī)主要用于船舶、鐵路、重型卡車和發(fā)電機(jī)組上，而8000系列柴油機(jī)則多用于高速船艇和海軍艦艇動力。MTU這三種系列柴油機(jī)所采用的新型電子控制噴射系統(tǒng)，具有其它噴射系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，使柴油機(jī)具有更好的燃油消耗率和排放指標(biāo)；而電子管理系統(tǒng)的應(yīng)用，使柴油機(jī)的許多功能得以完善。因此，MTU這三種系列柴油機(jī)功能更完備、整體性能更優(yōu)越，深受用戶的青睞。