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(jì)開發(fā)了2000、4000、8000三種系列的新型柴油機(jī)，其設(shè)計(jì)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(diǎn)

  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(diǎn)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(gè)電磁

闊控制的單體泵一高壓油管-噴油嘴系統(tǒng)。每個(gè)氣缸都有一個(gè)獨(dú)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(gè)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(diǎn)就通過控制電磁閥的開關(guān)時(shí)刻來實(shí)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(diǎn)進(jìn)行任意調(diào)節(jié)，從而易于實(shí)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(yàn)，即可獲得有關(guān)廢氣排放和燃油消耗等重要的運(yùn)行參數(shù)。共軌燃油噴射的原理是基于一個(gè)或多個(gè)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(gè)噴射時(shí)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(shí)，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(shí)，則把燃油的高壓產(chǎn)生與噴射的定時(shí)、定量完全分開，這種新的噴射系統(tǒng)對柴油機(jī)的設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)氣缸蓋上裝一個(gè)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(shí)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(yùn)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(shí)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(shí)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(shí)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(xiàng)功

能。該噴油嘴通過一個(gè)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(gè)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(gè)向兩個(gè)高壓油泵供油的低壓燃油供給泵，兩個(gè)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(shí)、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(shí)提高了高壓系統(tǒng)的使用壽命，節(jié)約了維修保養(yǎng)的費(fèi)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(shí)、噴射過程、噴射時(shí)問、噴射壓力等）單獨(dú)進(jìn)行調(diào)控，改善混合氣的形成，使之能很好適應(yīng)運(yùn)行工況的各種設(shè)定。單獨(dú)控制燃油噴射參數(shù)可使發(fā)動機(jī)在整個(gè)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(shí)，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(gè)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(gè)氣缸或氣缸組，以防止較多的碳?xì)浠衔铮ò谉煟┑呐欧?，這樣即可以以最小的費(fèi)用實(shí)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(gè)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(shí)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(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過對這些數(shù)據(jù)的計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)，其工作時(shí)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(gè)運(yùn)行歷程中的時(shí)間·載荷狀況，從而為編制柴油機(jī)的維護(hù)計(jì)劃提供依據(jù)。

  燃油的電子噴射更是一個(gè)復(fù)雜的電子管理系統(tǒng)運(yùn)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(gè)單獨(dú)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?jiǎng)t被省略。LOP用來實(shí)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(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)及故障信息，實(shí)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(shí)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(diǎn)，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。