天然气重型发动机电控系统分析.pdf

堑垄 壅 De ve l op i n g Re s e ar c h 天然气重型发动机 电控系统分析 何 军峰姜帆 陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 7 1 0 2 0 0 摘要 本文 以某天然气重型卡车为例， 件 的结构 、工作原理和故障代码的读取。 关键词 微控制器 ；运算 电路；发动机 ； 介绍 了 T 6 1 1 4 Z L Q3 B型 C NG发动机 电子控制系统及相关部 点火系统 ；传感器 ；故障代码 Ana l y s i s o n El e c t r on i c Co nt r o l Sy s t e m o f He a vy Du t y CNG En g i ne H e J u n f e n g J i a n g F a n S h a a n Xi He a v y d u t y Au t o mo b i l e C o ． ， L t D． ， Xi ’ a n 7 1 0 2 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n tr o d u c e t h e e l e c t r o n i c c o n tr o l s y s t e m o f t h e t y p e o f T 6 1 1 4 Z L Q3 B h e a v y d u t y C N G C o mp r e s s e d N a t u r a l G a s E n g i n e o n c e r t a i n He a vy T r u c k a n d i t s r e l a t e d c o mp o n e n t s tr u c t u r e ， w o r k ing p r inc i p l e ， pi c k ing up t h e f a u l t c o d e s ． Ke y wo r d s m i c r o - c o nt r o l l e r u n i t ；o p e r a t i o n c i r c u i t ； e ng i ne ； I g n i t i o n； s e ns o r ； f a u l t c o de s 随着国内石油资源 的紧缺 ，汽车排放污染物 的不 断加剧 ，这就需要新的能源来替代石油。使用天然气 作为替代燃料，不仅可 以节省 1 ／ 3以上的燃料成本， 而且常规排放污染物显著降低，同时 C O ， 的排放量比 使用燃油时可降低 2 5 ％左右 ，因此 C NG 是一种清洁 而廉价的能源，对固定线路运行的商用车具有很大的 吸引力 。 国内目前市场上使用的重型增压 C NG 发动机主 要为上海柴油机厂和潍坊柴油机厂的产品。 1 、天然气重型发 动机 电子控制 系统结构特 点 上海柴油机厂的 T 6 1 1 4 Z L Q3 B型 C NG 天然气发 动机，该型发动机是在 D6 1 1 4 B柴油机基础上开发的 新一代天然气发动机 ，采用美 国 Wo o d w a r d公 司的 OH1 2 电控系统进行进气歧管喷射 、稀薄燃烧 闭环空 燃 比控制，使发动机在各种运行工况下均能获得最佳 浓度的混合气，从而提高发动机的动力性、经济性和 排放性 。其结构如图 1所示 。它 由发动机微控制器 MC U 、进气系统、燃气供给系统、电控点火系统、 各种传感器、执行器等组成。 ▲ 莉 丽磊 图 1发动机电子控制系统组成部分 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 茎壅 窒 De v el opi ng Re s e ar c h 1 ． 1发动机微控制器 MCU 天然气车发动机 MC U固装在一个盒 内，具有 6 0 个接线端子，采用 Mo t o r o l a HC1 2微处理器 ，内部采 用集成 电路， 集成了微处理器 E C u 、 存储器 R A M、 R O M和各种功能的输入／ 输出 I d O等。 MC U 主要是控制燃料计量、点火正时及各种工 况等系统的工作 。MC U 根据加速踏板信号、转速信 号和负荷信号计算 出基本燃气喷射量 与基本点火时 间，并参照进气歧管压力、进气歧管温度、冷却水温 度、节气 门位置、节气门前压力、大气压力 、机油压 力和 凸轮轴位置来修正燃气喷射量与点火时刻。 F M V燃料计量阀在 MC U控制下，发动机每个工作循环 向混合器 每 4个为一组 喷气 一次与空气进行混合 ， MC U 依据氧传感器反馈回来的信号确定所需要的燃 气量，以获得最佳的空燃 比，满足排放的要求。其系 统控制框图如图 3所示。 图 3 系统控制框图 1 ． 2进气 系统 进气系统的作用是控制和测量发动机运行时进入 混合器的空气量。空气经过空气滤清器、中冷器 、节 气 门体 带节气 门开度传感器进入各缸。 节气门体包括步进 电机式控制阀和节气 门开度 传感器。 1 ． 2 ． 1步进 电机式控制阀 步进 电机式控制阀为 Wo o d wa r d 公司 8 2 3 5 4 0 3型 产品， 其结构如图 4所示。 它 由永久磁铁构成的转子、 激励线圈构成的定子和旋阀等部分组成 。它利用步进 转换控制，使转子可正转 ，也可反转，从而使旋阀旋 转运动以达到调节旁通空气道截面的 目的。 步进 电机式控制 阀的控制 电路如图 5所示。与冷 却水温度、 负荷状况相对应 的目标转速都储存在 MC U 的存储器中。MC U 根据节气 门开启程度和车速信号 判 断发 动机 是否 处于 怠速 工况 ，并 按一 定顺序 使 T r 1～T r 4 三极管依次导通，分别 向步进电机 4个线圈 供 电， 驱动步进 电机旋转 ， 调节旁通空气通道的开度， 从而调节旁通空气量 ，使发动机转速达到所要求的 目 标值。 t自中 冷器 图 4步进电机式控制阀 匿 一㈣ 旦 ] i l l 』 l 图5步进电机控制电路 1 ． 2 ． 2节气 门开度传感器 节气门开度传感器用于测量发动机吸进空气的流 量 。 它是利用空气通过时，由于上游和下游的压力差 ， 使测量板 叶片 被推动且与流量成 比例的原理。与 叶片相连的旋转轴上设有螺旋状复位弹簧 ，当没有空 气通过时， 由于弹簧的作用使叶片被压在全 闭位置上。 当空气穿过时，叶片就被推到 由吸入空气推动叶片的 力和复位弹簧的反作用力相平衡时的某一位置上 ，并 由电位计将此值转换成电信号，以此计量空气流量， 如图 6为其结构原理。 通常将叶片前后的压力差 P a - P b 设计成一定值， 则空气质量的流量就取决与节流面积 S b 即叶片开 度和空气密度，且 由电位计的电压 比 V 能计 算出叶片开度 。但 由于空气密度随着空气的温度和压 力而变化，为了对温度的变化进行补偿 ，对此还加装 溺 丽丽磊 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 了进气温度传感器 。 1 ． 2 ． 3进气温度传感 器 进气温度传感器是 Wo o d wa r d公司 3 9 3 0 0 8 4 4 0 0 型产品，其用来检测发动机进气温度 的。它安装在经 过节气门之后的进气管道之上。进气温度传感器借助 于封装在壳体 内的热敏电阻 NT C感知发动机进气 温度。其阻值与温度呈指数函数关系 ，将检测到发动 机进气温度信号反馈回 MC U 中，进而修正节气 门的 开度。 1 ． 3燃气供给系统 燃气供给系统的功能是将天然气减压、计量与空 气混合后供给发动机，形成符合空燃比要求 的可燃混 合气 。它由高压滤清器、高压切断阀、调压器、热交 换器、节温器、F MV燃料计量 阀、电子油门踏板等组 成 。 气 图6节气门开度传感器 燃气从气瓶经高压滤清器过滤后通过调压器减压 送至 F MV燃料计量 阀。MC U发出的喷气脉冲分别开 启安装在进气门附近的喷射阀，其喷气量 由喷射阀开 启的持续时间 喷气脉冲宽度 ，以 ms 计 决定 。 1 ． 3 ． 1高压切 断阀 高压切断阀是北京兰天达汽车清洁燃料技术有 限 公司的 1 1 3 5 2 0 0 WX 型产品，其为 了避免天然气大面 积泄露而设置主动切断的安全装置 。如图 7为其结构 图。其工作原理是 1 当电磁阀断电，F n F弹 簧 ， 球阀关闭，燃气供给切断； 2 当 电磁 阀通 电 3秒 垄 壅 Dev e l opi ng R es ea r c h 钟之后 自动复位 ，此时燃气经过旁通气道进入进气 腔，F o F弹 簧 F l ，球阀关 闭，气源切断。 出气 口 图 7高压切断阀 1 ． 3 ． 2电子 油 门踏 板 电子油门踏板是威廉姆斯 3 5 1 5 6 3型产品， 其包括 一 个加速踏板位置传感器 A PS 和一个控制余量的 怠速开关 I V S ，两个元件做成一个整体形成 电子油 门位置传感器，其与加速踏板通过榫槽相连接，油门 位置传感器 电线束上共有 4根线，各个端子与 MC U 相连 。如图 8 所示 。当踩下油 门踏板 时，油 门位置传 感器将信号传给 MC U，MC U接收到该信号后与其它 基本信号一起进行分析对 比、处理，计算出最佳供气 量，使发动机及时响应驾驶员的指令而始终处于最佳 工作状态。 E C Vn C 【 二 A f ． I C _二 B 一 产 C 图 8 电子油 门踏板与 MGU针脚 的连接 加速踏 板位 置传感器 是一个线性 电位计式传感 器 ，E C U提供 5 V的参考 电压给该传感器，随着驾驶 员踩下加速踏板位置的不同，其输出的信号 电压也随 之改变 ，该输出信号电压与踏板位置呈线性关系如图 ▲ 磊 i 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 垄塑窒 De ve l op i n g Re s ea r c h 9所示。加速踏板位置信号是 MC U 计算燃气供给系 统控制压力和 F MV 燃料计量阀供气量 的基本参数之 一 。怠速开关为两档式 0 V转换开关，当油门踏板处 于怠速位置时，该开关 D 口没有 电压输 出给 MC U； 当踩下油门踏板时，该开关 D 口输出给 MC U针脚 的 电压信号为 0 V。 踏板角度 图9加速踏板位置传感器的电压信号与踏板角度关系 1 ． 3 ． 3 F MV燃料计量 阀 F MV燃料计量阀是 Wo o d wa r d公司 8 2 3 5 ． 2 5 3型 产品，其为燃气供给系统 的核心部件 ，其 由两部分系 统组成P WM 脉宽调制系统和喷射阀。其作用是准 确控制燃气量和喷气规律 。 如图 1 0所示为德国博世生 产的球阀式喷射 阀，其用球阀和扁平衔铁 由激光熔焊 成组件， 支撑在膜片弹簧上，质量轻，响应非常灵敏 。 电 图 1 0 F MV燃料计量 阀 1 ． 4 F MV燃料计量阀的驱动 该发动机 的计量阀驱动为电流驱动方式。从驱动 脉冲接通 电路开始 ，电磁线圈中的电流逐渐增大，直 到一定程度将球 阀开启。之后 ，电流继续增大直至驱 动脉冲结束时，电流达到饱和状态 ，如图 1 1 所示。 通 电时 间 驱动脉 冲 电流波形 球阀升程 ．／ 图 1 1驱动电路产生的电流波形与喷射阀启闭时间 由于在功率三极管 VT截止时，喷射 阀电磁线圈 存在的电感 ，在线圈两端可能产生高的感应 电动势， 它与电源电压一起作用于功率管上，可能将其击穿而 损坏。为了保护功率管和缩短喷射 阀关阀时间，在驱 动 电路 中常设有如 图 1 2所示 的消弧电路。 E c U 出 [二二 t ， ． 图 1 2 喷射阀的驱动电路 1 ． 5 电控点火系统 电控点火系统能随发动机转速控制初级线圈的通 电时间 闭合角 ， 在整个转速范围内提供点火所需的 定值点火能量，即足够的点火电压和跳火持续时间， 还能在发动机所有的工况下提供理想的点火提前角， 从而使发动机在动力性、运转平稳性、经济性和排放 等方面达到最佳。 电控点火系统主要 由三大部分组成 曲轴相位传 感器、点火器、感应式点火线 圈 又称储能式点火线 圈和火花塞。 1 ． 5 ． 1曲轴相位传感器 ▲ 诼 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 曲轴相位传感器是 Wo o d w a r d公司 3 9 6 8 0 4 2 0 1 1 型产品，其用来检测某缸对应 的凸轮轴上止点位置。 它是一种装于发动机外盖 的电磁感应式 曲轴相位传感 器 。 如图 l 3所示为 曲轴相位传感器的结构，当凸齿接 近线圈时磁通量增加，感应电压为正脉冲 ；当凸齿离 开线圈时磁通量减少，感应 电压为负脉冲 ；凸齿正对 线圈的瞬间感应 电压为零，即该点作为活塞到达上止 点的基准信号 ，称为点火信号 。MC U 以此信号为基 准，根据计算出的最佳点火提前角 ，适 时向点火器发 出点火正时信号。 与此同时， 从存储器 中查取缸信号， 决定接通哪条驱动 电路并将点火正时信号送往与此驱 动电路相连接 的点火线圈，完成相应气缸的点火。 1 ． 永磁铁 2 ． 传感器壳体 3 ． 发动机外盖 4 ． 软铁芯 5 ． 线圈 6 ． 传感齿轮 图 1 3曲轴相位传感器 1 ． 5 ． 2点 火器、感应式点火线 圈 点火器是 Wo o d w a r d公司 8 4 0 8 0 1 2型产品，其用 来产生驱动信号驱动感应式点火线圈产生高压电的主 要部件，感应式点火线圈是产生高压电的主要部件。其 性能直接关系到汽车的工况。图 1 4为电控点火系统电 路， MC U中的微处理器根据曲轴相位传感器输入的G和 Ne 信号， 确定点火时刻， 将点火触发信号 I 送给点火器， 点火器打开点火驱动并寻找相应的点火线圈，初级线圈 的电流随即上升到 6 ． 5 A， 在触发信号下降前初级线圈的 电流保持在 6 ． 5 A，当触发信号下降时，来 自MC U标记 信号 I h 触发点火器再次在该缸点火。 该点火线 圈次级绕 组 中串联 了一只高压二极 管 耐压为 3 0 KV ， 其作用是为了避免点火器接通瞬间， 由 于点火线 圈互感产 生的电压造成火花塞误跳火现象 。 1 ． 5 ． 3火花塞 堑壅丛窒 De ve l opi n g Re s e ar c h 火花塞是强制点火式发动机 的一个重要元件 。由 于天然气热值 高， 燃烧产生的热量大， 加之压缩 比大， 因此对于天然气发动机， 火花塞必须满足耐热范 围广、 耐腐蚀性强、跳火间隙小的特 点。 图 1 4 电控点火 系统 电路 图 1 5 B OS CH公司铱金火花塞 补 偿 电腿 补偿 电阻一 加热嚣一 加热嚣 传感嚣 泵 传感 嚣， 泵一 图 1 6电 路 接 线 图 图 1 5为 B OS C H公司 2 7 3 0 0 8 5 0 1 0型铱金火花塞 结构，由于采用铱镍合金 ，制成复合铜芯中心电极和 铜芯地 电极 ，使火花塞的使用寿命大幅提高。地 电极 前端被切成锥形，与火核的接触面积较小，消焰作用 也因此 降低 ，增强火焰的能量 ；同时加大 电荷聚集效 ▲ 币 面丽孺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 垄 窒 De v el opi ng R e s e ar c 应 ，改善点火通路，提高点火成功率和点火效率。 1 ． 6氧传感器 氧传感器是 Wo o d wa r d公司 3 9 3 5 0 8 5 0 0 0型产品， 其检测排气 中氧浓度的传感器。它能检测燃烧前 的混 合气相对于理论空燃 比的浓稀并用于空燃 比反馈控制 系统。该传感器为系统中关键的传感器。其电路接线 图见 图 l 6 所 示 。 该氧传感器 由以下四个部件组成加热器、 泵室 、 感应电池、补偿 电阻。 加热器为 了稳定感应 电池之间的电动势，需将 传感器加热到 8 0 0 ℃左右。 泵室将废气泵入／ 泵出感应 电池。 感应 电池感应氧浓度的部位，按计量比反馈氧 气的含量 。 补偿 电阻因电阻随温度变化大，补偿泵电池的 电阻 。 在发动机起动后 3 0 s 左右， 加热器迅速把氧传感器 加热到工作温度 8 0 0 C ，排 出的废气从氧传感器钛 管外表面流过，在高温状态下氧分子发生电离。由于 钛管 内外表面氧分子浓度不同，从而使氧离子由浓度 较大的钛管内表面向浓度较小的外表面移动，在其内 外表面的两电极之间产生一个微小 电压。 当发动机 以较浓 的混合气运转时，排气 中缺氧， 钛管中氧离子移动较快并产生 0 ． 8 1 ． O V电压；当发动 机 以较稀的混合气运转时，排气中含有高浓度 的氧分 子使钛管内氧离子移动较慢，只能产生 0 ． 1 V 电压 。 MC U 从氧传感器的电压信号变化中判别出混合气过 浓或过稀时，通过控制喷射 阀减少或增加喷气量。 1 _ 7发动机故障诊断系统 T 6 1 1 4 Z L Q3 B天然气发动机包含有一个 自动故障 诊断系统，当发动机 电控系统有故障时，微控制器设 置系统故障码 S F C 。设置故障码后 ，微控制器会点 亮仪器面板上的故障指示灯并存储故障码 。还可使用 诊断开关和故障指示灯能获得存储在 MC U 中的系统 故障码，诊断开关和故障指示灯安装在驾驶员仪表板 上。打开点火钥匙开关，接通故障诊断开关 ，故障指 示灯 MI L开始闪烁 当车辆运行时应断开故障诊 断开关 ，如接通故障诊断开关，则故障指示灯高频快 速地闪烁 。 故障指示灯显示两位数字码 ， 每位数字码 通过故障指示灯连续闪烁的次数来表示 指示灯 闪烁 的间隔时间最短，约 1 秒 ， 第一位数字码闪烁后 ，间 隔一下，再显示第二位数字码。两位数码之 间间隔时 间稍长 约 2秒 。 每个故障码连续显示 3次，每次显 示的间隔时间较长 约 3秒 。 天然气重卡是指以天然气为燃料的一种气体燃料 重型汽车与普通柴油动力卡车相 比，节能环保无疑是 天然气卡车最突出的优点。 由于使用天然气作为燃料， 在同等条件下，天然气卡车 的使用成本比普通柴油卡 车可节省燃料成本 4 0 ％以上。统计数据显示，每行驶 1 0 0公里，天然气重卡可 比同吨位柴油车节约 1 0 0元 燃料支出，给用户带来明显的经济收益。此外 ，天然 气重卡的有害气体排放量也 比柴油车低。其 中，一氧 化碳排放量低 9 0 ％，碳氢化合物排放量低 7 0 ％。 天然气重卡产 品性能逐渐完善，技术不断进步。 从动力性 、续驶里程方面看 ，天然气重卡 已能满足用 户使用需求。某天然气重卡的发动机功率可达 2 7 9千 瓦，动力不逊色于柴油车。实践证 明，天然气重卡的 抗低温性能不错 。在零下 5 0摄氏度的低温环境下仍 能正常工作，抗寒性能得到广大用户认可。 汽车工业 已经走过 了 1 0 0多年的发展历程，天然 气汽车电控技术也伴随着汽车工业的进步而稳步地向 前发展 。目前，进气道单点喷射技术在天然气发动机 上的应用 已日趋成熟，缸 内直喷技术仍处于研究开发 阶段，但其 良好 的动力性、经济性和排放性使其成为 未来的发展方向。 参考文献 [ 1 ]郭 中阳．汽车 电子技术． 哈尔滨 工业大学出版社 ， 1 9 9 3 ． 1 0 [ 2 ]张月相．电子点火系统的原理与维修哈尔滨黑龙江科学 技术出版社，1 9 9 6 ． 1 2 丽灞 隋 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m