德国奔驰MTU柴油发动机的电控系统

德国奔驰MTU柴油发动机的电控系统

一：前言

  从1996年起，德国MTU发动机公司和美国DDC（底特律柴油机）公司先后联合设计开发了2000、4000、8000三种系列的新型柴油机，其设计思想是最大限度地提高可靠性、维修方便性和经济性”’。这种柴油机以单位功率重量小、尺寸小、燃油消耗率低、维修简单方便、可靠性高以及所采用的先进技术而取信于广大用户。其中先进技术包括

MTU公司传统机型的高度集成机体、分流式冷却系统、三层壁排气管等先进技术，并在2000系列上应用了新开发的由电磁阀控制的单泵燃油电子喷射系统，在4000系列上开发应用了共轨式电子喷射系统，而8000系列所用的共轨式电子喷射系统又是在4000系列基础上改进的。因此，MTU电子燃油喷射系统和电子管理控制系统的开发应用，使这三种系列柴油机达到新的世界先进水平。

二：德国奔驰MTU柴油机的特点

  这三种系列柴油机均采用四冲程，以提供高性能、高可靠性和良好的经济性。其中2000和4000系列均有8、12和16缸机型，这两种系列功率覆盖范围为270 -2 720kW；而8000系列则有12、16和20缸机型，其功率覆盖范围为4 920 -9 000kW。三种系列机型的共同特点为zl：

(l)能适应各种不同的用途，改变其附属装置的配置或某些零部件的结构，就可适应船舶、铁路、发电以及重型公路车辆等其它工业领域的不同用途；

  (2)使用寿命、可靠性得到了极大地提高。从结构上保证了使用维护的方便性，降低了维修保养的工作量；

  (3)具有相当高的性能指标，燃油消耗率低，动力性、经济性、可靠性好，振动噪声等排放指标先进；

  (4)继续采用了MTU公司先进、成熟的技术，如，顺序增压、分流式冷却系统、三层壁结构的排气歧管等；

  (5)开发了先进的柴油机燃油电子喷射系统和电子管理系统。

三：德国奔驰MTU燃油电子喷射系统

  德国奔驰MTU2000系列柴油机采用电磁阀控制的电子喷射系统，其工作原理如图i(a)所示¨’。它是一个电磁

阔控制的单体泵一高压油管-喷油嘴系统。每个气缸都有一个独立的单体泵，这些单体泵安装在柴油机的V形槽中，由一个大的凸轮轴驱动，凸轮的轮廓线随柴油机的用途而异。安装在单体泵燃油进口处的电磁阀受柴油机电子控制系统控制，某一缸的喷油量和供油始点就通过控制电磁阀的开关时刻来实现，由柴油机电子控制系统对某一缸的喷油量和供油始点进行任意调节，从而易于实现喷油优化。德国奔驰MTU4000系列和8000系列柴油机则采用共轨式喷射系统，结合燃烧方法开发的最新经验，即可获得有关废气排放和燃油消耗等重要的运行参数。共轨燃油喷射的原理是基于一个或多个专用高压油泵供油的高压蓄压器系统，它设有电控喷油器，在整个喷射时间里以等量供油而与发动机转速无关，其工作原理如图i(b)所示¨’。在使用传统的喷射系统时，燃料量分配和压力的产生是由凸轮轴操纵的喷射泵控制的，而采用共轨式喷射系统时，则把燃油的高压产生与喷射的定时、定量完全分开，这种新的喷射系统对柴油机的设计有很大的影响。共轨式喷射系统由高压泵、蓄压器（公共油轨）、喷油嘴和电子控制装置组成。高压泵是一个多缸径向柱塞泵，由发动机前端的一套齿轮驱动，将燃油以全负荷压力提供给沿发动机纵向铺设的共用给油管，每个气缸盖上装一个由电磁阀控制的喷油器，由高压油管将共用油管与喷油器相连通。电子装置还通过电磁阀来控制燃油喷射定时和供给喷油器的燃油量。而高压燃油在油轨中蓄势待发，一旦某一喷油嘴接通，燃油即进入喷油嘴进入气缸。该系统不仅结构简单，而且还能在发动机各种转速下（从标定转速直到怠速运转）提供相同的喷射压力。在4000系列发动机的喷射系统上，其喷射压力约为120MPa．这相当于在普通系统上的160 - 180MPa。虽然在很宽的转速范围内都能提供最高压力，但共用给油管的实际压力是由电子控制系统进行调节的，从而使之按发动机功率要求而取最佳值。

   油轨中的燃油压力及喷油嘴开、闭的时刻决定了各缸的喷油量，这些都由电子装置控制。电子装置通过装在油轨前的压力传感器感知系统中的压力。而燃油是通过一节流阀进入高压泵的，在电子装置的控制下，通过对流量的节流实现对压力的调整。喷油嘴则具有控制喷油开始、停止的功能，从而控制喷油量以及调整着火延迟期喷油量等多项功

能。该喷油嘴通过一个电磁阀使针阀上方泄压，然后由燃油压力把针阀的开启速度加以控制，当控制阀泄流后，一个附加的液压阀开始动作，使针阀快速关闭。这种辅助伺服式喷油嘴能分别调整开启、关闭的特性，动作极其精确。它有极高的反应速度，能够控制怠速期问及小的供油量。

  而德国奔驰MTU8000系列柴油机共轨燃油喷射是在4000系列基础上加以改进的，其改进系统包括一个向两个高压油泵供油的低压燃油供给泵，两个高压泵依次向各气缸盖I二压力高达180MPa，经过双层管系的各蓄压器供油，这-tj蓄压器的容积可充分避免供给管系压力嗣任f．U波动。另外，喷嘴位于各燃油喷射器的中心。

  共轨式喷射系统能够精确地改变喷油定时、喷油量及喷油压力。它可在极低的柴油机转速下也获得高的喷射压力，从而有效地改善排放指标。由于燃料雾化性能的改善，共轨系统的最高压力可比传统的喷油系统降低20%左右，从而降低了高压系统的零件受力，降低了传动机械能的消耗，随之也降低了燃油消耗率，同时提高了高压系统的使用寿命，节约了维修保养的费用，提高了经济性。

共轨式喷射系统可对所有影响燃烧的燃油喷射参数（如燃油喷射正时、喷射过程、喷射时问、喷射压力等）单独进行调控，改善混合气的形成，使之能很好适应运行工况的各种设定。单独控制燃油喷射参数可使发动机在整个功率曲线范围内减少燃油消耗和降低废气排放，有利于生态环境的改善，同时，有助于降低发动机的噪声和振动水平。另外，喷油泵的驱动功率比以前使用的系统小，但效率却得到了提高；并且高压泵驱动装置不再承受巨大的扭矩峰值，这样，驱动凸轮轴和附加机组的整个齿轮传动装置中的交变角加速度得以避免；而在惰转或较低的功率范围内，切断单个气缸或气缸组，以防止较多的碳氢化合物（白烟）的排放，这样即可以以最小的费用实现电子参数控制；还为喷射过程的形成（例如脉冲式喷射）提供了势能。因此，共轨式喷射系统使4000和8000系列柴油机的整体性能提高到一个新的高度。

四：德国奔驰MTU电子管理系统

  这三种系列柴油机都有一套电子管理系统。柴油机的许多功能，如，顺序增压、取决于负荷的柴油机停缸、电子调速及电子喷射等，都由电子管理系统予以实现。

  德国奔驰MTU电子管理系统由柴油机控制单元( FCU)、柴油机监测单元( EMU)、机旁控制箱(LOP)和一套装在柴油机上的传感器组成。

  德国奔驰MTUECU是电子管理系统的核心部分，它预置柴油机的性能参数、采集并贮存柴油机的运行数据，并通过对这些数据的计算、比较，对柴油机进行控制。它还可通过对外接口与外界之间输入或输出有关信息，如，柴油机的功率特性曲线是由预置在数据模块中的转速及有关供油量的参数来保证的。通过接口可咀改变这些参数，从而改变特性曲线。

  柴油机自第一次开始运转，其工作时间．载荷状况就由ECU中的专门记录器记录。维护人员通过一插入接口的手提终端便可打印出记录的整个运行历程中的时间·载荷状况，从而为编制柴油机的维护计划提供依据。

  燃油的电子喷射更是一个复杂的电子管理系统运行过程。在德国奔驰MTU4000系列机中，ECU通过采集转速及油轨中的压力信息与存贮的特性曲线中的压力额定值相比较，调整供人油泵的燃油量来控制油轨压力，并通过控制电磁阀的开、闭来获得相应的供油量。

EMC包含有一个单独的安全系统，此外，还提供了根据船级社要求而额外配置的传感器接口。对于没有船级社要求的用途，EMC单元则被省略。LOP用来实现柴油机的机旁操作和监测。通过仪表及声光讯号显示出柴油机的运行数据、状态及故障信息，实现柴油机的正常及紧急起、停。此外，它还提供MDFC及机外遥控、监测装置的接口，扩展管理系统的功能。这种扩展，可以包括故障诊断、舰船管理乃至几乎所有的功能。图2为柴油机用作舰船主机时的一种电子管理系统配置型式。

 

S/A_传感器／动作振总线，PIM-外围接口模块，Pcs-主机控制系统，LOP-带显示器的机旁控制箱，ECU-发动机控制单元，Ccu-齿轮箱控制单元。

德国奔驰MTU2000系列和4000系列柴油机主要用于船舶、铁路、重型卡车和发电机组上，而8000系列柴油机则多用于高速船艇和海军舰艇动力。MTU这三种系列柴油机所采用的新型电子控制喷射系统，具有其它喷射系统无法比拟的优点，使柴油机具有更好的燃油消耗率和排放指标；而电子管理系统的应用，使柴油机的许多功能得以完善。因此，MTU这三种系列柴油机功能更完备、整体性能更优越，深受用户的青睐。