德國奔馳MTU柴油發動機的電控系統

德國奔馳MTU柴油發動機的電控系統

一：前言

  從1996年起，德國MTU發動機公司和美國DDC（底特律柴油機）公司先后聯合設計開發了2000、4000、8000三種系列的新型柴油機，其設計思想是最大限度地提高可靠性、維修方便性和經濟性”’。這種柴油機以單位功率重量小、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技術而取信于廣大用戶。其中先進技術包括

MTU公司傳統機型的高度集成機體、分流式冷卻系統、三層壁排氣管等先進技術，并在2000系列上應用了新開發的由電磁閥控制的單泵燃油電子噴射系統，在4000系列上開發應用了共軌式電子噴射系統，而8000系列所用的共軌式電子噴射系統又是在4000系列基礎上改進的。因此，MTU電子燃油噴射系統和電子管理控制系統的開發應用，使這三種系列柴油機達到新的世界先進水平。

二：德國奔馳MTU柴油機的特點

  這三種系列柴油機均采用四沖程，以提供高性能、高可靠性和良好的經濟性。其中2000和4000系列均有8、12和16缸機型，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缸機型，其功率覆蓋范圍為4 920 -9 000kW。三種系列機型的共同特點為zl：

(l)能適應各種不同的用途，改變其附屬裝置的配置或某些零部件的結構，就可適應船舶、鐵路、發電以及重型公路車輛等其它工業領域的不同用途；

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

  (3)具有相當高的性能指標，燃油消耗率低，動力性、經濟性、可靠性好，振動噪聲等排放指標先進；

  (4)繼續采用了MTU公司先進、成熟的技術，如，順序增壓、分流式冷卻系統、三層壁結構的排氣歧管等；

  (5)開發了先進的柴油機燃油電子噴射系統和電子管理系統。

三：德國奔馳MTU燃油電子噴射系統

  德國奔馳MTU2000系列柴油機采用電磁閥控制的電子噴射系統，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。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的V形槽中，由一個大的凸輪軸驅動，凸輪的輪廓線隨柴油機的用途而異。安裝在單體泵燃油進口處的電磁閥受柴油機電子控制系統控制，某一缸的噴油量和供油始點就通過控制電磁閥的開關時刻來實現，由柴油機電子控制系統對某一缸的噴油量和供油始點進行任意調節，從而易于實現噴油優化。德國奔馳MTU4000系列和8000系列柴油機則采用共軌式噴射系統，結合燃燒方法開發的最新經驗，即可獲得有關廢氣排放和燃油消耗等重要的運行參數。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，它設有電控噴油器，在整個噴射時間里以等量供油而與發動機轉速無關，其工作原理如圖i(b)所示¨’。在使用傳統的噴射系統時，燃料量分配和壓力的產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時，則把燃油的高壓產生與噴射的定時、定量完全分開，這種新的噴射系統對柴油機的設計有很大的影響。共軌式噴射系統由高壓泵、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，由發動機前端的一套齒輪驅動，將燃油以全負荷壓力提供給沿發動機縱向鋪設的共用給油管，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，一旦某一噴油嘴接通，燃油即進入噴油嘴進入氣缸。該系統不僅結構簡單，而且還能在發動機各種轉速下（從標定轉速直到怠速運轉）提供相同的噴射壓力。在4000系列發動機的噴射系統上，其噴射壓力約為120MPa．這相當于在普通系統上的160 - 180MPa。雖然在很寬的轉速范圍內都能提供最高壓力，但共用給油管的實際壓力是由電子控制系統進行調節的，從而使之按發動機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中的壓力。而燃油是通過一節流閥進入高壓泵的，在電子裝置的控制下，通過對流量的節流實現對壓力的調整。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，當控制閥泄流后，一個附加的液壓閥開始動作，使針閥快速關閉。這種輔助伺服式噴油嘴能分別調整開啟、關閉的特性，動作極其精確。它有極高的反應速度，能夠控制怠速期問及小的供油量。

  而德國奔馳MTU8000系列柴油機共軌燃油噴射是在4000系列基礎上加以改進的，其改進系統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180MPa，經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轉速下也獲得高的噴射壓力，從而有效地改善排放指標。由于燃料霧化性能的改善，共軌系統的最高壓力可比傳統的噴油系統降低20%左右，從而降低了高壓系統的零件受力，降低了傳動機械能的消耗，隨之也降低了燃油消耗率，同時提高了高壓系統的使用壽命，節約了維修保養的費用，提高了經濟性。

共軌式噴射系統可對所有影響燃燒的燃油噴射參數（如燃油噴射正時、噴射過程、噴射時問、噴射壓力等）單獨進行調控，改善混合氣的形成，使之能很好適應運行工況的各種設定。單獨控制燃油噴射參數可使發動機在整個功率曲線范圍內減少燃油消耗和降低廢氣排放，有利于生態環境的改善，同時，有助于降低發動機的噪聲和振動水平。另外，噴油泵的驅動功率比以前使用的系統小，但效率卻得到了提高；并且高壓泵驅動裝置不再承受巨大的扭矩峰值，這樣，驅動凸輪軸和附加機組的整個齒輪傳動裝置中的交變角加速度得以避免；而在惰轉或較低的功率范圍內，切斷單個氣缸或氣缸組，以防止較多的碳氫化合物（白煙）的排放，這樣即可以以最小的費用實現電子參數控制；還為噴射過程的形成（例如脈沖式噴射）提供了勢能。因此，共軌式噴射系統使4000和8000系列柴油機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

  這三種系列柴油機都有一套電子管理系統。柴油機的許多功能，如，順序增壓、取決于負荷的柴油機停缸、電子調速及電子噴射等，都由電子管理系統予以實現。

  德國奔馳MTU電子管理系統由柴油機控制單元( FCU)、柴油機監測單元( EMU)、機旁控制箱(LOP)和一套裝在柴油機上的傳感器組成。

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

  柴油機自第一次開始運轉，其工作時間．載荷狀況就由ECU中的專門記錄器記錄。維護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，從而為編制柴油機的維護計劃提供依據。

  燃油的電子噴射更是一個復雜的電子管理系統運行過程。在德國奔馳MTU4000系列機中，ECU通過采集轉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、閉來獲得相應的供油量。

EMC包含有一個單獨的安全系統，此外，還提供了根據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用來實現柴油機的機旁操作和監測。通過儀表及聲光訊號顯示出柴油機的運行數據、狀態及故障信息，實現柴油機的正常及緊急起、停。此外，它還提供MDFC及機外遙控、監測裝置的接口，擴展管理系統的功能。這種擴展，可以包括故障診斷、艦船管理乃至幾乎所有的功能。圖2為柴油機用作艦船主機時的一種電子管理系統配置型式。

 

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

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