CAT-C18发动机电气控制原理

许周密，何照建

（云南华联锌铟股份有限公司采矿车间，云南文山 663701）

0 引言

卡特C18 发动机是美国卡特彼勒公司生产的一款排量为18.1 L 的直列式6 缸电控柴油发动机，其运用摇臂压单体电子喷油器以及卡特ACERT 排放控制技术，相比传统机械式发动机，电控发动机能更有效、更精准的控制喷油正时和空燃比，提高柴油的能量利用效率。该发动机配置在D9T 推土机上时具有306 kW 的净功率输出，带动转向泵、工作泵、风扇泵、变速泵等附件，主要动力通过变矩器、行星齿轮变速箱、轮边减速箱后输出最大牵引力可达716 500 N。本文将对该款发动机的电气控制原理进行分析。

1 发动机的电气部件结构及工作原理

发动机电子燃油喷射系统由ECM（电控装置）、电子控制式单体喷油器、导线线束、开关、传感器和电磁阀组成，如图1 所示。

（1）电子控制装置（ECM）。ECM 类似于PLC，闪存文件是它的编程，但闪存文件是由厂家编程好的文件，只能对应机型更新，不能修改。只有发动机序列号、FLS（最大功率限制）、FTS（最大扭矩限制）、风扇泵标定、正时标定、故障代码、事件代码等配置参数才能修改。

ECM 有一个70 针的J1 接口和一个120 针的J2 接口。J1接口是外部接口，主要由驾驶室连接提供电源、功能开关、数据通信，J2 接口是发动机上电气元件接口，主要连接传感器、电磁阀来监控发动机。

ECM 的输入端与PLC 相同，是用来接收开关和传感器信号，把信号根据已编制的程序输出相应指令。输出端由内部晶体管控制，除了可以控制电源开关，还可以控制喷油器或比列电磁阀等需要改变电压、电流和时间的负载。

图1 发动机电子控制系统

（2）单体电子喷油器。燃油通过曲轴齿轮带动的一个小齿轮泵从燃油箱中吸取，再经过滤芯过滤并联供给6 支喷油器，最后通过溢流阀回到燃油箱，使喷油器有（538～641）kPa 的注油压力及足够的流量供给。其中，喷油器操作过程分为喷油前、喷油、喷油结束和加注等4 个阶段。喷油器柱塞利用凸轮轴带动摇臂压挺杆的机械传动方式使燃油形成高压输送至气缸内。

喷油前阶段：当气缸活塞达到上止点前，喷油器柱塞由冲程顶端开始向下压燃油，此时ECM 未对喷油器电磁阀供电，电磁阀中的提升阀在开启位置，燃油通过电磁阀继续流入供油道。

喷油阶段：ECM 通过正时传感器的信号确定哪一个气缸活塞达到喷油上止点，ECM 对应此气缸喷油器发送一个105V 的信号给电磁阀，电磁阀产生一个磁场，从而吸引电枢，电枢组件使提升阀保持在闭合位置。如图2 所示，提升阀闭合后阻止了燃油流出柱塞油室，使柱塞油室压力不断升高至约345 00 kPa后，高压燃油压力会克服弹簧压力把喷油嘴的撞针打开，燃油喷入缸内，喷油量由电磁阀通电时间决定。

喷油结束阶段：达到所需要的燃油喷射量后ECM 会停止对喷油器供电，在弹簧及燃油压力的作用下会使提升阀迅速复位至开启状态，导致喷油压力快速下降至约240 00 kPa 后，喷油嘴闭合、喷油结束。

加注阶段：通过挺杆弹簧作用力把喷油器柱塞向上拉，使燃油通过供油道进入柱塞油室，柱塞达到行程顶部后注油阶段结束，这也是喷油前阶段的开始。

（3）开关。除了驾驶室操作的功能开关外，还有一类用作监测的开关，如燃油压差开关是利用燃油滤芯上进口和出口的压力差监测滤芯是否堵塞，当燃油温度在40±3 ℃、进口出口压力差值大于34 kPa、持续10 s 后就会触发燃油滤芯堵塞的故障报警。

冷却液流量开关是在发动机运行时，冷却液的流动使冷却液流量开关结合。当冷却液发生泄漏、堵塞或水泵损坏时，冷却液流量开关处于断开状态超过10 s 则触发该项报警提醒操作人员。这种用作监测的开关设计简单、成本低，能够有效避免小问题引发大故障。

图2 单体电子喷油器

（4）传感器。该发动机使用的传感器是脉冲信号传感器，由ECM 对传感器供电DC 5 V 或8 V。传感器把监测到的压力、位置或温度信号通过传感器内部集成电路转换为（150～1000）Hz 的脉冲信号给ECM，ECM 通过监测该脉冲信号的频率来确定传感器测量的压力、位置或温度的值。此类型传感器有效避免了线路上造成的误差，给ECM 提供准确有效的信号。

（5）电磁阀。电磁阀有两大类，风扇反转电磁阀、喷油器电磁阀、乙醚启动电磁阀这类是开关型电磁阀，这类电磁阀电压及电流都是额定不变，只是在时间和条件上控制开或关。

风扇泵电磁阀是比例电磁阀，它由ECM 调节输出给电磁阀的电流大小来改变电磁阀的磁通量，从而改变电磁阀阀芯的开度。随着电控技术的提升，这项技术逐步应用于工程设备的液压泵、主控阀上，使得工程设备的操作更加轻便灵敏、故障率更低、控制精度更高。

（6）监视器。ECM 具有对电子系统和发动机运行故障的检测能力，当发动机出现其中一种故障时，ECM 将故障信息通过CAT DATALINK 和CAN 的数据线传送给监视器显示状态信息、故障代码或事件代码。监视器根据代码报警的级别进行声光提醒，发动机ECM 也会根据故障的严重性降低发动机功率或直接停机，例如发动机水温达到107 ℃时触发二级报警，发动机功率降低60%，如果发动机水温继续升高达到115 ℃时触发三级报警，发动机立即停机。

2 系统配置参数

（1）标定参数。该发动机有喷油器、风扇泵电磁阀和正时传感器等3 个标定。每支喷油器制造误差不同，喷油器靠0.2 mm 行程的提升阀控制345 00 kPa 的燃油，并且发动机高怠速运转时每支喷油器每秒通断17 次，为了让机械响应效果达到理论上的方波，生产商针对每支喷油器编制出喷油器校准文件，ECM 通过校准文件使用电控的方式调整电磁阀通电波形，减小机械误差的影响。

风扇泵电磁阀控制的是风扇泵斜盘调节压力，通过该电磁阀的标定可以设置风扇的最小转速与最大转速。生产电磁阀时也会有制造误差，比例电磁阀要求控制精准，所以标定电磁阀可以让设备恢复出厂设置，使运行参数在标准范围内。

凸轮轴是曲轴通过齿轮带动的，虽然齿轮传动精准度已经很高了，但是齿轮也会有磨损。该发动机设置了正时标定接口，对凸轮轴进行定位，精准控制正时。

（2）发动机功率配置。FLS 和FTS 两个参数是发动机最大扭矩设定值，也代表发动机的最大功率，出厂时此参数是对应着发动机进行设置的，正常情况下不更改。

ECM 利用“空燃比油量限制”和“额定油量限制”配合发动机转速来调节当前喷油量。当发动机油门位置设定在高怠速且未踩下减速踏板时，发动机虽然以2000 r/min 最高转速运转，但并非最大喷油量。在发动机遇到较大负载时，ECM 通过曲轴转速传感器监测到发动机转速下降，所以增加当前喷油量。如果喷油量突然增加，会使进入气缸内的气量与油量比例过大，导致黑烟产生，所以ECM 通过大气压力传感器和进气压力传感器监测发动机进气量从而生成“空燃比油量限制”，使当前喷油量始终被限制在“空燃比油量限制”的下方。当ECM 检测到进气量逐步增加，“空燃比油量限制”也逐步提高，当前喷油量跟随“空燃比油量限制”逐步增加，使喷油量有个缓增过程。

如果负载持续上升使喷油量到达“额定油量限制”时，当前整机喷油量为95 L/h 不再增加，进气压力为90 kPa 大气压力＋130 kPa 增压压力，此时发动机功率接近560 kW，变矩器失速。

3 小结

该款发动机特点主要体现在燃油喷射控制，闪存编程为控制核心，再利用正时传感器标定和喷油器电磁阀标定等辅助程序与精细的机械设计把燃油喷射精准控制，从根本上减少黑烟的产生，有效控制废气排放问题。