玉柴天然气发动机ESI电控系统及失效策略解析

烟台汽车工程职业学院（265500） 李臣华

威海职业学院（264210） 刘 华

玉柴天然气发动机ESI电控系统及失效策略解析

烟台汽车工程职业学院（265500） 李臣华

威海职业学院（264210） 刘 华

与汽油机、柴油机相比较，天然气（压缩天然气CNG、液化天然气LNG）发动机具有较高的经济性及安全性，特别是具有良好的排放性，因此，燃气发动机在出租车、货车及客车已得到较为广泛的应用。

玉柴为国内较大的燃气发动机生产厂家，其生产的货车、客车用燃气发动机除了YC6JN系列采用了美国Econtrols生产的ECI系统（电控调压器式）外，其他系列（YC6KN、YC6MKN、YC6GN、YC4GN、YC4DN）发动机均采用具有自主产权的ESI（电控单点喷射式）系统。通过采用自主的ESI系统，彻底摆脱了进口电控系统“产品改进周期过长、标定策略受限制、价格高、供货周期长”等局限。

玉柴燃气发动机ESI系统具有下列技术特点：采用电控单点燃气喷射方式控制燃气量，为国际主流技术（第三代技术产品，电控调压器式为第二代技术）；采用带宽域氧传感器的空燃比闭环控制，实现经济性和排放性均衡；采用增压、中冷及稀薄燃烧，实现高效节能和清洁燃烧；采用单缸独立高能点火、铱金火花塞，提高燃料经济性；采用电控节气门，实现对进气（空气）量的精确控制；采用高精度的传感器，保证控制系统测量、控制精准；具有强大的整车功能，以满足国内客户的各种需求；具有完善的故障诊断、保护策略，保护发动机，及时排除故障。玉柴生产的燃气发动机通过加装带氧化型催化转换装置，可满足国5排放标准。

1 玉柴燃气发动机ESI电控系统组成

1.1 CNG发动机ESI电控系统

如图1所示，CNG发动机ESI电控系统由燃料控制系统、空气控制系统及点火系统等组成。

燃料控制系统主要由CNG气罐、高压减压器及高压电磁阀、低压滤清器、气轨总成及混合器总成等组成。其主要作用是对燃料的压力、温度及喷射量进行精确控制。

空气控制系统主要由空气滤清器、增压器、旁通控制阀、增压压力传感器、电子节气门总成等组成，其主要作用是对空气流量及增压压力进行控制。

点火系统主要由发动机ECU、点火线圈及火花塞（铱金火花塞、间隙为0.35 mm±0.05 mm，BOSCH或NGK公司产品）等组成。点火系统的作用是对最佳点火提前角、点火能量等进行控制。

CNG发动机的工作原理：高压的压缩天然气从CNG气罐出来后，经高压电磁阀（ECU控制高压电磁阀的开闭）进入高压减压器，高压减压器将高压的压缩天然气（工作压力为3 MPa～20 MPa）压力调整至0.4 MPa～0.6 MPa；高压天然气在减压过程中由于减压膨胀，需要吸收大量的热量，为防止减压器结冰，将发动机冷却液引出到减压器对燃气进行加热；经减压后的天然气进入气轨总成，气轨总成的作用是根据发动机运行工况精确控制天然气供给量；天然气与经过电子节气门计量后的空气在混合器内充分混合，进入发动机缸内，经火花塞点燃；火花塞的点火时刻由发动机ECU控制，宽域氧传感器实时监控燃烧后尾气中的氧含量，ECU根据氧传感器的反馈信号及时修正天然气供给量，从而使修正后的空燃比接近目标值，实现空燃比的闭环控制。另外，ECU还对增压压力进行闭环控制。

图1 玉柴CNG发动机ESI电控系统组成示意图

1.2 LNG发动机ESI电控系统

LNG发动机ESI电控系统组成如图2所示。对比图2与图1，可以看出：LNG发动机ESI电控系统与CNG发动机结构基本类似，主要区别在于所使用燃料的状态不同，所以在燃料的供应方式上有所区别。液化天然气自气瓶出来后需要首先吸热汽化变为气态，然后经过稳压、缓冲及过滤后送至气轨总成。

2 玉柴燃气发动机ESI电控系统自诊断

玉柴燃气发动机ESI电控系统的ECU是通过对传感器的输入电信号监测来实现诊断功能的，若检测出电控系统有故障，ECU将产生对应的故障代码并存储；依照故障的严重等级，自动进入不同的失效保护策略；大部分情况下，失效保护策略仍能保持发动机以降低功率的方式继续工作，少数极其严重的故障，根据失效保护策略会使发动机熄火，并输出故障警告和信息（例如点亮故障灯等）。

3 玉柴燃气发动机ESI系统失效保护策略

发动机ECU根据发动机ESI电控系统出现的不同故障类型，将采取故障灯常亮、故障灯闪亮、空燃比闭环控制关闭、空燃比自适应关闭、一级限扭矩、二级限扭矩、强制怠速、限制最高转速及停机等失效保护策略。

3.1 故障灯常亮

进入该失效处理模式后，故障指示灯常亮，直到故障消失。对于不涉及驾驶安全性的一般故障，ECU使用缺省值（故障后默认值）代替真实值，发动机继续正常行驶。例如燃气温度传感器，若该传感器损坏或线路导致电压超限时，ECU将采取点亮故障灯、产生故障代码（P0182、P0183)、使用缺省值（25 ℃）代替等处理措施。

3.2 故障灯闪亮

图2 玉柴LNG发动机ESI电控系统组成示意图

对于较为重要的电控部件故障，通常故障灯闪亮以提醒驾驶人。故障灯闪亮并不独立出现，通常伴随强制怠速、一级限功率、二级限功率、停机等失效策略。例如加速踏板位置传感器，若加速踏板位置传感器损坏或其线路故障导致电压超限时，ECU将采取故障灯闪亮、产生故障码（P0122、P0123）、发动机进入强制怠速（1 200 r/min）等处理措施。

3.3 空燃比闭环控制关闭

当宽域氧传感器及线路出现故障时，ECU将不对氧传感器的测量值进行闭环反馈，即关闭空燃比闭环控制。

3.4 空燃比自适应关闭

此失效策略并不是指空燃比自适应不起作用，而是自适应表更新功能关闭，若故障导致系统的进气量和燃料量计算出现偏差都将触发此失效策略。

3.5 强制怠速

对于某些严重故障，采取强制怠速失效策略，加速失灵，发动机转速维持在1 200 r/min。当出现加速踏板及其线路故障、进气压力传感器及其线路故障、点火线圈及其线路故障时，将触发进入该失效保护策略。

3.6 一级限转矩和二级限转矩

一级限制转矩为限制发动机外特性转矩为原外特性转矩的80%；二级限制转矩为限制发动机外特性转矩为原外特性转矩的50%。

3.7 停机

触发该失效策略后，ECU会停止喷嘴驱动、关闭低压切断电磁阀、停止节气门驱动。若出现节气门位置传感器的信号1与信号2同时超限、信号1与信号2关联故障、节气门卡滞无法关小等3个故障时即触发该失效保护策略。

2016-06-20）