Cummins ISF3.8 引擎管理系統:感知器、執行器、CAN 匯流排與廢氣排放控制系統

Cummins ISF 引擎控制模組具有由兩個接頭座組成的連接器。

「A」接頭座連接車輛線束,其組成依車輛配備而有很大差異。

控制模組透過此接頭座取得電源並與車輛搭鐵連接。

引擎管理系統主要元件
圖 1. 引擎管理系統主要元件。

「B」接頭座整合引擎線束:感知器與執行器。其元件組成取決於該引擎所符合的排放法規。

曲軸位置感知器

曲軸位置感知器安裝於曲軸皮帶輪附近。

曲軸位置感知器
圖 2. 曲軸位置感知器。

曲軸位置感知器的工作原理基於霍爾效應。

感知器測定曲軸位置並將此資料轉換為訊號(矩形脈衝)。引擎電子控制模組根據這些訊號測定曲軸轉速,並修正噴油器開始開啟的時刻、開啟持續時間及噴油提前角。

感知器有三條線:電源、搭鐵與訊號線。感知器電源由引擎控制模組穩定提供約 5 V(接點 B13)。搭鐵接點亦連接至控制模組(接點 B14)。感知器訊號送至控制模組接點 B38,為低準位約 0 V、高準位約 5 V 的矩形脈衝。

感知器的主要故障分為三類:

感知器本身故障

霍爾效應感知器的故障主要在引擎預熱後出現——感知器內建電子元件受熱後失效,產生脈衝遺漏。

曲軸位置感知器訊號
圖 3. 曲軸位置感知器訊號。

線束故障

表現為感知器訊號完全或部分缺失。診斷方式為:點火開關開啟且接頭連接時,檢查感知器接點電壓;接頭拆開時,量測感知器至控制模組之線束導通性。

感知器轉子(觸發輪)故障

應注意,轉子齒損壞時不允許修復——必須更換轉子。焊接會改變材料磁性,經過修復齒時感知器訊號可能出現異常。

若嘗試起動引擎失敗時轉速錶指針不動,可作為曲軸位置感知器可能故障的指標。

凸輪軸位置感知器

凸輪軸位置感知器位於汽缸蓋上,用於判定第 1 缸活塞於壓縮行程到達上死點的時刻。引擎電子控制模組根據感知器訊號判定各缸噴油順序。

凸輪軸位置感知器的工作原理基於霍爾效應。

感知器有三條線:電源、搭鐵與訊號線。感知器電源由引擎控制模組穩定提供約 5 V(接點 B87)。搭鐵接點亦連接至控制模組(接點 B63)。感知器訊號送至控制模組接點 B62,為低準位約 0 V、高準位約 5 V 的矩形脈衝。

感知器的主要故障分為三類:

  1. 感知器本身故障。霍爾效應感知器的故障主要在引擎預熱後出現——感知器內建電子元件受熱後失效,產生脈衝遺漏。
凸輪軸位置感知器訊號
圖 4. 凸輪軸位置感知器訊號。
  1. 線束(含接頭)故障。表現為感知器訊號完全或部分缺失。診斷方式為:點火開關開啟且接頭連接時,檢查感知器接點電壓;接頭拆開時,量測感知器至控制模組之線束導通性。
  2. 感知器轉子(觸發輪)故障。

增壓壓力感知器與進氣溫度感知器總成

增壓壓力感知器安裝於進氣歧管,為壓阻式感知器。感知器測定渦輪增壓器在進氣歧管中產生的增壓壓力,並輸出訊號至控制模組。

增壓壓力感知器內建增壓空氣溫度感知器。

感知器有四條線:電源、搭鐵、增壓壓力感知器訊號線及增壓空氣溫度感知器訊號線。

感知器電源由引擎控制模組穩定提供約 5 V(接點 B89)。搭鐵接點亦連接至控制模組(接點 B65)。

增壓壓力感知器訊號送至控制模組接點 B70,其電壓隨壓力上升而增加。增壓空氣溫度感知器訊號送至控制模組接點 B23。

燃油共軌壓力感知器

燃油壓力感知器安裝於燃油蓄壓器(燃油共軌)上,以適當精度與回應速度量測蓄壓器內燃油壓力的瞬時值。

燃油經蓄壓器孔口及感知器殼體內通道進入感知器,通道末端以膜片封閉,受壓燃油作用於膜片。感知器感測元件將壓力轉換為電訊號,送至引擎電子控制模組。

引擎電子控制模組根據燃油壓力感知器訊號及其他燃油系統元件訊號,對燃油系統運作進行必要修正(透過控制高壓燃油泵執行器,在蓄壓器中建立所需燃油壓力)。

感知器有三條線:電源、搭鐵與訊號線。感知器電源由引擎控制模組穩定提供約 5 V(接點 B92)。搭鐵接點亦連接至控制模組(接點 B68)。感知器訊號送至控制模組接點 B69,其電壓隨壓力上升而增加。

冷卻液溫度感知器

冷卻液溫度感知器安裝於節溫器殼體中,用於測定引擎冷卻液溫度並將訊號傳送至引擎電子控制模組。

感知器為熱敏電阻。冷卻液溫度升高時,感知器電阻降低。引擎電子控制模組根據感知器訊號電壓評估冷卻液溫度,並對燃油系統運作進行必要修正。

感知器有兩條線:搭鐵(控制模組接點 B43)與兼作電源的訊號線(控制模組接點 B46)。點火開關開啟時,感知器接頭拆開後接點 2 上應有約 5 V 的穩定電源。

加速踏板位置感知器

加速踏板位置感知器用於判定駕駛人踩踏加速踏板的程度。

感知器由兩個電位計(可變電阻)組成,具有獨立電路(電源、訊號與搭鐵)。因此感知器包含兩個通道——1 與 2。踩下加速踏板時,感知器電阻隨踩踏程度平順變化。

送至引擎電子控制模組的加速踏板位置感知器訊號會與程式設定的特性曲線比對(通道 1 與 2 訊號亦相互比對,以檢核讀值正確性)。控制模組再產生輸出控制訊號,據以控制燃油系統運作(例如判定所需供油量)。

機油壓力警告感知器

機油壓力警告感知器為繼電器式(開關式)感知器,當潤滑系統機油壓力降至特定值以下時接點閉合。

感知器訊號送至控制模組接點 37B——感知器將此電路搭鐵。引擎運轉時(曲軸位置感知器有訊號)接收到此感知器訊號,引擎控制模組即命令儀錶板「STOP」故障指示燈亮起。

依儀錶總成與引擎控制模組間資料交換系統的實現方式,此命令可經由獨立電路(接點 A49)或 CAN 資料匯流排(接點 14A 與 15A)傳送。

大氣壓力感知器

大氣壓力感知器測定目前大氣壓力並將訊號傳送至引擎控制模組。此感知器為引擎在不同海拔高度下正常運作所需。

感知器有三條線:電源、搭鐵與訊號線。感知器電源由引擎控制模組穩定提供約 5 V(接點 B88)。搭鐵接點亦連接至控制模組(接點 B64)。感知器訊號送至控制模組接點 B72,其電壓隨壓力變化。

執行器

高壓燃油泵(噴射泵)

高壓燃油泵上裝有電磁燃油壓力調節器,依引擎負荷維持蓄壓器內的工作燃油壓力。當需要提高蓄壓器燃油壓力時,電磁調節器閥門依引擎控制模組訊號關閉,將高壓段與低壓(回油)管路隔離。當需要降低蓄壓器燃油壓力時,電磁調節器閥門依引擎控制模組訊號開啟,將部分燃油導回回油管路,從而降低蓄壓器燃油壓力。

噴油器

噴油器依引擎控制模組訊號將燃油噴入引擎汽缸。共軌蓄壓式燃油系統採用電磁驅動噴油器。

渦輪增壓器可變幾何驅動器

部分引擎型式配備可變幾何渦輪增壓器。可變幾何系統驅動器安裝於渦輪增壓器上,控制渦輪增壓器幾何(葉片位置)變化系統。

引擎電子控制模組接收曲軸位置感知器、冷卻液溫度感知器、增壓空氣溫度感知器、增壓壓力感知器及大氣壓力感知器資料(用以判定引擎負荷與運作條件),計算最佳葉片位置並送出訊號至驅動器電動馬達,藉此調節渦輪增壓器壓縮機的效能。

CAN 資料匯流排

CAN(Controller Area Network)資料匯流排為 Bosch 公司開發的序列高速資料傳輸線,具有高抗雜訊性與錯誤保護能力,用於減少車內資料交換的線束數量。各控制模組在此匯流排上選擇性傳送與接收資料。

匯流排採雙線架構:CAN-High(H)與 CAN-Low(L)通道。線路絞成雙絞線以提升抗雜訊性。未絞線部分最大長度不得超過 40 mm,以確保 H 與 L 通道間所需電位差,並避免訊號反射造成訊息錯誤。

控制模組內部、匯流排兩端,於 CAN 匯流排端子並聯電阻,通常為 120 歐姆。這些電阻亦有助於判斷匯流排各分支線路是否正常:量測 CAN 匯流排上各控制模組接頭拆開後對應接點的電阻,通常應約為 120 或 60 歐姆(單一 120 歐姆電阻或並聯)。視拆開哪一控制模組接頭而定(可能有多種情況)。依系統實現方式,這些電阻可能安裝於控制模組內、CAN 匯流排中間接頭內或專用 CAN 匯流排終端器內。

車輛 CAN 資料匯流排建構範例
圖 5. 車輛 CAN 資料匯流排建構範例:ECM — 引擎控制模組;TCM — 變速箱控制模組;ABS — ABS 控制模組;DLC — 診斷接頭;MET — 儀錶總成。

車輛 CAN 資料匯流排建構範例(可能有多種變化)。

CAN 匯流排訊號波形
圖 6. CAN 匯流排訊號示波範例。

資訊匯流排負載取決於匯流排上控制模組數量及傳輸資訊量。兩通道訊號始終彼此對稱且反相。

靜態時,匯流排兩通道(High 與 Low)均應約為 2,5 V(對應邏輯「1」)。CAN-Low(L)通道訊號在其高準位 2,5 V(邏輯「1」)與低準位 1,5 V(邏輯「0」)間切換。CAN-High(H)通道訊號在其低準位 2,5 V(邏輯「1」)與高準位 3,5 V(邏輯「0」)間切換。因此,匯流排切換至邏輯「0」時,兩通道電位差為 2 V。

CAN 匯流排可能故障分為三類:

  • 線束/接頭故障(斷路、短路、搭鐵或電源短路);
  • 匯流排上控制模組故障;
  • CAN 匯流排線束受干擾(線束配置不當、線束未絞成雙絞線)。

廢氣排放控制系統

現代引擎必須符合日益嚴格的廢氣排放要求。為使引擎符合更嚴格的環保要求,需最佳化其構造、改良管理系統與燃油設備,並加裝廢氣排放控制子系統。此外,必須使用相應的燃油。

下圖為導入排放控制子系統對相應排氣參數的影響示意圖:NOx — 氮氧化物,ТЧ — 固體微粒(含碳煙)。

導入排放控制子系統的效果
圖 7. 導入排放控制子系統的效果。

廢氣再循環子系統(EGR)

廢氣再循環子系統(EGR)安裝於部分引擎機型,以達到歐盟三期排放標準,配合供油修正亦可達到歐盟四期。符合歐盟三期標準的引擎機型可能未配備此系統。

EGR 子系統降低氮氧化物(NOx)排放。空氣中含有分子氮,正常條件下呈惰性,不與空氣中的氧反應。但進入引擎燃燒室後,在高溫作用下氮被氧化,形成有毒氮氧化物,溫度越高生成量越多。

廢氣再循環系統將部分廢氣從排氣歧管經進氣歧管導回燃燒室,降低油氣混合氣燃燒溫度,從而減少氮氧化物生成。

EGR 子系統組成

Cummins ISF 引擎的 EGR 子系統有多種實現方式,其組成隨之不同。ISF3.8 引擎的 EGR 子系統包括:EGR 閥總成、EGR 冷卻器及電子管理系統元件。

EGR 閥具有電動驅動器,依控制模組命令以所需開度開啟與關閉再循環通道。再循環氣體量由空氣流量感知器判定:空氣流量下降使控制模組得知廢氣進入引擎。

節氣門伺服驅動器安裝於進氣歧管,用於調節節氣門位置。伺服驅動器由直流電動馬達與節氣門位置感知器組成。柴油引擎進氣系統中的節氣門伺服驅動器用於提高廢氣再循環率,方式是降低進氣歧管內的高壓(藉由關小節氣門達成),從而將廢氣吸入進氣道。節氣門調節僅在低轉速模式下進行。

EGR 的缺點

使用過程中,廢氣中的碳煙堵塞再循環通道與 EGR 閥。因此閥門移動終將卡死,無法再發揮功能。通常閥門在部分開啟時卡死,使再循環氣體即使在不应進入時仍持續進入進氣道。這會破壞油氣混合氣組成,導致可用動力損失、排煙增加。此問題並非總能藉清洗閥門解決:閥門可能損壞而需更換。

廢氣中的固體微粒亦會污染進氣歧管與進氣門。污染可能嚴重到車輛完全無法行駛——空氣無法進入引擎。清洗進氣歧管可解決此問題。此外,EGR 會使機油更快失去性能。

此外,EGR 會惡化柴油引擎燃油經濟性,並降低其熱效率。

由此可見,此子系統對引擎有一定危害,因此許多車主拆除其元件:拆除所有再循環管路、再循環閥、氣體冷卻器(將再循環廢氣熱量傳至引擎冷卻系統的熱交換器),並以封蓋取代所有管路。但僅此不足:若僅物理拆除 EGR 子系統,控制其運作的控制模組將判定故障並透過儀錶板指示燈告知駕駛人。因此還需對引擎控制模組重新編程(更換管理程式——晶片調校),使控制模組不再監控 EGR 元件,並將工作控制圖替換為符合歐盟三期標準的圖。

柴油微粒濾清器(DPF)

內燃機廢氣中的碳煙如同活性碳般吸附有害物質,且具致癌性,因此極不宜吸入。柴油微粒濾清器(Diesel Particulate Filter, DPF)用於降低車輛廢氣中碳煙及其他固體微粒含量,其功能為捕捉廢氣中的固體微粒並定期燃燒(DPF 再生)。濾芯總表面積接近兩個足球場。

如上圖所示,DPF 與 EGR 協同工作:EGR 降低氮氧化物,但增加廢氣中固體微粒量,再由 DPF 解決。

DPF 子系統組成

DPF 子系統由柴油微粒濾清器及 DPF 壓差感知器組成。此組成例如安裝於 Next Bus 巴士上。

DPF 壓差感知器用於監控濾清器填充程度,其讀值使控制模組判定何時需進行再生。DPF 再生是將濾清器加熱至約 700 °C,使沉積於通道內的固體微粒完全燃燒,形成氣態碳氧化物。

DPF 的缺點

車輛使用錯誤、燃油品質低劣、潤滑材料不適用、使用不適用的燃油與機油添加劑、經常短途行駛及市區行駛模式,常導致 DPF 無法修復的故障,使其再生變得不可能。

面對此問題,車主如同觸媒轉化器情況有兩種解決途徑:更換新品或拆除 DPF。新品 DPF 價格昂貴,拆除往往是使車輛恢復正常運作的唯一方法。此時同樣需對引擎控制模組重新編程,以程式方式關閉 DPF。

選擇性催化還原觸媒(SCR)

此子系統用於降低廢氣中有毒氮氧化物 NOx(NO、NO2)。此子系統的存在使達到歐盟四期標準無需使用 EGR,而與其他排放控制系統併用可達到歐盟五期與六期標準。

如圖所示,使用此子系統時,引擎在最佳化以降低廢氣固體微粒的模式下運作(ТЧ 最佳化燃燒),此時廢氣中 NOx 含量升高則由 SCR 子系統處理。

SCR 系統的工作原理是將廢氣以尿素水溶液在還原催化觸媒中處理。廢氣中的氮氧化物 NOx(NO、NO2)在觸媒中與還原劑 AdBlue 經化學反應後轉化為氮氣 N2 與水 H2O。

SCR 系統原理圖
圖 8. SCR 系統原理圖。

排放控制系統液體(尿素)

所用尿素水溶液以 AdBlue 商標著稱。AdBlue 試劑以特殊技術由高純度尿素與去離子水製成。AdBlue 中尿素比例為 32,5 %。此濃度下試劑凝固點最低,為 −11 °C。任何偏離此濃度均會提高凝固溫度。

尿素供給系統加熱可由獨立加熱元件或車輛冷卻系統實現(此時使用油箱加熱閥)。試劑平均消耗量依引擎型號而異,符合歐盟四期標準的引擎平均應約為柴油消耗量的 4 %。試劑保存期限為 1 年。

SCR 系統結構圖
圖 9. SCR 系統結構圖(可能有多種變化):1 — 尿素噴射器;2 — 還原觸媒;3 — AdBlue 試劑管路;4 — 壓縮空氣管路;5 — 空氣濾清器;6 — AdBlue 油箱加熱閥;7 — AdBlue 管路;9 — 試劑箱;10 — 引擎電子控制模組;11 — 電線;12 — 觸媒前後廢氣溫度感知器。

處理 AdBlue 的注意事項

試劑不具可燃性,依 EC67/548/EEC 指令歸類為安全。少量物質進入人體不構成危險。若 AdBlue 進入消化道,請漱口並飲用大量水。若不適與不舒服感持續,請就醫。

長時間接觸或將身體部位浸入盛有該物質的容器中,可能造成皮膚灼傷。可能接觸該物質時應使用乳膠手套。儘管該產品未被歸類為刺激性化學物質,直接接觸眼睛可能引起短暫不適,表現為流淚或結膜發紅。若溶液直接接觸眼睛,應立即用大量清水沖洗並就醫。

應徹底清除試劑洩漏,以防受傷,因洩漏表面會變得濕滑。應避免液體接觸車輛零件。若已發生,應用水沖洗並清除車體表面殘留物。若 AdBlue 乾燥並在表面結晶,將造成腐蝕。

在高溫(約 70–80 °C)下,AdBlue 會分解,產生氨並可能出現異味。異物與細菌污染可能使 AdBlue 不適用。流出並結晶的尿素會留下白斑,可用水與刷子清除(盡可能立即處理)。AdBlue 滲透性強,應保護電氣元件與接頭避免 AdBlue 進入。

僅使用符合製造商許可標準、原包裝的 AdBlue。為排除污染,禁止重複使用自系統排出的 AdBlue。不得在中和系統中使用水、普通尿素水溶液及非 AdBlue 試劑的其他液體,否則可能導致中和系統故障。處理 AdBlue 時請遵守既定規則。

實務顯示,液體本身的各種污染正是 SCR 系統故障最常見的原因。液體對其接觸的材料非常敏感,首先是金屬:鋅、鋁、銅、鑄鐵與黃銅。接觸這些金屬會形成鹽類,進入觸媒後可能使其失效。

觸媒

尿素送入觸媒後,在水解段分解為氨 NH3 與二氧化碳 CO2。在還原觸媒中,氨 NH3 與氮氧化物 NOx 反應,生成分子氮 N2 與水 H2O。

觸媒正常工作需加熱至不低於 200 °C。為監控觸媒溫度與廢氣溫度,在觸媒入口與出口裝設廢氣溫度感知器。為監控觸媒效率,在觸媒出口裝設氮氧化物濃度感知器。

尿素噴射系統

尿素供給至排氣系統由試劑(尿素)計量模組執行,其包含泵浦、計量與過濾元件。為使尿素在廢氣流中均勻分布,使用混合器。尿素箱內裝有附溫度感知器的液位感知器。

警告!無 AdBlue 試劑行駛會破壞工作溫度條件並使中和系統故障。

尿素噴射在觸媒達到工作溫度時開始,前提是在低環境溫度下能確保足夠的液態尿素。廢氣流量小(怠速)及廢氣溫度過低時,尿素噴射中斷。

SCR 的缺點

車輛配備此系統使駕駛人必須維持尿素箱液位,因禁止以空箱行駛,且銷售基礎設施尚不發達。此外,對所用燃油與潤滑材料品質也有一定要求。

可設定功能

引擎管理系統配備附加功能取決於車輛配備。這些功能以診斷設備編程。以下說明部分附加功能:

  • 定速維持系統(定速巡航)。此功能甚至可在原本未配備的車輛上啟用。為此需安裝相應控制按鈕並更換控制模組程式。
  • 速度限制。此功能可在工廠為兒童運輸車輛編程。若車輛用途改變,亦可透過更換管理程式停用此功能。
  • 提高引擎怠速轉速。此功能可在配備定速維持系統的車輛上啟用。為此需更換控制模組程式,之後在靜止車輛上以定速巡航按鈕設定引擎轉速(若配備引擎煞車)。
  • 動力取出系統所需功能:定轉速引擎管理、遠端加速踏板。
  • 引擎及其他系統運作所需的若干保護功能:引擎最高轉速限制、電瓶充電監控、防盜器、保養週期、扭矩限制(變速箱保護)、降檔。