控制系统
控制系统中包含下列部件：
- 电子控制模块（ECM）和发动机接线盒中的紧急停机按钮
- 配有机器信息显示系统（MIDS）或 Advisor 监控显示器的选装远程控制面板
- 综合燃烧感应模块（ICSM）
- 断气阀（GSOV）
- 由 ECM 控制的点火系统
- 每两个气缸一个的爆震传感器
- 包括电磁阀和预润滑泵的预润滑或后润滑系统
- 用于启动和控制燃料、阻风门和排气旁路（废气旁通阀）的电子液压式和电控式执行器
- 包括电磁阀和起动马达的盘车系统
ECM 控制着发动机的大部分功能。 模块是环境密封式装置，安装在发动机接线盒内。 ECM 会监控来自传感器的各种输入以便以适当的水平启动继电器、电磁阀等。 ECM 支持下列 5 种主要功能：
- 发动机调速
- 点火控制
- 空燃比控制
- 起动/停机控制
- 发动机运转情况的监测
ECM 没有可拆除的个性化模块。 使用 Caterpillar 电子技师 (ET) 并通过编程闪存文件来更改软件和映射图。
发动机转速的调节
预期的发动机转速由怠速/额定开关的状态、预期转速输入的状态（模拟电压或 4 至 20 mA）及编程到软件内的参数的状态确定。 通过发动机转速/定时传感器信号检测实际的发动机转速。 诸如怠速和调速器增益等参数都可以使用 Cat ET 进行编程。
ECM 监控实际的发动机转速。 ECM 计算实际发动机转速与预期发动机转速之间的差异。 ECM 控制燃料促动器以便保持预期的发动机转速。 燃料执行器位于进气歧管的法兰处。
如果实际发动机转速低于预期发动机转速，ECM 会命令燃料执行器移向打开位置，以增加燃料流量。 燃料流量的增加提高发动机的转速。
点火控制
每个缸有一个点火变压器。 为了点燃，ECM 会在适当的时间向每个点火变压器的初级线圈发送大约 108 伏的脉冲，并维持适当的持续时间。 变压器升压，在火花塞电极间产生火花。
ECM 提供对爆震敏感的可变点火定时。 爆震传感器可监控发动机的过度爆震。 发动机相邻的每两个气缸有一个爆震传感器。 传感器产生震动数据，然后 ECM 处理该数据并确定爆震程度。 如果爆震达到无法接受的程度，ECM 会延迟受影响气缸（一个或多个）的点火定时。 如果延迟定时不能将爆震限制到可接受的程度，ECM 将关停发动机。
爆震程度可由选装的控制面板上的机器信息显示系统（MIDS）或 Advisor 显示器显示。 此外也可使用 Cat ET 的 "X 号气缸爆震水平"屏幕。 "X" 代表气缸号。
ECM 为点火系统提供广泛的诊断。
空燃比控制
ECM 可提供对低排放级下的空气/燃料混合气性能和效率的控制。 该系统包括以下部件：ECM 中的映射图, ECM 中的输出驱动器, 燃料执行器, 阻风门执行器, 排气旁路（废气旁通阀）执行器, ICSM, 热电偶 和 燃烧传感器。 图 1 中描绘了系统的主要部件和通信线路。
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| 图 1 | g00910538 |
预期空燃比基于 ECM 中存储的映射图。 映射图分别针对不同的用途、发动机转速和发动机负载。
发动机负载通过燃料流量计算。 例如，燃料流量为零，负载为零；燃料流量为 100 cfm，负载可能为额定负载的 50%。
注: 算出的发动机负载是变化的。 多个变量会影响算出的发动机负载，包括定时、排放设定、燃料质量和燃料的比重。
该系统有 5 个空燃比运作模式：
- 起动
- 无反馈
- 排气口温度反馈
- 燃烧反馈
- 预燃室标定
进气歧管压力错误 - 这是实际进气歧管压力与预期进气歧管压力之间的绝对压差。
在每一种模式中，空燃比由阻风门执行器或废气旁通阀执行器控制：任何时候只有一个执行器在工作。 具体激活哪个执行器由它们提供预期进气歧管压力的能力确定。 两个执行器都能调节空气流量。 调节是基于算出的进气歧管压力误差。 两个执行器都由空燃比映射图控制。
经编程后，软件也可按照水套水温度和发动机转速来修正燃料流量。 当冷却液温度不在水温调节器的额定温度内时，发生这种情况。 如果温度比额定值低，缸盖中的燃料温度也会更低且密度更大。 由于密度更大的燃料会使空气/燃料混合气比预期的更浓，因此需针对更低的温度修正燃料流量的计算。 这会使实际的空燃比变稀。 如果温度比额定值高，缸盖中的燃料会密度更小。 由于温度更高的燃料会使空气/燃料混合气变稀，因此需针对更高的温度修正燃料流量的计算。 这会使空燃比变浓。
注: 当发动机在燃烧反馈模式中运转时，水套水温度只影响燃料修正因子。
有关运作模式与发动机负载之间的关系以及模式间的转换，请参阅图 2。 图 2 针对采用 1.9 及更早版本软件的发动机。
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| 图 2 | g01648774 |
针对 1.9 版软件的运作模式、转换和发动机负载示意图 | |
有关运作模式与发动机负载之间的关系以及模式间的转换，请参阅图 3。 图 3 针对采用 2.0 版软件的发动机。 下面对运作模式进行详细解释。
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| 图 3 | g01649253 |
针对 2.0 版软件的运作模式、转换和发动机负载示意图 | |
注: 进气歧管压力的控制不是由发动机负载直接确定。 具体激活哪个执行器由它们提供预期进气歧管压力的能力确定。
当负载低于约 40% 时，空燃比由阻风门执行器控制。 当发动机起动时，阻风门控制空气流量。 当发动机转速和负载增加时，阻风门继续控制空气流量。 随着发动机转速和负载的增加，所需的进气歧管压力也增加。 阻风门打开以便提供更多的燃烧空气。 当阻风门完全打开时，阻风门无法进一步增加空气流量。 然后，激活废气旁通阀。
相反地，所需的进气歧管压力随着发动机转速和负载的降低而降低。 当燃烧空气需求降低时，废气旁通阀打开。 当废气旁通阀完全打开时，废气旁通阀无法调节更小的燃烧空气量。 然后，再次激活阻风门。
当起动时，阻风门一直保持在固定位置，直到发动机达到预期转速 10 秒为止。 这样能修正过大的进气歧管压力误差。 阻风门的起动位置在 Cat ET 配置屏幕中设定。 起动位置取决于气缸数。 通常，起动位置在 60% 至 80% 关闭点之间。 如果起动位置设定太高，发动机将不能获得足够的燃烧空气。
如果起动位置设定太高且发动机转速没有增加到预期转速，软件程序会逐步打开阻风门，直到发动机转速增加为止。 这可使发动机转速稳定增加，直至达到预期转速。
阻风门的最大位置也可在 Cat ET 配置屏幕中设定。 当发动机空载运转时，设定最大位置以便有充足的空气用于燃烧。 通常，最大位置在 75% 至 85% 关闭点之间。
当发动机转速达到预期转速 10 秒后，空燃比由空燃比的映射图直接控制。 没有与任何反馈相关的修正因子：这是 100% 的修正因子。 该运作模式不使用反馈。
通常，计算映射图以便为最高达到约 40% 的负载提供低空燃比。 这可提供足够浓的混合气以在低温下运作。 空燃比将继续由映射图控制，直到实际状况允许在反馈模式或预燃室标定模式下运作。
起动后必须保持低空燃比，以便使阻风门部分关闭。 否则，阻风门可能会完全打开，废气旁通阀将控制进气歧管压力。 这会导致一段时间的缺火和燃料流量过大。 由于燃料流量过大，算出的发动机负载也会过大。
可编程的"预期发动机排气口温度"参数 - 该参数在 Cat ET 配置屏幕中设定。 这是 25% 负载时的预期排气口温度。 当在排气口温度反馈模式中运作时，控制装置使用该参数。
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| 图 4 | g00914203 |
算出的预期排气口温度的图表 | |
算出的预期排气口温度与可编程的"预期发动机排气口温度"有差异，每 1% 负载相差 1 °C (1.8 °F)。 当发动机负载低于 25% 时，每 1% 负载下算出的预期排气口温度会增加 1 °C (1.8 °F)。 当发动机负载高于 25% 时，每 1% 负载下算出的预期排气口温度会减小 1 °C (1.8 °F)。
控制装置平均排气口温度 - ICSM 持续计算平均排气口温度。 如果任一气缸排气口的实际温度低于 273 °C (523 °F)，ICSM 用 273 °C (523 °F) 温度取代该气缸。 该温度会取代任何排气口温度低于 273 °C (523 °F) 的气缸。 该温度用于所有被监控气缸的平均温度计算。
排气口温度反馈 - 在该运作模式中，控制空燃比以达到预期的排气口温度。 每个气缸的排放口有一个由 ICSM 监控的热电偶。 ICSM 监控一排气缸的实际排放口温度。 ICSM 计算该排气缸的平均排放口温度。 ECM 针对负载计算预期排气口温度。 ECM 将预期排气口温度发送给 ICSM。 ICSM 计算平均排放口温度与预期排放口温度之间的差异。 ICSM 向 ECM 发送一个燃料修正因子。 ECM 使用燃料修正因子来控制阻风门执行器，以便保持预期排气口温度。
起动后，排气口温度反馈模式在下列状况下激活：
- 算出的控制装置平均排气口温度超过预期排气口温度。
- 算出的控制装置平均排气口温度停止增加。 发动机负载低于约 40%。
- 无反馈运作的计时器终止。
转换到排气口温度反馈模式也可能在下列情况下发生：
- 空燃比由燃烧反馈控制。 发动机负载降低到约 38% 或更低。 在 30 秒内发生转换。
- 发动机退出预燃室标定模式。 发动机负载为 38% 或更低。 在 30 秒内发生转换。 在这种情况下，燃料修正因子从 100% 开始。 然后调整燃料修正因子，以便达到预期排气口温度。
编程的空燃比控制装置开始使用修正因子，按照空燃比映射图中的规定修改空燃比。 修正因子基于排气口温度的误差。
如果平均排气口温度太低，ECM 会命令阻风门执行器移向关闭位置，以使空气/燃料混合气变浓。 更浓的空气/燃料混合气在燃烧时会增加排气口温度。
早期的闪存文件允许以高于 40% 负载起动的发动机从"无反馈"模式直接转换到"燃烧反馈"模式。 该负载可以是实际的发动机负载，也可以是气缸缺火导致指示负载增大到 40% 以上。 这可能导致性能问题。 使用 "v2.0" 软件时，发动机可以保持在"排气温度反馈"模式一段时间，该时间由配置参数"发动机起动排气温度反馈时间延迟"指定。 配置参数"发动机起动排气温度反馈时间延迟"的默认设置为 180 秒，范围为 60 至 360 秒。
燃烧反馈 - 在该运作模式中，控制空燃比以达到预期的燃烧时间。
当负载接近 40％ 时，空燃比由废气旁通阀执行器控制，而该执行器由燃烧时间调整。
燃烧时间 - 测量每个气缸的燃烧时间。 每个气缸有一个燃烧传感器。 点火脉冲启动 ICSM 中的计时器。 气缸中的火焰从火花塞行进到燃烧传感器。 ICSM 监控通过燃烧传感器的电压。 当火焰到达燃烧传感器时，传感器周围的电离会改变电压。 当 ICSM 检测到传感器电压的改变时，ICSM 停止计时器。 燃烧时间是测量空燃比的一种方法。 较浓的空气/燃料混合气提供较快的燃烧时间。 较稀的空气/燃料混合气提供较慢的燃烧时间。
每个 ICSM 对每排中的所有气缸计算一个平均燃烧时间。 ECM 将预期燃烧时间映射图中的一个点发送到 ICSM。 ICSM 计算平均燃烧时间与预期燃烧时间之间的差异。 ICSM 向 ECM 发送一个燃料修正因子。 ECM 控制废气旁通阀执行器以保持预期的燃烧时间。
将一个预期进气歧管压力指令从 ECM 发送到废气旁通阀执行器。 执行器调整进气歧管压力，以修正燃烧时间。
如果平均的预期燃烧时间太快，ECM 会命令废气旁通阀执行器移向关闭位置，为较稀的空气/燃料混合气提供更多的空气。 这可使燃烧时间变慢。 如果平均的预期燃烧时间太慢，ECM 会命令废气旁通阀执行器移向打开位置，为较浓的空气/燃料混合气提供更少的空气。 较浓的空气/燃料混合气可更快地燃烧。 在负载高于约 40% 的运作中，这是一个连续的过程。
燃烧反馈模式在下列任一状况下激活：
- 空燃比在排气口温度反馈模式。 发动机负载高于 42%。 平均排气口温度稳定，达到预期排气口温度。 在 30 秒内发生转换。
- 发动机退出预燃室标定模式，发动机负载高于或等于 42%。 在 30 秒内发生转换。
预燃室标定模式 - 该模式可使用 Cat ET 激活。 该模式可在任何负载状况下激活。 该模式用于调整预燃室的针阀，以达到预期的废气排放。 在预燃室标定模式中，燃料修正因子保持在 100%。 退出该模式后，调整燃料修正因子以达到预期的空燃比。
起动/停机控制
ECM 包含控制发动机预润滑、起动、停机和后润滑的逻辑及输出。 客户可编程的逻辑会对以下部件的信号做出响应：发动机控制开关, 紧急停机开关, 远程起动开关, 数据链路 和 其他输入。
为了在适当的时间控制发动机，ECM 向控制预润滑泵、起动马达和断气阀的电磁阀提供蓄电池正极电压。
当可编程逻辑确定需要预润滑时，ECM 向预润滑泵电磁阀提供蓄电池正极电压。 在发动机将要盘车前，预润滑必须产生充足的发动机机油压力。 发动机有一个预润滑压力开关。 当发动机机油压力充足时，压力开关关闭，发动机能够盘车。
当可编程逻辑确定发动机需要盘车时，ECM 向起动马达电磁阀提供蓄电池正极电压。 旋转的曲轴也会使电子液压执行器泵运转。 该泵为燃料执行器、阻风门执行器和废气旁通阀执行器的运转提供液压油压力。
发动机有一个通电运转型断气阀（GSOV）。 当可编程逻辑确定需要燃料来起动发动机或运转发动机时，ECM 向断气阀的电磁阀提供蓄电池正极电压。
在 GSOV 通电 1 秒后，监控燃料与空气之间的压差。 在 ECM 向燃料执行器发送指令前，监测该参数以确保没有燃料进入燃料歧管。 如果燃料与空气的压差低于 0.5 kPa (0.073 psi)，ECM 向燃料执行器电磁阀提供蓄电池正极电压。
ECM 通过调整流经执行器电磁阀的电流来控制燃料执行器。 在起动时，燃烧室通常充满过多的燃烧空气。 ECM 运转燃料执行器，为可燃的空气/燃料混合气提供充足的燃料。
当达到可编程的盘车终止转速或当可编程的盘车周期时间终止时，ECM 从起动马达电磁阀撤除电压。 起动马达的小齿轮脱离飞轮齿圈。
当可编程逻辑确定需要关停发动机时，ECM 从燃料执行器和 GSOV 的电磁阀撤除蓄电池正极电压。 燃料关断。
预润滑系统需在发动机关停时执行一个后润滑周期。 这能够在停机时为涡轮增压器提供适当的润滑。
监控发动机运转
ECM 同时监控发动机运转和电气系统。
发动机运转故障会导致 ECM 产生事件代码。 ECM 可发出警告或停机事件。 这取决于状况的严重性。
例如，高压泵为电子液压系统提供液压油压力。 液压油供给与发动机机油是分开的。 高压液压油的供给由压力开关监控。 如果压力降低到可接受的水平以下，ECM 产生事件代码并关停发动机。
ICSM 可监控燃烧传感器、气缸热电偶和涡轮增压器热电偶。 ICSM 经由 Cat 数据链路向 ECM 发送有关参数的信号。 如果任何参数超过可接受的范围，ECM 可启动警告或关停。
有关事件代码的更多信息，请参阅故障诊断和排除, "事件代码"。
诸如开路等的电气系统故障会产生诊断代码。 有关详细信息，请参阅故障诊断和排除, "诊断故障代码"。