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康明斯柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的工作原理和組成 |
摘要：康明斯柴油發(fā)電機(jī)的共軌燃油系統(tǒng)是一種高壓共軌噴油系統(tǒng)。燃油油軌儲(chǔ)存燃油噴射所需的加壓燃油。ECU在鑰匙開關(guān)接通時(shí)向電子燃油輸油泵（位于ECU后面）供電約30s，以確保加注燃油系統(tǒng)。常開燃油泵執(zhí)行器接收來自ECU的PWM信號(hào)執(zhí)行打開或關(guān)閉操作，以此響應(yīng)來自燃油油軌壓力傳感器的信號(hào)。噴油器具有獨(dú)立的電磁閥。ECU向每個(gè)噴油器獨(dú)立供電，從而為每個(gè)汽缸供油。
一、高壓共軌噴射系統(tǒng)原理與特點(diǎn)
傳統(tǒng)柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)是由燃油泵產(chǎn)生高壓油，然后通過高壓油管輸送到各個(gè)噴油器。而高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是由燃油泵把高壓油輸送到公共的、具有較大容積的配油管——油軌內(nèi)，將高壓油蓄積起來，再通過高壓油管輸送到噴油器，即把多個(gè)噴油器并聯(lián)在公共油軌上。在公共油軌上，設(shè)置了油壓傳感器、限壓閥和流量限制器。由于微電腦對(duì)油軌內(nèi)的燃油壓力實(shí)施精確控制，燃油系統(tǒng)供油壓力因柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化所產(chǎn)生的波動(dòng)明顯減小（這是傳統(tǒng)柴油機(jī)的一大缺陷），噴油量的大小僅取決于噴油器電磁閥開啟時(shí)間的長(zhǎng)短。
1、電控燃油噴射系統(tǒng)的工作原理
電子控制單元（ECU）接收曲軸轉(zhuǎn)速傳感器、冷卻液溫度傳感器、空氣流量傳感器、針閥行程傳感器等檢測(cè)到的實(shí)時(shí)工況信息，再根據(jù)ECU內(nèi)部預(yù)先設(shè)置和存儲(chǔ)的控制程序和參數(shù)（或圖譜），經(jīng)過數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯判斷，確定適合柴油機(jī)當(dāng)時(shí)工況的控制參數(shù)，并將這些參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸送給相應(yīng)的執(zhí)行器，執(zhí)行元件根據(jù)ECU的指令，靈活改變噴油器電磁閥開閉的時(shí)刻或開關(guān)的開或閉，使氣缸的燃燒過程適應(yīng)柴油機(jī)各種工況變化的需要，從而達(dá)到最大限度提高柴油機(jī)輸出功率、降低油耗和減少排污的目的。
一旦傳感器檢測(cè)到某些參數(shù)或狀態(tài)超出了設(shè)定的范圍，電控單元（ECU）會(huì)存儲(chǔ)故障信息，并且點(diǎn)亮儀表盤上的指示燈（向操作人員報(bào)警），必要時(shí)通過電磁閥自動(dòng)切斷油路或關(guān)閉進(jìn)氣門，減小柴油機(jī)的輸出功率（甚至停止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)），以保護(hù)柴油機(jī)不受嚴(yán)重?fù)p壞——這是電子控制系統(tǒng)的故障應(yīng)急保護(hù)模式。
2、燃油系統(tǒng)工作過程
根據(jù)圖1所示的工作原理圖，燃油流過齒輪泵，流到3μm壓力側(cè)濾清器。流過壓力側(cè)濾清器后，燃油進(jìn)入燃油泵執(zhí)行器殼體。燃油泵執(zhí)行器殼體包括放氣管接頭和燃油泵執(zhí)行器。一些燃油通過放氣計(jì)量孔接頭持續(xù)回流。計(jì)量燃油通過燃油泵執(zhí)行器進(jìn)入高壓燃油泵端頭，在此燃油被加壓到油軌壓力，然后從高壓出口管接頭流出。
3、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)特點(diǎn)
（1）將燃油壓力的產(chǎn)生與噴射過程完全分開，燃油壓力的建立與噴油過程無關(guān)。燃油從噴油器噴出以后，油軌內(nèi)的油壓幾乎不變。
（2）燃油壓力、噴油過程和噴油持續(xù)時(shí)間由微電腦控制，不受柴油機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的影響。
（3）噴油定時(shí)與噴油計(jì)量分開控制，可以自由地調(diào)整每個(gè)氣缸的噴油量和噴射起始角。
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圖1 高壓共軌燃油系統(tǒng)工作原理圖 |
圖2 康明斯柴油機(jī)油泵執(zhí)行器 |
二、共軌燃油系統(tǒng)的組成
高壓共軌系統(tǒng)主要由電控單元、高壓油泵、共軌管、電控噴油器以及各種傳感器等組成，如圖3所示。低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌,高壓油軌中的壓力由電控單元根據(jù)油軌壓力傳感器測(cè)量的油軌壓力以及需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，高壓油軌內(nèi)的燃油經(jīng)過高壓油管，根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，由電控單元確定合適的噴油定時(shí)、噴油持續(xù)期由電液控制的電子噴油器將燃油噴入汽缸。
1、高壓燃油泵
高壓燃油泵可被分成4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的總成，它們是燃油齒輪泵、燃油泵執(zhí)行器殼體、凸輪軸殼體和高壓燃油泵泵頭。其工作原理如圖4所示。
（1） 高壓燃油泵的結(jié)構(gòu)，高壓燃油泵由柴油發(fā)電機(jī)凸輪軸驅(qū)動(dòng)，齒輪泵由泵凸輪軸通過內(nèi)部聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)油泵柱塞都由三葉凸輪軸驅(qū)動(dòng)，凸輪軸使用錐形滾柱軸承安裝在凸輪軸殼體模塊內(nèi)，支承凸輪軸的軸承，以及挺桿、滾輪和凸輪軸本身都由柴油發(fā)電機(jī)機(jī)油潤(rùn)滑。
（2）加壓的燃油從齒輪泵供應(yīng)到燃油泵執(zhí)行器中。
（2）ECU控制燃油泵執(zhí)行器的開/閉以保持合適的燃油油軌壓力。
（3）燃油泵執(zhí)行器殼體上的放氣孔可排出供油中的空氣。因?yàn)榇嬖诜艢饪捉宇^，齒輪泵供應(yīng)的部分燃油總會(huì)返回到回油管中。
（4）計(jì)量燃油通過燃油泵執(zhí)行器進(jìn)入高壓燃油泵進(jìn)口油道，通過進(jìn)口單向閥并下壓柱塞而進(jìn)人壓油室。當(dāng)凸輪軸向上推動(dòng)壓油柱塞時(shí)，燃油達(dá)到油軌壓力并提升出口單向閥，而后燃油進(jìn)人燃油泵出口油道，流出高壓燃油管并流入燃油油軌。
2、電控單元和傳感器
電控高壓共軌噴射系統(tǒng)的核心機(jī)構(gòu)是ECU，它一般由輸人模塊、微控制模塊、輸出模塊和通信模塊四部分組成。ECU通過各傳感器實(shí)時(shí)采集柴油機(jī)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)與預(yù)存在ECU內(nèi)的MAP圖相比較，計(jì)算確定噴油定時(shí)和噴油脈寬，然后驅(qū)動(dòng)噴油器電磁閥，完成噴油壓力的控制。此外電控單元還能完成在線故障診斷和應(yīng)急處理，與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，記錄并存儲(chǔ)重要的狀態(tài)參數(shù)。在高壓共軌噴射系統(tǒng)中，除了測(cè)定柴油機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的傳感器外，還裝有共軌壓力傳感器。一般要求共軌壓力傳感器的測(cè)量范圍是20~180MPa，測(cè)量精度±（2%~3%），而且在各種運(yùn)行工況下都應(yīng)有較高的可靠性。
（1）溫度傳感器
該控制系統(tǒng)有2個(gè)溫度傳感器，分別為冷卻液溫度傳感器和進(jìn)氣歧管空氣溫度傳感器。溫度傳感器向ECM提供關(guān)鍵的溫度信息。冷卻液溫度傳感器安裝在節(jié)溫器殼體中，該傳感器得到的信息被ECM用于幫助確定正時(shí)和柴油機(jī)保護(hù)。進(jìn)氣歧管空氣溫度傳感器安裝在中冷器殼體內(nèi)，用于測(cè)量中冷器芯的空氣溫度，該傳感器得到的信息被ECM用于幫助確定正時(shí)和柴油機(jī)保護(hù)。
（2）壓力傳感器
控制系統(tǒng)有6個(gè)壓力傳感器向ECM提供關(guān)鍵信息，這些壓力傳感器分別為：燃油油道壓力傳感器、燃油正時(shí)壓力傳感器、機(jī)油壓力傳感器、冷卻液壓力傳感器、增壓壓力傳感器、大氣壓力傳感器。
① 燃油油道壓力傳感器安裝在燃油控制閥總成內(nèi)，用于測(cè)量油道中供給噴油器的實(shí)際燃油壓力。
② 燃油正時(shí)壓力傳感器也安裝在燃油控制閥總成內(nèi)，用于測(cè)量油道中供給正時(shí)油腔的實(shí)際燃油壓力。
③ 機(jī)油壓力傳感器安裝在ECM上方的主油道中，用于測(cè)量主系統(tǒng)的機(jī)油壓力，ECM利用該傳感器得到的信息確定柴油機(jī)保護(hù)。
④ 冷卻液壓力傳感器位于機(jī)油冷卻器殼體中，用于測(cè)量冷卻系統(tǒng)的壓力，ECM利用該傳感器得到的信息確定柴油機(jī)保護(hù)。
⑤ 增壓壓力傳感器安裝在中冷器殼體中，用于測(cè)量渦輪增壓器后的進(jìn)氣壓力，ECM利用該傳感器得到的信息確定精確供油。
⑥ 大氣壓力傳感器安裝在ECM下部的燃油控制閥總成上，ECM利用該傳感器傳來的信息確定柴油機(jī)保護(hù)。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組在海拔較高的地區(qū)運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)的額定功率將下降，以防止渦輪增壓器超速。
（3）柴油機(jī)速度傳感器
柴油機(jī)速度傳感器位于前齒輪室殼體的背面，它檢測(cè)凸輪軸齒輪背面的24個(gè)突臺(tái)，并將信號(hào)傳送給ECM，ECM利用這些信號(hào)計(jì)算出柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。傳感器具有雙信號(hào)輸出特性，可向ECM提供兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)，即使丟失了一個(gè)信號(hào)，柴油機(jī)仍能繼續(xù)運(yùn)行。
3、共軌管
共軌管是電控高壓共軌噴射系統(tǒng)所特有的部件，主要包括油軌、軌壓傳感器和壓力限制閥。共軌管的主要作用是儲(chǔ)存燃油并保持油壓，消除燃油壓力波動(dòng)，同時(shí)限制燃油壓力，使壓力不超過安全極限值。壓力傳感器向ECU提供油壓信號(hào)；限流器保證在噴油器出現(xiàn)燃油泄漏故障時(shí)切斷向噴油器供油，并可減小共軌管和高壓油管中的壓力波動(dòng)；壓力限制器保證高壓油軌在出現(xiàn)壓力異常時(shí)能迅速將其壓力進(jìn)行卸放。
4、電控噴油器
電控噴油器是共軌式燃油系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件，它的作用是根據(jù)ECU發(fā)出的控制信號(hào)，通過控制電磁閥的開、關(guān)，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時(shí)、噴油量和噴油率噴入柴油機(jī)的燃燒室。電控噴油器的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的噴油器相似，主要由噴油嘴、控制活塞、控制量孔和控制電磁閥組成。
控制室容積的大小決定針閥開啟時(shí)的靈敏度，控制室的容積太大，針閥在噴油結(jié)束時(shí)不能實(shí)現(xiàn)快速斷油，而使后期的燃油霧化效果不好；控制室容積太小，不能給針閥提供足夠的有效行程，使噴射過程的流動(dòng)阻力加大。因此，控制室的容積應(yīng)根據(jù)機(jī)型的最大噴油量進(jìn)行合理選擇。
控制量孔的大小對(duì)噴油嘴的開啟、關(guān)閉速度及噴油過程起著決定性的影響。雙量孔閥體的三個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是進(jìn)油量孔、回油量孔和控制室，確定他們的結(jié)構(gòu)尺寸后，就確定了噴油嘴針閥完全開啟的穩(wěn)定和最短噴油過程，同時(shí)也就確定了噴油嘴的穩(wěn)定最小噴油量。通過調(diào)節(jié)這兩個(gè)量孔的流量系數(shù)，可以找出理想的噴油規(guī)律。
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圖3 柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)關(guān)鍵主件結(jié)構(gòu)組成 |
圖4 電控高壓油泵工作原理 |
三、燃油控制閥組成和原理及維護(hù)
以康明斯QSK19型柴油機(jī)為例，QSK19燃油系統(tǒng)與PT燃油系統(tǒng)一樣采用壓力/時(shí)間概念，但PT系統(tǒng)完全是機(jī)械式的，是依靠機(jī)械方法調(diào)整燃油流通面積來控制燃油壓力的，而QSK19系統(tǒng)則是通過電子方式調(diào)整執(zhí)行器的燃油流通面積來控制燃油壓力。
1、控制閥組成
QSK19燃油系統(tǒng)的核心部分是控制閥總成，由燃油泵產(chǎn)生的燃油流被輸送至控制閥總成，該總成由1個(gè)切斷電磁閥、2個(gè)燃油執(zhí)行器閥和2個(gè)燃油壓力傳感器組成。ECM安裝在總成殼體的前部。
控制閥總成有1個(gè)燃油進(jìn)口和2個(gè)燃油出口，每個(gè)燃油出口分別由各自的執(zhí)行器控制。燃油油道執(zhí)行器控制燃燒所需的燃油，燃油正時(shí)執(zhí)行器控制噴油器正時(shí)控制所需的燃油。
控制閥總成接受來自燃油泵的燃油流，在控制閥總成內(nèi)部，燃油流分別供給2個(gè)控制系統(tǒng)。維持燃油油道壓力的控制系統(tǒng)由快速重新起動(dòng)燃油切斷閥、燃油油道執(zhí)行器和燃油油道壓力傳感器組成，燃油首先流經(jīng)快速重新起動(dòng)燃油切斷閥，然后流向燃油油道執(zhí)行器。
2、控制原理
（1）油道壓力控制
執(zhí)行器是一個(gè)電子控制的滑柱式控制閥，線圈接受來自ECM的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)。根據(jù)來自ECM的信號(hào)，滑柱將向左移動(dòng)開啟進(jìn)油口，允許燃油流過。燃油油道壓力傳感器監(jiān)測(cè)油道壓力并將此信息傳送給ECM。燃油油道執(zhí)行器閥的最大流速為454kg/h。電控噴射特性如圖5、圖6所示。
（2）正時(shí)控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)維持正時(shí)油道壓力，它由正時(shí)油道執(zhí)行器和正時(shí)油道壓力傳感器組成。正時(shí)油道的油壓由正時(shí)油道執(zhí)行器控制，執(zhí)行器同時(shí)受ECM控制。正時(shí)油道壓力傳感器監(jiān)測(cè)正時(shí)油道壓力并將該信息傳回至ECM。正時(shí)油道執(zhí)行器的最大流速為681kg/h。
來自控制閥體的燃油流經(jīng)輸油管道到達(dá)燃油歧管，共有2根燃油歧管，前部歧管向第一至第三氣缸供油，后部歧管向第四至第六氣缸供油。每根歧管上有3個(gè)油道，即正時(shí)油道、燃油油道和回油油道。氣缸蓋上有與燃油歧管相交的油道。正時(shí)燃油和油道燃油流經(jīng)氣缸蓋到達(dá)噴油器，回油從噴油器經(jīng)過氣缸蓋流到燃油歧管。
3、使用與維護(hù)
（1）使用中絕對(duì)不要用水清洗發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)楦鞣N傳感器及ECM的連接插頭進(jìn)水后易使電控系統(tǒng)出現(xiàn)一些難以查找的軟故障。
（2）特別要注意，當(dāng)必須在發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，一定要拆除蓄電池的正、負(fù)極電纜，并斷開發(fā)動(dòng)機(jī)的31針及21針連接器。因?yàn)殡娍叵到y(tǒng)的ECU、傳感器、繼電器等都是低壓元件，如果不斷開連接，焊接時(shí)的瞬時(shí)高壓極易燒毀上述元件，造成人為故障。
（3）柴油機(jī)電控系統(tǒng)對(duì)柴油的品質(zhì)要求較高，使用劣質(zhì)柴油易造成噴油器堵塞和異常磨損。因此，要按時(shí)排出發(fā)動(dòng)機(jī)油水分離器中的水和沉淀物，柴油濾芯要定期更換。
（4）在對(duì)電控柴油機(jī)實(shí)施維修時(shí)，禁止隨意拔下傳感器的插接頭，因?yàn)槊堪蜗乱淮蝹鞲衅鞑褰宇^，自診斷系統(tǒng)就會(huì)記錄一個(gè)故障代碼。
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圖5 電控共軌噴油器全工況噴射特性曲線子區(qū)域劃分 |
圖6 電控共軌噴油器噴射特性的標(biāo)稱形式 |
摘要：
柴油機(jī)電控技術(shù)的出現(xiàn)，是柴油機(jī)發(fā)展過程的一次技術(shù)革命。隨著柴油機(jī)應(yīng)用電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行的智能控制，改善了柴油發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，達(dá)到低污染排放，使其排放符合國(guó)際公約的要求。所以，高壓共軌噴射系統(tǒng)將會(huì)廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)。盡管如此，電控共軌柴油機(jī)也仍然存在著不足之處，如對(duì)電磁閥及傳感器等部件的可靠性要求高，對(duì)機(jī)油的清潔要求、共軌管的密封性要求很高等。所以我們要加強(qiáng)對(duì)電控柴油機(jī)的日常維護(hù)管理，提高管理水平，以降低發(fā)電營(yíng)運(yùn)成本。
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