新聞主題	康明斯柴油機高壓共軌系統的工作原理和組成

摘要：康明斯柴油發電機的共軌燃油系統是一種高壓共軌噴油系統。燃油油軌儲存燃油噴射所需的加壓燃油。ECU在鑰匙開關接通時向電子燃油輸油泵（位于ECU后面）供電約30s，以確保加注燃油系統。常開燃油泵執行器接收來自ECU的PWM信號執行打開或關閉操作，以此響應來自燃油油軌壓力傳感器的信號。噴油器具有獨立的電磁閥。ECU向每個噴油器獨立供電，從而為每個汽缸供油。

一、高壓共軌噴射系統原理與特點

 

      傳統柴油機的燃油系統是由燃油泵產生高壓油，然后通過高壓油管輸送到各個噴油器。而高壓共軌燃油噴射系統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，將高壓油蓄積起來，再通過高壓油管輸送到噴油器，即把多個噴油器并聯在公共油軌上。在公共油軌上，設置了油壓傳感器、限壓閥和流量限制器。由于微電腦對油軌內的燃油壓力實施精確控制，燃油系統供油壓力因柴油機轉速變化所產生的波動明顯減小（這是傳統柴油機的一大缺陷），噴油量的大小僅取決于噴油器電磁閥開啟時間的長短。

1、電控燃油噴射系統的工作原理

      電子控制單元（ECU）接收曲軸轉速傳感器、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到的實時工況信息，再根據ECU內部預先設置和存儲的控制程序和參數（或圖譜），經過數據運算和邏輯判斷，確定適合柴油機當時工況的控制參數，并將這些參數轉變為電信號，輸送給相應的執行器，執行元件根據ECU的指令，靈活改變噴油器電磁閥開閉的時刻或開關的開或閉，使氣缸的燃燒過程適應柴油機各種工況變化的需要，從而達到最大限度提高柴油機輸出功率、降低油耗和減少排污的目的。

      一旦傳感器檢測到某些參數或狀態超出了設定的范圍，電控單元（ECU）會存儲故障信息，并且點亮儀表盤上的指示燈（向操作人員報警），必要時通過電磁閥自動切斷油路或關閉進氣門，減小柴油機的輸出功率（甚至停止發動機運轉），以保護柴油機不受嚴重損壞——這是電子控制系統的故障應急保護模式。

2、燃油系統工作過程

      根據圖1所示的工作原理圖，燃油流過齒輪泵，流到3μm壓力側濾清器。流過壓力側濾清器后，燃油進入燃油泵執行器殼體。燃油泵執行器殼體包括放氣管接頭和燃油泵執行器。一些燃油通過放氣計量孔接頭持續回流。計量燃油通過燃油泵執行器進入高壓燃油泵端頭，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特點

（1）將燃油壓力的產生與噴射過程完全分開，燃油壓力的建立與噴油過程無關。燃油從噴油器噴出以后，油軌內的油壓幾乎不變。

（2）燃油壓力、噴油過程和噴油持續時間由微電腦控制，不受柴油機負荷和轉速的影響。

（3）噴油定時與噴油計量分開控制，可以自由地調整每個氣缸的噴油量和噴射起始角。

圖1  高壓共軌燃油系統工作原理圖

圖2  康明斯柴油機油泵執行器

 

二、共軌燃油系統的組成

 

      高壓共軌系統主要由電控單元、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油軌壓力傳感器測量的油軌壓力以及需要進行調節，高壓油軌內的燃油經過高壓油管，根據機器的運行狀態，由電控單元確定合適的噴油定時、噴油持續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個相對獨立的總成，它們是燃油齒輪泵、燃油泵執行器殼體、凸輪軸殼體和高壓燃油泵泵頭。其工作原理如圖4所示。

（1） 高壓燃油泵的結構，高壓燃油泵由柴油發電機凸輪軸驅動，齒輪泵由泵凸輪軸通過內部聯軸器驅動。兩個油泵柱塞都由三葉凸輪軸驅動，凸輪軸使用錐形滾柱軸承安裝在凸輪軸殼體模塊內，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電機機油潤滑。

（2）加壓的燃油從齒輪泵供應到燃油泵執行器中。

（2）ECU控制燃油泵執行器的開/閉以保持合適的燃油油軌壓力。

（3）燃油泵執行器殼體上的放氣孔可排出供油中的空氣。因為存在放氣孔接頭，齒輪泵供應的部分燃油總會返回到回油管中。

（4）計量燃油通過燃油泵執行器進入高壓燃油泵進口油道，通過進口單向閥并下壓柱塞而進人壓油室。當凸輪軸向上推動壓油柱塞時，燃油達到油軌壓力并提升出口單向閥，而后燃油進人燃油泵出口油道，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的核心機構是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通過各傳感器實時采集柴油機運行過程中的數據并對數據進行處理，將實時運行參數與預存在ECU內的MAP圖相比較，計算確定噴油定時和噴油脈寬，然后驅動噴油器電磁閥，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急處理，與監控系統進行實時通信，記錄并存儲重要的狀態參數。在高壓共軌噴射系統中，除了測定柴油機實時運行狀態的傳感器外，還裝有共軌壓力傳感器。一般要求共軌壓力傳感器的測量范圍是20~180MPa，測量精度±（2%~3%），而且在各種運行工況下都應有較高的可靠性。

（1）溫度傳感器

      該控制系統有2個溫度傳感器，分別為冷卻液溫度傳感器和進氣歧管空氣溫度傳感器。溫度傳感器向ECM提供關鍵的溫度信息。冷卻液溫度傳感器安裝在節溫器殼體中，該傳感器得到的信息被ECM用于幫助確定正時和柴油機保護。進氣歧管空氣溫度傳感器安裝在中冷器殼體內，用于測量中冷器芯的空氣溫度，該傳感器得到的信息被ECM用于幫助確定正時和柴油機保護。

（2）壓力傳感器

      控制系統有6個壓力傳感器向ECM提供關鍵信息，這些壓力傳感器分別為：燃油油道壓力傳感器、燃油正時壓力傳感器、機油壓力傳感器、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，用于測量油道中供給噴油器的實際燃油壓力。

② 燃油正時壓力傳感器也安裝在燃油控制閥總成內，用于測量油道中供給正時油腔的實際燃油壓力。

③ 機油壓力傳感器安裝在ECM上方的主油道中，用于測量主系統的機油壓力，ECM利用該傳感器得到的信息確定柴油機保護。

④ 冷卻液壓力傳感器位于機油冷卻器殼體中，用于測量冷卻系統的壓力，ECM利用該傳感器得到的信息確定柴油機保護。

⑤ 增壓壓力傳感器安裝在中冷器殼體中，用于測量渦輪增壓器后的進氣壓力，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保護。當柴油發電機組在海拔較高的地區運行時，柴油機的額定功率將下降，以防止渦輪增壓器超速。

（3）柴油機速度傳感器

      柴油機速度傳感器位于前齒輪室殼體的背面，它檢測凸輪軸齒輪背面的24個突臺，并將信號傳送給ECM，ECM利用這些信號計算出柴油機的轉速。傳感器具有雙信號輸出特性，可向ECM提供兩個獨立的信號，即使丟失了一個信號，柴油機仍能繼續運行。

3、共軌管

      共軌管是電控高壓共軌噴射系統所特有的部件，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存燃油并保持油壓，消除燃油壓力波動，同時限制燃油壓力，使壓力不超過安全極限值。壓力傳感器向ECU提供油壓信號；限流器保證在噴油器出現燃油泄漏故障時切斷向噴油器供油，并可減小共軌管和高壓油管中的壓力波動；壓力限制器保證高壓油軌在出現壓力異常時能迅速將其壓力進行卸放。

4、電控噴油器

      電控噴油器是共軌式燃油系統中最關鍵和最復雜的部件，它的作用是根據ECU發出的控制信號，通過控制電磁閥的開、關，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率噴入柴油機的燃燒室。電控噴油器的結構與傳統的噴油器相似，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的靈敏度，控制室的容積太大，針閥在噴油結束時不能實現快速斷油，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，使噴射過程的流動阻力加大。因此，控制室的容積應根據機型的最大噴油量進行合理選擇。

      控制量孔的大小對噴油嘴的開啟、關閉速度及噴油過程起著決定性的影響。雙量孔閥體的三個關鍵結構是進油量孔、回油量孔和控制室，確定他們的結構尺寸后，就確定了噴油嘴針閥完全開啟的穩定和最短噴油過程，同時也就確定了噴油嘴的穩定最小噴油量。通過調節這兩個量孔的流量系數，可以找出理想的噴油規律。

 

圖3  柴油機高壓共軌系統關鍵主件結構組成

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

 

      以康明斯QSK19型柴油機為例，QSK19燃油系統與PT燃油系統一樣采用壓力/時間概念，但PT系統完全是機械式的，是依靠機械方法調整燃油流通面積來控制燃油壓力的，而QSK19系統則是通過電子方式調整執行器的燃油流通面積來控制燃油壓力。

1、控制閥組成

      QSK19燃油系統的核心部分是控制閥總成，由燃油泵產生的燃油流被輸送至控制閥總成，該總成由1個切斷電磁閥、2個燃油執行器閥和2個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個燃油進口和2個燃油出口，每個燃油出口分別由各自的執行器控制。燃油油道執行器控制燃燒所需的燃油，燃油正時執行器控制噴油器正時控制所需的燃油。

      控制閥總成接受來自燃油泵的燃油流，在控制閥總成內部，燃油流分別供給2個控制系統。維持燃油油道壓力的控制系統由快速重新起動燃油切斷閥、燃油油道執行器和燃油油道壓力傳感器組成，燃油首先流經快速重新起動燃油切斷閥，然后流向燃油油道執行器。

2、控制原理

（1）油道壓力控制

       執行器是一個電子控制的滑柱式控制閥，線圈接受來自ECM的脈沖寬度調制（PWM）信號。根據來自ECM的信號，滑柱將向左移動開啟進油口，允許燃油流過。燃油油道壓力傳感器監測油道壓力并將此信息傳送給ECM。燃油油道執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）正時控制系統

      該系統維持正時油道壓力，它由正時油道執行器和正時油道壓力傳感器組成。正時油道的油壓由正時油道執行器控制，執行器同時受ECM控制。正時油道壓力傳感器監測正時油道壓力并將該信息傳回至ECM。正時油道執行器的最大流速為681kg/h。

      來自控制閥體的燃油流經輸油管道到達燃油歧管，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個油道，即正時油道、燃油油道和回油油道。氣缸蓋上有與燃油歧管相交的油道。正時燃油和油道燃油流經氣缸蓋到達噴油器，回油從噴油器經過氣缸蓋流到燃油歧管。

3、使用與維護

（1）使用中絕對不要用水清洗發動機，因為各種傳感器及ECM的連接插頭進水后易使電控系統出現一些難以查找的軟故障。

（2）特別要注意，當必須在發電機組上進行焊接作業時，一定要拆除蓄電池的正、負極電纜，并斷開發動機的31針及21針連接器。因為電控系統的ECU、傳感器、繼電器等都是低壓元件，如果不斷開連接，焊接時的瞬時高壓極易燒毀上述元件，造成人為故障。

（3）柴油機電控系統對柴油的品質要求較高，使用劣質柴油易造成噴油器堵塞和異常磨損。因此，要按時排出發動機油水分離器中的水和沉淀物，柴油濾芯要定期更換。

（4）在對電控柴油機實施維修時，禁止隨意拔下傳感器的插接頭，因為每拔下一次傳感器插接頭，自診斷系統就會記錄一個故障代碼。

 

圖5  電控共軌噴油器全工況噴射特性曲線子區域劃分

圖6  電控共軌噴油器噴射特性的標稱形式

 

摘要：

      柴油機電控技術的出現，是柴油機發展過程的一次技術革命。隨著柴油機應用電子技術的不斷發展，對柴油發電機進行的智能控制，改善了柴油發電機組的經濟性和可靠性，達到低污染排放，使其排放符合國際公約的要求。所以，高壓共軌噴射系統將會廣泛應用于柴油機。盡管如此，電控共軌柴油機也仍然存在著不足之處，如對電磁閥及傳感器等部件的可靠性要求高，對機油的清潔要求、共軌管的密封性要求很高等。所以我們要加強對電控柴油機的日常維護管理，提高管理水平，以降低發電營運成本。

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