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新闻主题	康明斯柴油机高压共轨系统的工作原理和组成

摘要：康明斯柴油发电机的共轨燃油系统是一种高压共轨喷油系统。燃油油轨储存燃油喷射所需的加压燃油。ECU在钥匙开关接通时向电子燃油输油泵（位于ECU后面）供电约30s，以确保加注燃油系统。常开燃油泵执行器接收来自ECU的PWM信号执行打开或关闭操作，以此响应来自燃油油轨压力传感器的信号。喷油器具有独立的电磁阀。ECU向每个喷油器独立供电，从而为每个汽缸供油。

一、高压共轨喷射系统原理与特点

 

      传统柴油机的燃油系统是由燃油泵产生高压油，然后通过高压油管输送到各个喷油器。而高压共轨燃油喷射系统是由燃油泵把高压油输送到公共的、具有较大容积的配油管——油轨内，将高压油蓄积起来，再通过高压油管输送到喷油器，即把多个喷油器并联在公共油轨上。在公共油轨上，设置了油压传感器、限压阀和流量限制器。由于微电脑对油轨内的燃油压力实施精确控制，燃油系统供油压力因柴油机转速变化所产生的波动明显减小（这是传统柴油机的一大缺陷），喷油量的大小仅取决于喷油器电磁阀开启时间的长短。

1、电控燃油喷射系统的工作原理

      电子控制单元（ECU）接收曲轴转速传感器、冷却液温度传感器、空气流量传感器、针阀行程传感器等检测到的实时工况信息，再根据ECU内部预先设置和存储的控制程序和参数（或图谱），经过数据运算和逻辑判断，确定适合柴油机当时工况的控制参数，并将这些参数转变为电信号，输送给相应的执行器，执行元件根据ECU的指令，灵活改变喷油器电磁阀开闭的时刻或开关的开或闭，使气缸的燃烧过程适应柴油机各种工况变化的需要，从而达到最大限度提高柴油机输出功率、降低油耗和减少排污的目的。

      一旦传感器检测到某些参数或状态超出了设定的范围，电控单元（ECU）会存储故障信息，并且点亮仪表盘上的指示灯（向操作人员报警），必要时通过电磁阀自动切断油路或关闭进气门，减小柴油机的输出功率（甚至停止发动机运转），以保护柴油机不受严重损坏——这是电子控制系统的故障应急保护模式。

2、燃油系统工作过程

      根据图1所示的工作原理图，燃油流过齿轮泵，流到3μm压力侧滤清器。流过压力侧滤清器后，燃油进入燃油泵执行器壳体。燃油泵执行器壳体包括放气管接头和燃油泵执行器。一些燃油通过放气计量孔接头持续回流。计量燃油通过燃油泵执行器进入高压燃油泵端头，在此燃油被加压到油轨压力，然后从高压出口管接头流出。

3、高压共轨燃油喷射系统特点

（1）将燃油压力的产生与喷射过程完全分开，燃油压力的建立与喷油过程无关。燃油从喷油器喷出以后，油轨内的油压几乎不变。

（2）燃油压力、喷油过程和喷油持续时间由微电脑控制，不受柴油机负荷和转速的影响。

（3）喷油定时与喷油计量分开控制，可以自由地调整每个气缸的喷油量和喷射起始角。

图1  高压共轨燃油系统工作原理图

图2  康明斯柴油机油泵执行器

 

二、共轨燃油系统的组成

 

      高压共轨系统主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成，如图3所示。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨,高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入汽缸。

1、高压燃油泵

       高压燃油泵可被分成4个相对独立的总成，它们是燃油齿轮泵、燃油泵执行器壳体、凸轮轴壳体和高压燃油泵泵头。其工作原理如图4所示。

（1） 高压燃油泵的结构，高压燃油泵由柴油发电机凸轮轴驱动，齿轮泵由泵凸轮轴通过内部联轴器驱动。两个油泵柱塞都由三叶凸轮轴驱动，凸轮轴使用锥形滚柱轴承安装在凸轮轴壳体模块内，支承凸轮轴的轴承，以及挺杆、滚轮和凸轮轴本身都由柴油发电机机油润滑。

（2）加压的燃油从齿轮泵供应到燃油泵执行器中。

（2）ECU控制燃油泵执行器的开/闭以保持合适的燃油油轨压力。

（3）燃油泵执行器壳体上的放气孔可排出供油中的空气。因为存在放气孔接头，齿轮泵供应的部分燃油总会返回到回油管中。

（4）计量燃油通过燃油泵执行器进入高压燃油泵进口油道，通过进口单向阀并下压柱塞而进人压油室。当凸轮轴向上推动压油柱塞时，燃油达到油轨压力并提升出口单向阀，而后燃油进人燃油泵出口油道，流出高压燃油管并流入燃油油轨。

2、电控单元和传感器

      电控高压共轨喷射系统的核心机构是ECU，它一般由输人模块、微控制模块、输出模块和通信模块四部分组成。ECU通过各传感器实时采集柴油机运行过程中的数据并对数据进行处理，将实时运行参数与预存在ECU内的MAP图相比较，计算确定喷油定时和喷油脉宽，然后驱动喷油器电磁阀，完成喷油压力的控制。此外电控单元还能完成在线故障诊断和应急处理，与监控系统进行实时通信，记录并存储重要的状态参数。在高压共轨喷射系统中，除了测定柴油机实时运行状态的传感器外，还装有共轨压力传感器。一般要求共轨压力传感器的测量范围是20~180MPa，测量精度±（2%~3%），而且在各种运行工况下都应有较高的可靠性。

（1）温度传感器

      该控制系统有2个温度传感器，分别为冷却液温度传感器和进气歧管空气温度传感器。温度传感器向ECM提供关键的温度信息。冷却液温度传感器安装在节温器壳体中，该传感器得到的信息被ECM用于帮助确定正时和柴油机保护。进气歧管空气温度传感器安装在中冷器壳体内，用于测量中冷器芯的空气温度，该传感器得到的信息被ECM用于帮助确定正时和柴油机保护。

（2）压力传感器

      控制系统有6个压力传感器向ECM提供关键信息，这些压力传感器分别为：燃油油道压力传感器、燃油正时压力传感器、机油压力传感器、冷却液压力传感器、增压压力传感器、大气压力传感器。

① 燃油油道压力传感器安装在燃油控制阀总成内，用于测量油道中供给喷油器的实际燃油压力。

② 燃油正时压力传感器也安装在燃油控制阀总成内，用于测量油道中供给正时油腔的实际燃油压力。

③ 机油压力传感器安装在ECM上方的主油道中，用于测量主系统的机油压力，ECM利用该传感器得到的信息确定柴油机保护。

④ 冷却液压力传感器位于机油冷却器壳体中，用于测量冷却系统的压力，ECM利用该传感器得到的信息确定柴油机保护。

⑤ 增压压力传感器安装在中冷器壳体中，用于测量涡轮增压器后的进气压力，ECM利用该传感器得到的信息确定精确供油。

⑥ 大气压力传感器安装在ECM下部的燃油控制阀总成上，ECM利用该传感器传来的信息确定柴油机保护。当柴油发电机组在海拔较高的地区运行时，柴油机的额定功率将下降，以防止涡轮增压器超速。

（3）柴油机速度传感器

      柴油机速度传感器位于前齿轮室壳体的背面，它检测凸轮轴齿轮背面的24个突台，并将信号传送给ECM，ECM利用这些信号计算出柴油机的转速。传感器具有双信号输出特性，可向ECM提供两个独立的信号，即使丢失了一个信号，柴油机仍能继续运行。

3、共轨管

      共轨管是电控高压共轨喷射系统所特有的部件，主要包括油轨、轨压传感器和压力限制阀。共轨管的主要作用是储存燃油并保持油压，消除燃油压力波动，同时限制燃油压力，使压力不超过安全极限值。压力传感器向ECU提供油压信号；限流器保证在喷油器出现燃油泄漏故障时切断向喷油器供油，并可减小共轨管和高压油管中的压力波动；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时能迅速将其压力进行卸放。

4、电控喷油器

      电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用是根据ECU发出的控制信号，通过控制电磁阀的开、关，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。电控喷油器的结构与传统的喷油器相似，主要由喷油嘴、控制活塞、控制量孔和控制电磁阀组成。

      控制室容积的大小决定针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速断油，而使后期的燃油雾化效果不好；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷射过程的流动阻力加大。因此，控制室的容积应根据机型的最大喷油量进行合理选择。

      控制量孔的大小对喷油嘴的开启、关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键结构是进油量孔、回油量孔和控制室，确定他们的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定和最短喷油过程，同时也就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。通过调节这两个量孔的流量系数，可以找出理想的喷油规律。

 

图3  柴油机高压共轨系统关键主件结构组成

图4  电控高压油泵工作原理

 

三、燃油控制阀组成和原理及维护

 

      以康明斯QSK19型柴油机为例，QSK19燃油系统与PT燃油系统一样采用压力/时间概念，但PT系统完全是机械式的，是依靠机械方法调整燃油流通面积来控制燃油压力的，而QSK19系统则是通过电子方式调整执行器的燃油流通面积来控制燃油压力。

1、控制阀组成

      QSK19燃油系统的核心部分是控制阀总成，由燃油泵产生的燃油流被输送至控制阀总成，该总成由1个切断电磁阀、2个燃油执行器阀和2个燃油压力传感器组成。ECM安装在总成壳体的前部。

      控制阀总成有1个燃油进口和2个燃油出口，每个燃油出口分别由各自的执行器控制。燃油油道执行器控制燃烧所需的燃油，燃油正时执行器控制喷油器正时控制所需的燃油。

      控制阀总成接受来自燃油泵的燃油流，在控制阀总成内部，燃油流分别供给2个控制系统。维持燃油油道压力的控制系统由快速重新起动燃油切断阀、燃油油道执行器和燃油油道压力传感器组成，燃油首先流经快速重新起动燃油切断阀，然后流向燃油油道执行器。

2、控制原理

（1）油道压力控制

       执行器是一个电子控制的滑柱式控制阀，线圈接受来自ECM的脉冲宽度调制（PWM）信号。根据来自ECM的信号，滑柱将向左移动开启进油口，允许燃油流过。燃油油道压力传感器监测油道压力并将此信息传送给ECM。燃油油道执行器阀的最大流速为454kg/h。电控喷射特性如图5、图6所示。

（2）正时控制系统

      该系统维持正时油道压力，它由正时油道执行器和正时油道压力传感器组成。正时油道的油压由正时油道执行器控制，执行器同时受ECM控制。正时油道压力传感器监测正时油道压力并将该信息传回至ECM。正时油道执行器的最大流速为681kg/h。

      来自控制阀体的燃油流经输油管道到达燃油歧管，共有2根燃油歧管，前部歧管向第一至第三气缸供油，后部歧管向第四至第六气缸供油。每根歧管上有3个油道，即正时油道、燃油油道和回油油道。气缸盖上有与燃油歧管相交的油道。正时燃油和油道燃油流经气缸盖到达喷油器，回油从喷油器经过气缸盖流到燃油歧管。

3、使用与维护

（1）使用中绝对不要用水清洗发动机，因为各种传感器及ECM的连接插头进水后易使电控系统出现一些难以查找的软故障。

（2）特别要注意，当必须在发电机组上进行焊接作业时，一定要拆除蓄电池的正、负极电缆，并断开发动机的31针及21针连接器。因为电控系统的ECU、传感器、继电器等都是低压元件，如果不断开连接，焊接时的瞬时高压极易烧毁上述元件，造成人为故障。

（3）柴油机电控系统对柴油的品质要求较高，使用劣质柴油易造成喷油器堵塞和异常磨损。因此，要按时排出发动机油水分离器中的水和沉淀物，柴油滤芯要定期更换。

（4）在对电控柴油机实施维修时，禁止随意拔下传感器的插接头，因为每拔下一次传感器插接头，自诊断系统就会记录一个故障代码。

 

图5  电控共轨喷油器全工况喷射特性曲线子区域划分

图6  电控共轨喷油器喷射特性的标称形式

 

摘要：

      柴油机电控技术的出现，是柴油机发展过程的一次技术革命。随着柴油机应用电子技术的不断发展，对柴油发电机进行的智能控制，改善了柴油发电机组的经济性和可靠性，达到低污染排放，使其排放符合国际公约的要求。所以，高压共轨喷射系统将会广泛应用于柴油机。尽管如此，电控共轨柴油机也仍然存在着不足之处，如对电磁阀及传感器等部件的可靠性要求高，对机油的清洁要求、共轨管的密封性要求很高等。所以我们要加强对电控柴油机的日常维护管理，提高管理水平，以降低发电营运成本。

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