康明斯柴油发电机高压共轨装置的作业机理和组成

摘要：康明斯柴油发电机的共轨燃油装置是一种高压共轨喷油装置。燃油油轨储存燃油喷射所需的加压燃油。ECM在钥匙开关接通时向电子燃油输油泵（位于ECM后面）供电约30s，以确保加注燃油装置。常开柴油泵执行器接收来自ECU的PWM信号执行打开或关闭使用，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向每个喷油泵独立供电，从而为每个气缸供油。

      传统柴油发电机的燃油装置是由柴油泵发生高压油，然后通偏高压油管输送到各个喷油嘴。而高压共轨燃油喷射系统是由喷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，即把多个喷油咀并车在公共油轨上。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，燃油装置供油压力因柴油发电机速度变化所发生的波动明显减少（这是传统柴油发电机的一大缺陷），喷油量的大小仅取决于喷油器电磁阀开启时间的长短。

      电子控制单元（ECU）接收主轴转速探头、水温传感器、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ECM内部预先设置和存储的控制流程和参数（或图谱），经过参数运算和逻辑判断，确定实用柴油发电机当时工况的控制数据，并将这些数据转变为电信号，输送给相应的执行器，执行元件根据ECM的指令柴油发电机价格表，灵活改变喷油嘴电磁阀开闭的时刻或开关的开或闭，使汽缸的燃烧过程适应柴油发电机各种工况变化的需要，从而达到较大限度提升柴油发电机输出容量、减轻油耗和减少排污的目的。

      一旦探头检修到某些数据或状态超出了设定的范围，电喷单元（ECU）会存储事故信息，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，降低柴油发电机的输出容量（甚至停止发电机运转），以保护柴油发电机不受严重故障——这是电子控制装置的故障应急保护模式。

      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柴油泵执行器。一些燃油通过放气计量孔接头连续回流。计量燃油通过燃油泵执行器进入高压柴油泵端头，在此燃油被加压到油轨压力，然后从高压出口管接头流出。

（1）将燃油压力的产生与喷射流程完全分开，燃油压力的建立与喷油步骤无关。燃油从喷油嘴喷出以后，油轨内的油压几乎不变。

      高压共轨装置主要由电喷单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种探头等构造，如图3所示。低压喷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喷单元根据油轨压力探头检测的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经偏高压油管，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泵将燃油喷入汽缸。

       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、凸轮轴壳体和高压喷油泵泵头。其工作机理如图4所示。

（1） 高压柴油泵的构造，高压柴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装配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。

（3）喷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柴油发电机厂家价格。

（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高出口单向阀，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。

      电控高压共轨喷射装置的核心机构是ECU，它通常由输人模块、微控制屏、输出模块和通信模块四部分组成。ECM通过各传感器实时采集柴油发电机运转流程中的数据并对数据进行解决，将实时运行数据与预存在ECU内的MAP图相比较，计算确定喷油定时和喷油脉宽，然后驱动喷油泵电磁阀，完成喷油压力的控制。此外电喷单元还能完成在线故障清除和应急排除，与监控装置进行实时通信，记录并存储重要的状态数据。在高压共轨喷射装置中，除了检测柴油发电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%），而且在各种运转工况下都应有过高的可靠性。

      该控制装置有2个温度探头，分别为冷却液温度传感器和进气歧管空气温度探头。温度传感器向ECM提供关键的温度信息。水温传感器装配在节温器壳体中，该探头得到的信息被ECU用于帮助确定正时和柴油发电机保护。进气歧管空气温度传感器装配在中冷器壳体内，用于测定中冷器芯的空气温度，该传感器得到的信息被ECU用于帮助确定正时和柴油发电机保护。

      控制系统有6个压力传感器向ECU提供关键信息，这些压力探头分别为：燃油油道压力传感器、燃油正时压力探头、机油压力传感器、水箱宝压力传感器、增压压力探头、大气压力探头。

③ 机油压力传感器安装在ECU上方的主油道中，用于检测主系统的机油压力，ECM利用该传感器得到的信息确定柴油发电机保护。

④ 防锈水压力传感器位于机油冷却器壳体中，用于测量冷却装置的压力，ECU利用该探头得到的信息确定柴油发电机保护。

⑤ 增压压力传感器安装在中冷器壳体中，用于检测涡轮增压器后的进气压力，ECM利用该探头得到的信息确定精确供油。

⑥ 大气压力探头装配在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发电机保护。当康明斯发电机组在海拔过高的地区运转时，柴油发电机的额定容量将下降，以防范涡轮增压器转速失去控制。

      柴油发电机转速探头位于前齿轮室壳体的背面，它检查凸轮轴齿轮背面的24个突台，并将信号传送给ECU，ECU利用这些信号计算出柴油发电机的速度。探头具有双信号输出特性，可向ECU提供两个独立的信号，即使丢失了一个信号，柴油发电机仍能继续运转。

      共轨管是电控高压共轨喷射系统所特有的部件，详细包括油轨、轨压传感器和压力限制阀。共轨管的具体功能是储存燃油并保持油压，解决燃油压力波动，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ECM供应油压信号；限流器保证在喷油咀产生燃油泄漏损坏时切断向喷油嘴供油，并可减少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产生压力异常时能迅速将其压力进行卸放。

      电控喷油泵是共轨式燃油系统中较关键和较复杂的部件，它的功能是根据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较佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油发电机的燃烧室。电喷喷油泵的构成与传统的喷油器相似，具体由喷油泵、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柴油发电机型号规格及功率，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良；控制室容积太小，不能给针阀供应足够的有效行程，使喷射流程的流动阻力加大。因此，控制室的容积应根据机型的较大喷油量进行合理选择。

      控制量孔的大小对喷油泵的开启、关闭速度及喷油程序起着决定性的危害。双量孔阀体的三个关键构造是进油量孔、回油量孔和控制室，确定他们的构成尺寸后，就确定了喷油泵针阀完全开启的稳定和较短喷油过程，同时也就确定了喷油器的稳定较小喷油量。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。

      以康明斯QSK19型柴油发电机为例，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，是依靠机械途径调整燃油流通面积来控制燃油压力的，而QSK19系统则是通过电子程序调整执行器的燃油流通面积来控制燃油压力。

      QSK19燃油系统的核心部分是控制阀总成，由柴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个燃油压力探头组成。ECU装配在总成壳体的前部。

      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泵正时控制所需的燃油。

      控制阀总成接受来自柴油泵的燃油流，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探头构造，燃油首先流经快速重新启动燃油切断阀，然后流向燃油油道执行器。

       执行器是一个电子控制的滑柱式控制阀，线圈接受来自ECU的脉冲宽度调制（PWM）信号。根据来自ECU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ECU。燃油油道执行器阀的较大流速为454kg/h。电喷喷射特征如图5、图6所示。

      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构成。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ECU。正时油道执行器的较大流速为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汽缸供油。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汽缸盖到达喷油泵，回油从喷油嘴经过气缸盖流到燃油歧管。

（1）使用中绝对不要用水清洁发电机，由于各种传感器及ECU的连接插头进水后易使电喷系统产生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工作时，一定要拆装电瓶的正、负极电缆，并断开发电机的31针及21针连接器。由于电控系统的ECM、探头、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）柴油发电机电喷系统对柴油的质量要求较高，操作劣质柴油易造成喷油器堵塞和异样损伤。因此，要按时排出发电机油水分离器中的水和沉淀物，柴油过滤器要定期更换。

（4）在对电喷柴油发电机实施修理时，禁止随意拔下传感器的插接头，因为每拔下一次探头插接头，自诊断系统就会记录一个故障代码。

      柴油发电机电控技术的发生，是柴油发电机发展流程的一次技术革命。随着柴油发电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，改良了康明斯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。故而，高压共轨喷射装置将会广泛应用于柴油发电机。尽管如此，电控共轨柴油发电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。所以康明斯发电机公司要加强对电控柴油发电机的平时维保管理，增强管理水平，以降低发电营运成本。