新聞主題	康明斯QSK柴油機燃油系統工作原理及日常維護

 

摘要：HPI全稱(chēng)是High pressure Injection高壓噴射，它是一種在PT（時(shí)間/壓力）理論上發(fā)展起來(lái)的新型燃油電控系統。康明斯QSK系列柴油機基于HPI噴射技術(shù)，采用Quantum電子控制系統，接收各種傳感器的信號，經(jīng)ECM計算機的計算，對柴油發(fā)電機噴射燃油和正時(shí)燃油的油量及壓力進(jìn)行控制，在適當的時(shí)刻以適當的壓力向汽缸中噴入適量的油，實(shí)現最優(yōu)控制，以滿(mǎn)足功率的需求和排放法規的規定?？得魉构驹诒疚闹攸c(diǎn)介紹了HPI燃油系統的工作原理及日常維護事項，并結合具體案例進(jìn)行分析，為柴油發(fā)電機工程人員提供一定的參考依據。

 

一、燃油系統構成

 

      康明斯QSK系列柴油機的電控燃油噴射系統由4個(gè)基本部分組成，輸入、ECM（對輸入信號進(jìn)行處理與分析）、執行器（按照ECM輸出信號動(dòng)作的控制閥體）和各種傳感器。當柴油機啟動(dòng)時(shí)，ECM將參考柴油發(fā)電機需要提高轉速、柴油發(fā)電機實(shí)際轉速和其他輸入信號，然后將這些數據與標定數據進(jìn)行比較，以確定相應的信號變化。如果允許增加柴油發(fā)電機轉速，ECM就輸出相應的信號給燃油控制執行器。同時(shí)，ECM會(huì )根據負載情況及柴油發(fā)電機狀況改變噴油正時(shí)，向正時(shí)控制執行器輸出相應的信號，以實(shí)現當前工況下的最優(yōu)控制。

1、輸入信號

      ECM利用傳感器信號確定柴油發(fā)電機的燃油壓力和正時(shí)壓力，即更簡(jiǎn)單地控制柴油發(fā)電機的運行。系統輸入可分為傳感器輸入、開(kāi)關(guān)輸入、司機輸人、反饋輸入和可能的特性輸入。柴油機傳感器出入信號框圖如圖1所示。

（1）溫度傳感器。

      康明斯柴油機有4個(gè)溫度傳感器，分別為冷卻液溫度傳感器、進(jìn)氣歧管溫度傳感器（電路如圖2所示）、大氣壓力傳感器和燃油溫度傳感器。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溫器殼體中，該傳感器得到的信息被ECM用于確定正時(shí)和柴油發(fā)電機保護；進(jìn)氣歧管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用于確定正確的空燃比和柴油發(fā)電機保護；燃油溫度傳感器也安裝于控制閥體上，用于監測燃油溫度，供ECM確定正確的噴油量、噴油壓力和柴油發(fā)電機保護。

（2）壓力傳感器。

      Quantum電子控制系統有6個(gè)壓力傳感器向ECM提供關(guān)鍵壓力信號，這些壓力傳感器分別為：共軌壓力傳感器（結構如圖3所示）、燃油正時(shí)壓力傳感器、機油壓力傳感器、冷卻液壓力傳感器、渦輪增壓壓力傳感器、大氣壓力傳感器。其中，燃油油道壓力傳感器用于測量油道中供給噴油器的實(shí)際燃油壓力；燃油正時(shí)壓力傳感器用于測量油道中供給正時(shí)油道的實(shí)際燃油壓力；機油壓力傳感器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發(fā)電機保護；冷卻液壓力傳感器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發(fā)電機保護；渦輪增壓壓力傳感器用于測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和空燃比；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(lái)的信息校正設備工作區域的海拔高度，當車(chē)輛在海拔較高的地區運行時(shí)，柴油發(fā)電機的額定功率將自動(dòng)降低，以防止渦輪增壓器超速。

（3）速度傳感器。

      柴油發(fā)電機速度傳感器位于飛輪齒輪室殼體的表面，它檢測飛輪齒輪背面的齒數，并將信號傳送給ECM，ECM利用這些信號計算出柴油發(fā)電機的轉速。傳感器具有雙繞組信號輸出特性，可向ECM提供兩個(gè)獨立的信號，即使其中一組線(xiàn)圈損壞，丟失了一個(gè)信號，柴油發(fā)電機仍能繼續正常運行。其原理如圖4所示。

（4）開(kāi)關(guān)輸入。

      Quantum電子控制系統有2個(gè)系統開(kāi)關(guān)：怠速開(kāi)關(guān)和冷卻液液位開(kāi)關(guān)。怠速開(kāi)關(guān)向ECM提供位置的確認信號。冷卻液液位開(kāi)關(guān)監測散熱器頂部水箱的冷卻液液位，當冷卻液液位下降到低于預定點(diǎn)時(shí)該開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，ECM利用從該傳感器獲得的信息確定柴油發(fā)電機保護。

（5）反饋輸入。

      ECM除了監測燃油和正時(shí)壓力傳感器來(lái)確定實(shí)際壓力外，還監測油道和正時(shí)控制執行器閥回流油路，這些反饋信息提供閥正確工作的確切信息。

 

圖1  柴油機傳感器出入信號框圖	圖2  進(jìn)氣溫度傳感器電路圖
圖3  共軌壓力傳感器結構圖	圖4  轉速傳感器原理圖

 

2、電控單元ECM

      QSK系列柴油機燃油系統的ECM采用康明斯的最新電子技術(shù)，它有2個(gè)微處理器，用來(lái)處理和控制柴油發(fā)電機及系統工作必需的數據。它還有2MB的存儲器，用來(lái)存儲標定信息和故障數據。ECM的主要任務(wù)是控制柴油發(fā)電機運行的燃油控制系統，ECM以極快的速度讀取所有輸入信息，進(jìn)行數據處理，并向油道和正時(shí)控制執行器提供輸出信號。ECM能很快地改變油道和正時(shí)壓力，迅速響應運行和環(huán)境條件最微小的變化。

3、系統輸出

      ECM共有6個(gè)系統輸出，其中3個(gè)輸出控制著(zhù)燃油油道、正時(shí)油道和燃油切斷功能。它的執行器是控制閥總成，燃油和正時(shí)控制執行器是滑柱式閥，滑柱閥由電磁裝置通過(guò)ECM的指令進(jìn)行控制。ECM產(chǎn)生下述信號：

（1）燃油控制執行器閥信號：PWM（脈沖寬度調制）負荷循環(huán)。

（2）正時(shí)控制執行器閥信號：PWM（脈沖寬度調制）負荷循環(huán)。

（3）燃油切斷信號：切斷電磁閥電源。

（4）診斷指示燈：故障通信。

（5）數據通信：系統編程。

（6）轉速表：轉速表工作的輸出信號。

 

二、燃油系統控制原理

 

      QSK系列高壓噴射燃油系統采用PT概念，通過(guò)電子方式調整執行器的燃油流通面積來(lái)控制燃油壓力，其核心部件是控制閥總成，實(shí)物圖如圖5所示。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)燃油執行器和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行器控制。燃油油道執行器控制燃燒所需的燃油，燃油正時(shí)執行器控制噴油器正時(shí)控制所需的燃油?？刂崎y總成接受來(lái)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(gè)控制系統。燃油系統控制原理如圖6所示。

1、噴射油道壓力控制

      該系統由熄火閥、噴射油道執行器和噴射油道壓力傳感器組成，燃油首先流經(jīng)熄火閥，然后流向噴射油道執行器。該執行器是一個(gè)電子控制的滑柱式控制閥，線(xiàn)圈接受來(lái)自ECM的脈沖寬度調制（PWM）信號，根據PWM信號的占空比不同，滑柱將動(dòng)態(tài)控制閥體內的滑柱調節進(jìn)油口的大小，改變燃油的輸出壓力。噴射油道壓力傳感器監測噴射油道壓力并將此信號反饋至ECM，ECM結合控制指令來(lái)修正對執行器的控制，最終實(shí)現對噴射油道壓力的最優(yōu)控制。噴射油道執行器閥的最大流量為454kg/h。

2、正時(shí)油道壓力控制

      QSK系列柴油發(fā)電機的正時(shí)控制是通過(guò)改變噴油器內柱塞的有效工作長(cháng)度來(lái)實(shí)現的，而有效工作長(cháng)度的改變則是由正時(shí)油腔的注油量來(lái)控制的，該油腔內的燃油量根據PT原理可知，受控于正時(shí)油道壓力和柴油發(fā)電機轉速，從控制的角度而言，所能做的就是控制其正時(shí)油道壓力。

      為了將正時(shí)油道壓力控制在某一目標值，ECM向正時(shí)執行器發(fā)出PWM控制指令，通過(guò)與噴射執行器相同的控制方法來(lái)控制正時(shí)油道壓力，并通過(guò)正時(shí)油道壓力傳感器反饋該油道壓力，實(shí)現對正時(shí)的最優(yōu)控制。正時(shí)油道執行器的最大流速為681kg/h。

 

圖5  柴油機HPI燃油系統實(shí)物圖

圖6  電控燃油系統噴射控制原理圖

 

三、燃油系統使用與維護

 

      康明斯QSK系列柴油發(fā)電機在實(shí)際運行中，諸多注意事項應予以高度重視，現匯總如下。

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

（2）當需要在設備上進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，一定要拆除蓄電池的正、負極電纜，并斷開(kāi)柴油發(fā)電機的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(kāi)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）柴油機電控系統對柴油的品質(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)排出柴油發(fā)電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(shí)施維修時(shí)，禁止隨意拔下傳感器的插接頭，因為每拔一次傳感器插接頭對插頭的壽命都會(huì )有影響，同時(shí)自診斷系統還會(huì )記錄一個(gè)故障代碼，需手動(dòng)刪除。

 

四、燃油系統故障案例分析

 

      因燃油控制系統出現問(wèn)題而導致柴油發(fā)電機產(chǎn)生的故障主要集中于柴油發(fā)電機啟動(dòng)困難、自動(dòng)熄火及低功率等幾個(gè)方面，一般通過(guò)系統控制軟件讀取故障診斷信息代碼而確定具體故障范圍，當各種傳感器元件出現故障、指示不準確及傳感器線(xiàn)路傳輸阻斷時(shí)，系統會(huì )出現相應故障指示，從而確定故障排除步驟。下面主要針對柴油發(fā)電機常出現的幾種故障且當柴油發(fā)電機故障指示不報故障時(shí)如何排查柴油發(fā)電機故障。

1、柴油發(fā)電機啟動(dòng)困難與自行熄火

      對于QSK60柴油機而言，二者之間有著(zhù)必然的聯(lián)系，分析和處理過(guò)程須先易后難逐項確認，嚴禁大拆大卸。

      柴油發(fā)電機啟動(dòng)困難的原因較為復雜，若柴油發(fā)電機故障指示燈不報故障，則應考慮電子燃油系統軟故障。如空氣進(jìn)入燃油系統、柴油水分超標及機械雜質(zhì)堵塞使閥類(lèi)元件失效、啟動(dòng)操作不規范、維修部件安裝不當或損壞等。若是空氣進(jìn)入系統，低壓端由輸油泵在30s內排除，高壓端可拆卸末端噴油器螺栓，由啟動(dòng)馬達帶動(dòng)柴油發(fā)電機旋轉來(lái)排出系統中的空氣；若啟動(dòng)轉速足夠時(shí)，再對輸出的各端子信號進(jìn)行測量，如無(wú)信號或信號電壓超過(guò)極限值，可以判定ECM模塊損壞需更換；另外按照相關(guān)技術(shù)規范檢查燃油執行器兩觸針間的電阻，若其阻值不符合規范則執行器有故障；最后檢測轉速傳感器及其電路、燃油泵輸出壓力、噴油器及其電路。

2、柴油發(fā)電機輸出功率不足

      此類(lèi)故障通常被稱(chēng)為低功率，柴油發(fā)電機表現為大負荷時(shí)“發(fā)吐”，急加速時(shí)“放炮”，排黑煙，最高空載轉速下降80~150r/min，燃油系統污染，進(jìn)入空氣，個(gè)別噴油器工作不良或不工作是主要原因。排除故障時(shí)首先用Cense診斷確定各缸的工作溫度，找到溫度不正常的某一個(gè)或幾個(gè)缸，開(kāi)缸檢查，更換不工作的噴油器，同時(shí)檢查搖臂、十字頭、挺桿等附件，如有損壞統一更換。

 

總結：

      作為柴油發(fā)電機組的動(dòng)力源，康明斯QSK系列柴油機在當今采礦業(yè)應用廣泛，功率大、排放低、控制精度高是其主要特點(diǎn)，較傳統柴油機其核心的燃油系統有了很大進(jìn)步?？得魉筈SK系列發(fā)動(dòng)機HPI燃油系統采用了高壓系統HPI，噴嘴為開(kāi)式機械結構，可根據發(fā)動(dòng)機轉速和負荷自動(dòng)調節噴油壓力及油槽油量，具有噴射壓力高、噴射控制好、功率大、噪音小等優(yōu)點(diǎn)。

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