康明斯三種燃油系統(tǒng)分析

蔣建勇

康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)公司自從1954年推出第一代PT燃油系統(tǒng)以來，噴射系經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已從機(jī)械的PT燃油噴射發(fā)展到電控高壓共軌燃油噴射。隨著技術(shù)含量的提高，傳統(tǒng)維修方法已逐漸滿足不了需要。因而，要求維修技術(shù)人員不斷提高自己的維修知識(shí)，更新自己的維修理念。電控燃油系統(tǒng)十分復(fù)雜，對(duì)其透切了解有一定難度。但是，只要明白不管是那種燃油系統(tǒng)，都離不開最初的設(shè)計(jì)理念，即通過對(duì)壓力和時(shí)間以及噴射過程的控制，達(dá)到提供最精確的噴油量，最優(yōu)噴油規(guī)律的目的。明白了這一點(diǎn)，也就對(duì)燃油噴射系了解了一半。

一、PT燃油噴射系

PT燃油系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于3307礦用汽車所使用的KTA19發(fā)動(dòng)機(jī)上，該燃油系由PT（G）-VS-AFC燃油泵和PT（D）-非頂置限位噴油器等組成。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，維修方便，體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

1.燃油泵

燃油泵主要由齒輪泵、脈沖減振器、調(diào)速器、以及AFC等組成。泵的燃油流程為，燃油從進(jìn)油口進(jìn)入齒輪泵，經(jīng)加壓后由脈沖減振器消除進(jìn)油壓力波動(dòng)，再由濾清器過濾后送入調(diào)速器，經(jīng)油門軸和AFC的調(diào)整后進(jìn)入截流閥。

3307發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的調(diào)速器為全程調(diào)速器，由兩極調(diào)速器和VS調(diào)速器共同組成。兩極調(diào)速器對(duì)低怠速和高怠速進(jìn)行控制，而VS調(diào)速器對(duì)穩(wěn)定工作的中間狀態(tài)進(jìn)行控制。

（1）兩極調(diào)速器

怠速時(shí)（圖1），主油道被油門軸關(guān)閉，怠速油道打開。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，調(diào)速器柱塞的推力增加，柱塞克服彈簧阻力向右移動(dòng)，怠速通道減少，供油量也減少，從而使轉(zhuǎn)速下降。反之，當(dāng)轉(zhuǎn)速減少時(shí)，調(diào)速器柱塞的推力減少，柱塞在彈簧力作用下向右移動(dòng)，怠速通道增加，供油量也增加，從而使轉(zhuǎn)速上升。通過這種調(diào)節(jié)可維持怠速穩(wěn)定。

圖1 兩極調(diào)速器（怠速狀態(tài)）

高速時(shí)，怠速油道關(guān)閉，主油道被油門軸打開，怠速彈簧被壓到極限，柱塞向右移動(dòng)量只由高速彈簧壓縮量決定。其調(diào)節(jié)原理與怠速一樣，不再贅述。

壓力調(diào)節(jié)的作用是用來修正來自于齒輪泵的燃油壓力，為油泵提供基礎(chǔ)油壓，這就是為什么所有的PT泵都有兩極調(diào)速器的原因。其起作用的裝置是調(diào)速器柱塞、怠速柱塞（紐扣）以及彈簧等。當(dāng)油壓壓力與柱塞頭面積乘積大于柱塞的推力時(shí)，主柱塞與怠速柱塞分離，燃油進(jìn)入旁通油道而卸壓。由于壓力調(diào)節(jié)與柱塞頭面積有關(guān)，因此，不允許隨意更換柱塞。

（2）VS調(diào)速器

兩極調(diào)速器對(duì)速度調(diào)整只有兩點(diǎn)，即控制低怠速和控制高怠速。對(duì)于穩(wěn)定中間工況的速度它無能為力，而VS調(diào)速器就可以維持某一轉(zhuǎn)速下的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。帶有VS調(diào)速器的PT燃油泵上，兩極調(diào)速器的油門軸處于最大油門開度并固定不動(dòng)。從兩極調(diào)速器來的燃油，經(jīng)VS調(diào)速器后到截流閥，再去噴油器。

VS調(diào)速器的工作原理（圖2）。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在某一中間工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若負(fù)荷突然增加，轉(zhuǎn)速下降，飛塊離心力減小，柱塞左移，VS調(diào)速器的油孔開度增大，從而造成燃油壓力隨之增大，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)供油量也增加，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，回到原來的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

（3）AFC

圖2 VS調(diào)速器

AFC就是英文air（空氣）、fuel（燃油）、control（控制）的簡(jiǎn)寫，AFC裝置（圖3）的作用主要是控制啟動(dòng)和加速時(shí)的煙度。一般情況下，該裝置上部的油道關(guān)閉，隨著空氣壓力的增加，空氣推動(dòng)膜片克服彈簧阻力使柱塞逐漸左移，這時(shí)上部油道逐漸打開，使得供油量增加。加速時(shí)，油門軸開度增大，燃油壓力急劇上升，空氣壓力由于受渦輪增壓器慣性的影響，增加速度慢于燃油壓力增加速度，因此煙度較大。有了AFC，加速時(shí)雖然壓力會(huì)迅速增加，但是有一部分壓力受AFC控制油道的節(jié)流作用會(huì)損失掉。這樣就保證了燃油的增加與空氣壓力增加同步，即保證了燃油的充分燃燒。同時(shí)，從上面分析可以看出，如果該裝置破壞，可造成無動(dòng)力的現(xiàn)象。

圖3 AFC（冒煙限制器）無空氣狀態(tài)

2.噴油器

噴油器是PT系統(tǒng)中決定計(jì)量時(shí)間以及噴油正時(shí)和提高噴射壓力的裝置。裝置的工作原理為，當(dāng)凸輪由外基圓過渡到內(nèi)基圓時(shí)，柱塞在彈簧的作用下上升，量孔開始露出，同時(shí)關(guān)閉回油口。這時(shí)燃油通過量孔進(jìn)入油杯。隨著凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪逐漸到達(dá)外基圓。柱塞在搖臂的壓力下克服彈簧作用力下行，關(guān)閉計(jì)量孔，同時(shí)打開回油口。隨著柱塞的繼續(xù)下行，使噴油壓力達(dá)到汽缸壓力，開始噴油。由于計(jì)量孔一定，因此每個(gè)循環(huán)的噴油量，在壓力相同的情況下只處決于計(jì)量孔從開啟到關(guān)閉的時(shí)間（計(jì)量時(shí)間），轉(zhuǎn)速越快，該時(shí)間也越短，故每個(gè)循環(huán)噴油量也越少，這也就是采用PT燃油系不會(huì)造成飛車的一個(gè)重要原因。

二、Quantum HPI電子燃油噴射系

Quantum HPI電子燃油噴射系用于TR60車使用的QSK19發(fā)動(dòng)機(jī)上，主要由燃油濾清器、低壓油泵、電子燃油壓力控制閥、噴油器等組成。油路上與PT燃油系的不同在于，增加了電子燃油壓力控制閥總成和正時(shí)油道，使得供油壓力調(diào)節(jié)更為精確，噴油正時(shí)可調(diào)。

1.燃油泵

泵的結(jié)構(gòu)（圖4）類似于PT泵，但又與PT泵有所不同，其不同點(diǎn)在于無AFC和油門軸。燃油經(jīng)濾清器直接到泵出口，而不像PT泵先經(jīng)濾清器再到調(diào)速器再到AFC和油門軸到泵出口。泵的調(diào)速器只是將過多的燃油，經(jīng)單向閥排出或溢流至齒輪泵進(jìn)口，通過這種方式對(duì)燃油壓力進(jìn)行粗略調(diào)節(jié)，其作用相當(dāng)于壓力可調(diào)的溢流閥。

圖4 燃油泵結(jié)構(gòu)圖

2.燃油壓力控制閥總成

（1）燃油壓力控制閥構(gòu)造

如果說燃油泵調(diào)速器只是對(duì)燃油壓力進(jìn)行粗略調(diào)節(jié)的話，那燃油壓力控制閥就使得燃油壓力實(shí)現(xiàn)了真正意義上的精確控制。閥的主要結(jié)構(gòu)為正時(shí)油道執(zhí)行器、燃油油道執(zhí)行器、正時(shí)壓力傳感器、燃油壓力傳感器。

（2）燃油壓力控制閥工作原理

燃油從進(jìn)油口進(jìn)入，分為兩路，一路經(jīng)正時(shí)執(zhí)行器調(diào)壓后到正時(shí)油道，另一路經(jīng)快速重新啟動(dòng)切斷閥（截流閥）到燃油油道執(zhí)行器，經(jīng)燃油執(zhí)行器調(diào)壓后，進(jìn)入燃油油道。燃油執(zhí)行器（圖5）是一個(gè)電子控制的滑柱式控制閥，其原理與PT系統(tǒng)一樣通過改變?nèi)加土魍娣e對(duì)燃油壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。只不過PT燃油系是通過純機(jī)械方法調(diào)整燃油流通面積，而該系統(tǒng)是電子控制改變油道的流通面積。該執(zhí)行器在工作前，柱塞在彈簧力的作用下處于最右端，燃油油道處于關(guān)閉狀態(tài)。工作時(shí)，線圈接受來自ECM的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)（該信號(hào)由ECM根據(jù)不同工況下的各種輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)）后，電磁線圈產(chǎn)生的磁力使柱塞向左移動(dòng)打開燃油通道。脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)由一系列占空比（在一段連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)脈沖占用的時(shí)間與總時(shí)間的比值）不同的矩形波組成，當(dāng)占空比變大時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生的磁力變大，柱塞克服彈簧力左移，燃油通道面積也變大，燃油壓力下降。當(dāng)占空比變小時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生的磁力變小，柱塞在彈簧力的作用下右移，燃油通道面積減少，燃油壓力減小。如果壓力調(diào)整不當(dāng)，ECM根據(jù)壓力傳感器的反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)以修正油壓。通過這種方式，可對(duì)燃油壓力進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。

圖5 燃油執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

圖6 噴油器結(jié)構(gòu)圖

圖7 高壓共軌燃油流程圖

3.噴油器

（1）噴油器構(gòu)造

QSK19噴油器（圖6）的下部與PT噴油器非常相似，燃油供給、計(jì)量、回油和單向閥也與PT系統(tǒng)相似。一個(gè)重要的區(qū)別是下部柱塞套與噴嘴為整體式結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)消除了高壓粘結(jié)。上部的區(qū)別在于多了上部柱塞和正時(shí)柱塞以及正時(shí)油道。

（2）噴油器工作原理

噴油器的燃油供給與PT泵相似，主要的不同在于可對(duì)噴油正時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。凸輪隨動(dòng)件繼續(xù)向內(nèi)基圓滾動(dòng)，使正時(shí)柱塞和上部柱塞繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)上部柱塞回縮足夠量時(shí)，露出正時(shí)供油孔，燃油也按PT規(guī)律計(jì)量并經(jīng)計(jì)量孔進(jìn)入正時(shí)油腔。當(dāng)凸輪隨動(dòng)件開始沿凸輪軸的噴油斜面向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，上部柱塞將向下運(yùn)動(dòng)并關(guān)閉正時(shí)供油孔以中止正時(shí)供油。計(jì)量進(jìn)入正時(shí)油腔內(nèi)的燃油密閉在上部柱塞與正時(shí)柱塞之間。計(jì)量進(jìn)入正時(shí)油腔的燃油量（容積）確定了上部柱塞與正時(shí)柱塞之間的距離。距離又確定了噴油器柱塞的有效長(zhǎng)度，此長(zhǎng)度確定了噴油開始的時(shí)刻。改變柱塞總長(zhǎng)度就改變了噴油開始時(shí)刻。柱塞之間的距離在2～9mm之間變化，此間隔量有時(shí)稱為“超行程”。 密閉的燃油變成固定連接并且三個(gè)柱塞一起向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)下部柱塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，油道供油孔也是關(guān)閉的。當(dāng)油杯內(nèi)的壓力超過汽缸內(nèi)的壓力，噴油就開始了。下部柱塞接觸噴嘴座時(shí)，噴油終了。大約在此同時(shí)，正時(shí)柱塞上的溝槽與柱塞套上的溝槽對(duì)準(zhǔn)，使回油口開啟。當(dāng)上部柱塞繼續(xù)其行程時(shí)正時(shí)燃油開始溢出。

三、電控高壓共軌燃油噴射系

電控高壓共軌技術(shù)是指在高壓油泵、壓力傳感器和ECM組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，噴油壓力不由針閥擠壓燃油產(chǎn)生，其大小與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)的一種供油方式。在共軌系統(tǒng)中，噴油壓力的產(chǎn)生和噴射過程是完全彼此分開的。高壓油泵把高壓燃油輸入到蓄壓器中，通過對(duì)蓄壓器內(nèi)油壓調(diào)整實(shí)現(xiàn)精確控制，最終使高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)。高壓共軌供油方式，可以大大減少柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，也就減少了傳統(tǒng)柴油機(jī)的缺陷。該噴射系與以前的燃油噴射系的區(qū)別在于，對(duì)噴油過程的調(diào)節(jié)可控，能夠按照燃燒規(guī)律進(jìn)行多次噴射。同時(shí)由于噴射壓力不由針閥對(duì)燃油的擠壓產(chǎn)生，可消除低速時(shí)噴射霧化不好狀況，減少尾氣中HC的含量。該燃油系廣泛應(yīng)用于TR60裝備的QSK19發(fā)動(dòng)機(jī)上，可使尾氣排放達(dá)到歐美非公路用機(jī)動(dòng)設(shè)備第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)（Tier 3/Stage IIIA）。

1.高壓共軌系統(tǒng)燃油系統(tǒng)的組成

電控高壓共軌系統(tǒng)主要由電子控制和燃油供給兩大部分組成，其基本結(jié)構(gòu)組成如圖7所示。

2.燃油流動(dòng)路線

啟動(dòng)前，鑰匙開關(guān)在中間位置，這時(shí)電動(dòng)提升泵開始工作，燃油從油箱經(jīng)單向閥到初級(jí)濾清器，再到提升泵，經(jīng)單向閥8進(jìn)入次級(jí)濾清器。最后經(jīng)空氣排放閥留回油箱。該過程的主要作用是排除低壓系統(tǒng)的空氣。

啟動(dòng)后，齒輪泵及高壓泵開始工作，這時(shí)燃油流動(dòng)路線為，從油箱經(jīng)單向閥到初級(jí)濾清器，再到單向閥4，經(jīng)齒輪泵加壓后進(jìn)入次級(jí)濾清器。然后分為二路，一路經(jīng)調(diào)壓閥回到泵的進(jìn)油口，另一路進(jìn)入高壓泵，經(jīng)高壓泵加壓和燃油執(zhí)行器調(diào)壓后進(jìn)入高壓油軌。在油軌處又分兩路，一路經(jīng)限壓閥，回油連接接頭流回油箱，另一路進(jìn)入噴油器。

3.壓力調(diào)節(jié)

低壓油路的壓力調(diào)節(jié)主要是通過調(diào)壓閥進(jìn)行調(diào)整。高壓油路壓力調(diào)整由燃油執(zhí)行器完成，執(zhí)行器的調(diào)壓原理與前面所講的執(zhí)行器調(diào)壓原理相同。當(dāng)油軌中的燃油壓過大時(shí)，限壓閥將會(huì)開啟，允許油軌中的壓力燃油流回油箱。

4.噴油器

噴油器由流量限制閥（位于噴油器頭部）、針閥、高速電磁閥、彈簧等組成。當(dāng)電磁閥不工作時(shí)，閥針在上部控制室壓力油的作用下壓緊閥座。當(dāng)電磁閥工作時(shí)，打開回油通道，閥針上部控制室的壓力油流入回油道而使壓力下降。作用在針閥上部的壓力減少，針閥在下部壓力油作用下打開，開始噴油。由于該電磁閥可迅速切斷油路，因而在發(fā)動(dòng)機(jī)上不再安裝截流閥來關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。

5.雙壁油管

全電控高壓共軌噴射進(jìn)油管，采用的油管為雙壁油管。該油管的特點(diǎn)分為兩層，里層油管為燃油進(jìn)油油道，里層與外層間隙為內(nèi)泄油道。內(nèi)泄油由油管與噴油器連接錐面以及噴油器頭部與下部連接錐面泄油組成。當(dāng)內(nèi)泄油過多時(shí)，可看到內(nèi)泄油經(jīng)噴油泵旁的廢油管流出。

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