康明斯QSK系列發(fā)動機HPI燃油系統(tǒng)工作原理分析及日常維護

田永法

（中煤平朔集團露天設(shè)備維修中心，山西 朔州 036000）

一、引言

HPI全稱是High pressure Injection——高壓噴射，它是一種在PT（時間/壓力）理論上發(fā)展起來的新型燃油電控系統(tǒng)?？得魉筈SK系列柴油機基于HPI噴射技術(shù)，采用Quantum電子控制系統(tǒng)，接收各種傳感器的信號，經(jīng)ECM計算機的計算，對發(fā)動機噴射燃油和正時燃油的油量及壓力進行控制，在適當?shù)臅r刻以適當?shù)膲毫ο蚱字袊娙脒m量的油，實現(xiàn)最優(yōu)控制，以滿足馬力的需求和排放法規(guī)的規(guī)定。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

QSK系列柴油機的電控燃油噴射系統(tǒng)由4個基本部分組成，輸入(油門指令)、ECM(對輸入信號進行處理與分析)、執(zhí)行器(按照ECM輸出信號動作的控制閥體)和各種

傳感器，如圖1所示。當司機踩下油門踏板以提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，ECM將參考發(fā)動機需要提高轉(zhuǎn)速、發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速和其他輸入信號，然后將這些數(shù)據(jù)與標定數(shù)據(jù)進行比較，以確定相應(yīng)的信號變化。如果允許增加發(fā)動機轉(zhuǎn)速，ECM就輸出相應(yīng)的信號給燃油控制執(zhí)行器。同時，ECM會根據(jù)負載情況及發(fā)動機狀況改變噴油正時，向正時控制執(zhí)行器輸出相應(yīng)的信號，以實現(xiàn)當前工況下的最優(yōu)控制。

圖1 康明斯QSK系列柴油機電控系統(tǒng)組成示意圖

1.輸入信號

ECM利用傳感器信號確定發(fā)動機的燃油壓力和正時壓力，即更簡單地控制發(fā)動機的運行。系統(tǒng)輸入可分為傳感器輸入、開關(guān)輸入、司機輸入、反饋輸入和可能的特性輸入。

(1)溫度傳感器。

有4個溫度傳感器，分別為冷卻液溫度傳感器、進氣歧管溫度傳感器、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(jié)溫器殼體中，該傳感器得到的信息被ECM用于確定正時和發(fā)動機保護；進氣歧管溫度傳感器安裝在中冷器殼體內(nèi)，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發(fā)動機保護；燃油溫度傳感器也安裝于控制閥體上，用于監(jiān)測燃油溫度，供ECM確定正確的噴油量、噴油壓力和發(fā)動機保護。

(2)壓力傳感器。

Quantum電子控制系統(tǒng)有6個壓力傳感器向ECM提供關(guān)鍵壓力信號，這些壓力傳感器分別為：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、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際燃油壓力；燃油正時壓力傳感器用于測量油道中供給正時油道的實際燃油壓力；機油壓力傳感器用于測量主系統(tǒng)的機油壓力，ECM利用該傳感器得到的信息確定發(fā)動機保護；冷卻液壓力傳感器用于測量冷卻系統(tǒng)的壓力，ECM利用該傳感器得到的信息確定發(fā)動機保護；渦輪增壓壓力傳感器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利用該傳感器傳來的信息校正設(shè)備工作區(qū)域的海拔高度，當車輛在海拔較高的地區(qū)運行時，發(fā)動機的額定功率將自動降低，以防止渦輪增壓器超速。

(3)發(fā)動機速度傳感器。

發(fā)動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(shù)，并將信號傳送給ECM，ECM利用這些信號計算出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。傳感器具有雙繞組信號輸出特性，可向ECM提供兩個獨立的信號，即使其中一組線圈損壞，丟失了一個信號，發(fā)動機仍能繼續(xù)正常運行。

(4)開關(guān)輸入。

Quantum電子控制系統(tǒng)有2個系統(tǒng)開關(guān)：怠速開關(guān)和冷卻液液位開關(guān)。怠速開關(guān)向ECM提供油門踏板位置的確認信號。冷卻液液位開關(guān)監(jiān)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(yù)定點時該開關(guān)開啟，ECM利用從該傳感器獲得的信息確定發(fā)動機保護。

(5)反饋輸入。

ECM除了監(jiān)測燃油和正時壓力傳感器來確定實際壓力外，還監(jiān)測油道和正時控制執(zhí)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。

(6)司機輸入。

來自司機的輸入主要是鑰匙啟動開關(guān)和油門踏板，啟動開關(guān)的位置確定發(fā)動機的運行狀態(tài)(運轉(zhuǎn)或停機)，油門踏板的位置確定發(fā)動機所需的轉(zhuǎn)速。

2.電控單元ECM

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

3.系統(tǒng)輸出

ECM共有6個系統(tǒng)輸出，其中3個輸出控制著燃油油道、正時油道和燃油切斷功能。它的執(zhí)行器是控制閥總成，燃油和正時控制執(zhí)行器是滑柱式閥，滑柱閥由電磁裝置通過ECM的指令進行控制。ECM產(chǎn)生下述信號：

(1)燃油控制執(zhí)行器閥信號：PWM(脈沖寬度調(diào)制)負荷循環(huán)。

(2)正時控制執(zhí)行器閥信號：PWM(脈沖寬度調(diào)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(shù)據(jù)通信：系統(tǒng)編程。

(6)轉(zhuǎn)速表：轉(zhuǎn)速表工作的輸出信號。

三、燃油控制原理

QSK系列高壓噴射燃油系統(tǒng)采用PT概念，通過電子方式調(diào)整執(zhí)行器的燃油流通面積來控制燃油壓力，其核心部件是控制閥總成，如圖2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個切斷電磁閥、2個燃油執(zhí)行器和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(zhí)行器控制。燃油油道執(zhí)行器控制燃燒所需的燃油，燃油正時執(zhí)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(nèi)部，燃油流分別供給2個控制系統(tǒng)。

1.噴射油道壓力控制

該系統(tǒng)由熄火閥、噴射油道執(zhí)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(zhí)行器。該執(zhí)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(diào)制(PWM)信號，根據(jù)PWM信號的占空比不同，滑柱將動態(tài)控制閥體內(nèi)的滑柱調(diào)節(jié)進油口的大小，改變?nèi)加偷妮敵鰤毫?。噴射油道壓力傳感器監(jiān)測噴射油道壓力并將此信號反饋至ECM，ECM結(jié)合控制指令來修正對執(zhí)行器的控制，最終實現(xiàn)對噴射油道壓力的最優(yōu)控制。噴射油道執(zhí)行器閥的最大流量為454kg/h。

2.正時油道壓力控制

QSK系列發(fā)動機的正時控制是通過改變噴油器內(nèi)柱塞的有效工作長度來實現(xiàn)的，而有效工作長度的改變則是由正時油腔的注油量來控制的，該油腔內(nèi)的燃油量根據(jù)PT原理可知，受控于正時油道壓力和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從控制的角度而言，所能做的就是控制其正時油道壓力。

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

四、使用與維護

康明斯QSK系列發(fā)動機在實際運行中，諸多注意事項應(yīng)予以高度重視，現(xiàn)匯總?cè)缦隆?/p>

(1)使用中絕對不要用水清洗發(fā)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(tǒng)出現(xiàn)一些難以查找的軟故障。

(2)當需要在設(shè)備上進行焊接作業(yè)時，一定要拆除蓄電池的正、負極電纜，并斷開發(fā)動機的31針及2l針連接器。因為電控系統(tǒng)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(tǒng)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，要按時排出發(fā)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，因為每拔一次傳感器插接頭對插頭的壽命都會有影響，同時自診斷系統(tǒng)還會記錄一個故障代碼，需手動刪除。

五、故障案例分析

因燃油控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題而導(dǎo)致發(fā)動機產(chǎn)生的故障主要集中于發(fā)動機啟動困難、自動熄火及低馬力等幾個方面，一般通過系統(tǒng)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(xiàn)故障、指示不準確及傳感器線路傳輸阻斷時，系統(tǒng)會出現(xiàn)相應(yīng)故障指示，從而確定故障排除步驟。下面主要針對發(fā)動機常出現(xiàn)的幾種故障且當發(fā)動機故障指示不報故障時如何排查發(fā)動機故障。

1.發(fā)動機啟動困難與自行熄火

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

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

2.發(fā)動機輸出功率不足

此類故障通常被稱為低馬力，發(fā)動機表現(xiàn)為大負荷時“發(fā)吐”，急加速時“放炮”，排黑煙，最高空載轉(zhuǎn)速下降80~150r/min，燃油系統(tǒng)污染，進入空氣，個別噴油器工作不良或不工作是主要原因。排除故障時首先用Cense診斷確定各缸的工作溫度，找到溫度不正常的某一個或幾個缸，開缸檢查，更換不工作的噴油器，同時檢查搖臂、十字頭、挺桿等附件，如有損壞統(tǒng)一更換。

六、結(jié)語

作為各種工程機械和礦用卡車的動力源，QSK系列發(fā)動機在當今采礦業(yè)應(yīng)用廣泛，功率大、排放低、控制精度高是其主要特點，較傳統(tǒng)柴油機其核心的燃油系統(tǒng)有了很大進步。