康明斯电喷高压共轨系统的构造与原理

摘要：能源危机和环境污染是社会大众所面临的问题，节约能源、减少排放的要求促进了柴油发电机喷射技术的发展。高压共轨电喷燃油喷射技术与传统的喷油技术相比，进一步减少了燃油消耗，增强了动力性能，达到了更加严格排放规范的要求，并使装置具有更高的喷射压力和更加灵活的喷油方法。电控高压共轨技术是目前国内柴油发电机行业为达到国三排放规范所普遍采用的一种成熟的电喷技术。本文以康明斯国三电喷共轨柴油发电机为例，

深圳发电机出租公司所说的电喷柴油发电机与传统的柴油发电机的主要差异在于它的燃油供给装置的不同，前者采用的是电子控制燃油装置，而后者采用的是机械式燃油装置，目前电子控制燃油系统可分为三种，分别为：电喷直列泵燃油装置、电控分配泵燃油装置和电喷高压共轨燃油装置

（1）前两种燃油装置是在传统的机械式燃油装置的基础上增加了一套精确控制柴油发电机喷油量和喷油时间的电子装置，从而大大减轻了柴油发电机排放污染并增强了燃油经济性。

（2）第三种燃油装置是一种全新的燃油喷射装置，它是通过各种传感器检查出柴油发电机的实际运转状态，通过计算机的计算和处理，可以对柴油发电机的喷油量、喷油时间、喷油压力和喷油率进行较佳控制，从而实现了柴油发电机综合性能的又一次飞跃。以康明斯柴油发电机为例，其4缸电喷机型燃油装置结构如图1所示；6缸电控机型燃油系统构造如图2所示。

      ECM软件的实质是企业在技术开发步骤中通过对发电机在各种作业状态下进行试验而获得的见解和经验积累，是一个不断完善和细化的步骤。ECU软件先检查出发电机的转速和油门开度等数据，然后输入到计算机内，形成MAP。在作业时可将发电机实时参数与MAP进行解析处理，然后向伺服回路发出指令进行控制。

      随着喷射压力的不断增强和其它相关技术的发展，将有更高精度和响应转速的新型智能探头来满足操作教程。

    高压共轨电控燃油喷射技术是柴油发电机领域的一次革命，它不仅保留了传统柴油发电机卓越的燃油经济性能，还进一步减轻了有害气体和粉尘的排放，使其更节能，更环保，在性能上已远远超过了传统柴油机。同时，该技术还具有很大的发展潜力，进一步的研究具体体现在以下几个方面：

      总之，共轨电喷燃油喷射装置发展前景非常远大，这门综合性的新技术，一定会在发展中得到进一步完善。

简易来说，从图3电控燃油装置模拟图和图4的机理图可以看出，燃油由柴油发电机凸轮轴驱动的齿轮泵经滤清器从油箱中抽出，通过一个电磁紧急关闭阀流入供油泵。此时的压力约为0.5MPa，然后油流分为两路，一路经安全阀上的小孔作为冷却油通过供油泵的凸轮轴室流入压力控制阀，然后流回油箱。另一路充入3缸供油泵。在供油泵内，燃油压力上升到135MPa或更高，供入共轨。共轨上有一个压力传感器和一个通过切断油路来控制流量的压力控制阀。用这种程序来调整控制单元设定的共轨压力。高压燃油从共轨流入喷油嘴后又分为两路：一路直接喷入燃烧室，另一路在喷油期间，与针阀导向部分和控制柱塞处泄漏出的燃油一起流回油箱。

      燃油从燃油箱被吸入到进油泵，然后通过PCV输送到抽吸装置。PCV将抽吸系统抽吸的燃油量调整到必要的排出量，然后燃油通过出油阀被压送到油轨。

      从进油泵输送的燃油经过柱塞抽吸。为了调节油轨压力，PCV对排放量进行控制。每一个行程期间PCV和柱塞的操作：

      在柱塞下降行程中，PCV打开，同时低压燃油通过PCV被吸入到柱塞室中。

      就在柱塞进入上升行程时，PCV不通电并保持开启。此时，通过PCV吸入的燃油没经过加压（预行程）而通过PCV返回。

      在获得所需排放量的较佳时机，提供电力使PCV关闭，则返回通道关闭，同时柱塞室中的压力上升。因此，燃油流经出油阀（反向切断阀），然后被抽吸到油轨。具体情形是，PCV关闭之后柱塞升程部分变成排放量，而且通过改变PCV关闭正时（柱塞行程的终点），排放量得到改变，从而使油轨压力得到控制。

      当凸轮超过较大升程时，柱塞进入下降行程，同时柱塞室中的压力下降。此时，出油阀关闭，燃油抽吸停止。此外，PCV由于被断电而打开，低压燃油被吸入到柱塞室。

      喷油咀通过控制室中的燃油压力来控制喷射。TWV通过对控制室中的燃油泄漏进行控制从而对控制室的燃油压力进行控制。TWV随喷油泵类别的不同而改变。

      当TWV未通电时，它切断控制室的溢流通道，因此控制室中的燃油压力和施加到喷嘴针的燃油压力为同一油轨压力。从而，喷嘴针阀因为控制活塞的承压面和喷嘴弹簧力之间的区别而关闭，燃油未喷射。对于X1型，外部阀被弹簧力和外部阀中的燃油压力推向座，从而控制室的泄漏通道被切断。对于X2/G2型，控制室出油量孔直接在弹簧力用途下关闭。

      当TWV通电开始时，TWV阀被拉起，从而打开控制室的溢流通道。当溢流通道打开时，控制室中的燃油流出，压力下降。因为控制室中的压力下降，喷嘴针处的压力克服向下压的力，喷嘴针被向上推，喷射开始。当燃油从控制室泄漏时，流量受到量孔的限制，因此喷嘴逐渐打开。随着喷嘴打开，喷射率升高。随着电流被继续施加到TWV，喷嘴针较终达到较大升程，从而实现较大喷射率。

      TWV通电结束时，阀下降，从而关闭控制室的溢流通道。当溢流通道关闭时，控制室中的燃油压力立即返回油轨压力，喷嘴突然关闭，喷射停止。

      高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并解决燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油咀上的电磁阀实现喷射的开始和终止。其主要特性可以概括如下：共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油嘴内的增压装置；而且共轨腔内是连续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。

（1）通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发电机负载情形以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调整，尤其优化了发电机的低速性能。

（2）通过喷油咀上的电磁阀控制喷射定期，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不一样工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。供油泵从油箱将喷油泵入高压油泵的进油口，由发电机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。

（3）预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内产生预混合或者部分燃烧，缩短主喷射的着火增长期。这样缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发电机工作比较缓和，同时缸内温度减轻使得NOX排放降低。预喷射还可以降低失火的可能性，改良高压共轨系统的冷起动性能。

（4）柴油发电机主喷射初期减少喷射速率，也可以减轻着火延迟期内喷入汽缸内的油量。增强主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发电机更有效的主轴转角范围内完成，增强输出容量，减轻燃油消耗，减轻碳烟排放。主喷射末期快速断油可以降低不完全燃烧的燃油，减少烟度和碳氢排放。共轨式电喷燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分送到每个喷油嘴，并借助于集成在每个喷油咀上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定期、定量地控制喷油咀喷射至柴油发电机燃烧室的油量，从而保证柴油发电机达到较佳的燃烧比和良好的雾化，以及较佳的点火时间、足够的点火能量和较少的污染排放。

      共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECM结构的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射步骤彼此完全分开的一种供油步骤。它由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发电机的转速无关，可以大幅度减小柴油发电机供油压力随发电机转速的变化，因此也就减少了传统柴油发电机的短处。

      电喷共轨装置详细部件有高压油泵、高压油轨、高压油管、高压油管接管、电喷喷油器、低压油管、柴滤、油箱等，如图5所示。

      高压油泵有两个高压柱塞泵，靠飞轮端为油泵，靠前端为油泵。分别由两个凸轮（每个凸轮上均有3个凸缘）驱动，按时将六缸所需要的燃油提供给高压油轨。其组成外观示意图如图6所示。

      手油泵用于排出燃油喷射系统中油路的空气，其构造外观如图7所示。输油泵位于高压油泵的左侧，与高压油泵集成在一起，供应高压油泵一定压力的燃油。位于油泵上部的两个黄色阀体为压力控制阀（PCV），分别控制两个泵的供油量与供油时刻。两个电磁阀分别各对应一个线束插头，靠飞轮端为阀（PCV1），靠前端为阀（PCV2）。其功能是调整共轨管内的燃油压力，方法是调整油泵压入共轨管内的燃油量。

      凸轮轴位置传感器用于预判柴油发电机第1缸压缩上止点的到来时刻，作为喷油的基准信号。高压油泵内部集成了一个凸轮轴位置传感器和二个相应的信号盘，凸轮轴置探头的插头在油泵正面中部位置。

③ 在达到供油量定期的时刻，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的燃油被压缩，燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制进入高压油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的。

④ 凸轮经过较大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭，停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态、低压燃油进入柱塞腔，进入下一个循环。

      高压共轨管将供油泵供应的高压燃油经稳压、滤波后，提供给各缸喷油嘴，起蓄压器的用途。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油泵由喷油步骤导致的压力振荡，使高压油轨中的压力波动控制在5MPa之下。其轨压分布图如图8所示。

（1）轨压限制阀的用途是当共轨压力超过共轨管所能承受的较高压力时，轨压限制阀会自动开启，将共轨压力减少到约30MPa。

（2）在共轨管的上部有六个流量限制阀（同缸数一致），分别与六个缸的高压油管相连。当某一缸的高压油管有泄漏或喷油泵事故而导致燃油喷射址超过限值时，流量限制阀会动作，切断该缸的燃油提供。共轨的外侧有1～2个进油口，分别与高压油泵的高压油的出油口相连。轨压传感器位于共轨的右侧，带有一个线）采用电装共轨系统的康明斯柴油发电机高压油管共8根，其中2根由高压油泵到高压油轨，6根由高压油轨到各缸喷油咀。

共轨装置控制系统      电喷共轨装置可以分成三大部分：传感器、计算机和执行器。

电子控制装置的核心是ECM——电子控制单元。ECU就是一个微型计算机。ECU的输入是安装在发电机组和柴油发电机上的各种探头和开关；ECM的输出是送往各个执行装置的电子信息

通过控制共轨压力而控制喷油压力。利用共轨压力传感器测量燃油压力，从而调整供油泵的供油量、调整共轨压力。此外，还可以根据柴油发电机转速、喷油量的大小与设定了的较佳值（指令值）始终一致地进行反馈控制。

根据柴油发电机的速度和喷油量等参数，计算出较佳喷油时间，并控制电喷喷油器在适当的时刻开启，在适当的时刻关闭等，从而准确控制喷油时间。

（1）在电喷共轨系统中，由各种传感器——柴油发电机转速探头、油门开度探头、各种温度传感器等——实时检修出柴油发电机的实际运行状态，由微型计算机根据预先规划的计算方式进行计算后，定出适合于该运行状态的喷油量、喷油叶间、喷油率模型等数据，使柴油发电机始终都能在**佳状态下工作。

（2）计算机具有自我诊断作用，对系统的详细零部件进行技术诊断，如果某个零件发生了事故，则诊断装置会向使用员发出警报，并根据故障状况自动作出处理；或使柴油发电机停止运转——即所谓事故应急功用，或切换控制方式，使发电机组继续运行到安全的地方。

      传统的泵管嘴燃油系统中，喷油压力与柴油发电机的速度和负载有关，不是一个独立变量。