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性能特点和作用说明 |
康明斯柴油发电机的电控泵喷嘴系统的结构特点 |
导读：电控泵喷嘴柴油机容易产生更高喷油压力，因此，康明斯电控柴油发电机燃油系统采用了两级加压方式。其中，燃油泵为低压油路建压，然后将燃油输送到喷油器；高压燃油由喷油器输出，燃油起始喷射压力为5000psi（1psi=6.89kPa），最高喷射压力约为20000psi。最后，ECM通过控制喷油器电磁阀的通、断电时刻来对喷油量和喷油时刻进行精确控制。泵喷嘴由于无高压油管，所以可以消除长的高压油管中压力波和燃油压缩的影响，高压容积大大减少，因此喷射压力可很高。它的驱动机构比较特殊，一般采用凸轮轴的凸轮驱动摇臂的一端，摇臂的另一端来驱动泵喷嘴，因此泵喷嘴系统最适宜与顶置式凸轮驱动方式匹配。
一、燃油系统原理与结构特点
1、工作原理
泵喷嘴燃油系统原理如图1所示。电控泵喷嘴省去高压油管，将泵油的柱塞及泵体与喷油器部件集成在一起，在泵体的侧面装有电磁阀。喷油正时和喷油量是由电磁阀的通电时刻和通电时间决定的。电控泵喷嘴柴油发电机的电控系统由一组传感器、计算机和执行组件组成。传感器把柴油发电机工作的环境条件、工况及的操作员意图传给计算机，计算机根据这些信息进行计算，并控制执行器的工作。
作业流程如图2所示，燃油自燃油箱被吸出，经过燃油滤清器去除杂质和水分后，流入齿轮泵。齿轮泵将燃油加压到150psi，压力燃油流经ECM散热板，最后进入缸盖中的喷油器供油道。喷油器的喷油量和喷油正时均受ECM控制。喷油器使大多数的燃油回流燃油箱，这便于排除燃油油路中的空气，同时可为喷油器散热。
2、基本结构
（1）燃油泵的结构如图3所示，它由齿轮泵、压力调节阀、磁性滤网和断油电磁阀等组成。
（2）喷油器的结构如图4所示。喷油器将高压油泵和喷油针阀集成为一体，上部为油泵，下部为针阀。油泵的油腔被计量柱塞一分为二，计量柱塞上部为正时油腔，下部为计量油腔。正时柱塞直接由喷油器摇臂驱动，做上下往复运动，使油泵完成吸油和泵油过程。油泵的喷油量和喷油正时均由电磁阀控制。减压阀用于喷油结束时的泄压，保证断油干脆。
（3）分配管
分配管集成在缸盖内的供油管内，其功能是等量向各泵喷嘴分配燃油，分配管的工作过程是：油泵将燃油输送到各缸的供油管内，然后燃油沿着分配管内管流向1缸。燃油通过十字孔迸大分配管和缸盖壁之间的环形管，在此，燃油与受热燃油混合，并被泵喷嘴强制流向供油管，使供油管内流到各缸的燃油油温一致，所有的泵喷嘴被提供相同量的燃油，发动机运转平稳。若没有分配管，6喷嘴的油温将不会相同，6喷嘴强制流向供油管的受热燃油在供油管内被流动的燃油直接从4缸推到1缸喷嘴。结果，油温从4缸推到1缸上升，并且泵喷嘴被提供不同质量的燃油，这将会使发动机不平稳运转并将在头几缸中产生极度高温。
3、泵喷嘴系统的特点
电子控制泵喷嘴系统的特点是燃油压力升高仍然是机械式的，喷油始点和终点由电磁阀控制，即喷油量和喷油时间是由电磁阀控制的。
（1）采用大容量齿轮式供油泵，确保将燃油稳定地供到安装在气缸盖内部的喷油器
（2）主供油管和气缸盖上的各个喷油器之间由支管连接，溢出燃油通过连接各喷油器的溢油管经调压阀排出到气缸盖外部。
（3）ECU直接安装在发动机机体上，缩短了线束长度；为了减低因发动机引起的振动，采用橡胶固定，同时，采用燃油冷却ECU的背面。
（4）ECU根据安装在飞轮以及凸轮相关部位的两个转速传感器检测到的发动机转速和曲轴转角、加速踏板位置传感器信号及其他的传感器信号进行最佳燃油喷射控制。
（5）柱塞通过摇臂由凸轮轴驱动，压缩燃油，建立高压。
（6）喷油器的高速电磁阀是常开的，燃油通过气缸盖内部的油路流动；但电磁阀关闭时，柱塞开始向喷油嘴压油，燃油从喷油嘴喷入气缸；当电磁阀打开时，溢油开始，喷油结束。
（7）因为没有喷油管，不仅可以实现高压喷射，而且可以通过适当组合喷油嘴的喷孔流通截面积和驱动凸轮的形状，使喷油率的形状徐徐上升，减少预混合期间的喷油量，从而达到控制预混合燃烧。
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图1 柴油机电控泵喷嘴系统原理图 |
图2 康明斯发动机燃油系统流程 |
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图3 康明斯发动机电喷高压油泵结构图 |
图4 康明斯发动机电磁喷油器结构图 |
二、电控喷油器的控制原理
康明斯柴油发电机喷油器采用全时双脉冲控制，其零件分解如图5所示，总成外形如图6所示。在完成每个循环喷油控制过程中，ECM为喷油控制电磁阀通、断电各两次。其具体控制过程如下：
① 凸轮顺时针旋转，随动件滚轮与凸轮外基圆相接触时，凸轮通过随动件、推杆将摇臂驱动至逆时针极限位置，此时，正时柱塞、计量柱塞均处于其行程的下止点位置。此过程直至随动件滚轮开始由凸轮的外基圆向内基圆回落时才结束。
② 随动件滚轮自外基圆向内基圆回落，正时柱塞在复位弹簧的作用下上行，驱动摇臂顺时针转动，推杆下行，保持随动件滚轮与凸轮接触。来自供油管路白勺燃油经过计量单向阀进入计量柱塞下方的计量油腔，推动计量柱塞上行，使其与正时柱塞保持接触，同步上行。
③ 当计量柱塞与正时柱塞上行至一定位置时，ECM控制电磁阀打开，来自供油管路的压力燃油进入正时油腔。此时的计量柱塞上方受到供油压力和偏置弹簧的共同作用，而下方只受到供油压力作用，计量柱塞上方受力大于下方受力，欲下行。这时，计量油腔压力迅速增高，计量单向阀关闭，计量柱塞保持不动。随着正时柱塞上行，经电磁阀流入的燃油不断进入正时油腔，充满正时柱塞上行所让出的空间。
⑤ 大约在喷油前150°曲轴转角，ECM控制电磁阀关闭。此时．正时油腔成为密闭空间，计量柱塞与正时柱塞间的距离不再变化，计量柱塞和正时柱塞同步上行。计量柱塞上行的同时，来自供油管路的燃油再次经过if量单向阀进入计量油腔，充满柱塞上行所让出的空间。
⑥ 当计量柱塞上的泄油通道与计量溢流口对正时，计量油腔内的高压燃油迅速回流到进油通道中。此时，减压阀打开，部分燃油回流到回油管，这就减小了供油压力脉动。随后，计量柱塞让出了正时溢流口，正时油腔内的燃油随着正时柱塞继续下行迅速经正时溢流口排空。
⑦ 当第二次进入计量油腔的油量达到ECM设定值时，ECM再次控制电磁阀打开。压力燃油再次进入正时油腔，计量柱塞第二次保持停止（不再随正时柱塞同步上行）。此时，经过两次计量的燃油存储在计量油腔内，直到正确时刻将其喷入气缸。正时柱塞上行所让出的空间，继续由经电磁阀供给的压力燃油填充，正时油腔容积逐步增大。
⑧ 随动件滚轮离开内基圆，开始接触凸轮上升沿时，正时柱塞受驱动下行，正时油腔压力迅速增长，燃油被压送回供油管路。此时，计量单向阀保持关闭，计量柱塞保持不动。
⑨ 到正确喷油时刻时，ECM控制电磁阀关闭。此时，正时油腔密闭，正时柱塞和计量柱塞间实现了刚性液压连接。计量柱塞和正时柱塞同步下行，计量油腔压力迅速增长。当计量油腔油压达到5000psi时，油压将针阀顶起，计量油腔内的燃油经油杯上的喷孔喷出。
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图5 喷油器零件分解图 |
图6 喷油器总成图 |
二、泵喷嘴工作过程
泵喷嘴安装在柴油机原普通喷油器的位置上，其外形与普通喷油器类似，安装位置如图7所示。其喷油压力主要集中在三个地方，如图8所示，其中， Pos.1为0形密封环，由发动机缸盖供应燃油（要求：在发动机4000r/min,机油温度90℃时，供油压力保持为7.5bar+1bar）；Pos.2为进油口；Pos.3为回油口，回油压力为0.7bar±0.2bar。
1、预喷油阶段
喷油凸轮安装在控制气门打开和关闭的凸轮轴上。其上升段为陡峭的直线，有利于快速快速建立油压。
下端进入喷油针阀阻尼器孔内，喷油针阀顶部的燃油就只能通过细小的缝隙流向喷油针阀复位弹簧腔内。这样，在喷油针阀的顶部形成了一个所谓的“液压垫圈”。阻止喷油针阀继续向上运动，使燃油的预喷量受到限制。
随着泵油柱塞的继续向下运动。高压油腔里的油压继续上升，当油压达到规定值时，辅助柱塞在高压燃油的作用下向下运动后，高压油腔的体积突然增大，燃油压力瞬间下降。此时，喷油针阀中部锥面上的向上推力随之下降，喷油针阀在喷油针阀复位弹簧的作用（由于受辅助柱塞的压缩而弹力增大）下复位。预喷油结束。
2、主喷油阶段
预喷油结束后，泵油柱塞继续向下运动，导致高压油腔内的油压迅速上升。当油压上升到大于预喷油的油压（30MPa）时，喷油针阀向上移，主喷油阶段开始。由于高压油腔内燃油油压上升的速度极快，所以高压油腔内的油压继续上升。直到205MPa左右。
3、主喷油结束
当电子控制系统停止向电磁控制阀供电时，电磁控制阀针阀在电磁控制针阀复位弹簧的作用下向右移动。接通高压油腔与低压油道。这时，高压油腔内的燃油经电磁控制阀流向低压油道，高压油腔里的燃油压力下降，喷油针阀在喷油针阀复位弹簧的作用下复位，辅助柱塞则在喷油针阀复位弹簧的作用下关闭高压油腔与喷油针阀复位弹簧之间的油道。
4、高压油腔进油
当凸轮的下降段与摇臂接触时，泵油柱塞在泵油柱塞复位弹簧的作用下向上运动，高压油腔因体积增大而产生真空。这时，低压油道（与进油管相连接）内的燃油经电磁控制阀流向高压油腔，直到充满高压油腔为止，从而为下一次喷油做好准备。
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图7 电控柴油机泵喷嘴的安装位置 |
图8 影响喷油器燃油压力的三个重要位置 |
总结：
泵喷嘴将喷油泵电控单元、喷油嘴组合在一起。发动机每个缸都有一个泵喷嘴，不需要高压管或分配式喷射泵。泵喷嘴系统与分配式喷射系统的缸盖相比，泵喷嘴式喷射系统缸盖有很大变化，位置比较高。泵喷嘴通过卡块固定在缸盖上。泵喷嘴要安装好，若泵喷嘴与缸盖不垂直，则紧固螺栓会松动，造成泵喷嘴或缸盖损坏。
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