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性能特点和作用说明 |
康明斯柴油发电机喷油器类型与原理分解图 |
摘要：康明斯柴油发电机的第二代高压共轨燃油系统，凭借高增压与低温中冷，先进的电子控制等多项新技术，突显了柴油发电机高燃油经济性与低维修成本。然而，面临新技术，现有的设备使用人员素质远远不能很好适应高性能发电机维护要求，使用和维修中时常出现各种问题，为了更好地使用好新设备、新技术，本文针对康明斯喷油器结构问题与大家探讨。
一、喷油器工作原理
喷油器的作用是将喷油泵在一定时刻所供给的高压燃油雾化成细微的燃油颗粒喷入气缸，并分布到整个燃烧室中，使燃油的颗粒与空气进行良好的混合而形成可燃混合气体（燃油流向示例如图1所示）。当喷油器工作不良时，会使柴油机起动困难，运转时冒黑烟，功率和经济性下降，转速不稳。出现噪音、“敲缸”、甚至灭火停车等现象。
喷油器由孔式喷油嘴、液压伺服系统和电磁阀等一系列功能部件组成。燃油来自于高压油轨，经通道流向喷油嘴，同时经节流孔流向控制腔，控制腔与燃油回路相连，途径一个受电磁阀控制其开关的泄油孔。泄油孔关闭时，作用于针阀控制活塞的液压力超过了它的喷油嘴针阀压面的力，结果，针阀被迫进入座且将高压通道与燃烧室隔离，密封。当喷油器的电磁阀被触发，泄油孔被打开，这引起控制腔的压力下降，结果，活塞上的液压力也随之下降，一旦液压力降至低于作用喷嘴针阀承压面上的力，针阀被打开，燃油经喷孔喷入燃烧室。这种喷油嘴针阀的不直接控制采用了一套液压力放大系统，是通过电磁阀打开泄油孔使得控制腔压力降低，从而打开针阀。此外，燃油还在针阀和控制柱塞处产生泄漏，控制和泄漏的燃油量，经连接回油管，会同高压泵和压力控制阀的回油流回油箱。
喷油器外表面有喷油器油量修正代码（IQA），喷油量修正代码用于对单个喷油器依据工作点进行油量修正。基于这个目的每个喷油器的四个调整值被存储在EEPROM：排放相关的油量范围、全负荷油量范围、怠速油量范围、预喷射油量范围。每个喷油器修正码都不相同。
1、油轨
油轨前端装有油轨压力传感器，油轨上有一个管接头通过高压油管与高压油泵连接、四个管接头通过高压油管与喷油器连接。
● 注意：油轨压力传感器不可单独更换，必须和油轨同时更换。维修操作时，应注意提高作业环境的清洁度，防止有灰尘进放油轨。
2、高压喷射管路装置
每个缸的高压油管总成、高压油总管合件及高压燃油轨道总成在装配前必须带有防尘专用罩帽，以保证燃油管路的清洁度要求。第一至第四缸高压油管总成与高压燃油轨道总成、喷油器的装配应按气缸顺序一一对应装配。高压油管拧紧力矩：油嘴：27±5N·m，油轨：25±5N·m，油泵：20±5N·m。
● 注意：在拆高压油管与油嘴连接时一定要固定油嘴上进油阀。必须在去掉高压油管两端的保护帽，且在2min内装配完高压油管总成和高压油总管合件。如需要拆卸高压油管重新装配，必须更换新件，高压油管不能重复使用。
3、ECU
外观如图2所示。电控高压共轨燃油喷射系统采用电子控制单元(ECU)来控制柴油机的喷油量和喷油规律。它是进一步提高柴油机性能、降低排放和燃油消耗的重要技术之一。
燃油喷射压力是影响电控高压共轨柴油机喷油量的重要因素之一。现代电控高压共轨柴油机的燃油喷射压力可达到几千巴（KPa），高于传统机械喷油的压力。喷油量和喷嘴开启时间的变化趋势通常是由ECU进行控制和调整的，而它们与燃油喷射压力之间的关系是密切相关的。若燃油喷射压力增加，则喷油量和喷嘴开启时间也会随之增加，从而实现更大的喷油量控制。
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图1 柴油机燃油系统流动示意图 |
图2 柴油机电子控制模块 (ECM) |
二、喷油器分类
康明斯发电机组的燃油供给系统由油箱、燃油泵、燃油滤清器、燃油压力调节器、喷油器及供油管路组成。喷油始点和喷油量由电控喷油器调节，这种喷油器取代了原来的喷油器和喷油座。共轨喷油器目前常见的工作形式主要有两种：一种是电磁式；另一种是压电式。
1、电磁式喷油器
电磁式共轨喷油器主要是由电磁阀、滑阀、阀控制腔、阀控制柱塞、滑阀控制弹簧、柱塞控制弹簧、喷嘴针阀、进油口、回油口、电插接器组成的。当电磁阀断时，电磁阀的滑阀在弹簧弹力的作用下压在球阀上，球阀此时受上下两个力的作用，向下的力是滑阀弹簧的弹力，向上的力是共轨油压通过小回油节流孔作用在球阀上的力，因回油节流孔径很小，滑阀弹簧的弹力大于球阀受到的共轨油压的向上的推力，球阀在弹簧力的作用下压紧在阀座上，控制柱塞上腔停止回油。共轨油压从喷油器进油口进人喷油器后，一方面流人喷油器的喷嘴腔内，向上推针阀，以使针阀升起。另一方面共轨油则通过进油节流孔进人控制柱塞的上腔，使上腔内的油压与共轨油压相等（结构如图3所示）。
当喷油器电磁阀通电时，电磁阀产生的电磁力吸引滑阀向上移动，从而使球阀离开阀座，此时泄油节油孔打开。这样阀控制腔中的压力下降，作用在阀控制柱塞上的力也减小。一旦液压压力小于作用在针阀压肩上的力，喷嘴针阀就打开，燃油从喷孔喷入燃烧室。根据康明斯发电机运转和高压油泵产生的压力，喷油器可分为喷油器关闭（由于受到高压）、喷油器开（开始喷油）、喷油器全开、喷油器关闭（喷油结束）四个工作状态，如图4所示。这些工作状态由施加到喷油器部件上的压力分布来产生。发电机静止，燃油共轨中无压力时，喷嘴弹簧将喷油器关闭。
① 喷油器关闭（静止状态）
在静止状态，电磁阀未被通电，此时喷油器处于关闭状态。当泄油节油孔关闭时，阀弹簧会将滑阀的球阀压在泄油节流孔上。在阀控制腔内形成了共轨的高压。稍后同样的压力作用在喷嘴腔内。由于阀控制柱塞两侧受到的力相同，阀控制柱塞并不动作，此时针阀保持关闭状态。
② 喷油器全开
喷嘴针阀的开启速度取决于通过泄油节流孔和进油孔的流量差。控制柱塞到达其上止点，并由一层油垫维持着，这层油垫是由泄油节流孔和进油节流孔之间的油流产生的。喷嘴这时完全打开，燃油以几乎等于共轨中燃油的压力喷入燃烧室。
③ 喷油器关闭（喷油结束）
一旦电磁阀断电，阀弹簧就将滑阀下压，阀球将泄油节流孔关闭。泄油节流孔的关闭使燃油从进油节流孔进人阀控制腔中，该压力与共轨压力相同，这个力加上弹簧力超过了喷嘴腔中的压力，使喷嘴针阀关闭，此时停止喷油。
④ 喷油器开启（开始喷油）
喷嘴在静止位置，电磁阀通电。电磁线圈产生的电磁力超过了弹簧力，滑阀向上移动带动球阀将泄油节流孔打开。燃油就能从阀控制腔流到位于其上方的空腔中，并从该空腔通过回油道返回油箱，从而使阀控制腔中的压力降低，阀控制腔中压力的降低减小了作用在阀控制柱塞上的力，因此喷嘴针阀打开，开始喷油。
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图3 电磁式喷油器结构图 |
图4 电磁式喷油器工作过程图 |
2、压电式喷油器
康明斯压电式喷射器具有极快和精确的燃油量分配。它是利用压电晶体具有压电效应的原理制成的，由于压电子晶体伸缩响应的速度很快，所以在一个喷油循环中可多次喷射，且可将多次喷射的喷油量控制得最小，实现预喷射使发电机运转平稳、噪声变小的目的。压电式喷油器每冲程的喷入量由预喷量和主喷量构成。这种分层喷射使得柴油机燃烧过程变得柔和。压电式喷油器的控制过程和电磁式喷油器相同，只是由于使用了压电晶体元件，其工作能力比电磁阀的更好。可以应用在高压共轨和中压共轨中，通用性和替换性更好。喷射方式如图5、图6所示。
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图5 喷油器喷射方式（单点和多点） |
图6 喷油器喷射方式（同时-顺序-分组） |
（1）单个喷油器的喷射特性
为了使用通用规范和标准喷油器来标定所有喷油器的喷油和喷嘴迟开。
① 所有的喷油器在装配前都通过自动测试线进行测试。
② 喷油测量在可选择的压力范围内进行测试。
单个喷油器的喷射特性来源于这些数据，同时将其记录在喷油器上，如图7、图8所示。
（2）使用加速传感器进行标定
系统工作过程中，校正最短驱动脉冲之间的差异，从而精确控制引导喷射。
（3）使气缸各缸平衡
平衡气缸之间的差异。
（4）修正电池电压和线束电阻的影响
为了补偿电池电压和线束电阻变化对喷油器喷油量和喷油时间的影响。
两者不同之处在于电磁式喷油器通过控制共轨中的油压和喷油空对空的喷射时间来控制喷油量。压电式喷油器通过控制针阀升程来改变喷油孔流通截面，从而实现对喷油量的控制。
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图7 压电式喷油器控制脉冲和喷油率 |
图8 压电式喷油器喷油特性曲线 |
三、喷油器故障分析及排除方法
喷油器位于燃烧室顶部，直接暴露在高温高压可燃混合气体中，工作温度高，工作条件差。热负荷和机械负荷常常会引起针阀偶件密封不良、燃气回窜，甚至停止工作，此外，喷油器工作状况的好坏，直接影响柴油机的经济性、动力性、排放、可靠性等。因此，对喷油器常见故障进行分析及排除是十分必要的。
1、喷油器损坏原因
喷油嘴主要损坏形式是磨损。首先主要发生在针阀锥面和针阀体座面、针阀偶件圆柱配合而上；其次是针阀体端面腐蚀和喷孔的孔径扩大和失圆。这对精密偶件出现的问题较多，喷油器经常发生磨损的部位有密封锥而、喷孔、针阀与针阀孔导向面。
（1）针阀锥面和针阀体座面的磨损
针阀锥面和针阀体座面的磨损是由于喷油器弹簧的冲击与柴油中杂质的冲刷所致。密封锥面磨损后会使锥面密封环带接触而加宽、锥而变形，光洁度降低。其结果造成喷油嘴滴油，喷孔附近形成积炭，甚至堵塞喷孔。滴油严重的喷油嘴，在工作中还会出现断续的敲击声，导致柴油机工作不均匀，排气冒黑烟等。排除的方法为：拆开喷油器，在针阀头部沾少许氧化铬细研磨膏对锥而进行研磨，然后用柴油洗净，最后装入喷油器进行性能检测。若性能检测不合格，则需更换针阀偶件。实际维修过程中，特别要注意不要将研磨膏粘到针阀孔内，维修中如没有研磨音也可用牙膏或机
油替代。
（2）针阀偶件圆柱配合面磨损
针阀偶件圆柱配合面是由于柴油中含有杂质所致。磨损大部分发生在导向部分的下端，使针阀导向部分表面呈细微的轴向划痕。其结果使喷油嘴的回油量增多，喷油量减少，喷油压力降低，喷油时间延迟，喷油雾化不良和滴油，并造成积炭。这种状态下，柴油机既不能全负荷工作，也会造成起动困难。为防止针阀及针阀孔导向面磨损，应按时保养柴油滤清器，经常排放滤清器和油柜内的沉淀油，以防灰砂杂质的侵入而加速针阀偶件的磨损。对于磨损严重的针阀，应及时更换新的针阀偶件。
（3）针阀体端面失圆和喷孔扩大
针阀体端面喷油嘴喷孔的直径一般在0.12mm～0.8mm，喷孔直径扩大是由于高压柴油夹带的杂质长期冲刷的结果。喷孔磨损后孔壁上出现细密的轴向沟痕，喷孔加大和失圆，导致喷油压力下降，喷射距离缩短，柴油雾化不良，缸内积碳增多。针阀体喷孔周围有时会产生积炭，不仅影响燃油雾化，也会使针阀体过热而损坏。针阀体积炭时，可用铜丝刷清除。喷孔堵寒时可用通孔工具清通。通孔时，应不断地转动工具，切勿用力过猛，以免通丝针折断在喷孔内。
2、喷油器的检查和调节
根据柴油机的运转状况，必须坚持对喷油器进行定期的预防性检查和不定期的诊断性检查。检查中如有发现不适之处，必须随时加以维修和调节，以保证喷油器始终具有良好的雾化质量。
（1）喷油器启阀压力的检查和调节
启阀压力是指针阀在燃油压力作用下克服调压弹簧的预紧力而开启的最低喷射压力，对雾化质量影响很大。故所有柴油机都规定了喷油器的启阀压力，一般为20MPa～35MPa，启阀压力的检查，是把喷油器固定在高压油管接头上，并把截止阀打开。打开喷油器放气阀，用手摇杆泵油，当放气阀处有油溢出时，关闭放气阀急速泵油几次，让柴油冲洗喷孔等处。然后用手摇杆缓慢泵油，开始喷油时的压力就是喷油器的启阀压力。如此值与规定值不符，则可通过调节螺钉进行调节，直到满意为止。
（2）喷油器的外观检查
喷油器的外观检查是最基本的检测方法之一。我们需要仔细观察喷油器的外观，检查是否有裂纹、腐蚀（如图9所示）以及喷嘴端部损坏情况（如图10所示）。同时，还需要检查喷油器的连接部分是否紧固，以及喷油器上是否有油渍或污垢。如果发现以上问题，需要及时修复或更换喷油器。
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图9 检查喷油器体有无腐蚀和裂纹 |
图10 检查喷嘴尖部损坏状态 |
总结：
柴油机对喷油器的工作要求是很严格的。要有一定的喷油压力，喷射距离（即射程）还要有一定的喷雾锥角，喷雾情况要良好，喷出的柴油颗粒既细小，又大小均匀。并能分布到整个燃烧室中，还应与喷油泵协同一致。使之喷射，确保截然地开始和结束。因此，通过加强柴油机喷油器的故障分析及排除工作，能有效降低柴油机的故障率。喷油器的故障会直接导致柴油机工作不正常，但柴油机的故障并非都由喷油器引起。因此，对喷油器故障的判断应仔细，不可贸然对喷油器进行拆检，从而破坏其加工与装配精度，造成不必要的损失。此外，为减少喷油器故障，延长喷油器的使用寿命，平时应做好对喷油器的维修、保养工作。
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