康明斯三種燃油系統分析

蔣建勇

康明斯發動機公司自從1954年推出第一代PT燃油系統以來，噴射系經過半個多世紀的發展，已從機械的PT燃油噴射發展到電控高壓共軌燃油噴射。隨著技術含量的提高，傳統維修方法已逐漸滿足不了需要。因而，要求維修技術人員不斷提高自己的維修知識，更新自己的維修理念。電控燃油系統十分復雜，對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，都離不開最初的設計理念，即通過對壓力和時間以及噴射過程的控制，達到提供最精確的噴油量，最優噴油規律的目的。明白了這一點，也就對燃油噴射系了解了一半。

一、PT燃油噴射系

PT燃油系統廣泛應用于3307礦用汽車所使用的KTA19發動機上，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。具有結構簡單可靠，維修方便，體積小重量輕等優點。

1.燃油泵

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

3307發動機上使用的調速器為全程調速器，由兩極調速器和VS調速器共同組成。兩極調速器對低怠速和高怠速進行控制，而VS調速器對穩定工作的中間狀態進行控制。

（1）兩極調速器

怠速時（圖1），主油道被油門軸關閉，怠速油道打開。當轉速增加時，調速器柱塞的推力增加，柱塞克服彈簧阻力向右移動，怠速通道減少，供油量也減少，從而使轉速下降。反之，當轉速減少時，調速器柱塞的推力減少，柱塞在彈簧力作用下向右移動，怠速通道增加，供油量也增加，從而使轉速上升。通過這種調節可維持怠速穩定。

圖1 兩極調速器（怠速狀態）

高速時，怠速油道關閉，主油道被油門軸打開，怠速彈簧被壓到極限，柱塞向右移動量只由高速彈簧壓縮量決定。其調節原理與怠速一樣，不再贅述。

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

（2）VS調速器

兩極調速器對速度調整只有兩點，即控制低怠速和控制高怠速。對于穩定中間工況的速度它無能為力，而VS調速器就可以維持某一轉速下的平穩運轉。帶有VS調速器的PT燃油泵上，兩極調速器的油門軸處于最大油門開度并固定不動。從兩極調速器來的燃油，經VS調速器后到截流閥，再去噴油器。

VS調速器的工作原理（圖2）。當發動機在某一中間工況穩定運轉時，若負荷突然增加，轉速下降，飛塊離心力減小，柱塞左移，VS調速器的油孔開度增大，從而造成燃油壓力隨之增大，發動機循環供油量也增加，使發動機轉速升高，回到原來的穩定轉速。

（3）AFC

圖2 VS調速器

AFC就是英文air（空氣）、fuel（燃油）、control（控制）的簡寫，AFC裝置（圖3）的作用主要是控制啟動和加速時的煙度。一般情況下，該裝置上部的油道關閉，隨著空氣壓力的增加，空氣推動膜片克服彈簧阻力使柱塞逐漸左移，這時上部油道逐漸打開，使得供油量增加。加速時，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，加速時雖然壓力會迅速增加，但是有一部分壓力受AFC控制油道的節流作用會損失掉。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，從上面分析可以看出，如果該裝置破壞，可造成無動力的現象。

圖3 AFC（冒煙限制器）無空氣狀態

2.噴油器

噴油器是PT系統中決定計量時間以及噴油正時和提高噴射壓力的裝置。裝置的工作原理為，當凸輪由外基圓過渡到內基圓時，柱塞在彈簧的作用下上升，量孔開始露出，同時關閉回油口。這時燃油通過量孔進入油杯。隨著凸輪的轉動，凸輪逐漸到達外基圓。柱塞在搖臂的壓力下克服彈簧作用力下行，關閉計量孔，同時打開回油口。隨著柱塞的繼續下行，使噴油壓力達到汽缸壓力，開始噴油。由于計量孔一定，因此每個循環的噴油量，在壓力相同的情況下只處決于計量孔從開啟到關閉的時間（計量時間），轉速越快，該時間也越短，故每個循環噴油量也越少，這也就是采用PT燃油系不會造成飛車的一個重要原因。

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發動機上，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油道，使得供油壓力調節更為精確，噴油正時可調。

1.燃油泵

泵的結構（圖4）類似于PT泵，但又與PT泵有所不同，其不同點在于無AFC和油門軸。燃油經濾清器直接到泵出口，而不像PT泵先經濾清器再到調速器再到AFC和油門軸到泵出口。泵的調速器只是將過多的燃油，經單向閥排出或溢流至齒輪泵進口，通過這種方式對燃油壓力進行粗略調節，其作用相當于壓力可調的溢流閥。

圖4 燃油泵結構圖

2.燃油壓力控制閥總成

（1）燃油壓力控制閥構造

如果說燃油泵調速器只是對燃油壓力進行粗略調節的話，那燃油壓力控制閥就使得燃油壓力實現了真正意義上的精確控制。閥的主要結構為正時油道執行器、燃油油道執行器、正時壓力傳感器、燃油壓力傳感器。

（2）燃油壓力控制閥工作原理

燃油從進油口進入，分為兩路，一路經正時執行器調壓后到正時油道，另一路經快速重新啟動切斷閥（截流閥）到燃油油道執行器，經燃油執行器調壓后，進入燃油油道。燃油執行器（圖5）是一個電子控制的滑柱式控制閥，其原理與PT系統一樣通過改變燃油流通面積對燃油壓力進行調節。只不過PT燃油系是通過純機械方法調整燃油流通面積，而該系統是電子控制改變油道的流通面積。該執行器在工作前，柱塞在彈簧力的作用下處于最右端，燃油油道處于關閉狀態。工作時，線圈接受來自ECM的脈沖寬度調制（PWM）信號（該信號由ECM根據不同工況下的各種輸入信號進行調節）后，電磁線圈產生的磁力使柱塞向左移動打開燃油通道。脈沖寬度調制（PWM）信號由一系列占空比（在一段連續工作時間內脈沖占用的時間與總時間的比值）不同的矩形波組成，當占空比變大時，電磁線圈產生的磁力變大，柱塞克服彈簧力左移，燃油通道面積也變大，燃油壓力下降。當占空比變小時，電磁線圈產生的磁力變小，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。如果壓力調整不當，ECM根據壓力傳感器的反饋信號，調節脈沖信號以修正油壓。通過這種方式，可對燃油壓力進行精確調節。

圖5 燃油執行器結構圖

圖6 噴油器結構圖

圖7 高壓共軌燃油流程圖

3.噴油器

（1）噴油器構造

QSK19噴油器（圖6）的下部與PT噴油器非常相似，燃油供給、計量、回油和單向閥也與PT系統相似。一個重要的區別是下部柱塞套與噴嘴為整體式結構，這種設計消除了高壓粘結。上部的區別在于多了上部柱塞和正時柱塞以及正時油道。

（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噴油正時進行調節。凸輪隨動件繼續向內基圓滾動，使正時柱塞和上部柱塞繼續向上運動，當上部柱塞回縮足夠量時，露出正時供油孔，燃油也按PT規律計量并經計量孔進入正時油腔。當凸輪隨動件開始沿凸輪軸的噴油斜面向上運動時，上部柱塞將向下運動并關閉正時供油孔以中止正時供油。計量進入正時油腔內的燃油密閉在上部柱塞與正時柱塞之間。計量進入正時油腔的燃油量（容積）確定了上部柱塞與正時柱塞之間的距離。距離又確定了噴油器柱塞的有效長度，此長度確定了噴油開始的時刻。改變柱塞總長度就改變了噴油開始時刻。柱塞之間的距離在2～9mm之間變化，此間隔量有時稱為“超行程”。 密閉的燃油變成固定連接并且三個柱塞一起向下運動，當下部柱塞運動時，油道供油孔也是關閉的。當油杯內的壓力超過汽缸內的壓力，噴油就開始了。下部柱塞接觸噴嘴座時，噴油終了。大約在此同時，正時柱塞上的溝槽與柱塞套上的溝槽對準，使回油口開啟。當上部柱塞繼續其行程時正時燃油開始溢出。

三、電控高壓共軌燃油噴射系

電控高壓共軌技術是指在高壓油泵、壓力傳感器和ECM組成的閉環控制系統中，噴油壓力不由針閥擠壓燃油產生，其大小與發動機轉速無關的一種供油方式。在共軌系統中，噴油壓力的產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，通過對蓄壓器內油壓調整實現精確控制，最終使高壓油管壓力大小與發動機的轉速無關。高壓共軌供油方式，可以大大減少柴油機供油壓力隨發動機轉速的變化，也就減少了傳統柴油機的缺陷。該噴射系與以前的燃油噴射系的區別在于，對噴油過程的調節可控，能夠按照燃燒規律進行多次噴射。同時由于噴射壓力不由針閥對燃油的擠壓產生，可消除低速時噴射霧化不好狀況，減少尾氣中HC的含量。該燃油系廣泛應用于TR60裝備的QSK19發動機上，可使尾氣排放達到歐美非公路用機動設備第三階段排放標準（Tier 3/Stage IIIA）。

1.高壓共軌系統燃油系統的組成

電控高壓共軌系統主要由電子控制和燃油供給兩大部分組成，其基本結構組成如圖7所示。

2.燃油流動路線

啟動前，鑰匙開關在中間位置，這時電動提升泵開始工作，燃油從油箱經單向閥到初級濾清器，再到提升泵，經單向閥8進入次級濾清器。最后經空氣排放閥留回油箱。該過程的主要作用是排除低壓系統的空氣。

啟動后，齒輪泵及高壓泵開始工作，這時燃油流動路線為，從油箱經單向閥到初級濾清器，再到單向閥4，經齒輪泵加壓后進入次級濾清器。然后分為二路，一路經調壓閥回到泵的進油口，另一路進入高壓泵，經高壓泵加壓和燃油執行器調壓后進入高壓油軌。在油軌處又分兩路，一路經限壓閥，回油連接接頭流回油箱，另一路進入噴油器。

3.壓力調節

低壓油路的壓力調節主要是通過調壓閥進行調整。高壓油路壓力調整由燃油執行器完成，執行器的調壓原理與前面所講的執行器調壓原理相同。當油軌中的燃油壓過大時，限壓閥將會開啟，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。當電磁閥不工作時，閥針在上部控制室壓力油的作用下壓緊閥座。當電磁閥工作時，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，因而在發動機上不再安裝截流閥來關閉發動機。

5.雙壁油管

全電控高壓共軌噴射進油管，采用的油管為雙壁油管。該油管的特點分為兩層，里層油管為燃油進油油道，里層與外層間隙為內泄油道。內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。當內泄油過多時，可看到內泄油經噴油泵旁的廢油管流出。

W10.02-12