康明斯QSK系列發動機HPI燃油系統工作原理分析及日常維護

田永法

（中煤平朔集團露天設備維修中心，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）理論上發展起來的新型燃油電控系統。康明斯QSK系列柴油機基于HPI噴射技術，采用Quantum電子控制系統，接收各種傳感器的信號，經ECM計算機的計算，對發動機噴射燃油和正時燃油的油量及壓力進行控制，在適當的時刻以適當的壓力向汽缸中噴入適量的油，實現最優控制，以滿足馬力的需求和排放法規的規定。

二、系統構成

QSK系列柴油機的電控燃油噴射系統由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動機轉速時，ECM將參考發動機需要提高轉速、發動機實際轉速和其他輸入信號，然后將這些數據與標定數據進行比較，以確定相應的信號變化。如果允許增加發動機轉速，ECM就輸出相應的信號給燃油控制執行器。同時，ECM會根據負載情況及發動機狀況改變噴油正時，向正時控制執行器輸出相應的信號，以實現當前工況下的最優控制。

圖1 康明斯QSK系列柴油機電控系統組成示意圖

1.輸入信號

ECM利用傳感器信號確定發動機的燃油壓力和正時壓力，即更簡單地控制發動機的運行。系統輸入可分為傳感器輸入、開關輸入、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提供關鍵的溫度信息：冷卻液溫度傳感器安裝在節溫器殼體中，該傳感器得到的信息被ECM用于確定正時和發動機保護；進氣歧管溫度傳感器安裝在中冷器殼體內，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動機保護；燃油溫度傳感器也安裝于控制閥體上，用于監測燃油溫度，供ECM確定正確的噴油量、噴油壓力和發動機保護。

(2)壓力傳感器。

Quantum電子控制系統有6個壓力傳感器向ECM提供關鍵壓力信號，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的機油壓力，ECM利用該傳感器得到的信息確定發動機保護；冷卻液壓力傳感器用于測量冷卻系統的壓力，ECM利用該傳感器得到的信息確定發動機保護；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備工作區域的海拔高度，當車輛在海拔較高的地區運行時，發動機的額定功率將自動降低，以防止渦輪增壓器超速。

(3)發動機速度傳感器。

發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，并將信號傳送給ECM，ECM利用這些信號計算出發動機的轉速。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，發動機仍能繼續正常運行。

(4)開關輸入。

Quantum電子控制系統有2個系統開關：怠速開關和冷卻液液位開關。怠速開關向ECM提供油門踏板位置的確認信號。冷卻液液位開關監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定點時該開關開啟，ECM利用從該傳感器獲得的信息確定發動機保護。

(5)反饋輸入。

ECM除了監測燃油和正時壓力傳感器來確定實際壓力外，還監測油道和正時控制執行器閥回流油路，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和油門踏板，啟動開關的位置確定發動機的運行狀態(運轉或停機)，油門踏板的位置確定發動機所需的轉速。

2.電控單元ECM

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

3.系統輸出

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

(1)燃油控制執行器閥信號：PWM(脈沖寬度調制)負荷循環。

(2)正時控制執行器閥信號：PWM(脈沖寬度調制)負荷循環。

(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)數據通信：系統編程。

(6)轉速表：轉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采用PT概念，通過電子方式調整執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行器控制。燃油油道執行器控制燃燒所需的燃油，燃油正時執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，在控制閥總成內部，燃油流分別供給2個控制系統。

1.噴射油道壓力控制

該系統由熄火閥、噴射油道執行器和噴射油道壓力傳感器組成，燃油首先流經熄火閥，然后流向噴射油道執行器。該執行器是一個電子控制的滑柱式控制閥，線圈接受來自ECM的脈沖寬度調制(PWM)信號，根據PWM信號的占空比不同，滑柱將動態控制閥體內的滑柱調節進油口的大小，改變燃油的輸出壓力。噴射油道壓力傳感器監測噴射油道壓力并將此信號反饋至ECM，ECM結合控制指令來修正對執行器的控制，最終實現對噴射油道壓力的最優控制。噴射油道執行器閥的最大流量為454kg/h。

2.正時油道壓力控制

QSK系列發動機的正時控制是通過改變噴油器內柱塞的有效工作長度來實現的，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，該油腔內的燃油量根據PT原理可知，受控于正時油道壓力和發動機轉速，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向正時執行器發出PWM控制指令，通過與噴射執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，實現對正時的最優控制。正時油道執行器的最大流速為681kg/h。

四、使用與維護

康明斯QSK系列發動機在實際運行中，諸多注意事項應予以高度重視，現匯總如下。

(1)使用中絕對不要用水清洗發動機，因為各種傳感器及ECM的連接插頭進水后易使電控系統出現一些難以查找的軟故障。

(2)當需要在設備上進行焊接作業時，一定要拆除蓄電池的正、負極電纜，并斷開發動機的31針及2l針連接器。因為電控系統的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)柴油機電控系統對柴油的品質要求較高，使用劣質柴油易造成噴油器堵塞和異常磨損。因此，要按時排出發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

因燃油控制系統出現問題而導致發動機產生的故障主要集中于發動機啟動困難、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故障、指示不準確及傳感器線路傳輸阻斷時，系統會出現相應故障指示，從而確定故障排除步驟。下面主要針對發動機常出現的幾種故障且當發動機故障指示不報故障時如何排查發動機故障。

1.發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系，分析和處理過程須先易后難逐項確認，嚴禁大拆大卸。

發動機啟動困難的原因較為復雜，若發動機故障指示燈不報故障，則應考慮電子燃油系統軟故障。如空氣進入燃油系統、柴油水分超標及機械雜質堵塞使閥類元件失效、啟動操作不規范、維修部件安裝不當或損壞等。若是空氣進入系統，低壓端由輸油泵在30s內排除，高壓端可拆卸末端噴油器螺栓，由啟動馬達帶動發動機旋轉來排出系統中的空氣；若啟動轉速足夠時，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；另外按照相關技術規范檢查燃油執行器兩觸針間的電阻，若其阻值不符合規范則執行器有故障；最后檢測轉速傳感器及其電路、燃油泵輸出壓力、噴油器及其電路。

2.發動機輸出功率不足

此類故障通常被稱為低馬力，發動機表現為大負荷時“發吐”，急加速時“放炮”，排黑煙，最高空載轉速下降80~150r/min，燃油系統污染，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，如有損壞統一更換。

六、結語

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