康明斯QSK系列发动机HPI燃油系统工作原理分析及日常维护

2013-12-07田永法

中国设备工程 2013年8期

田永法

（中煤平朔集团露天设备维修中心，山西朔州 036000）

一、引言

HPI全称是High pressure Injection——高压喷射，它是一种在PT（时间/压力）理论上发展起来的新型燃油电控系统。康明斯QSK系列柴油机基于HPI喷射技术，采用Quantum电子控制系统，接收各种传感器的信号，经ECM计算机的计算，对发动机喷射燃油和正时燃油的油量及压力进行控制，在适当的时刻以适当的压力向汽缸中喷入适量的油，实现最优控制，以满足马力的需求和排放法规的规定。

二、系统构成

QSK系列柴油机的电控燃油喷射系统由4个基本部分组成，输入(油门指令)、ECM(对输入信号进行处理与分析)、执行器(按照ECM输出信号动作的控制阀体)和各种

传感器，如图1所示。当司机踩下油门踏板以提高发动机转速时，ECM将参考发动机需要提高转速、发动机实际转速和其他输入信号，然后将这些数据与标定数据进行比较，以确定相应的信号变化。如果允许增加发动机转速，ECM就输出相应的信号给燃油控制执行器。同时，ECM会根据负载情况及发动机状况改变喷油正时，向正时控制执行器输出相应的信号，以实现当前工况下的最优控制。

图1 康明斯QSK系列柴油机电控系统组成示意图

1.输入信号

ECM利用传感器信号确定发动机的燃油压力和正时压力，即更简单地控制发动机的运行。系统输入可分为传感器输入、开关输入、司机输入、反馈输入和可能的特性输入。

(1)温度传感器。

有4个温度传感器，分别为冷却液温度传感器、进气歧管温度传感器、大气压力传感器和燃油温度传感器。温度传感器向ECM提供关键的温度信息：冷却液温度传感器安装在节温器壳体中，该传感器得到的信息被ECM用于确定正时和发动机保护；进气歧管温度传感器安装在中冷器壳体内，用于测量中冷器芯的空气温度，该传感器得到的信息被ECM用于确定正确的空燃比和发动机保护；燃油温度传感器也安装于控制阀体上，用于监测燃油温度，供ECM确定正确的喷油量、喷油压力和发动机保护。

(2)压力传感器。

Quantum电子控制系统有6个压力传感器向ECM提供关键压力信号，这些压力传感器分别为：燃油油道压力传感器、燃油正时压力传感器、机油压力传感器、冷却液压力传感器、涡轮增压压力传感器、大气压力传感器。其中，燃油油道压力传感器用于测量油道中供给喷油器的实际燃油压力；燃油正时压力传感器用于测量油道中供给正时油道的实际燃油压力；机油压力传感器用于测量主系统的机油压力，ECM利用该传感器得到的信息确定发动机保护；冷却液压力传感器用于测量冷却系统的压力，ECM利用该传感器得到的信息确定发动机保护；涡轮增压压力传感器用于测量涡轮增压器后的进气压力，ECM利用该传感器得到的信息确定精确供油和空燃比；大气压力传感器安装在ECM下部的燃油控制阀总成上，ECM利用该传感器传来的信息校正设备工作区域的海拔高度，当车辆在海拔较高的地区运行时，发动机的额定功率将自动降低，以防止涡轮增压器超速。

(3)发动机速度传感器。

发动机速度传感器位于飞轮齿轮室壳体的表面，它检测飞轮齿轮背面的齿数，并将信号传送给ECM，ECM利用这些信号计算出发动机的转速。传感器具有双绕组信号输出特性，可向ECM提供两个独立的信号，即使其中一组线圈损坏，丢失了一个信号，发动机仍能继续正常运行。

(4)开关输入。

Quantum电子控制系统有2个系统开关：怠速开关和冷却液液位开关。怠速开关向ECM提供油门踏板位置的确认信号。冷却液液位开关监测散热器顶部水箱的冷却液液位，当冷却液液位下降到低于预定点时该开关开启，ECM利用从该传感器获得的信息确定发动机保护。

(5)反馈输入。

ECM除了监测燃油和正时压力传感器来确定实际压力外，还监测油道和正时控制执行器阀回流油路，这些反馈信息提供阀正确工作的确切信息。

(6)司机输入。

来自司机的输入主要是钥匙启动开关和油门踏板，启动开关的位置确定发动机的运行状态(运转或停机)，油门踏板的位置确定发动机所需的转速。

2.电控单元ECM

QSK系列柴油机燃油系统的ECM采用康明斯的最新电子技术，它有2个微处理器，用来处理和控制发动机及系统工作必需的数据。它还有2MB的存储器，用来存储标定信息和故障数据。ECM的主要任务是控制发动机运行的燃油控制系统，ECM以极快的速度读取所有输入信息，进行数据处理，并向油道和正时控制执行器提供输出信号。ECM能很快地改变油道和正时压力，迅速响应运行和环境条件最微小的变化。

3.系统输出

ECM共有6个系统输出，其中3个输出控制着燃油油道、正时油道和燃油切断功能。它的执行器是控制阀总成，燃油和正时控制执行器是滑柱式阀，滑柱阀由电磁装置通过ECM的指令进行控制。ECM产生下述信号：

(1)燃油控制执行器阀信号：PWM(脉冲宽度调制)负荷循环。

(2)正时控制执行器阀信号：PWM(脉冲宽度调制)负荷循环。

(3)燃油切断信号：切断电磁阀电源。

(4)诊断指示灯：故障通信。

(5)数据通信：系统编程。

(6)转速表：转速表工作的输出信号。

三、燃油控制原理

QSK系列高压喷射燃油系统采用PT概念，通过电子方式调整执行器的燃油流通面积来控制燃油压力，其核心部件是控制阀总成，如图2所示。由燃油泵产生的燃油流被输送至控制阀总成，该总成由1个切断电磁阀、2个燃油执行器和2个燃油压力传感器组成。

ECM安装在总成壳体的前部，控制阀总成有1个燃油进口和2个燃油出口，每个燃油出口分别由各自的执行器控制。燃油油道执行器控制燃烧所需的燃油，燃油正时执行器控制喷油器正时控制所需的燃油。控制阀总成接受来自燃油泵的燃油流，在控制阀总成内部，燃油流分别供给2个控制系统。

1.喷射油道压力控制

该系统由熄火阀、喷射油道执行器和喷射油道压力传感器组成，燃油首先流经熄火阀，然后流向喷射油道执行器。该执行器是一个电子控制的滑柱式控制阀，线圈接受来自ECM的脉冲宽度调制(PWM)信号，根据PWM信号的占空比不同，滑柱将动态控制阀体内的滑柱调节进油口的大小，改变燃油的输出压力。喷射油道压力传感器监测喷射油道压力并将此信号反馈至ECM，ECM结合控制指令来修正对执行器的控制，最终实现对喷射油道压力的最优控制。喷射油道执行器阀的最大流量为454kg/h。

2.正时油道压力控制

QSK系列发动机的正时控制是通过改变喷油器内柱塞的有效工作长度来实现的，而有效工作长度的改变则是由正时油腔的注油量来控制的，该油腔内的燃油量根据PT原理可知，受控于正时油道压力和发动机转速，从控制的角度而言，所能做的就是控制其正时油道压力。

为了将正时油道压力控制在某一目标值，ECM向正时执行器发出PWM控制指令，通过与喷射执行器相同的控制方法来控制正时油道压力，并通过正时油道压力传感器反馈该油道压力，实现对正时的最优控制。正时油道执行器的最大流速为681kg/h。

四、使用与维护

康明斯QSK系列发动机在实际运行中，诸多注意事项应予以高度重视，现汇总如下。

(1)使用中绝对不要用水清洗发动机，因为各种传感器及ECM的连接插头进水后易使电控系统出现一些难以查找的软故障。

(2)当需要在设备上进行焊接作业时，一定要拆除蓄电池的正、负极电缆，并断开发动机的31针及2l针连接器。因为电控系统的ECU、传感器、继电器等都是低压元件，如果不断开连接，焊接时的瞬时高压极易烧毁上述元件，造成人为故障。

(3)柴油机电控系统对柴油的品质要求较高，使用劣质柴油易造成喷油器堵塞和异常磨损。因此，要按时排出发动机油水分离器中的水和沉淀物，柴油滤芯要定期更换。

(4)在对电控柴油机实施维修时，禁止随意拔下传感器的插接头，因为每拔一次传感器插接头对插头的寿命都会有影响，同时自诊断系统还会记录一个故障代码，需手动删除。

五、故障案例分析

因燃油控制系统出现问题而导致发动机产生的故障主要集中于发动机启动困难、自动熄火及低马力等几个方面，一般通过系统控制软件读取故障诊断信息代码而确定具体故障范围，当各种传感器元件出现故障、指示不准确及传感器线路传输阻断时，系统会出现相应故障指示，从而确定故障排除步骤。下面主要针对发动机常出现的几种故障且当发动机故障指示不报故障时如何排查发动机故障。

1.发动机启动困难与自行熄火

对于QSK60柴油机而言，二者之间有着必然的联系，分析和处理过程须先易后难逐项确认，严禁大拆大卸。

发动机启动困难的原因较为复杂，若发动机故障指示灯不报故障，则应考虑电子燃油系统软故障。如空气进入燃油系统、柴油水分超标及机械杂质堵塞使阀类元件失效、启动操作不规范、维修部件安装不当或损坏等。若是空气进入系统，低压端由输油泵在30s内排除，高压端可拆卸末端喷油器螺栓，由启动马达带动发动机旋转来排出系统中的空气；若启动转速足够时，再对输出的各端子信号进行测量，如无信号或信号电压超过极限值，可以判定ECM模块损坏需更换；另外按照相关技术规范检查燃油执行器两触针间的电阻，若其阻值不符合规范则执行器有故障；最后检测转速传感器及其电路、燃油泵输出压力、喷油器及其电路。

2.发动机输出功率不足

此类故障通常被称为低马力，发动机表现为大负荷时“发吐”，急加速时“放炮”，排黑烟，最高空载转速下降80~150r/min，燃油系统污染，进入空气，个别喷油器工作不良或不工作是主要原因。排除故障时首先用Cense诊断确定各缸的工作温度，找到温度不正常的某一个或几个缸，开缸检查，更换不工作的喷油器，同时检查摇臂、十字头、挺杆等附件，如有损坏统一更换。