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bfc-2:  第1 [15-10-8 14:00:26]
话题:卡特彼勒电控中压共轨系统介绍


一直有泵友们提关于卡特皮勒挖机上的一些问题,我们就来说说卡特皮勒中压共轨系。
什么是中压共轨系统? 
中压输油泵将中压燃油输送到共轨中消除压力的脉动,再分送至带有增压柱塞的喷油器中。当高速电磁阀开关阀接收到电子控制装置发送的指令信号后,就迅速开启或关闭,从而控制喷油器工作,随即通过高压柱塞的增压作用,将从共轨中来的中压燃油加压至高压后喷出或停止喷射。
中压共轨系统又包括共轨蓄压式和共轨液压式。共轨蓄压式的控制油和喷射油均来自共轨管。而共轨液压式的控制油来自共轨管,喷射油来自燃油输油泵,所以该系统的控制油和喷射油可以采用不同物质?其典型代表有日本电装公司的高压共轨式喷油系统ECD-U2,英国卢卡斯公司的LDCR型高压共轨喷油系统,德国奔驰公司的OM611柴油机上的电控高压共轨喷油系统,美国BKM公司的Servo-jet共轨蓄压式电控喷射系统,美国卡特皮勒公司的HEUI共轨液压式喷射系统。
美国卡特皮勒公司HEUI系统具有共轨式柴油机电控燃油喷射系统的基本组成和结构,属第二代电控共轨式燃油喷射系统?该系统的控制功能包括:燃油喷射控制、进气控制、起动控制、故障自诊断、失效保护和应急备用,同时还具有与其他控制系统进行数据传输的功能。HEUI系统的喷油量控制采用了“压力控制”方式,通过由传感器、ECU和执行元件等组成的控制系统,对循环喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力进行控制。

HEUI系统具有如下特点:
1.中压共轨电控液压式喷射系统,共轨中油压在40~230Bar,机油泵输出低压油300KPa至高压机油泵(斜盘式轴向柱塞泵),由ECU控制共轨中的压力调节阀达到最佳性能值;
2.系统共轨中不用燃油而用柴油机润滑油,有润滑油和燃油两套油路;
3.采用机油共轨油道油压驱动燃油增压活塞,对燃油增压,实现高压喷油,增压活塞的大小活塞面积比约为7:1,喷射压力可达1600Bar;
4.利用高速开关电磁阀控制共轨油道中机油进出增压活塞,实现燃油压力的上升与下降,从而实现喷油的定时控制;
5.通过采用预喷油道控制初期喷油率来实现预喷;
6.喷油压力与柴油机转速和负荷无关。
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bfc-2:  第2 [15-10-8 14:12:14]
一、HEUI系统的布局
系统布局如下图所示:

电路布局如下图所示:
 
二、发动机控制模块ECM
发动机控制模块是基于两个32位微处理器体系的ECM,负责发动机电子控制,监视发动机运行参数,由此提供精确的燃油计量和喷射正时控制。并记录发动机故障,实行发动机的监视和保护。
 
ECM给各传感器供电,同时回收处理各传感器输出的信号,并依此给发动机发出相应指令来控制发动机。
 
ECM有两个接口,一个是发动机线束接口,另一个整车线束接口。
三、传感器
1、转速正时传感器
该传感器将发动机转速和曲轴位置信号输入给ECM。在某些苛刻的应用中装有备用的转速正时传感器,一旦主传感器出现故障,ECM可以主动切换到备用传感器,且不影响发动机正常运行。
 
传感器包含了三根信号线:
第一根线:从ECM提供13.2V的电压给传感器(精度±0.5V);
第二根线:地线;
第三根线:信号电压输入给ECM。
 
传感器感知凸轮轴齿轮上的齿型,没读到一个齿便将信号传输给ECM。当读到特殊的齿型时将发动机的位置信号传输给ECM。安装位置如上图所示。
2、温度传感器
如下所示为机油、冷却水和燃油温度传感器,它持续监测以上介质的温度并将之反馈给ECM。
冷却水温度传感器测量冷却水的温度且将之反馈给ECM,ECM利用此信号来决定喷射时间、调整喷油量计算值,且保护发动机不至于过热。
机油温度传感器测量机油的温度且将之反馈给ECM,ECM利用此信号保护发动机不至于由于润滑性差而受损。
燃油温度传感器测量燃油温度且将之反馈给ECM,ECM利用此信号调整喷油量计算值,油温功率矫正。
 
传感器包含了三根信号线:
第一根线:从ECM提供13.2V的电压给传感器(精度±0.5V);
第二根线:地线;
第三根线:信号电压输入给ECM(正常工作电压0.5~4.5V)。

如果输出电压接近于供电电压,说明传感器开路。如果输出电压接近于0V,则说明传感器短路。
3、压力传感器
发动机主要压力传感器包括机油压力传感器、喷射压力传感器、爆压传感器、大气压力传感器等。
压力传感器监控各部分压力,并将信号反馈给ECM。压力信号用以调整喷射量或者发动机保护。
 
传感器包含了三根信号线:
第一根线:从ECM提供13.2V的电压给传感器(精度±0.5V);
第二根线:地线;
第三根线:信号电压输入给ECM(正常工作电压0.5~4.5V)。
4、冷却液位传感器
冷却液位传感器用以监控冷却水的液位情况。它安装在满箱位置以下。如果冷却水液位低于传感器的安装位置,传感器将会发送液位低的信号给ECM。
 
传感器有四根线:
第一根线:5V的电源线;
第二根线:液位正常信号线;
第三根线:传感器回路;
第四根线:液位过低。
5、节气门开度传感器
节气门开度传感器监控节气门开度,且将位置信号转换成PWM信号输送给ECM。
该传感器有三根线:
第一根线:电源线(8 #61617; 0.5V);
第二根线:地线;
第三根线:信号线。
 
油门踏板传感器与之类似。
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bfc-2:  第3 [15-10-8 14:17:57]
四、主要执行器和部件
3406E、C-9、C-10、C-12和3196的主要执行器是喷油器和油泵,除此之外,3126B、3408E和3412E还有一个喷射驱动压力阀。这里先讲讲喷射驱动压力阀。
喷射驱动压力阀用来控制HEUI的机油压力,它作为HEUI泵重要的一个部分安装在外部,以便于维修。
与其它共轨系统一样,HEUI系统也能提供任意发动机转速、任意运行条件所需要的喷射压力。这个通过控制驱动机油的压力来实现。HEUI机油泵压缩发动机润滑油提供给HEUI喷油器所需的喷射压力。
喷射驱动压力阀正是装在机油泵上,且用来控制机油的压力,而多余的机油回到油底壳。与油量计量单元类似,喷射驱动压力阀也是由电子驱动,ECM控制输入的电流从而控制机油压力的大小。电流越大,所提供的机油压力就越高。
 

下图所示是C-9的燃油泵结构图。特别提到的是油泵里有一个泄压阀,这与其它共轨系统的泄压阀类似,主要是起安全保护作用。
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bfc-2:  第4 [15-10-8 14:23:11]
五、HEUI喷油器主要零部件及工作原理
HEUI喷油器也可以产生超过1600bar的喷射压力,它由电磁阀、锥阀、增压阀、柱塞套、油嘴偶件和喷油器体等部分组成,如下图所示:
 
1、电磁阀、衔铁和锥阀
上部1/3主要包括电磁阀、衔铁和锥阀。衔铁与锥阀连在一起。通电的情况下电磁阀产生强有力的电磁力吸引衔铁向上运动,衔铁进而带动锥阀向上抬起,锥阀下座打开,高压驱动机油进入喷油器推动增压阀活塞。同时,锥阀上座关闭,阻止驱动机油泄露出喷油器。如下图所示:
 
2、增压阀
HEUI喷油器中部包括增压活塞、柱塞顶杆和柱塞顶杆回位弹簧等。如下图所示:
 
增压活塞顶部面积约为柱塞顶杆端面积的6倍多。此差异可以将机油压力放大并传输给燃油喷射压力。比如:如果机油压力仅为240bar,那么通过增压阀放大后的喷射压力可超过1600bar。这就是HEUI实现高压喷射的原理。
如上图所示,柱塞套与柱塞顶杆偶配在一起。二者像一个医用注射器一样给油嘴泵油。
如前所述,柱塞套与柱塞顶杆是偶配件,间隙仅为3微米左右。因而该组件可以提供极高压力的燃油喷射压力。
柱塞套上还加工有一个预喷油道。此油道可在柱塞顶杆下行冲程中顷刻释放燃油实现喷油器的预喷。
3、油嘴
HEUI的油嘴与卡特泵喷嘴的油嘴类似,其结构与工作原理同其它共轨产品的油嘴也类似。
 
当燃油压力约为300bar的时候,作用在针阀上的液压力克服油嘴弹簧力而抬起开始喷射。针阀开始抬起的压力称为油嘴开启压力。而当燃油压力下降低于275bar的时候,针阀下行关闭停止喷射。针阀开始关闭的压力称为油嘴关闭压力。
4、HEUI喷油器工作原理
我们可以将HEUI喷油器工作过程分为五个阶段,分别为喷射准备、预喷、喷射延迟、主喷和喷射结束。
 

当电磁阀不通电的时候,各部件均在弹簧力的作用下位于原始位置,称为喷射准备阶段。
HEUI有一个特有的性能,叫做PRIME(Pre-injection Metering),中文叫做预喷调节。PRIME由前面所述的预喷油道的设置来实现,它将单次大油量喷射分为两次独立的喷射:预喷和主喷。
柱塞顶杆下行过程中产生短暂的喷射喷入燃烧室。而当柱塞继续下行至预喷油道时,高压燃油会通过预喷油道排出回流,从而导致喷射过程短暂停止。直至活塞继续下行关闭预喷通道以后,主喷才开始。这个短暂的喷射停止阶段称为喷射延迟。
一旦电磁阀停止通电,喷射结束。
5、HEUI喷油器常见失效模式
1)锥阀密封面磨损
 
2)柱塞顶杆导向或柱塞套磨损
 
3)油嘴喷孔积碳
 
4)油嘴喷孔磨损
 
5)预喷量孔油道堵塞
 
6)单向球阀阀座磨损
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