性能特點和作用說明

康明斯柴油發電機噴油器類型與原理分解圖

 

摘要：康明斯柴油發電機的第二代高壓共軌燃油系統，憑借高增壓與低溫中冷，先進的電子控制等多項新技術，突顯了柴油發電機高燃油經濟性與低維修成本。然而，面臨新技術，現有的設備使用人員素質遠遠不能很好適應高性能發電機維護要求，使用和維修中時常出現各種問題，為了更好地使用好新設備、新技術，本文針對康明斯噴油器結構問題與大家探討。

 

一、噴油器工作原理

 

      噴油器的作用是將噴油泵在一定時刻所供給的高壓燃油霧化成細微的燃油顆粒噴入氣缸，并分布到整個燃燒室中，使燃油的顆粒與空氣進行良好的混合而形成可燃混合氣體（燃油流向示例如圖1所示）。當噴油器工作不良時，會使柴油機起動困難，運轉時冒黑煙，功率和經濟性下降，轉速不穩。出現噪音、“敲缸”、甚至滅火停車等現象。

      噴油器由孔式噴油嘴、液壓伺服系統和電磁閥等一系列功能部件組成。燃油來自于高壓油軌，經通道流向噴油嘴，同時經節流孔流向控制腔，控制腔與燃油回路相連，途徑一個受電磁閥控制其開關的泄油孔。泄油孔關閉時，作用于針閥控制活塞的液壓力超過了它的噴油嘴針閥壓面的力，結果，針閥被迫進入座且將高壓通道與燃燒室隔離，密封。當噴油器的電磁閥被觸發，泄油孔被打開，這引起控制腔的壓力下降，結果，活塞上的液壓力也隨之下降，一旦液壓力降至低于作用噴嘴針閥承壓面上的力，針閥被打開，燃油經噴孔噴入燃燒室。這種噴油嘴針閥的不直接控制采用了一套液壓力放大系統，是通過電磁閥打開泄油孔使得控制腔壓力降低，從而打開針閥。此外，燃油還在針閥和控制柱塞處產生泄漏，控制和泄漏的燃油量，經連接回油管，會同高壓泵和壓力控制閥的回油流回油箱。

      噴油器外表面有噴油器油量修正代碼（IQA），噴油量修正代碼用于對單個噴油器依據工作點進行油量修正。基于這個目的每個噴油器的四個調整值被存儲在EEPROM：排放相關的油量范圍、全負荷油量范圍、怠速油量范圍、預噴射油量范圍。每個噴油器修正碼都不相同。

1、油軌

      油軌前端裝有油軌壓力傳感器，油軌上有一個管接頭通過高壓油管與高壓油泵連接、四個管接頭通過高壓油管與噴油器連接。

● 注意：油軌壓力傳感器不可單獨更換，必須和油軌同時更換。維修操作時，應注意提高作業環境的清潔度，防止有灰塵進放油軌。

      康明斯發電機組的燃油供給系統由油箱、燃油泵、燃油濾清器、燃油壓力調節器、噴油器及供油管路組成。噴油始點和噴油量由電控噴油器調節，這種噴油器取代了原來的噴油器和噴油座。共軌噴油器目前常見的工作形式主要有兩種：一種是電磁式；另一種是壓電式。

1、電磁式噴油器

      電磁式共軌噴油器主要是由電磁閥、滑閥、閥控制腔、閥控制柱塞、滑閥控制彈簧、柱塞控制彈簧、噴嘴針閥、進油口、回油口、電插接器組成的。當電磁閥斷時，電磁閥的滑閥在彈簧彈力的作用下壓在球閥上，球閥此時受上下兩個力的作用，向下的力是滑閥彈簧的彈力，向上的力是共軌油壓通過小回油節流孔作用在球閥上的力，因回油節流孔徑很小，滑閥彈簧的彈力大于球閥受到的共軌油壓的向上的推力，球閥在彈簧力的作用下壓緊在閥座上，控制柱塞上腔停止回油。共軌油壓從噴油器進油口進人噴油器后，一方面流人噴油器的噴嘴腔內，向上推針閥，以使針閥升起。另一方面共軌油則通過進油節流孔進人控制柱塞的上腔，使上腔內的油壓與共軌油壓相等（結構如圖3所示）。

      當噴油器電磁閥通電時，電磁閥產生的電磁力吸引滑閥向上移動，從而使球閥離開閥座，此時泄油節油孔打開。這樣閥控制腔中的壓力下降，作用在閥控制柱塞上的力也減小。一旦液壓壓力小于作用在針閥壓肩上的力，噴嘴針閥就打開，燃油從噴孔噴入燃燒室。根據康明斯發電機運轉和高壓油泵產生的壓力，噴油器可分為噴油器關閉（由于受到高壓）、噴油器開（開始噴油）、噴油器全開、噴油器關閉（噴油結束）四個工作狀態，如圖4所示。這些工作狀態由施加到噴油器部件上的壓力分布來產生。發電機靜止，燃油共軌中無壓力時，噴嘴彈簧將噴油器關閉。

① 噴油器關閉（靜止狀態）

      在靜止狀態，電磁閥未被通電，此時噴油器處于關閉狀態。當泄油節油孔關閉時，閥彈簧會將滑閥的球閥壓在泄油節流孔上。在閥控制腔內形成了共軌的高壓。稍后同樣的壓力作用在噴嘴腔內。由于閥控制柱塞兩側受到的力相同，閥控制柱塞并不動作，此時針閥保持關閉狀態。

② 噴油器全開

      噴嘴針閥的開啟速度取決于通過泄油節流孔和進油孔的流量差。控制柱塞到達其上止點，并由一層油墊維持著，這層油墊是由泄油節流孔和進油節流孔之間的油流產生的。噴嘴這時完全打開，燃油以幾乎等于共軌中燃油的壓力噴入燃燒室。

③ 噴油器關閉（噴油結束）

      一旦電磁閥斷電，閥彈簧就將滑閥下壓，閥球將泄油節流孔關閉。泄油節流孔的關閉使燃油從進油節流孔進人閥控制腔中，該壓力與共軌壓力相同，這個力加上彈簧力超過了噴嘴腔中的壓力，使噴嘴針閥關閉，此時停止噴油。  

④ 噴油器開啟（開始噴油）

      噴嘴在靜止位置，電磁閥通電。電磁線圈產生的電磁力超過了彈簧力，滑閥向上移動帶動球閥將泄油節流孔打開。燃油就能從閥控制腔流到位于其上方的空腔中，并從該空腔通過回油道返回油箱，從而使閥控制腔中的壓力降低，閥控制腔中壓力的降低減小了作用在閥控制柱塞上的力，因此噴嘴針閥打開，開始噴油。

 

圖3  電磁式噴油器結構圖

圖4  電磁式噴油器工作過程圖

 

2、壓電式噴油器

      康明斯壓電式噴射器具有極快和精確的燃油量分配。它是利用壓電晶體具有壓電效應的原理制成的，由于壓電子晶體伸縮響應的速度很快，所以在一個噴油循環中可多次噴射，且可將多次噴射的噴油量控制得最小，實現預噴射使發電機運轉平穩、噪聲變小的目的。壓電式噴油器每沖程的噴入量由預噴量和主噴量構成。這種分層噴射使得柴油機燃燒過程變得柔和。壓電式噴油器的控制過程和電磁式噴油器相同，只是由于使用了壓電晶體元件，其工作能力比電磁閥的更好。可以應用在高壓共軌和中壓共軌中，通用性和替換性更好。噴射方式如圖5、圖6所示。

 

圖5  噴油器噴射方式（單點和多點）

圖6  噴油器噴射方式（同時-順序-分組）

 

（1）單個噴油器的噴射特性

      為了使用通用規范和標準噴油器來標定所有噴油器的噴油和噴嘴遲開。

① 所有的噴油器在裝配前都通過自動測試線進行測試。

② 噴油測量在可選擇的壓力范圍內進行測試。

      單個噴油器的噴射特性來源于這些數據，同時將其記錄在噴油器上，如圖7、圖8所示。

（2）使用加速傳感器進行標定

      系統工作過程中，校正最短驅動脈沖之間的差異，從而精確控制引導噴射。

（3）使氣缸各缸平衡

      平衡氣缸之間的差異。

（4）修正電池電壓和線束電阻的影響

      為了補償電池電壓和線束電阻變化對噴油器噴油量和噴油時間的影響。

      兩者不同之處在于電磁式噴油器通過控制共軌中的油壓和噴油空對空的噴射時間來控制噴油量。壓電式噴油器通過控制針閥升程來改變噴油孔流通截面，從而實現對噴油量的控制。

 

圖7  壓電式噴油器控制脈沖和噴油率

圖8  壓電式噴油器噴油特性曲線

 

三、噴油器故障分析及排除方法

 

      噴油器位于燃燒室頂部，直接暴露在高溫高壓可燃混合氣體中，工作溫度高，工作條件差。熱負荷和機械負荷常常會引起針閥偶件密封不良、燃氣回竄，甚至停止工作，此外，噴油器工作狀況的好壞，直接影響柴油機的經濟性、動力性、排放、可靠性等。因此，對噴油器常見故障進行分析及排除是十分必要的。

1、噴油器損壞原因

      噴油嘴主要損壞形式是磨損。首先主要發生在針閥錐面和針閥體座面、針閥偶件圓柱配合而上；其次是針閥體端面腐蝕和噴孔的孔徑擴大和失圓。這對精密偶件出現的問題較多，噴油器經常發生磨損的部位有密封錐而、噴孔、針閥與針閥孔導向面。

（1）針閥錐面和針閥體座面的磨損

      針閥錐面和針閥體座面的磨損是由于噴油器彈簧的沖擊與柴油中雜質的沖刷所致。密封錐面磨損后會使錐面密封環帶接觸而加寬、錐而變形，光潔度降低。其結果造成噴油嘴滴油，噴孔附近形成積炭，甚至堵塞噴孔。滴油嚴重的噴油嘴，在工作中還會出現斷續的敲擊聲，導致柴油機工作不均勻，排氣冒黑煙等。排除的方法為：拆開噴油器，在針閥頭部沾少許氧化鉻細研磨膏對錐而進行研磨，然后用柴油洗凈，最后裝入噴油器進行性能檢測。若性能檢測不合格，則需更換針閥偶件。實際維修過程中，特別要注意不要將研磨膏粘到針閥孔內，維修中如沒有研磨音也可用牙膏或機

油替代。

（2）針閥偶件圓柱配合面磨損

      針閥偶件圓柱配合面是由于柴油中含有雜質所致。磨損大部分發生在導向部分的下端，使針閥導向部分表面呈細微的軸向劃痕。其結果使噴油嘴的回油量增多，噴油量減少，噴油壓力降低，噴油時間延遲，噴油霧化不良和滴油，并造成積炭。這種狀態下，柴油機既不能全負荷工作，也會造成起動困難。為防止針閥及針閥孔導向面磨損，應按時保養柴油濾清器，經常排放濾清器和油柜內的沉淀油，以防灰砂雜質的侵入而加速針閥偶件的磨損。對于磨損嚴重的針閥，應及時更換新的針閥偶件。

（3）針閥體端面失圓和噴孔擴大

      針閥體端面噴油嘴噴孔的直徑一般在0.12mm～0.8mm，噴孔直徑擴大是由于高壓柴油夾帶的雜質長期沖刷的結果。噴孔磨損后孔壁上出現細密的軸向溝痕，噴孔加大和失圓，導致噴油壓力下降，噴射距離縮短，柴油霧化不良，缸內積碳增多。針閥體噴孔周圍有時會產生積炭，不僅影響燃油霧化，也會使針閥體過熱而損壞。針閥體積炭時，可用銅絲刷清除。噴孔堵寒時可用通孔工具清通。通孔時，應不斷地轉動工具，切勿用力過猛，以免通絲針折斷在噴孔內。

2、噴油器的檢查和調節

     根據柴油機的運轉狀況，必須堅持對噴油器進行定期的預防性檢查和不定期的診斷性檢查。檢查中如有發現不適之處，必須隨時加以維修和調節，以保證噴油器始終具有良好的霧化質量。

（1）噴油器啟閥壓力的檢查和調節

      啟閥壓力是指針閥在燃油壓力作用下克服調壓彈簧的預緊力而開啟的最低噴射壓力，對霧化質量影響很大。故所有柴油機都規定了噴油器的啟閥壓力，一般為20MPa～35MPa，啟閥壓力的檢查，是把噴油器固定在高壓油管接頭上，并把截止閥打開。打開噴油器放氣閥，用手搖桿泵油，當放氣閥處有油溢出時，關閉放氣閥急速泵油幾次，讓柴油沖洗噴孔等處。然后用手搖桿緩慢泵油，開始噴油時的壓力就是噴油器的啟閥壓力。如此值與規定值不符，則可通過調節螺釘進行調節，直到滿意為止。

（2）噴油器的外觀檢查

      噴油器的外觀檢查是最基本的檢測方法之一。我們需要仔細觀察噴油器的外觀，檢查是否有裂紋、腐蝕（如圖9所示）以及噴嘴端部損壞情況（如圖10所示）。同時，還需要檢查噴油器的連接部分是否緊固，以及噴油器上是否有油漬或污垢。如果發現以上問題，需要及時修復或更換噴油器。

 

圖9  檢查噴油器體有無腐蝕和裂紋

圖10  檢查噴嘴尖部損壞狀態

 

總結：

      柴油機對噴油器的工作要求是很嚴格的。要有一定的噴油壓力，噴射距離（即射程）還要有一定的噴霧錐角，噴霧情況要良好，噴出的柴油顆粒既細小，又大小均勻。并能分布到整個燃燒室中，還應與噴油泵協同一致。使之噴射，確保截然地開始和結束。因此，通過加強柴油機噴油器的故障分析及排除工作，能有效降低柴油機的故障率。噴油器的故障會直接導致柴油機工作不正常，但柴油機的故障并非都由噴油器引起。因此，對噴油器故障的判斷應仔細，不可貿然對噴油器進行拆檢，從而破壞其加工與裝配精度，造成不必要的損失。此外，為減少噴油器故障，延長噴油器的使用壽命，平時應做好對噴油器的維修、保養工作。

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