商用车柴油机ISBe发动机与电控高压共轨系统简介

　　1.制造商　　东风康明斯发动机有限公司货车和客车用发动机产品包括B、C、ISB、ISDe、ISLe和L系列。　　本章所涉及使用的康明斯发动机博世共轨电控系统的具体零部件检修，主要以满足国Ⅲ排放标准的康明斯ISBe系列机型为例，其中康明斯ISBe系列包括6缸机(ISBe185-30、ISBe220-30)和4缸机(ISBe150-30)两个系列。图6-1所示为ISBe185-31外观。IS全称为interact system，交互式电控系统；B指Cummins B系列发动机；e指EU-ROPE(一般是小写的)，表示按欧洲排放标准设计的发动机；185-30，表示该发动机为185马力(1马力＝745.7W)，满足欧Ⅲ排放法规，“31”或“32”表示改进型。

图6-1 康明斯ISBe185-31电控柴油机

2.发动机参数及应用车型

表6-1～表6-4是东风康明斯ISBe系列欧Ⅲ发动机参数。

表6-1 ISBe150-30发动机参数

(续)

表6-2 ISBe185-30发动机参数

(续)

表6-3 ISBe220-30发动机参数

表6-4 ISBe300-30发动机参数

应用车型：重型载货车、旅游客车、公交客车。

3.发动机特点

● 应用博世高压共轨燃油系统喷油电子控制，实现发动机运行全程范围内最佳燃烧状态，提供最佳经济性与动力性。

● 后置齿轮传动系统，大大降低发动机噪声。梯形整体铸件结构降低噪声，减少振动。

● 故障自动诊断安全使用20万km无须调整，60万km大修周期。

● 满足欧Ⅲ排放标准，无须排气后处理，排放量更低。

4.共轨系统构成

康明斯ISBe发动机系统组成如图6-2所示。从功能方面分析，电控共轨系统可以分成两大部分。

(1)控制系统 控制系统可以分成三大部分：传感器、计算机(ECU)和执行器。计算机(ECU)是电控共轨燃油系统的核心部分。

图6-2 康明斯ISBe发动机系统组成

　　根据各个传感器的信息，计算机进行计算、完成各种处理后，计算最佳喷油时间和最合适的喷油量，并且计算出在什么时刻、在多长的时间范围内向喷油器发出开启电磁阀或关闭电磁阀的指令等，从而精确控制发动机的工作过程。ECU就是一个微型计算机。ECU的输入是安装在车辆和发动机上的各种传感器和开关；ECU的输出是送往各个执行机构的电子信息，如图6-3所示。

图6-3 电子控制系统的框图

　　(2)燃油供给系统 燃油供给系统的主要组成部分如图6-4所示。由图6-4可见，燃油供给系统的主要构成是供油泵、共轨和喷油器。燃油供给系统的基本工作原理：供油泵将燃油加压成高压，供入共轨内；共轨实际上是一种燃油分配管。储存在共轨内的燃油在适当的时刻通过喷油器喷入发动机气缸内。电控共轨系统中的喷油器是一种由电磁阀控制的喷油阀，电磁阀的开启和关闭由计算机控制。

图6-4 燃油供给系统

　　图6-5和图6-6给出康明斯ISBe电控柴油机博世共轨系统管路布置。其油路可以按照压力分为低压油路和高压油路。

图6-5 燃油系统结构组成

1—来自燃油箱 2—油水分离器 3—ECM冷却板 4—至燃油齿轮泵 5—至燃油滤清器 6—燃油滤清器座

7—燃油滤清器 8—至高压油泵 9—高压油泵 10—至燃油油轨 11—燃油油轨 12—至喷油器

13—高压连接杆 14—喷油器 15—自喷油器和油轨的燃油流回燃油滤清器座

16—来自高压油泵的燃油流回燃油滤清器座 17—至燃油供应油箱

图6-6 燃油系统工作原理

1)低压油路组成。

低压油路一般由油箱、输油管、燃油滤清器(带油水分离器)、输油泵等组成。

手油泵安装在燃油箱与ECM冷却板之间的低压油路上，主要用于排除燃油系统中的空气。手油泵外观及结构如图6-7所示。

燃油滤清器(必须带油水分离器)串联安装在燃油系统的低压油路中。其功用是滤除柴油中的杂质和水分。

常用的柴油滤清器一般为整体不可拆式，它旋装在滤清器座上，其结构如图6-8、图6-9所示。柴油流经滤清器时，杂质和水分被滤芯滤除，杂质吸附在滤芯上，水分则沉积到壳体下部的集水腔中，清洁的柴油经出油口流出。

图6-7 手油泵外观及结构

1—手柄 2—活塞环 3—皮碗 4—胶圈 5—紧固螺母 6—接头 7—底座 8—单向阀 9—活塞

图6-8 燃油滤清器结构

1—出油口 2—进油口 3—滤芯

4—放水螺塞 5—集水腔 6—滤芯支管

7—滤清器壳体 8—滤清器盖

图6-9 燃油滤清器外观

1—燃油温度传感器 2—燃油加热器

　　在使用中，应定期拧开放水螺塞放出滤清器内的水。目前，有些柴油滤清器带有放水警告装置。当滤清器内的积水达到一定量时，会警告提示放水。　　不适当的过滤可能导致泵元器件、出油阀及喷油器元件的损伤。为此，需要通过一个特制的燃油滤清器来满足特殊喷射系统的要求，否则不能保证无故障运行及较长时间的使用寿命。柴油可能以黏结的形式(乳液)或游离的形式(如由于温度变化而造成的水分凝结)而含水分，如果这些水分进入喷射系统，可能导致腐蚀性损伤。燃油滤清器下部安装了燃油含水率传感器，水位达到一定高度时，警告灯亮，提示驾驶人放水。燃油滤清器上盖，根据需要安装燃油温度传感器及燃油加热器。　　燃油经过手油泵后，来到电子控制系统处理器(ECM)后的冷却板对ECU进行冷却，这样可以有效延长ECU的工作寿命，如图6-10所示。随后燃油流进输油泵，输油泵可以产生600～900kPa的压力，用于将燃油从油箱中抽出。　　输油泵的功用为克服油路中的各种阻力，将柴油从油箱内吸出并将足够量和一定压力的柴油输送给高压油泵或共轨。　　常用的低压输油泵有活塞式输油泵、膜片式输油泵、齿轮式输油泵、封闭叶片式输油泵和电动输油泵。低压输油泵的输出油压一般在600～900kPa。　　康明斯ISBe电控柴油机输油泵采用机械式输油泵，属于齿轮式，齿轮式低压输油泵与高压输油泵组合成一体，如图6-11所示。

图6-10 ECM冷却(https://www.xing528.com)

　　齿轮式输油泵一般通过联轴器、齿轮或者同步带由发动机曲轴驱动，而在共轨系统中，经常用齿轮式输油泵作为二级低压输油泵，并将齿轮式低压输油泵与高压输油泵组合成一体。

图6-11 齿轮式输油泵

　　齿轮式输油泵主要由泵壳体和一对相互啮合的齿轮组成。　　齿轮式输油泵工作原理如图6-12所示。发动机工作时，输油泵齿轮按图6-12中箭头所示方向旋转，进油腔的容积因齿轮向脱离啮合的方向转动而增大，进油腔内产生一定的真空度，燃油便从进油口被吸入进油腔，此为吸油过程。随着齿轮旋转，轮齿间的燃油被带到出油腔。由于出油腔内齿轮进入啮合状态使其容积减小，油压升高，燃油便经出油口被压出，此为压油过程。　　通常在泵壳体上加工有卸压槽，使啮合轮齿间的燃油流回出油腔(为保证齿轮转动的连续性，当前一对轮齿还未脱离啮合时，后一对轮齿已进入啮合，这样在两对啮合轮齿之间的燃油会因轮齿逐渐啮合而被挤压，产生很高的压力，不仅会增加齿轮转动的阻力，而且此压力通过齿轮作用在输油泵轴上，会加剧输油泵齿轮和轴的磨损)。　　2)高压油路组成。高压油路部分一般包括高压油泵、共轨和燃油计量元件(压力调节阀)。　　高压油泵的主要作用是产生高压油，可以通过由ECU控制的电磁阀(调压阀)来控制向共轨输送的燃油量，最终目的是实现共轨中燃油压力的控制。　　高压供油泵通常采用由凸轮轴驱动的带有多个分泵的直列柱塞式油泵(一般用于大型柴油机)或径向柱塞式油泵(一般用于小型柴油机)，如图6-13所示。

图6-12 齿轮式输油泵

1—进油腔 2—出油腔 3—泄压槽

图6-13 径向柱塞式高压油泵

　　康明斯ISBe共轨柴油机属于径向柱塞式高压油泵。最高供油压力为140MPa。　　径向柱塞式高压油泵体积更小、结构更紧凑。图6-14为采用三作用型凸轮有3个分泵的径向柱塞式高压油泵。3个分泵及凸轮的3个凸起均相互错开120°，这样可使3个柱塞泵同时吸油、同时压油，且凸轮轴每转一圈，3个分泵各完成3次泵油过程，即高压油泵完成3次供油。此高压油泵由发动机曲轴通过齿轮、链条或同步带驱动，且传动比为1∶1，则发动机每个工作循环高压油泵供油6次，与六缸柴油机的喷油频率相同。　　输油泵将燃油从油箱吸出，经过带有油水分离器的燃油滤清器到达高压泵的进油口。输油泵使燃油经节流阀的节流孔，进入高压泵的润滑和冷却回路。凸轮轴使3个柱塞按照凸轮的外形上下运动。　　当供油油压超过安全阀的开启压力(50～150kPa)，高压泵的柱塞向下运动(吸油行程)，输油泵使燃油经高压泵进油阀进入柱塞腔。在高压泵柱塞越过下止点后，进油阀关闭。柱塞腔内的燃油被密封、压缩，当压力升高到共轨的油压，出油阀被打开，被压缩的燃油进入高

图6-14 径向柱塞式高压油泵

1—带偏心凸轮的驱动轴 2—多边环 3—柱塞油泵 4—进油阀 5—第三柱塞关闭电磁阀

6—出油阀 7—套 8—共轨压力调节电磁阀 9—进油压力调节阀 10—节流阀

压循环。柱塞继续供油，直到到达上止点(供油行程)，压力减少，导致出油阀关闭。

柱塞继续向下运动，当柱塞腔内的压力低于输油泵的供油压力时，进油阀又开启，吸油过程又开始。

注意：

1)共轨压力调节电磁阀是常开电磁阀，调节输送的燃油压力为25～135MPa。　　2)当发动机转速超过4200r/min时，第三柱塞关闭电磁阀被激活，关闭第三柱塞，使工程机械进入经济程序。　　高压共轨的功用：①储存高压输油泵提供的高压燃油，并根据需要分配给各喷油器，即起蓄压器的作用。②共轨能抑制高压油泵供油和喷油器喷油时引起的压力波动，以保持共轨中压力的稳定。共轨必须具有适当的容积，容积过小，不能保持共轨中压力的稳定，而容积过大，共轨中的压力响应速度变慢。

图6-15 高压共轨

1—共轨 2—进油管口 3—燃油压力传感器

4—限压阀 5—回油管口

6—喷油器供油口 7—通往喷油器高压管

　　喷油器流量限制器、共轨限压阀一般都安装在共轨上，如图6-15所示。在部分共轨系统中，用于电控系统的燃油压力传感器、调压阀也安装在共轨上。　　流量限制器安装在每个喷油器供油的通道中，其功用是在非常情况下防止喷油器常开并持续喷油，即一旦某喷油器常开并持续喷油，导致共轨输出的油量超过一定限值，流量限制器则会关闭该喷油器的供油通道。　　流量限制器的结构如图6-16所示。壳体两端的外螺纹分别用来连接共轨和喷油器的供油管，壳体内部装有一个限制阀和限制阀复位弹簧，壳体两端的进、出油孔与其内部的限制阀腔贯通，以便形成供油通道；限制阀上部直径较大的部分与限制器壳体精密配合，其中心油道通过径向节流孔与限制器内腔下部的弹簧室连通。　　流量限制器工作特性如图6-17所示。①喷油器不喷油且无异常泄漏时，限制阀在弹簧作用下被顶靠在共轨一侧的堵头上，共轨中的高压油经进油孔、限制阀中心油道、节流孔、弹簧室、出油孔供给喷油器；②当喷油器正常喷油时，由于喷油速率较高，由节流孔流出的油不足以补偿喷油器喷出的油量，所以限制阀下部(喷油器一侧)油压下降，共轨油压使限制阀压缩弹簧向下移动，直到限制阀下部承受的油压和弹簧力与共轨油压平衡为止；③当喷油器喷油结束后，共轨中的高压油继续经节流孔流出供给喷油器，使限制阀下部(喷油器一侧)的油压逐渐升高，限制阀也逐渐被弹簧推回到初始位置。

图6-16 流量限制器

1—进油孔 2—堵头 3—限制阀 4—弹簧

5—壳体 6—出油孔 7—阀座 8—节流孔

流量限制器的弹簧和节流孔都是经过精确计算

图6-17 流量限制器工作特性

选定的，喷油器正常喷油时，限制阀向下移动的升程不足以使其落座而关闭；但喷油器若存在异常泄漏现象，限制阀的升程会随泄漏量的增多而增大，即使喷油结束后，限制阀也不能回到初始位置，直到泄漏量超过一定限值，限制阀完全关闭，才停止给喷油器供油。　　限压阀一般安装在输油泵内或共轨上，用来限制共轨中的最高压力。其结构如图6-18所示，阀和弹簧被空心螺塞限制在阀体内部的空腔内，弹簧的预紧力根据规定的共轨最高压力调定。　　通常情况下，阀被弹簧压靠在阀体左侧的阀座上，限压阀处于关闭状态；当共轨压力超过规定值时，阀左侧承受的共轨压力超过右侧的弹簧力，阀向右移动离开阀座，共轨中的燃油经限压阀流回油箱或输油泵进油侧，随着共轨中燃油的溢流，共轨压力下降，阀在弹簧作用下重新复位，限压阀关闭。

图6-18 限压阀

1—共轨侧进油口 2—阀头 3—油孔

4—阀 5—弹簧 6—空心螺塞

7—阀体 8—回油口

　　调压阀安装在高压输油泵出油口或共轨上，作用为根据ECU的指令实现对共轨压力的闭环控制。　　在采用“时间-压力控制”方式的共轨系统中，ECU主要根据燃油压力传感器的信号控制调压阀工作，通过调压阀保持共轨压力(即喷油压力)不变。在采用“压力控制”方式的共轨系统中，ECU首先根据各种传感器的信号确定循环喷油量，并根据循环喷油量与共轨压力的函数关系，利用调压阀调节共轨压力，使之达到预定喷油量所需要的目标值。

图6-19 调压阀

1—球阀 2—电枢 3—电磁线圈

4—弹簧 5—线束插接器

　　调压阀为占空比控制型电磁阀，其结构如图6-19所示。柴油机工作时，调压阀始终处于通电状态，电磁线圈产生的电磁力和弹簧力通过电枢共同作用在球阀上，共轨的燃油压力则作用在球阀的底部；当共轨压力大于电磁力和弹簧力时，球阀开启共轨回油通道，使共轨压力下降；当共轨压力小于电磁力和弹簧力时，球阀关闭共轨回油通道，使共轨压力升高；当共轨压力与电磁力和弹簧力平衡时，球阀保持一定开度，使共轨压力保持稳定，此稳定的共轨压力取决于电磁力，电磁力越大，共轨压力越高。电磁线圈产生的电磁力与通电占空比成正比，共轨系统对共轨压力的控制就是由ECU通过调整电磁线圈的通电占空比来实现的。　　调压阀不通电或通电占空比保持不变时，实际就是一个限压阀，调压阀不通电时的限制压力一般为10MPa。　　调压阀与限压阀的主要区别是响应速度快、调压范围大。限压阀是机械控制阀，不仅响应速度慢，而且只能在其限制的最高压力附近很小的范围内调节压力，使压力保持基本稳定。因此，即使在采用“时间—压力控制”方式的共轨系统中，要保持共轨压力不变，也不能只装有限压阀。在部分共轨系统中，既装有调压阀，又装有限压阀，主要是加强工作可靠性。　　博世共轨系统第二代喷油器采用的是电磁阀式喷油器，由孔式喷油嘴和电磁阀(喷油器电磁阀的灵敏度为0.2ms左右)等组成。喷油器喷孔的数量一般为6个左右。来自高压共轨的高压燃油，经油道流向喷油嘴，同时经节流孔流向针阀控制腔，针阀控制腔通过球阀控制的泄油孔与回油管路相连。

图6-20 电控共轨系统工作原理

　　5.电控共轨系统工作原理　　燃油由发动机凸轮轴驱动的齿轮泵经滤清器从油箱中抽出，通过一个电磁紧急关闭阀流入供油泵。此时的压力约为0.5MPa，然后，油流分为两路，一路经安全阀上的小孔作为冷却油通过供油泵的凸轮轴室流入压力控制阀，然后流回油箱。另一路充入3缸供油泵。在供油泵内，燃油压力上升到135MPa或更高，供入共轨。共轨上有一个压力传感器和一个通过切断油路来控制流量的压力控制阀。用这种方法来调节控制单元设定的共轨压力。高压燃油从共轨流入喷油器后又分为两路：一路直接喷入燃烧室；另一路在喷油期间，与针阀导向部分和控制柱塞处泄漏出的燃油一起流回油箱，如图6-20所示。

6.系统电路图

系统电路图如图6-21～图6-24所示。

图6-21 ECM端子示意

图6-22 康明斯ISBe电控柴油机电路图(插头C)

图6-23 康明斯ISBe电控柴油机电路图(插头A)

图6-24 康明斯ISBe电控柴油机电路图(插头B)(一)

图6-24 康明斯ISBe电控柴油机电路图(插头B)(二)

图6-24 康明斯ISBe电控柴油机电路图(插头B)(三)