C9 On-Highway Engines Caterpillar

图 1	g01103030
(1) 机油泵 (2) 液压电子式单体喷油器 (3) 机油滤清器 (4) 机油冷却器 (5) 高压机油 (6) 燃油 (7) 喷油驱动压力控制阀 (IAPCV) 接头) (8) 单体喷油器液压泵 (9) 喷油驱动压力 ( IAP) 传感器 (10) 燃油滤清器 (11) 燃油粗滤器和油水分离器 (12) 燃油箱 (13) 凸轮轴齿轮 (14) 转速/正时传感器 (15) 发动机控制模块 (ECM) (16) 蓄电池 (17) 燃油压力调节器 (18) 增压压力传感器 (19) 机油压力传感器 (20) 冷却液温度传感器 (21) 油门位置传感器 (22) 进气温度传感器 (23) 大气压力传感器 (24) 进气加热器

简介

液压电子式单体喷油系统的操作与其它机械驱动的燃油系统完全不同。 HEUI 燃油系统完全不用进行调整。 不能对机械零部件进行调整。 在 ECM 中安装不同的软件即可实现性能的改变。

这个燃油系统包括以下四个基本部件：

• 液压电子式单体喷油器 (HEUI)

• ECM

• 单体喷油器液压泵

• 燃油输油泵

注: 燃油输油泵是一个可以维修的零件。 HEUI 燃油系统内部零部件不可维修。 不得解体这些燃油系统零部件。 解体操作会导致零部件损坏。 如果已经拆解了零部件，卡特彼勒将不允许保修索赔或者卡特彼勒可能会降低保修索赔。

零部件说明

液压电子式单体喷油器

图 2	g00954881

燃油系统利用一个液压驱动式电控单体喷油器。

所有柴油发动机的燃油系统都采用一个柱塞和柱塞缸，以向燃烧室泵送高压燃油。 HEUI 利用高压发动机机油驱动柱塞。

HEUI 利用从 6 MPa (870 psi) 加压到 28 MPa (4061 psi) 的发动机机油来泵出喷油器的燃油。 高压机油称为喷油驱动压力。 HEUI 以液压油缸相同的方式操作，以倍增高压机油的推力。 向一个活塞施加高压机油推力即可实现压力的倍增操作。 活塞要比柱塞大大约六倍。 由高压发动机机油驱动的活塞将推动柱塞。 机油驱动压力会产生喷油器的喷油压力。 喷油压力比机油驱动压力高大约六倍。

机油驱动压力偏低会导致喷油压力过低。 机油驱动压力偏高会导致喷油压力过高。

ECM

ECM 位于发动机左侧。 ECM 是一台可以提供发动机性能整体电子控制的强大电脑。 ECM 使用多个传感器收集发动机性能数据。 ECM 利用这些数据进行燃油输送、喷油压力和喷油正时的调整。 ECM 含有可编程的性能工况图（软件），可以确定功率、扭矩曲线和转速。

ECM 可记录发动机性能的故障。 同时使用 ECM 和卡特彼勒电子技师 (ET) 时 ECM 还能自动运行多个诊断测试。

单体喷油器液压泵

图 3	g00954883

单体喷油器液压泵是一个变量活塞式输油泵。 单体喷油器液压泵使用一部分发动机机油。 单体喷油器液压泵会将发动机机油压力升高到驱动 HEUI 喷油器需要的喷油驱动压力。

燃油输油泵

图 4	g01103032
(1) 单体喷油器液压泵 (2) 燃油输油泵

燃油输油泵安装在单体喷油器液压泵的后面。 燃油输油泵是单体喷油器液压泵中唯一可以维修的零件。 燃油输油泵用于抽出燃油箱中的燃油。 此外，燃油输油泵还用于提高燃油压力到 450 kPa (65 psi)。 燃油输油泵内部有一个用于保护系统的安全阀。 高压燃油会供给喷油器。

喷油驱动压力传感器 (IAP)

IAP 传感器可监测喷油驱动压力。 IAP 传感器会向 ECM 送回一个连续的电压信号。 ECM 将处理这个信号。 ECM 始终都掌握喷油驱动压力的大小。 ECM 会分析传感器送来的电压值。 继而调整电磁阀的供电电流。

HEUI 燃油系统

低压燃油系统

图 5	g01103036
(1) 单体喷油器液压泵 (2) 燃油输油泵 (3) 液压电子式单体喷油器 (4) 燃油细滤器 (5) 燃油粗滤器和油水分离器 (6) 燃油箱 (7) 燃油压力调节器

低压燃油系统有两个基本功能。 低压燃油系统会向喷油器提供燃烧用油。 低压燃油系统还会提供过量燃油，以带走系统中的空气。

低压燃油系统包括四个基本零部件：

• 燃油箱

• 燃油粗滤器/油水分离器

• 两微米燃油细滤器

• 燃油输油泵

• 燃油压力调节器

燃油从燃油箱中抽出，流经一个十三微米燃油粗滤器/油水分离器。 燃油粗滤器/油水分离器可以除去燃油中大的碎屑。 粗滤器滤芯还能分离燃油中的水。 这些水收集在燃油粗滤器/油水分离器底部的碗中。

燃油从燃油粗滤器/油水分离器流到燃油输油泵的进油口侧。 燃油输油泵进油口侧的进油单向阀开启，使燃油流入油泵。 燃油流动停止后，进油单向阀闭合，防止燃油流出进油口。 接着，燃油从输油泵进油口流到出油口。 输油泵出油口流出的高压燃油会流到两微米燃油细滤器。 两微米燃油细滤器是所有卡特彼勒发动机上的标准配置。 这些燃油滤清器异常高效。 细滤器可以除去燃油中极小的研磨污物。 燃油粗滤器/油水分离器无法收集这些小污物。 如果燃油中含有极小的研磨微粒的话，则会导致单体喷油器磨损。 燃油细滤器可以除去两微米以上大小的微粒。 这个两微米细滤器的使用和常规保养可以显著提高喷油器的使用寿命。

燃油从两微米细滤器流到缸盖中的燃油供油道。 燃油供油道是一个起点在缸盖前端的钻出油孔。 燃油供油道延伸到缸盖后面。 这个供油道与每个单体喷油器孔连接，以向单体喷油器供油。 过量的燃油会流出缸盖后部。 燃油流入燃油压力调节器。

燃油压力调节器包括一个节流孔和一个弹簧加载的单向阀。 节流孔提供一个提高供油压力的节流阻力。 弹簧加载式单向阀会在 35 kPa (5 psi) 的压力下开启，使燃油流经节流孔，流回燃油箱。 关闭发动机后，单向阀上将没有燃油压力。 单向阀上将没有燃油压力时，单向阀会闭合。 单向阀闭合，以防缸盖中的燃油流回燃油箱。

喷油驱动系统

驱动机油流量

图 6	g01103045
(1) 单体喷油器液压泵 (8) 机油滤清器 (9) 机油冷却器 (10) 发动机机油泵 (11) 高压机油

喷油驱动系统有两个功能。 喷油驱动系统可提供高压机油，以驱动喷油器。 此外，喷油驱动系统还改变机油驱动压力以调节单体喷油器的喷油压力。

喷油驱动系统包括以下四个基本部件：

• 发动机机油泵

• 发动机机油滤清器

• 单体喷油器液压泵

• 喷油驱动压力传感器（IAP 传感器）

发动机机油泵把油槽抽出的机油加压到润滑系统机油压力。 发动机机油泵送来的机油经发动机机油冷却器、发动机机油滤清器，然后流到主油道。 主油道的独立油路会导入一部分机油以便向单体喷油器液压泵供油。 发动机左侧的钢管把主油道与单体喷油器液压泵进油口连在一起。 连接点在发动机侧板的歧管顶部孔口。

机油流入单体喷油器液压泵进油口，然后充满油泵储油室。 油泵储油室在起步阶段会向单体喷油器液压泵供油。 此外，油泵储油室还向单体喷油器液压泵供油，直到发动机机油泵压力升高为止。

油泵储油室送来的机油会在单体喷油器液压泵中提高压力，然后在高压下送出油泵出油口。 之后，单体喷油器液压泵出油口送来的机油会流向缸盖高压油道。

高压驱动机油会从单体喷油器液压泵经缸盖送到所有喷油器。 高压油道中会充满机油，直到单体喷油器使用机油为止。 单体喷油器流出的机油会从气门室盖下方排出。 这些机油经缸盖中的回油孔流回曲轴箱。

驱动机油压力控制

图 7	g01103053
(12) 控制电磁阀 (13) 提升阀 (14) 电枢 (15) 执行器弹簧 (16) 滑套 (17) 执行器活塞 (18) 偏心驱动板 (19) 惰轮 (20) 溢油口 (21) 油泵出油口 (22) 驱动齿轮 (23) 单向阀 (24) 活塞

单体喷油器液压泵是一个变量活塞式输油泵。 变量活塞泵采用一个转动的倾斜驱动板。 活塞都不转。 活塞的移动取决于倾斜驱动板。 活塞在滑套中移动。

单体喷油器液压泵由发动机前端的齿轮系驱动。 油泵前端的驱动齿轮会使共用轴转动。 倾斜驱动板安装在共用轴上。 倾斜驱动板的转动可使油泵活塞在滑套中移进移出。

随着活塞移出滑套，机会经驱动板中的油道流入活塞内部。 在活塞推回滑套中并露出油口后，机油会压出活塞。

改变滑套相对于溢油口的位置即可改变活塞中的油量。 滑套的位置连续变化。 滑套的位置由 ECM 确定。 改变滑套的位置即可改变油泵油量。 其结果是加压的机油量的多少。

喷油驱动系统压力的控制是通过匹配油泵出口油量和产生的压力与喷油驱动系统需要的压力来实现的。 滑套的位置不断变化，以控制油泵出口油量。 滑套移到左侧盖住溢油口，可获得较长的距离。 这将提高有效的充油行程和油泵出口油量。 滑套移到右侧盖住溢油口，可获得较短的距离，从而降低有效的充油行程。 这还将降低油泵出口油量。

滑套通过一个惰轮连接。 一个滑套连接一个执行器活塞。 左右移动执行器活塞会使惰轮和滑套向左或向右移动相同的距离。

控制压力由 ECM 送到电磁阀的电流量决定。 少量油泵出口油量流经执行器活塞中的小油道。 这些少量机油流出一个节流孔，然后流入控制压力油室。 这个油室中的压力由一个小提升阀限制。 提升阀的开口允许油室中的一部分机油流到排油口。 压力会保持提升阀处于闭合位置。 这个提升阀上的压力由作用于电枢的磁场产生。 磁场强度决定了克服执行器弹簧弹力所需的压力。

电磁阀供电电流升高会使以下各项增加：

• 磁场强度

• 电枢和提升阀上的压力

• 使执行器活塞移到能够产生更大油量位置的控制压力

电磁阀供电电流降低会使以下各项减小：

• 磁场强度

• 电枢和提升阀上的压力

• 使执行器活塞移到能够产生更小油量位置的控制压力

ECM 可监测驱动压力。 ECM 连续改变油泵控制阀的供电电流，以控制驱动压力。 以下三个部件在闭环油路中相互协作以控制驱动压力：

• ECM

• 喷油驱动压力 (IAP) 传感器

• 油泵控制阀

闭环油路按照下列方式工作：

• ECM 收集传感器输入和软件工况图的信息，以确定需要的驱动压力。

• ECM 通过 IAP 传感器送来的恒压信号监测实际驱动压力。

• ECM 不断改变油泵控制阀的供电控制电流。 这可以改变油泵出口油量。

驱动压力有两种：

• 需要的驱动压力

• 实际喷油驱动压力

需要的驱动压力是指系统实现最佳发动机性能所需的喷油驱动压力。 需要的驱动压力通过 ECM 中的性能工况图建立。 ECM 会选择需要的驱动压力。 选择是根据多个传感器输入的信号。 ECM 可获取以下传感器中的一些信号输入： 油门位置传感器, 增压压力传感器, 转速/正时传感器 和 冷却液温度传感器. 需要的驱动压力不断改变。 这一变化基于多个信号输入。 发动机转速和发动机负载的变化也会导致需要的驱动压力改变。 需要的驱动压力只有在稳定工况（稳定的发动机转速和负载）下才恒定。

实际喷油驱动压力驱动喷油器的驱动机油的实际系统压力。 ECM 和油泵压力调节器不断改变油泵出口油量。 油量的不断变化会使实际驱动压力等于需要的驱动压力。

油泵控制阀操作

油泵控制阀具有以下三个阶段：

• 阀门操作（发动机停机）

• 阀门操作（盘车起动发动机）

• 阀门操作（发动机运转）

阀门操作（发动机停机)

关闭发动机时，油泵没有出口压力，ECM 没有向控制电磁阀提供电流。 执行器弹簧把执行器活塞完全推向左侧。 图上未显示的惰轮和滑套也移到左侧。 此时，油泵处于最大输出的位置。

阀门操作（盘车起动发动机)

发动机起动阶段，需要大约 6 MPa (870 psi) 的喷油驱动压力以驱动单体喷油器。 这一低喷油驱动压力可以产生大约 35 MPa (5000 psi) 的低喷油压力。 这一低喷油压力可以帮助冷起动。

为了迅速起动发动机，喷油驱动压力必须快速升高。 由于单体喷油器液压泵以发动机盘车起动转速转动，油泵油量极小。 ECM 会向控制电磁阀发送一个强电流，以保持提升阀处于闭合位置。 提升阀处于闭合位置时，会阻止所有机油流向排油口。 作用在执行器活塞两侧的液压力相等。 执行器弹簧保持执行器在左侧。 油泵产生最大流量，直到达到需要的 6 MPa (870 psi) 压力。 现在，ECM 降低压力调节器电磁阀的供电电流，以减小控制压力。 控制压力减小后，可使执行器向右侧移动。 这将减小油泵出口油量，以便维持需要的 6 MPa (870 psi) 压力。

注: 如果发动机已暖机，起动发动机所需的压力可能会高于 6 MPa (870 psi)。 需要的驱动压力值都存储在 ECM 性能工况图中。 需要的驱动压力值随发动机温度而变化。

一旦单体喷油器开始操作，ECM 就会控制控制阀的供电电流。 ECM 和控制电磁阀会维持驱动压力在 6 MPa (870 psi)，直到发动机起动为止。 ECM 通过位于高压机油歧管中的 IAP 传感器监测实际驱动压力。 ECM 通过监测几个电气输入信号来建立需要的驱动压力，然后向控制电磁阀发送一个预定的电流。 ECM 还会比较需要的驱动压力与高压油道中的实际驱动压力。 ECM 会调节控制电磁阀的供电电流水平，使实际驱动压力等于需要的驱动压力。

阀门操作（发动机运转)

一旦发动机起动，ECM 就会控制油泵控制阀的供电电流，以维持需要的驱动压力。 IAP 传感器可监测缸盖高压油道中的实际驱动压力。 ECM 会以每秒 67 次的频率比较实际驱动压力与需要的驱动压力。 实际驱动压力与需要的驱动压力不匹配时，ECM 会调节油泵控制阀的供电电流水平。 这些调整会使实际喷油驱动压力等于需要的喷油驱动压力。

机油量（发动机运转)

少量油泵出口油量流经执行器活塞，然后流入控制压力油室。 控制压力升高，压力升高会使提升阀开启。 开启的提升阀允许机油流到排油口。 ECM 会升降控制电磁阀的供电电流，引起提升阀压力变化，以改变控制压力。

以下各项构成一个闭环系统：

• ECM

• IAP

• 压力调节器

这个闭环系统可提供无限可变的油泵出口压力控制。 该油泵出口压力范围为 6 MPa (870 psi) 到 28 MPa (4061 psi)。

HEUI 喷油器（零部件)

HEUI 喷油器具有四个功能。 HEUI 喷油器把供油压力从 450 kPa (65 psi) 提高到 175 MPa (25382 psi)。 HEUI 喷油器经单体喷油器尖端中的节流孔泵送高压燃油，起到一个喷雾器的功能。 HEUI 喷油器向燃烧室输送正确量的雾化燃油，并使雾化燃油在燃油室各处均匀分布。

图 8	g01103091
HEUI 喷油器横截面 (1) 电磁阀 (2) 电枢弹簧 (3) 电枢 (4) 密封销 (5) 滑阀弹簧 (6) 滑阀 (7) 增强器活塞单向球 (8) 增强器活塞 (9) 回位弹簧 (10) 柱塞 (11) 柱塞套 (12) 喷嘴壳体 (13) 进油口注油单向阀 (14) 止动块 (15) 喷嘴弹簧 (16) 单向活塞 (17) 滑套 (18) 逆流单向阀 (19) 喷嘴单向阀 (20) 喷嘴尖端

请参阅图 8。 HEUI 喷油器包括三个主要部分：

• 上端或执行器 (A)

• 中间或泵送装置 (B)

• 下端或喷嘴组件 (C)

上端 (A) 包括以下各项：

• 电磁阀 (1)

• 电枢弹簧 (2)

• 电枢 (3)

• 密封销 (4)

• 滑阀弹簧 (5)

• 滑阀 (6)

• 增强器活塞单向球 (7)

喷油器中间 (B) 包括以下各项：

• 增强器活塞 (8)

• 回位弹簧 (9)

• 柱塞 (10)

• 柱塞缸 (11)

喷油器下端 (C) 包括以下各项：

• 喷嘴壳体 (12)

• 进油口注油单向阀 (13)

• 止动块 (14)

• 喷嘴弹簧 (15)

• 单向活塞 (16)

• 衬套 (17)

• 逆流单向阀 (18)

• 喷嘴单向阀 (19)

• 喷嘴尖端 (20)

这些零部件相互协作，以产生不同的喷油速率。 喷油速率由 ECM 中的性能软件电子控制。

HEUI 喷油器（操作)

HEUI 喷油器以分开的喷油循环操作。 喷油循环分为五个喷油阶段：

• 喷油前

• 先导喷油

• 喷油延迟

• 主喷油

• 注油

喷油前

图 9	g01103150
喷油前循环横截面 (2) 电枢弹簧 (3) 电枢 (4) 密封销 (5) 滑阀弹簧 (6) 滑阀 (8) 增强器活塞 (10) 柱塞 (16) 单向活塞 (19) 喷嘴单向阀

请参阅图 9。 发动机运转下喷油器处于点火循环之间时，喷油器处于喷油前阶段。 柱塞 (10) 和增强器活塞 (8) 都处于活塞孔顶部。 柱塞下方油室充满燃油。

上端中，电枢 (3) 和座销 (4) 都由电枢弹簧 (2) 固定在下方。 高压驱动机油流入喷油器。 之后，机油经座销，流到单向活塞 (16) 。 没有喷油时，这会一直在喷嘴单向阀 (19) 上产生一个正下压力。

滑阀 (6) 由滑阀弹簧 (5) 固定在滑阀孔的顶部。 在这个位置中，滑阀阻止驱动机油到达增强器活塞。 滑阀顶部和底部都有驱动压力，因此作用在滑阀的液压力平衡。 滑阀由滑阀弹簧的弹力固定在向上位置或闭合位置。

先导喷油

图 10	g01103154
先导喷油循环横截面 (1) 电磁阀 (3) 电枢 (4) 密封销 (6) 滑阀 (7) 增强器活塞单向球 (8) 增强器活塞 (10) 柱塞 (15) 喷嘴弹簧 (16) 单向活塞 (19) 喷嘴单向阀 (20) 喷嘴尖端 (21) 排油口

请参阅图 10。 ECM 向电磁阀 (1) 发送一个控制电流时即发生先导喷油。 电流可以产生一个磁场，从而升起电枢 (3) 和座销 (4) 。 座销上下各有一个座。 电枢升起座销后，上座会阻止驱动压力流到单向阀。 下座会开启。 这将使单向活塞 (16) 顶部的驱动机油流到排油口 (21) 。 集在下滑阀 (6) 中的驱动机油会流出到排油口 (21) 。 驱动机油流经喷油器侧面的排油孔。

滑阀下方的压降会使作用于滑阀的液压产生差值。 液压力作用于滑阀顶部时，滑阀移到开启位置。 这个液压力会使滑阀向下移动。 滑阀和销使增强器活塞的单向球 (7) 移动球座，处于闭合位置时，滑阀向下移动停止。 这可以防止所有驱动压力排出增强器活塞 (8) 中的油室。 这会使驱动压力下降，还会消除单向活塞上的下压力。

驱动机油现在流经开启的滑阀，然后流到增强器活塞顶部。 活塞和柱塞 (10) 的向下移动可以提高柱塞油室中流向喷嘴尖端 (20) 的燃油的压力。 喷油压力升高，以克服提升喷嘴单向阀 (19) 的喷嘴弹簧 (15) 弹力时，先导喷油开始。

如果存在以下情况，则先导喷油延续：

• 该电磁阀已通电。

• 滑阀保持开启状态。

• 单向活塞顶部没有驱动压力。

喷油延迟

图 11	g01103158
喷油延迟横截面 (1) 电磁阀 (2) 电枢弹簧 (3) 电枢 (4) 密封销 (5) 滑阀弹簧 (6) 滑阀 (8) 增强器活塞 (10) 柱塞 (16) 单向活塞 (19) 喷嘴单向阀

请参阅图 11。 电磁阀 (1) 供电控制电流停止，电磁阀断电后，喷油延迟开始。 电枢 (3) 由磁场固定在向下位置。 磁场断电后，电枢弹簧 (2) 会把电枢和座销 (4) 向下推动。 座销闭合下座并开启上座。 这会使驱动压力流到单向活塞 (16) 的顶部。 单向活塞上的液压力迅速克服喷油压力，喷嘴单向阀 (19) 闭合。 此时，喷油停止。

在滑阀 (6) 下方的驱动压力升高，使滑阀顶部和底部的液压力平衡。 弱滑阀弹簧 (5) 现在作用于滑阀上。 这会使滑阀缓慢闭合。 随着滑阀保持开启，驱动压力继续经滑阀流到增强器活塞 (8) ，然后流到柱塞 (10) 。 喷嘴单向阀保持在闭合位置时喷嘴和柱塞油室中的喷油压力异常迅速地升高。

主喷油

图 12	g01103166
主喷油循环横截面 (1) 电磁阀 (3) 电枢 (4) 密封销 (6) 滑阀 (7) 增强器活塞单向球 (16) 单向活塞 (19) 喷嘴单向阀 (22) 排油口

请参阅图 12。 电磁阀 (1) 重新通电后主喷油开始。 立即产生磁场，磁场磁力使电枢 (3) 和座销 (4) 升起。 上座阻止驱动压力流动，并使活塞 (16) 和滑阀 (6) 底部开启，流到排油口 (22) 。 保持喷嘴单向阀 (19) 闭合的液压力迅速消失，喷油压力使喷嘴单向阀开启。 这就是主喷油的开始。 同时，使滑阀两侧出现液压力差值。 这一压力差会使滑阀向下移动。 滑阀处于此位置后增强器活塞单向球 (7) 保持在闭合位置。 如果电磁阀仍通电的话，主喷油延续。

注油

图 13	g01103168
注油循环横截面 (1) 电磁阀 (2) 电枢弹簧 (3) 电枢 (4) 密封销 (5) 滑阀弹簧 (6) 滑阀 (7) 增强器活塞单向球 (8) 增强器活塞 (9) 回位弹簧 (10) 柱塞 (16) 单向活塞 (18) 逆流单向阀 (19) 喷嘴单向阀 (22) 排油口

请参阅图 13。 电磁阀 (1) 断电后注油循环开始。 电枢 (3) 和座销 (4) 由电枢弹簧 (2) 向下推动。 座销闭合下座并开启上座。 驱动压力重新流入单向活塞 (16) 的顶部。 这会使喷嘴单向阀 (19) 闭合，喷油结束。 滑阀 (6) 下方也会有驱动压力。 这将恢复滑阀上的液压平衡。 阀弹簧 (5) 缓慢闭合滑阀。 这会阻止驱动机油流到增强器活塞 (8) 。

随着滑阀的升高，增强器活塞单向球 (7) 不再保持在闭合位置。 增强器活塞油室中的机油提升单向球离开阀座，并经喷油器侧面的排油孔流到排油口 (22) 。 回位弹簧 (9) 向上推动柱塞 (10) 和增强器活塞。 这会使所有机油流出增强器活塞油室。 随着柱塞的升高，燃油进口单向阀 (18) 会离开阀座。 这将使供油流入柱塞油室。 柱塞和活塞处于孔的顶部，并且柱塞油室充满燃油后注油循环完成。