C7 Petroleum Engines Caterpillar

简介

液压电子式单体喷油器（HEUI）燃油系统的工作原理与采用机械驱动方式的其他燃油系统截然不同。 HEUI 燃油系统完全免调整。 机械部件的调整无法进行。 性能调节通过在发动机控制模块（ECM） (18) 内安装不同的软件完成。

此燃油系统由 6 个基本部件构成：

• 液压电子式单体喷油器（HEUI） (5)

• 发动机控制模块（ECM） (18)

• 单体喷油器液压泵 (1)

• 燃油输油泵 (11)

• 喷油驱动压力传感器 (9)

注: HEUI 燃油系统的部件不可维修。 这些燃油系统部件不能拆解。 拆解会损坏部件。 如果拆解了部件，Caterpillar 将不允许保修索赔或者 Caterpillar 可能会降低保修索赔。

部件说明

液压电子式单体喷油器

HEUI 燃油系统采用液压驱动的电子控制单体喷油器 (5) 。

柴油发动机的所有燃油系统均利用柱塞和柱塞缸将高压燃油抽送到燃烧室内。 通过将精确数量的燃油抽送到燃烧室内来控制发动机的性能。 HEUI 采用高压机油来驱动柱塞。 所有其他燃油系统利用喷油泵凸轮轴凸尖驱动柱塞。 由于 HEUI 与众不同，因此技师必须采用不同的故障诊断与排除方法。

HEUI 利用 6 MPa (870 psi) 到 28 MPa (4050 psi) 的高压发动机润滑油抽送来自喷油器的燃油。 HEUI 采用与液缸相同的工作方式来倍增高压机油的作用力。 通过倍增高压机油的作用力，HEUI 可以产生极高的喷油压力。 这种压力倍增通过在活塞上施加高压机油作用力得以实现。 活塞比柱塞大六倍左右。 活塞在高压发动机润滑油的驱动下推动柱塞。 这宗高压发动机润滑油被称为机油驱动压力。 机油驱动压力产生单体喷油器的喷油压力。 喷油压力比机油驱动压力大六倍左右。

低机油驱动压力产生低燃油喷射压力。 在怠速和起动等低速工况下，采用低喷油压力。

高机油驱动压力产生高燃油喷射压力。 在高怠速和加速等高速工况下，采用高喷油压力。

最小和最大喷油压力间存在诸多其他工况。 无论发动机的转速如何，HEUI 燃油系统均可提供喷油压力的无限控制。

发动机控制模块（ECM）

发动机控制模块（ECM） (18) 位于发动机的左侧。 ECM 是一台功能强大的计算机，可提供发动机性能的整体电子控制。 ECM 使用多个传感器收集的发动机性能数据。 ECM 随后利用这些数据对燃油输送、喷油压力和喷油正时进行调整。 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。 此软件通常称为个性模块。

发动机没有可更换的个性模块。 个性模块是 ECM 的永久性部分。 可以利用 Caterpillar 电子技师（Cat ET）对发动机的个性模块重新编程。

ECM (18) 负责记录发动机性能故障。 另外，当 ECM 与 Cat ET 或电子控制分析编程仪（ECAP）等电子维修工具结合使用时，ECM 能够自动运行多个诊断测试。

单体喷油器液压泵

单体喷油器液压泵 (1) （高压油泵）位于发动机的左上角。 单体喷油器液压泵是一种变量活塞式输油泵。 单体喷油器液压泵采用部分发动机润滑油。 单体喷油器液压泵将发动机润滑油加压到驱动 HEUI 喷油器所需要的喷油驱动压力。

油泵压力调节器

油泵压力调节器是单体喷油器液压泵的内构件。 油泵压力调节器是一种高精度阀门，通过改变油泵出口流量控制油泵出口压力（驱动压力）。 ECM (18) 内的性能工况图包含各种发动机运行工况下的理想驱动压力。 ECM 向油泵压力调节器发送控制电流。 控制电流应当使实际驱动压力等于理想的驱动压力。

油泵压力调节器是一种执行器，它通过将来自 ECM 的电信号转化为柱塞衬套的机械控制来改变油泵出口流量和油泵出口压力。

输油泵

燃油输油泵 (11) 安装在单体喷油器液压泵 (1) 的背面。 燃油输油泵用来从燃油箱 (14) 中抽取燃油。 另外，燃油输油泵还用来将燃油加压到 450 kPa (65 psi)。 经过加压的燃油供应给喷油器 (5) 。

燃油输油泵是一种齿轮泵。 此泵安装在单体喷油器液压泵的背面。 燃油输油泵由单体喷油器液压泵的泵轴驱动。 通过燃油输油泵内的卸压阀将出口压力限定到 689 ± 69 kPa (100 ± 10 psi)。 燃油从燃油箱中抽到油泵的入口。 齿轮的旋转使燃油从油泵出口流出，经过燃油细滤器 (12) 到达位于缸盖内的燃油供油道 (10) 。

喷油驱动压力传感器（IAP）

IAP 传感器 (9) 安装在高压油歧管内。 高压油歧管通过供应驱动油驱动单体喷油器。 IAP 传感器负责监测喷油驱动压力。 IAP 传感器为 ECM (18) 发回连续的电压信号。 ECM 对此信号进行处理。 ECM 时刻了解喷油驱动压力。

HEUI 燃油系统的工作原理

低压燃油系统

低压燃油系统提供三项功能。 低压燃油系统为喷油器 (5) 供应燃油。 另外，低压燃油系统通过供应过量的燃油冷却单体喷油器和去除系统中的空气。

低压燃油系统由四个基本部件构成：

• 燃油箱 (14)

• 燃油粗滤器/油水分离器 (13)

• 2 微米燃油细滤器 (12)

• 燃油输油泵 (11)

• 燃油压力调节器 (15)

燃油输油泵 (11) 安装在单体喷油器液压泵 (1) 的背面。

燃油从燃油箱 (14) 中抽出后流经 13 微米的燃油滤清器/油水分离器 (13) 。 燃油粗滤器/油水分离器去除燃油中的大量碎屑。 此类碎屑可能在加油时进入燃油箱。 这种碎屑也可能经过油箱的通气口进入油箱。 粗滤器滤芯也能将水从燃油中分离出来。 这些水被收集在燃油粗滤器 / 油水分离器底部的油杯中。

燃油从燃油滤清器 (12) 流到燃油输油泵 (11) 的入口侧。 燃油输油泵入口单向阀打开，使燃油流入油泵。 燃油流动停止后，入口单向阀关闭，防止燃油从入口流出。 燃油从油泵的入口流向也配有单向阀的出口。 出口单向阀打开，使高压燃油流出油泵。 出口单向阀关闭，防止高压燃油通过油泵发生回流。

燃油从燃油输油泵 (11) 的出口流入缸盖内的燃油供应油道。 燃油供应油道从缸盖前端开始的钻孔。 燃油供应油道延伸至缸盖背面。 此油道通过连接每个单体喷油器内孔为单体喷油器 (5) 供应燃油。 燃油从燃油输油泵流经缸盖到达每个单体喷油器。 过量燃油从缸盖背面流出。 过量燃油从缸盖背面流出后，燃油流入燃油压力调节器 (15) 。

燃油压力调节器 (15) 由节流孔和弹簧加载的单向阀构成。 节流孔是用来对燃油供应加压的限流孔。 弹簧加载的单向阀在 35 kPa (5 psi) 下打开，使流过节流孔的燃油返回燃油箱 (14) 。 当发动机关闭且燃油压力为零时，弹簧加载的单向阀关闭。 弹簧加载的单向阀关闭，防止缸盖内的燃油回流到燃油箱。

喷油驱动系统

驱动机油流

喷油驱动系统提供两项功能。 喷油驱动系统通过提供高压油驱动 HEUI 喷油器 (5) 。 另外，喷油驱动系统通过改变机油驱动压力控制单体喷油器产生的喷油压力。

喷油驱动系统由四个基本部件构成：

• 发动机机油泵 (4)

• 发动机机油滤清器 (3)

• 单体喷油器液压泵 (1)

• 喷油驱动压力传感器 (9)

发动机机油泵 (4) 供应机油，满足发动机润滑系统的需要。 另外，发动机机油泵提供的机油还满足燃油系统单体喷油器液压泵 (1) 的需要。 发动机机油泵的容量增加，以满足必要的附加流量要求。

从油底壳抽出的机油通过发动机机油泵 (4) 加压到润滑系统油压。 机油从机油泵流经机油冷却器 (7) 、机油滤清器 (3) 后到达主油道。 从主油道通过单独的油路，引导部分润滑油为单体喷油器液压泵 (1) 供油。 发动机左侧的钢管将主油道与单体喷油器液压泵的入口相连。

机油流入单体喷油器液压泵 (1) 的入口后加入油泵储油室。 起动阶段，油泵储油室为单体喷油器液压泵供油。 另外，在机油泵可以加压前，油泵储油室一直为单体喷油器液压泵供油。

油泵储油室还为缸盖内的高压油道提供补油。 当发动机停机冷却时，机油收缩。 油泵内的单向阀允许通过从油泵储油室内抽油，确保高压油道内始终充满油。

机油从油泵储油室流出后在单体喷油器液压泵 (1) 内加压。 机油随后以高压从油泵的出口推出。 机油随后从单体喷油器液压泵的出口流入缸盖内的高压油道。

高压油道通过连接每个单体喷油器的内孔，为单体喷油器 (5) 提供高压驱动油。 高压驱动油从单体喷油器液压泵 (1) 流经缸盖到达所有喷油器。 在单体喷油器使用机油前，机油始终停留在高压油道内。 单体喷油器流出的机油会从气门室盖下方排出。 这部分机油通过缸盖内的回油孔流回曲轴箱。

驱动机油压力控制

单体喷油器液压泵是一种变量活塞式输油泵。 变量活塞泵采用一个转动的倾斜驱动板。 活塞不转动。 活塞相对于倾斜驱动板移动。 活塞在滑套内移动。

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转动共用轴。 倾斜驱动板安装在共用轴上。 倾斜驱动板的转动导致油泵活塞在滑套中向内和向外移动。

活塞在滑套内向外移动时，机油通过驱动板内的油道吸入活塞内。 将活塞重新推入滑套且露出端口时，机油被压出活塞。

通过改变滑套与溢流口间的相对位置可改变活塞内机油的容量。 滑套的位置发生连续变化。 滑套的位置由 ECM 决定。 改变滑套的位置便改变了油泵的流量。 最终结果为可以加压的油量。

喷油驱动系统的压力由油泵出口流量及其最终压力与喷油驱动系统压力需求量间的匹配控制。 通过改变滑套的位置控制油泵出口的流量。 向左移动滑套会覆盖较长距离的溢流口。 这将提高有效充油行程和油泵出口流量。 向右移动滑套覆盖较短距离的溢流口，从而降低有效充油行程。 同时也降低油泵出口流量。

滑套通过惰轮相连。 一个滑套与执行器活塞相连。 向右或向左移动执行器活塞会使惰轮和滑套向右或向左移动相同的距离。

控制压力由 ECM 到电磁阀的电流量决定。 油泵出口流量中的少量油流经执行器活塞内的小油道。 这少量机油流出节流孔后进入控制压力油室。 此油室内的压力由小提升阀限定。 提升阀打开允许油室内的部分机油发生回流。 通过作用力使提升阀保持关闭状态。 提升阀上的此作用力由作用到电枢上的磁场产生。 磁场强度决定了克服执行器弹簧上作用力所需要的压力。

电磁阀内电流的增加导致以下各项升高：

• 磁场强度

• 电枢和提升阀上的作用力

• 导致执行器活塞向高流量位置移动的控制压力

电磁阀内电流的降低导致以下各项下降：

• 磁场强度

• 电枢和提升阀上的作用力

• 导致执行器活塞向低流量位置移动的控制压力

ECM 负责监控驱动压力。 ECM 通过不断改变到油泵控制阀的电流控制驱动压力。 三个部件通过在闭环油路内协调工作控制驱动压力：

• ECM

• 喷油驱动压力（IAP）传感器

• 油泵控制阀

闭环油路采用以下方式工作：

• ECM 通过收集来自传感器输入和软件工况图的信息决定理想的驱动压力。

• ECM 通过来自 IAP 传感器的恒定信号电压监控实际的驱动压力。

• ECM 不断改变到油泵控制阀的控制电流。 从而改变油泵出口流量。

共有两种驱动压力：

• 理想驱动压力

• 实际驱动压力

理想驱动压力是系统获得最佳发动机性能所需要的喷油驱动压力。 理想驱动压力由 ECM 内的性能工况图确定。 ECM 负责选择理想驱动压力。 选择过程以许多传感器的信号输入为基础。 ECM 获得以下传感器的信号输入：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。 理想驱动压力不断变化。 变化以各种信号输入为基础。 发动机转速和发动机负荷变化也使理想驱动压力发生变化。 理想驱动压力只有在稳态下（发动机转速和负荷稳定）才保持恒定。

实际驱动压力是喷油器驱动油的实际系统压力。 ECM 和油泵出口压力调节器不断改变油泵出口流量。 这种恒定的变化使得实际驱动压力等于理想驱动压力。

油泵控制阀的工作原理

油泵控制阀分为以下三个阶段：

• 阀门工作（发动机停运）

• 阀门工作（发动机盘车）

• 阀门工作（发动机运行）

阀门动作（发动机停运）

发动机停运时，油泵出口压力为零且 ECM 到控制阀电磁阀没有电流。 执行器弹簧将执行器活塞推到最左端。 图中未显示的惰轮和滑套也向左移动。 此时，油泵位于最大输出位置。

阀门工作（发动机盘车）

发动机起步阶段，需要大约 6 MPa (870 psi) 的喷油驱动压力来驱动单体喷油器。 此低喷油驱动压力产生大约 35 MPa (5000 psi) 的低喷油压力。 此低喷油压力有助于冷起动。

要想快速起动发动机，喷油驱动压力必须快速升高。 由于单体喷油器液压泵正在发动机盘车速度下转动，因此油泵的流量非常低。 ECM 通过向控制阀电磁阀发送强电流，使提升阀保持关闭状态。 当提升阀处于关闭位置时，所有回油通道被阻断。 作用到执行器活塞两侧的液压力相等。 执行器弹簧将执行器固定到左侧。 在达到 6 MPa (870 psi) 的理想压力前，油泵始终产生最大的流量。 现在，ECM 通过降低到压力调节器电磁阀的电流下调控制压力。 控制压力下降使得执行器活塞向右移动。 从而通过降低油泵出口流量保持 6 MPa (870 psi) 的理想压力。

注: 如果发动机已暖，则起动发动机所需要的压力可能高于 6 MPa (870 psi)。 理想驱动压力的数值保存在 ECM 的性能工况图内。 理想驱动压力的数值随发动机温度的不同而变化。

一旦单体喷油器开始工作，ECM 便开始控制到控制阀的电流。 发动机起动前，ECM 和控制阀电磁阀会将驱动压力维持在 6 MPa (870 psi)。 ECM 通过位于高压油歧管内的 IAP 传感器监测实际驱动压力。 ECM 通过监测多个电输入信号建立理想驱动压力，并向控制阀电磁阀发送预定电流。 ECM 还将理想驱动压力与高压油道内的实际驱动压力进行比较。 ECM 通过调节到控制阀电磁阀的电流大小使实际驱动压力等于理想驱动压力。

阀门工作（发动机运行）

发动机起动后，ECM 通过控制到油泵控制阀的电流保持理想驱动压力。 IAP 传感器监测缸盖高压油道内的实际驱动压力。 ECM 每秒钟将实际驱动压力和理想驱动压力进行 67 次比较。 当实际驱动压力和理想驱动压力间不匹配时，ECM 调节到油泵控制阀的电流大小。 这些调整使得实际喷油驱动压力等于理想喷油驱动压力。

机油流（发动机运行）

油泵出口流量中的少量机油流经执行器活塞进入控制压力油室。 控制压力增压，增加的压力打开提升阀。 打开的提升阀使机油发生回流。 ECM 通过增加或降低到控制阀电磁阀的电流和由此在提升阀上产生的作用力改变控制压力。

以下各项构成了闭环系统：

• 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。 此油泵出口压力具有 6 MPa (870 psi) 到 28 MPa (4061 psi) 的范围。

HEUI 喷油器（部件）

HEUI 喷油器提供四项功能： HEUI 喷油器将燃油供应从 450 kPa (65 psi) 加压到 175 MPa (25382 psi)。 HEUI 喷油器经单体喷油器尖端的节流孔泵送高压燃油，起喷雾器的作用。 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。

请参阅插图 8。 HEUI 喷油器由三个主要零件构成：

• 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)

• 座销 (4)

• 滑阀弹簧 (5)

• 滑阀 (6)

• 增强器活塞的止回球 (7)

喷油器的中间 (B) 包含以下各项：

• 增强器活塞 (8)

• 复位弹簧 (9)

• 柱塞 (10)

• 柱塞缸 (11)

喷油器的下端 (C) 包含以下各项：

• 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)

• 套筒 (17)

• 逆流单向阀 (18)

• 喷嘴单向阀 (19)

• 喷嘴尖端 (20)

这些部件协调工作产生不同的喷油速率。 喷油速率由 ECM 内的性能软件进行电子控制。

HEUI 喷油器（工作原理）

HEUI 喷油器采用分段喷油循环运行方式。 对开喷油循环具有 5 个喷油阶段：

• 预喷油

• 先导喷油

• 喷油延迟

• 主喷油

• 加注

喷油前

请参阅插图 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) 位于活塞孔顶部。 柱塞下方的油室内充满燃油。

在上端，电枢 (3) 和座销 (4) 由电枢弹簧 (2) 固定在下方。 高压驱动油流入喷油器。 油随后沿座销四周流到单向活塞 (16) 顶部。 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) 被滑阀弹簧 (5) 固定到滑阀孔的顶部。 在此位置，滑阀阻止驱动油到达增强器活塞。 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。 滑阀被滑阀弹簧的作用力固定到上部或关闭位置。

先导喷油

请参阅插图 10。 ECM 向电磁阀 (1) 发送控制电流时发生先导喷油。 电流产生的磁场提起电枢 (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。 下座打开。 这将使单向活塞 (16) 顶部的驱动机油流向排油口 (21) 。 集在滑阀 (6) 下方的驱动机油也会流向排油口 (21) 。 驱动机油通过喷油器侧面的排油孔排出。

滑阀下方的压力降低使滑阀上产生液压力差。 当液压力作用到滑阀顶部时，滑阀进入打开位置。 此液压力使滑阀向下移动。 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。

如果以下情况存在，先导喷油将继续：

• 该电磁阀已通电。

• 滑阀保持打开状态。

• 单向活塞顶部没有驱动压力。

喷油延迟

请参阅插图 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) 被磁场固定到上部位置。 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。 这使得驱动压力流向单向活塞 (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。 无力的滑阀弹簧 (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

请参阅插图 12。 电磁阀 (1) 重新通电激励后主喷油开始。 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。

加注

请参阅插图 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。