性能特點和作用說明

康明斯柴油機電控單體泵原理與優缺點理

 

電控單體泵是一種模塊式結構的高壓噴射系統，各缸柱塞泵泵體相互獨立。其工作方式與泵噴嘴類似，但在結構上有很大區別。單體泵的噴油器和噴油泵之間用一根很短的高壓油管相連接。為了滿足日益嚴格的排放要求以及經濟性，柴油發電機噴油系統正向著高噴射壓力、自由靈活調整噴油量和噴油正時、噴油速率最佳控制的方向發展，電子控制的柴油噴射系統是實現柴油噴射過程柔性控制的有效手段，因此電控單體泵系統應運而生。

 

一、單體泵結構

 

      單體泵結構如圖1a所示，主要由電磁閥、滾輪式挺柱、柱塞、柱塞套筒、回位彈簧、彈簧座、出油閥、出油閥座、出油閥彈簧、出油閥壓緊螺帽及泵體等零件組成。

1、出油閥的構造

（1）出油閥和閥座是精密偶件，采用優質合金鋼制造，其導孔、上下端面及座孔經過精密的加工和研磨，配對以后不能互換。

（2）出油閥的圓錐部是閥的軸向密封錐面，閥的錐部在導孔中滑動配合起導向作用。尾部加工有切槽，形成十字形斷面，以便使燃油通過。出油閥中部的圓柱面叫減壓帶，它與密封錐面間形成了一個減壓容積。

（3）閥座的下端面和柱塞套筒的上端面是精密加工嚴密貼合，它是通過壓緊螺帽以規定的扭緊力矩來壓緊的。壓緊螺帽與閥座之間有一定厚度的銅制高壓密封墊圈。出油閥壓緊螺帽和殼體上端面間還有低壓密封墊圈。

（4）在出油閥壓緊螺帽內腔裝有帶槽的減容器，以減小內腔空間的容積，促進噴停迅速，限制出油閥最大升程的作用。

2、出油閥的作用

（1）防止噴油前滴油，提高噴射速度：噴油泵供油時，待油壓高于出油閥彈簧的預緊力和高壓油管內的殘余壓力后，出油閥升起，其密封錐面離開閥座。必須等到出油閥上的減壓帶完全離開閥座的導向孔時，泵油室的燃油才能進入高壓油管。

（2）防止噴油后滴油，提高關閉速度：停止供油時，出油閥減壓帶的下沿一進入導管時，高壓油管與泵室的通路便被切斷。當出油閥完全座落后下降了一距離h，因而高壓油管的容積得到增大，使油壓迅速地下降1MPa～2MPa，斷油迅速干脆，防止了因油壓的波動和“管縮油漲”而產生噴后滴油。

（3）防止燃油倒流，使高壓油管內保持一定的殘余壓力。

 

二、單體泵的工作原理

 

      當柴油發電機工作時直接通過凸輪軸驅動單體泵的柱塞完成泵油過程，此時由ECU控制設在單體泵出口端的電磁閥來精確控制泵油時刻和泵油持續時間。由于高壓油管比較短，所以通過供油時刻間接控制噴油定時，通過供油持續時間控制噴油器的噴射過程。當ECU控制電磁閥使之為OFF狀態時，如圖1b所示，閥芯在彈簧力的作用下回位，回油孔開啟，柱塞腔內的燃油隨柱塞的上移經回油孔回流，單體泵不供油，噴油器不噴油。當ECU接通電磁閥時閥芯關閉回油孔，如圖1c所示，隨柱塞上移，高壓腔內迅速建立起油壓，當泵油壓力大于出油閥彈簧力和高壓油管內的殘壓之和時，出油閥打開，泵油開始，并向高壓管泵油，高壓燃油經過很短的高壓油管直接傳送到噴油器，在噴油器端立即建立高壓，使噴油器針閥開啟而進行噴射。噴射持續時間取決于由ECU控制的單體泵電磁閥的接通持續時間（控制脈寬），經過控制脈寬之后單體泵電磁閥斷電，此時如圖18b所示回油孔打開，柱塞腔內的燃油經回油孔回油，當柱塞腔內的油壓低于出油閥彈簧壓力和高壓短管內的殘壓之和時，出油閥落座，停止泵油，同時高壓油管內的燃油迅速膨脹，使噴油器端的油壓迅速降低，針閥落座而停止噴油。

 

圖1  柴油機電控單體泵系統圖

圖2  柴油機單體泵結構原理示意圖

 

三、單體泵特點

 

      目前國內柴油發電機用單體泵的泵端壓力為160～180MPa，而噴油器為傳統的機械式，其開啟壓力約為22MPa。在單體泵供油過程中，當噴油器端的壓力大于噴油器的開啟壓力時，噴油器就開始噴油，在噴射過程中最高噴射壓力可達160～180MPa。噴射壓力取決于噴油器的總噴射面積、泵油速率、高壓系統容積、啟噴壓力，以及針閥偶件、柱塞偶件的配合間隙等。

      對電控單體泵噴射系統，在噴油器結構一定的條件下，影響噴油規律的主要結構參數有高壓油管的直徑、長度，以及單體泵柱塞的橫截面積和噴油器噴孔的總噴射面積之比（稱之為面積比）。該面積比直接影響噴射壓力，即面積比越大，意味著供油速率與噴油速率之比越大，噴射壓力越高；而且對一定的噴射面積，噴射壓力越高，噴射速率也越高。而高壓系統的容積（包括柱塞的壓油容積、高壓油管容積和噴油器內部容積之和）直接影響噴射系統的響應特性。該容積越大，單體泵到噴油器之間的響應特性越差。在對單體泵和噴油器結構一定的條件下，高壓系統容積主要取決于高壓油管的直徑和長度。但高壓油管直徑過小，直接影響單位時間的供油能力，過大則影響響應特性。所以根據不同排量柴油發電機應優化選擇，而高壓油管長度在系統布置允許的前提下應越短越好。為了適應不斷強化的排放法規要求，單體泵也不斷向高壓化發展。德爾福（Delphi）公司2001年推出的EUP200型單體泵的最高噴射壓力已達到200MPa。

      電控單體泵的特點是各缸單體泵之間相互獨立，所以控制比較靈活。但是單體泵并非直接控制噴油器，而是通過電磁閥控制噴油泵的供油過程和供油規律來間接地控制噴油規律，因此噴射過程的控制精度相對較差。電控單體泵系統可以實現噴油量、噴油正時的柔性控制，噴油壓力取決于單體泵的柱塞直徑與升程。電控單體泵系統在歐洲的歐Ⅲ階段廣泛使用，同樣可達到我國國三排放標準，并且無需大規模修改發動機結構，便可輕松從國三升級到國四；其噴油規律先緩后急，符合理想放熱規律要求，有利于降低排放與燃燒噪音；供油能力強，可進行各缸獨立控制，特別適用于功率較大的重型柴油機；國產的成熟單體泵系統，性能可靠，使用維護方便，成本比共軌系統便宜，對油品要求與傳統機械泵相當，并可進行單缸泵單元更換，噴油器成本較共軌噴油器成本低。

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