性能特點(diǎn)和作用說明

柴油發(fā)電機(jī)供油系統(tǒng)的組成和工作過程

 

摘要：燃油系統(tǒng)的功用是根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況的需要，向柴油發(fā)電機(jī)供給一定數(shù)量的、清潔的、霧化良好的燃油，以便與一定數(shù)量的空氣混合形成可燃混合氣。燃油系統(tǒng)一般是由燃油泵、燃油濾、噴油嘴、高壓油管、輸油泵等組成。由于高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)具有可以對(duì)噴油定時(shí)、噴油持續(xù)期、噴油壓力、噴油規(guī)律進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，從而使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能都會(huì)有進(jìn)一步的提高。因此，康明斯柴油機(jī)未來發(fā)展方向無疑是全面進(jìn)入高壓共軌時(shí)代，這就需要我們加大對(duì)高壓共軌系統(tǒng)的研究力度，使康明斯柴油機(jī)水平跨上一個(gè)新的臺(tái)階。

 

一、燃油系統(tǒng)的分類

 

1、直列噴油泵系統(tǒng)

      直列噴油泵系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛的、傳統(tǒng)的柴油噴射技術(shù)。多年以來，這種系統(tǒng)不斷改進(jìn)，并且適應(yīng)更多的應(yīng)用領(lǐng)域，因此，現(xiàn)在仍有不同版本的該系列噴油泵在廣泛使用。它們的突出特點(diǎn)是穩(wěn)定的耐久性和易維護(hù)性。依其具體應(yīng)用條件都帶有提前供油裝置及機(jī)械式調(diào)速器或電子執(zhí)行器。對(duì)于直列噴油泵（特別是廣泛用于重型汽車柴油發(fā)電機(jī)的）柴油發(fā)電機(jī)每個(gè)氣缸都有一套由凸輪軸驅(qū)動(dòng)的柱塞-柱塞套總成，柱塞數(shù)必須和柴油發(fā)電機(jī)的氣缸數(shù)相同。圖1所示為直列泵燃油供給系統(tǒng)示意圖，動(dòng)態(tài)模擬如圖2所示。

 

圖1  直列燃油泵系統(tǒng)示意圖

圖2  柴油發(fā)電機(jī)組燃油系統(tǒng)工作動(dòng)態(tài)圖

 

2、分配式噴油泵系統(tǒng)

      分配式噴油泵燃油供給系統(tǒng)示意圖如圖2所示。分配泵的柱塞數(shù)與氣缸數(shù)無關(guān)。其特點(diǎn)是帶有整體式的噴油提前裝置及機(jī)械式調(diào)速器或電子執(zhí)行器。

（1）在帶有軸向柱塞的分配式噴油泵里，一個(gè)中置的由凸輪盤驅(qū)動(dòng)的柱塞產(chǎn)生壓力并將燃油分配至各氣缸，同時(shí)由一個(gè)控制環(huán)或電磁閥控制噴油量。

（2）帶有徑向柱塞的分配式噴油泵有2～4個(gè)凸輪環(huán)驅(qū)動(dòng)的徑向柱塞，用來產(chǎn)生壓力和供油，用電磁閥控制噴油正時(shí)及調(diào)節(jié)燃油量。

      這兩種分配式噴油泵的零件都要求有較高的制造精度，以保證更長(zhǎng)的使用壽命和一致性，保證準(zhǔn)確控制進(jìn)油口的關(guān)閉和噴油量，并保證各氣缸之間的噴油量盡可能平均。分配式噴油泵用于3～6缸柴油發(fā)電機(jī)上，功率范圍根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和燃燒方式的不同而不同，最高可以達(dá)到20kW/缸。直噴柴油發(fā)電機(jī)用的分配式噴油泵轉(zhuǎn)速達(dá)2400r/min時(shí)，噴油泵高壓室的壓力最高可達(dá)70MPa。

3、泵噴嘴燃油系統(tǒng)

      泵噴嘴的泵和噴嘴是裝成一體的。每個(gè)氣缸在缸蓋上裝有一個(gè)泵噴嘴，它直接通過搖臂或間接地由柴油發(fā)電機(jī)凸輪軸通過推桿來驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。與直列泵和分配式噴油泵相比，通過去掉高壓油管能夠使噴油壓力有顯著的提高（至205MPa）。這樣高的噴油壓力加上對(duì)噴油持續(xù)時(shí)間（即噴油量）和噴油始點(diǎn)的特性曲線進(jìn)行電子閉環(huán)控制，就能使柴油發(fā)電機(jī)的有害物質(zhì)排放明顯降低，并獲得形狀良好的供油率曲線。由于泵噴嘴系列傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)缸蓋要求高，系統(tǒng)成本高，一般在開發(fā)柴油發(fā)電機(jī)時(shí)不采用該供油系統(tǒng)。

 

圖3  分配式噴油泵燃油供給系統(tǒng)示意圖

圖4  噴油泵噴嘴示意圖

 

4、共軌噴射系統(tǒng)

      共軌燃油噴射系統(tǒng)由低壓部分、高壓部分和ECU組成，如圖5所示。

（1）低壓供油部分包括柴油箱、預(yù)濾器、輸油泵、燃油濾清器、低壓油管。輸油泵從油箱吸出經(jīng)過濾清的燃油，然后源源不斷地將燃油輸送給高壓泵。

（2）高壓部分包括帶壓力控制閥的高壓泵、高壓油管、軌壓傳感器、壓力限制閥、流量限制器、作為高壓蓄能器的油軌和噴油器及回油管組成。高壓泵壓縮燃油至最高達(dá)135MPa的系統(tǒng)壓力，之后燃油通過高壓管進(jìn)入管狀的高壓燃油蓄能器（油軌）。

（3）高壓油軌中的高壓燃油通過另一部分高壓油管分配給柴油發(fā)電機(jī)各缸的噴油器。即使噴油器為進(jìn)行噴油已從軌道中獲得燃油后，軌道內(nèi)的壓力還可以保持恒定，這是由于燃油的固有彈性而產(chǎn)生的蓄能器效應(yīng)的結(jié)果。燃油壓力由軌壓傳感器測(cè)量并通過壓力限制閥保持在理想的水平。壓力限制閥的功能是限定油軌中的壓力不超過150MPa。高壓燃油通過流量限制器直接從油軌進(jìn)入噴油器，流量限制器避免過多的燃油流向燃燒室。

（4）當(dāng)噴油器上的電磁閥被激發(fā)，燃油流出時(shí)，噴嘴開啟，將燃油直接噴入柴油發(fā)電機(jī)燃燒室內(nèi)，多余的燃油通過回油管流回油箱。從壓力限制閥、高壓泵的回油也流回燃油箱。

（5）共軌（蓄能器）系統(tǒng)使柴油發(fā)電機(jī)的噴射系統(tǒng)與各種遠(yuǎn)程控制功能有可能構(gòu)成一個(gè)整體，同時(shí)提高了燃燒過程設(shè)計(jì)的靈活性。

（6）系統(tǒng)依靠油軌把壓力的產(chǎn)生與噴射分開。用柱塞式直列泵作為高壓泵，在柴油機(jī)上用徑向柱塞泵產(chǎn)生壓力，這些泵可以設(shè)計(jì)成在低轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行，從而大幅度地降低對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的需求。如果把油泵設(shè)計(jì)成為變量泵可以使整個(gè)系統(tǒng)的效率大為提高。

（7）共軌系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是：把噴射壓力的產(chǎn)生與柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及供油量分開，這樣就有可能提高平均噴射壓力；另一特點(diǎn)是噴油規(guī)律柔性可變，這對(duì)燃燒優(yōu)化十分重要。

5、單體泵系統(tǒng)

      單體泵系統(tǒng)主要組件有整體插入式高壓泵、快速作用的電磁閥、電控系統(tǒng)、較短的高壓油管、噴油器總成。

      單體泵一般作為整體部件裝在柴油發(fā)電機(jī)的氣缸體上，由配氣凸輪軸上的噴射凸輪驅(qū)動(dòng)。單體泵適用的壓力可高達(dá)160MPa。這樣高的噴射壓力與基于特性圖譜的電子閉環(huán)控制聯(lián)合使用，在油耗及排放方面均可獲得實(shí)質(zhì)性的降低，并能滿足現(xiàn)行的及即將發(fā)布的法規(guī)的要求，還可有選擇地停缸。圖6所示為機(jī)械式單體泵燃油供給裝置示意圖。柴油發(fā)電機(jī)供油系統(tǒng)由柴油箱、低壓燃油輸油管、輸油泵、柴油濾清器、噴油泵、高壓油管、噴油器、回油管和限壓閥組成。

 

圖5  共軌燃油噴射系統(tǒng)示意圖

圖6  機(jī)械式單體泵燃油供給裝置示意圖

 

      工作原理：

      柴油箱儲(chǔ)有經(jīng)過沉淀和濾清的柴油。柴油從柴油箱被吸入輸油泵并泵出，經(jīng)柴油濾清器濾去雜質(zhì)后，進(jìn)入噴油泵。自噴油泵泵出的高壓柴油經(jīng)高壓油管和噴油器噴入燃燒室。由于輸油泵的供油量比噴油泵供油量大得多，過量的柴油便經(jīng)回油管流回柴油箱。從柴油箱到噴油泵入口的這段油路中的油壓是由輸油泵建立的，而輸油泵的出油壓力一般為4～5bar（1bar＝105Pa），故這段油路稱為低壓油路。從噴油泵到噴油器這段油路中的油壓是噴油泵建立的，一般在1000bar以上，故稱此段油路為高壓油路。高壓柴油通過噴油器呈霧狀噴入燃燒室，與空氣混合而形成可燃混合氣。

表1    常見柴油噴射系統(tǒng)的特性和特征數(shù)據(jù)

 

二、電控燃油供給系統(tǒng)的組成

 

      圖1為高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)的基本組成圖。它主要由電控單元、高壓油泵、共軌管、電控噴油器以及各種傳感器等組成。低壓燃油泵將燃油輸入高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓送入高壓油軌，高壓油軌中的壓力由電控單元根據(jù)油軌壓力傳感器測(cè)量的油軌壓力以及需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，高壓油軌內(nèi)的燃油經(jīng)過高壓油管，根據(jù)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，由電控單元從預(yù)設(shè)的map圖中確定合適的噴油定時(shí)、噴油持續(xù)期由電液控制的電子噴油器將燃油噴入氣缸。根據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量檢測(cè)的方式不同，燃油噴射系統(tǒng)可分為兩種類型：L型（空氣流量型或直接測(cè)量型）燃油噴射和D型（歧管壓力型或間接測(cè)量型）燃油噴射，如圖8所示。

 

圖7  燃油供給系統(tǒng)高低壓油路示意圖

圖8  電控柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的類型

 

1．低壓油路部分

      低壓油路部分為高壓油路部分供給足夠的油量，主要零部件有油箱，低壓回路的進(jìn)、出油管，燃油濾清器，輸油泵，高壓泵的低壓區(qū)。

（1）輸油泵

      輸油泵的工作是向高壓泵供給足夠的燃油量。各種工作狀態(tài)、不同的必要的壓力下、整個(gè)工作壽命期都必須滿足上述要求。目前，有兩種形式：一種是電子滾子式輸油泵，是一種標(biāo)準(zhǔn)形式；另一種是機(jī)械齒輪驅(qū)動(dòng)的輸油泵。

      齒輪式輸油泵用來給高壓油泵提供燃油，其主要零件是兩個(gè)在旋轉(zhuǎn)時(shí)相互嚙合的反轉(zhuǎn)齒輪，如圖9所示。燃油被吸入泵體和齒輪之間的空腔內(nèi)，并被輸送到壓力側(cè)的出油口，旋轉(zhuǎn)齒輪間的嚙合線能保證良好的密封，能防止燃油回流。齒輪式輸油泵的供油量與柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速成比例，齒輪泵的供油量在進(jìn)油口端的節(jié)流閥或者出油口端的溢流閥處受到限制。齒輪式輸油泵是免維護(hù)的。在第一次起動(dòng)前或燃油箱內(nèi)燃油被用盡時(shí)，起動(dòng)前應(yīng)排出燃油箱內(nèi)的空氣。當(dāng)排出空氣時(shí)，用手動(dòng)泵壓送柴油直到油路中沒有空氣為止。手動(dòng)泵是和柴油濾清器做成一體的。

（2）燃油濾清器

      燃油中若含有雜質(zhì)，將導(dǎo)致燃油泵零部件、出油閥、噴油器的損壞，因此必須裝用燃油濾清器。燃油濾清器必須符合噴射系統(tǒng)的特定要求，否則燃油供給系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和相關(guān)元件的使用壽命將無法得到保證。柴油中含有可溶性乳狀液或者自由水（例如用于溫度變化的冷卻液），若這種水進(jìn)入噴射系統(tǒng)，將會(huì)引起燃油系統(tǒng)元件的穴蝕。帶有油水分離器的燃油濾清器可以除去柴油中的水分。在某些柴油發(fā)電機(jī)上，燃油箱和輸油泵之間裝設(shè)油水分離器。油水分離器由手壓膜片泵、液面?zhèn)鞲衅鳌⒏∽印⒎蛛x器殼體和分離器蓋等組成。來自柴油箱的柴油經(jīng)進(jìn)油口進(jìn)入油水分離器，由出油口流出。柴油中的水分在油水分離器內(nèi)從柴油中分離出來并沉積在殼體的底部。浮子隨著積水的增多而上浮，當(dāng)浮子到達(dá)規(guī)定的放水水位時(shí)，液面?zhèn)鞲衅鲗㈦娐方油ǎ瑑x表板上的警告燈發(fā)出放水信號(hào)，這時(shí)操作員應(yīng)及時(shí)旋松放水塞放水。手壓膜片泵供放水和排氣時(shí)使用。燃油濾清器結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。

 

圖9  齒輪式輸油泵結(jié)構(gòu)圖

圖10  燃油濾清器結(jié)構(gòu)示意圖

 

2、高壓油路部分

      共軌系統(tǒng)的高壓油路部分包括高壓發(fā)生器（高壓油泵）、壓力蓄能器（共軌管）和燃油計(jì)量元件（電磁閥），主要的零部件有配有電磁閥的高壓油泵、共軌管、共軌壓力傳感器、噴油器。

（1）高壓油泵

      高壓油泵是高壓回路和低壓回路的分界面，在所有的工況下，它主要負(fù)責(zé)在發(fā)電機(jī)組的整個(gè)使用壽命中供給足夠的高壓燃油，同時(shí)還要保證柴油發(fā)電機(jī)迅速起動(dòng)所需要的額外的供油量和壓力要求。高壓油泵不斷地產(chǎn)生共軌所需的系統(tǒng)壓力。這就意味著燃油并不是在每個(gè)單一的噴射過程都必須被壓縮（相對(duì)于傳統(tǒng)的系統(tǒng)燃油）。

      高壓油泵安裝在與傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)分配泵相同的位置上，通過帶輪法蘭、帶輪、齒帶由柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其最高轉(zhuǎn)速不超過3000r/min。高壓油泵靠低壓油路過來的燃油潤(rùn)滑。高壓油泵上安裝有用來進(jìn)行壓力控制的電磁閥。燃油被3個(gè)呈輻射狀安裝互隔120°的泵油柱塞壓縮，高壓油泵每轉(zhuǎn)1圈，有3次供油，峰值驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較低，高壓油泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保持較穩(wěn)定的負(fù)荷。16N·m的轉(zhuǎn)矩大概是驅(qū)動(dòng)一個(gè)同等分配泵所需轉(zhuǎn)矩的1/9，這就意味著共軌系統(tǒng)比傳統(tǒng)的噴射系統(tǒng)在泵的驅(qū)動(dòng)方面具有較小的負(fù)荷。所需的動(dòng)力是隨著共軌壓力和泵的速度（供油量）成比例上升的。高壓油泵結(jié)構(gòu)示意圖及外形如圖11所示。

      輸油泵將燃油從燃油箱泵出，經(jīng)過帶有油水分離裝置的燃油濾清器到達(dá)高壓油泵的進(jìn)油口。輸油泵使燃油經(jīng)安全閥的節(jié)流孔，進(jìn)入高壓油泵的潤(rùn)滑和冷卻回路。凸輪軸使3個(gè)泵的柱塞按照凸輪的外形上下運(yùn)動(dòng)。

      當(dāng)供油油壓超過安全閥的開啟壓力、高壓油泵的柱塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)（吸油行程），輸油泵能使燃油經(jīng)高壓油泵進(jìn)油閥進(jìn)入柱塞腔。在高壓油泵柱塞越過下止點(diǎn)后，進(jìn)油閥關(guān)閉。這樣，柱塞腔內(nèi)的燃油被密封，它將以高于供油壓力的油壓被壓縮，油壓的升高一旦達(dá)到共軌的油壓，出油閥被打開，被壓縮的燃油進(jìn)入高壓循環(huán)。柱塞繼續(xù)供給燃油，直至到達(dá)上止點(diǎn)（供油行程），壓力減小，導(dǎo)致出油閥關(guān)閉，仍然在柱塞腔內(nèi)的燃油壓力下降，柱塞向下運(yùn)動(dòng)。只要柱塞腔內(nèi)的壓力降至低于輸油泵的供油壓力時(shí)，進(jìn)油閥就會(huì)開啟，吸油過程開始。

      進(jìn)油計(jì)量比例閥安裝在高壓油泵的第一級(jí)加壓（齒輪泵）和第二級(jí)加壓（柱塞泵）之間，以調(diào)整經(jīng)第一級(jí)加壓到第二級(jí)加壓的燃油量，而閥的開啟量由ECU控制。進(jìn)油計(jì)量比例閥的結(jié)構(gòu)如圖12所示。

（2）共軌壓力傳感器

      為了輸出一個(gè)相對(duì)于給定壓力的電壓給ECU，共軌壓力傳感器必須測(cè)量共軌的燃油壓力。壓力傳感器需保證足夠的精度和響應(yīng)速度。共軌壓力傳感器由3部分構(gòu)成：焊接在壓力裝置上的集成的傳感器部件，裝有電子檢測(cè)回路的印刷電路板，裝有電子插入式連線的傳感器外殼。燃油通過共軌上的一個(gè)小孔流向共軌壓力傳感器，它的盡頭用傳感器膜片密封。有壓力的燃油通過一個(gè)不通孔到達(dá)傳感器膜片。一個(gè)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器部件（半導(dǎo)體裝置）被安裝在此膜片上，傳感器產(chǎn)生的信號(hào)被輸入一個(gè)用于放大拾取信號(hào)并將它送入ECU的檢測(cè)回路。

（3）共軌管

      共軌儲(chǔ)存高壓燃油。同時(shí)，由于高壓油泵的供油和燃油噴射產(chǎn)生的高壓振蕩在共軌容積中衰減，這樣保證在噴油器打開時(shí)刻，噴射壓力維持定值。共軌同時(shí)起燃油分配器的作用。共軌上裝有用來測(cè)量供油壓力的共軌壓力傳感器及流量限制器。

3、高壓油管

      高壓油管是連接共軌管和噴油器的通道，用來傳送高壓燃油。噴油瞬間，在高壓油管內(nèi)有時(shí)會(huì)發(fā)生高頻壓力波動(dòng)，因此高壓油管必須能夠承受最高的系統(tǒng)壓力和高壓燃油的沖擊作用。高壓油管是由鋼管制成的，通常外徑為6mm，內(nèi)徑為2.4mm。各氣缸高壓油管的長(zhǎng)度應(yīng)盡量相等，使柴油發(fā)電機(jī)每一個(gè)噴油器有相同的噴油壓力，從而減小柴油發(fā)電機(jī)各氣缸之間噴油量的偏差。高壓油管應(yīng)盡可能短，使從共軌管到噴油器的壓力損失最小。

 

圖11  高壓油泵結(jié)構(gòu)示意圖

圖12  進(jìn)油計(jì)量比例閥結(jié)構(gòu)圖

 

總結(jié)：

      在電控單體泵、電控泵噴嘴、共軌系統(tǒng)這些柴油電子控制方案當(dāng)中，以高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)最被廣大主機(jī)廠所推崇， 究其原因無外乎從機(jī)械控制式向電子控制式轉(zhuǎn)變的方便度。共軌系統(tǒng)最大限度地降低了各老機(jī)型對(duì)升級(jí)進(jìn)行機(jī)械更改的要求。目前在中國市場(chǎng)上的共軌系統(tǒng)提供商主要是國際巨頭，包括市場(chǎng)份額接近70%的德國博世BOSCH、日本的電裝DENSO、美國的德爾福DELPHI、美國康明斯Cummins等。本土企業(yè)當(dāng)中雖也有聚力進(jìn)行共軌系統(tǒng)研發(fā)與生產(chǎn)的，包括新風(fēng)、北油、龍泵、無錫油泵油嘴研究所等，但目前的技術(shù)成熟度與生產(chǎn)成熟度均未成氣候，路漫漫其修遠(yuǎn)兮，仍須上下大力求索！

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