新聞主題	康明斯柴油發電機的PT泵工作原理

 

摘要：PT燃油系統是美國康明斯發動機公司（Cummins Engine Company）的專利產品。與一般柴油機的燃油系統相比，PT燃油系統在組成、結構及工作原理上都有其獨特之處。目前，國內的柴油發電機組、船用柴油機、中型卡車以及其他工程機械已經大量采用康明斯發動機和PT燃油系統。PT燃油噴射系統在動力性、經濟性以及環保方面都優于柴油發電機直列泵噴油系統和分配泵噴油系統。PT泵燃油噴射系統是康明斯K系列、N系列等機型專用燃油噴射系統。

 

一、PT燃油系統的基本工作原理

 

      PT燃油系統通過改變燃油泵的輸油壓力（Pressure）和噴油器的進油時間（Time）來改變噴油量，因此，把它命名為“PT燃油系統”或“壓力-時間系統”。由液壓原理可知，液體流過孔道的流量與液體的壓力、流通的時間及通道的截面積成正比。PT燃油系統即根據這一原理來改變噴油量。該系統的噴油器進油口處設有量孔，其尺寸經過選定后不能改變。燃油流經量孔的時間則主要與柴油發動機的轉速有關，隨轉速升降而變化。因此，改變噴油量主要通過改變噴油器進油壓力來達到。

      一般柴油發電機上只裝PTG兩極式調速器，而在柴油發電機組或負荷變化頻繁的機器上加裝的有機械可變轉速全程式調速器（MVS）、可變轉速全程式調速器（VS）或專用全速調速器（SVS）。當只裝PTG兩極調速器時，節流閥與調速手柄連接，調節調速手柄可以使節流閥旋轉，從而改變節流閥通過的截面積。若加裝MVS、VS或SVS全程式調速器，則節流閥保持全開位置不動，MVS、VS或SVS調速器在PTG調速器不起作用的轉速范圍內起調速作用。

      當發動機工作時，柴油被齒輪式輸油泵從柴油箱中吸出，經柴油濾清器濾除燃油中的雜質，再經穩壓器消除燃油壓力的脈動后，送入柴油濾清器。經過濾清的柴油分成兩路，一路進入PTG兩極式調速器和節流閥，另一路進入MVS（VS、SVS）全程式調速器。其壓力經過調速器和節流閥調節后，經斷油閥供給噴油器。在噴油器內柴油經計量、增壓然后被定時地噴入氣缸。多余的柴油經回油管流回柴油箱。噴油器的驅動機構包括噴油凸輪、擺臂、噴油器推桿和噴油器搖臂。噴油凸輪與配氣機構凸輪共軸。電磁式斷油閥用來切斷燃油的供給，使柴油機停轉。

 

二、PT燃油系統組成

 

      PT燃油泵有PT（G型）和PT（H型）兩種。后者與前者的區別是后者流量較大，并附有燃油控制阻尼器以控制燃油壓力的周期波動。這里主要介紹PT（G型）燃油泵。

1、PT（G型）燃油泵組成

      PT燃油泵組成如圖1所示。

① 齒輪式輸油泵：

      從柴油箱中將油抽出并加壓通過油泵濾網送往調速器。

② 調速器：

      調節從齒輪式輸油泵流出的燃油壓力，并控制柴油機的轉速。

③ 節流閥：

      在各種工況下，自動或手動控制流入噴油器的燃油壓力（量）。

④ 斷油閥：

      切斷燃油供給，使柴油機熄火。

      由此可知：PT燃油泵在燃油系統中起供油、調壓和調速等作用。即在適當壓力下將燃油供入噴油器；在柴油機轉速或負荷發生變化時及時調節供油壓力，以改變供油量滿足工況變化的需要；調節并穩定柴油機轉速。PTG-MVS燃油泵的構造如圖2所示。

 

圖1  柴油發電機PT燃油系統的組成

圖2  柴油發電機PT燃油系統的結構

 

2、PTG兩極式調速器

      PTG兩極式調速器的工作原理如圖3所示。

      調速器柱塞可在調速器套筒內軸向移動，也可通過驅動件和傳動銷使其旋轉。柱塞的左端受到飛塊離心力的軸向推力，右端則作用有怠速彈簧8與高速彈簧9彈力。

      調速器套筒上有三排油孔，與進油口相通的為進油孔，中間一排孔通往節流閥，左邊一排則連通怠速油道。

      在調速器柱塞右端有一軸向油道，并通過徑向孔與進油孔相通。柴油機工作時，進入調速器的柴油，少部分經節流閥或怠速油道流向噴油器。大部分則通過調速器柱塞的軸向油道推開怠速彈簧柱塞，經旁通油道流回齒輪泵的進油口。在飛塊的左端和右端分別設有低速轉矩控制彈簧和高速轉矩控制彈簧。

      PTG兩極式調速器的工作原理如下所述。

① 怠速工況

      怠速時，節流閥處于關閉位置（圖3右上角），燃油只經過怠速油道流往噴油器。如果由于某種原因使轉速下降，飛塊離心力減小，怠速彈簧便推動調速器柱塞向左移動，使通往怠速油道的孔口截面增大，供油量增加。當轉速升高時，PTG調速器柱塞右移，流通截面減小，供油量減少，以此保持怠速穩定。怠速調整螺釘10用于改變怠速的穩定轉速。

② 高速工況

      當柴油機轉速升高時，PTG調速器的柱塞右移，怠速彈簧被壓縮，這時主要由高速彈簧起作用，PTG調速器柱塞凹槽的左邊切口已逐漸移至中間通往節流閥的孔口處。當轉速處于標定轉速時，切口位于孔口左側。此時，如果柴油機的轉速增高，則柱塞繼續右移，孔口流通截面減小，使流向噴油器的油量減少。當柴油機的負荷全部卸去時，則孔口的截面關至很小，柱塞右端的十字形徑向孔已移出調速器套筒5而與旁通油道相通，柴油機處于最高空轉轉速下工作，從而限制了轉速的升高。

③ 高速轉矩控制

      當柴油機在低速工況工作時，飛塊右端的高速轉矩控制彈簧處于自由狀態。如果發動機的轉速升高，則飛塊離心力增大，使調速器柱塞右移。當轉速超過最大轉矩轉速時，彈簧開始受到壓縮，使調速器柱塞所受到的飛塊軸向力減小，因而燃油壓力也減小，轉矩下降。轉速愈高，轉矩下降愈多，從而改善了柴油機高速時的轉矩適應性。

④ 低速轉矩控制

      當柴油發動機轉速低于最大轉矩點轉速時，PTG調速器的柱塞向左移動，壓縮低速轉矩控制彈簧，調速器柱塞增加了一個向右的推力，使燃油壓力相應增大，供油量增加，柴油機轉矩上升，從而減緩了柴油機低速時轉矩減小的傾向，提高了低速時轉矩的適應性。

3、節流閥

      PT燃油泵中的節流閥是旋轉式柱塞閥，除怠速工況外，燃油從PTG調速器至噴油器都要流經節流閥。它用來調節除怠速和最高轉速以外各轉速的PT燃油泵的供油量。怠速和最高轉速的供油量由PTG調速器自動調節。通過操縱手柄（或踩踏加速踏板）來轉動節流閥，以改變節流閥通過斷面，達到改變供油壓力和PT燃油泵供油量的目的。

4、MVS及VS調速器

      在工程機械（如發電機組、推土機用）柴油機上，其PT燃油系統的PT泵內除了PTG兩極式調速器外，還裝有MVS或VS全程式調速器。它可使柴油機在使用人員選定的任意轉速下穩定運轉，以適應工程機械工作時的需要。

① MVS調速器

      MVS調速器在PT泵油路中的位置如圖1和圖2所示。圖4為MVS調速器的結構示意圖。其柱塞的左側承受來自輸油泵并經柴油濾清器的柴油的壓力作用，此油壓隨柴油機轉速的變化而變化。柱塞右側與調速器彈簧柱塞相接觸而承受調速彈簧（包括怠速彈簧和調速器彈簧）的彈力。

      當PT泵的調速手柄處于某一位置時，其下的雙臂杠桿便使MVS調速彈簧的彈力與柱塞左側的油壓相平衡，使柴油機在該轉速下穩定工作。當柴油機的負荷減少面使其轉速上升時，則柱塞左側的油壓隨之增大，于是柱塞右移，來自節流閥的柴油通道被關小，使PT泵的輸出油壓下降，噴油泵的循環噴油量也隨之減小，以限制柴油機轉速的上升；反之，當柴油機的負荷增加而使其轉速下降時，則調速彈簧的彈力便大于柱塞左側的油壓，柱塞左移，來自節流閥的柴油通道被開大，使PT泵的輸出油壓上升，噴油泵的循環噴油量也隨之增大，以限制柴油機轉速的下降。改變調速手柄的位置，即改變了調速彈簧的預緊力，柴油機便在另一轉速下穩定運轉。

      在怠速時，調速器彈簧呈自由狀態而不起作用，僅由怠速彈簧維持怠速的穩定運轉。MVS調速器設有高速和低速限制螺釘，用以限制調速手柄的極限位置。

      PT泵在附加了MVS調速器后，正常工作時節流閥是用螺釘加以固定的。如需調整，則擰動節流閥以改變通過節流閥流向MVS調速器的油壓，從而使循環噴油量發生變化。

 

圖3 柴油發電機PTG兩極式調速器

圖4 柴油發電機MVS調速器結構示意圖

 

② VS調速器

      圖5為PTG-VS燃油泵結構示意圖。VS調速器也是一種全程式調速器，它是利用雙臂杠桿控制調速彈簧的彈力與飛錘的離心力相平衡來達到全程調速的目的。而前面所講述的MVS調速器是利用雙臂杠桿控制調速彈簧的彈力與油壓的平衡來實現全程調速的。

      圖5中數字標注的名稱分別為：1-傳動齒輪及軸；2-VS調速器飛錘；3-去噴油器的燃油；4-斷油閥；5-VS調速器柱塞；6-VS怠速彈簧：7-VS高速彈簧；8-VS調速器；9-VS油門軸；10-齒輪泵；11-脈沖減振器；12-自濾清器來的燃油；13-壓力調節閥；14-PTG調速器；15-怠速調整螺釘；16-卡環；17-PTG高速彈簧；18-PTG怠速彈簧；19-壓力控制鈕；20-節流閥；21-濾清器濾網；22-PTG調速器柱塞；23-高速轉矩彈簧；24-PTG調速器飛錘；25-飛錘柱塞；26-低速轉矩彈簧；27-主軸。

5、斷油閥

      圖6所示為電磁式斷油閥結構示意圖。通電時，閥片被電磁鐵吸向右邊，斷油閥開啟，燃油從進油口經斷油閥供向噴油器。斷電時，閥片在復位彈簧的作用下關閉，停止供油。因此，柴油機啟動時需接通斷油閥電路，停機時需切斷其電路。若斷油閥電路失靈，則可旋入螺紋頂桿將閥片頂開，停機時再將螺紋頂桿旋出即可。

 

圖5  柴油發電機PTG-VS燃油泵結構示意圖

圖6  柴油發電機斷油閥結構示意圖

 

6、空燃比控制器（AFC）

      柴油機增壓后，噴油泵的供油量增大，使其在低速、大負荷或加速工況時容易產生冒黑煙的現象。當其在低速、大負荷工況下運行時，廢氣渦輪在發動機低排氣能量下工作，壓氣機在低效率區內運行，導致提供的空氣量不足，引起排氣冒黑煙。當負荷突然增加、供油量突然增多時，增壓器轉速不能立即升高，使進入氣缸的空氣量跟不上燃油量的迅速增加，導致燃燒不完全、排氣冒黑煙。為此，早期生產的康明斯增壓型柴油機，在PT泵上還安裝了一種真空式空燃比控制器（冒煙限制器），可以隨著進入氣缸的空氣量的多少來改變進入氣缸的燃油量，并把供給噴油器的多余燃油旁通掉一部分，使其回流至燃油箱，從而很好地控制空燃比，以與進氣量相適應，達到降低油耗和排放的目的。

      近年來生產的康明斯增壓型柴油機，采用了一種新式的空燃比控制器。它可以隨時按照進入氣缸內空氣量的多少來合理供油，從而取代了早期使用的以燃油接通-切斷、余油分流的方式來限制排煙的真空式空燃比控制器。

      空燃比控制器安裝在PT泵內節流閥與斷油閥之間（如圖7所示）。在PTG-AFC燃油泵中，燃油離開節流閥后先經過AFC裝置再到達泵體頂部的斷油閥。而在PTG燃油泵中，燃油從節流閥經過一條通道直接流向斷油閥。

      AFC的結構及工作原理如圖8所示。燃油在流出調速器并經過節流閥后進入AFC。當沒有受到渦輪增壓器供給的空氣壓力時，柱塞處于上端位置，于是柱塞就關閉了主要的燃油流通回路，由無充氣時節流閥6位置控制的第二條通路供給燃油，如圖8（a）所示。無充氣時節流閥直接安裝在節流閥蓋板里的節流閥軸的上邊。

      當進氣歧管壓力增加或減小時，AFC柱塞就起作用，使其供給的燃油成比例地增加或減少。當壓力增大時，柱塞下降，柱塞與柱塞之間的縫隙增大，燃油流量增加，如圖8（b）所示。反之，壓力減小則柱塞縫隙變小，燃油流量減少。這樣就防止了燃油-空氣的混合氣變得過濃而引起排氣過度冒黑煙。AFC柱塞的位置由作用于活塞和膜片的進氣歧管空氣壓力與按比例移動的彈簧的相互作用而定。

 

圖7 柴油發電機PTG-AFC燃油泵的燃油流程

圖8  柴油發電機AFC的結構及工作原理

 

總結：

      長期以來，由于相關產業比較落后，我國在發動機制造技術上與西方發達國家一直有較大差距。近30年來進口了大量工程機械，為方便維修，提高國內的發動機制造水平，開始引進柴油機及相關零部件生產制造技術。據了解，除泵噴油器外的其它柱塞式燃油泵都已實現國產化。在上世紀70年代中期國內進口的工程機械上開始出現PT燃油泵，當時所采用的是帶MVS調速器的PT泵，現已基本淘汰，國內也無生產。本文介紹的是目前最常用的新型PT泵，PT燃油系通過壓力和時間的協調配合，使燃油的供給計量和定時噴射等方面滿足發動機的理想工況。目前，已有很多國家引進了它的生產技術，我國重慶康明斯發動機有限公司和重慶油泵油嘴廠分別引進了發動機主機和PT燃油系的生產技術。PT燃油系由PT燃油泵和PT噴油器組成，具有結構簡單，使用可靠，維修方便，體積小、重量輕等優點。

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