性能特點和作用說明

柴油發電機供油系統的組成和工作過程

 

摘要：燃油系統的功用是根據柴油發電機運轉工況的需要，向柴油發電機供給一定數量的、清潔的、霧化良好的燃油，以便與一定數量的空氣混合形成可燃混合氣。燃油系統一般是由燃油泵、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具有可以對噴油定時、噴油持續期、噴油壓力、噴油規律進行柔性調節的特點，從而使柴油機的經濟性、動力性和排放性能都會有進一步的提高。因此，康明斯柴油機未來發展方向無疑是全面進入高壓共軌時代，這就需要我們加大對高壓共軌系統的研究力度，使康明斯柴油機水平跨上一個新的臺階。

 

一、燃油系統的分類

 

1、直列噴油泵系統

      直列噴油泵系統是應用最為廣泛的、傳統的柴油噴射技術。多年以來，這種系統不斷改進，并且適應更多的應用領域，因此，現在仍有不同版本的該系列噴油泵在廣泛使用。它們的突出特點是穩定的耐久性和易維護性。依其具體應用條件都帶有提前供油裝置及機械式調速器或電子執行器。對于直列噴油泵（特別是廣泛用于重型汽車柴油發電機的）柴油發電機每個氣缸都有一套由凸輪軸驅動的柱塞-柱塞套總成，柱塞數必須和柴油發電機的氣缸數相同。圖1所示為直列泵燃油供給系統示意圖，動態模擬如圖2所示。

 

圖1  直列燃油泵系統示意圖

圖2  柴油發電機組燃油系統工作動態圖

 

2、分配式噴油泵系統

      分配式噴油泵燃油供給系統示意圖如圖2所示。分配泵的柱塞數與氣缸數無關。其特點是帶有整體式的噴油提前裝置及機械式調速器或電子執行器。

（1）在帶有軸向柱塞的分配式噴油泵里，一個中置的由凸輪盤驅動的柱塞產生壓力并將燃油分配至各氣缸，同時由一個控制環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個凸輪環驅動的徑向柱塞，用來產生壓力和供油，用電磁閥控制噴油正時及調節燃油量。

      這兩種分配式噴油泵的零件都要求有較高的制造精度，以保證更長的使用壽命和一致性，保證準確控制進油口的關閉和噴油量，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缸柴油發電機上，功率范圍根據柴油發電機轉速和燃燒方式的不同而不同，最高可以達到20kW/缸。直噴柴油發電機用的分配式噴油泵轉速達2400r/min時，噴油泵高壓室的壓力最高可達70MPa。

3、泵噴嘴燃油系統

      泵噴嘴的泵和噴嘴是裝成一體的。每個氣缸在缸蓋上裝有一個泵噴嘴，它直接通過搖臂或間接地由柴油發電機凸輪軸通過推桿來驅動，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噴油持續時間（即噴油量）和噴油始點的特性曲線進行電子閉環控制，就能使柴油發電機的有害物質排放明顯降低，并獲得形狀良好的供油率曲線。由于泵噴嘴系列傳動機構復雜，對缸蓋要求高，系統成本高，一般在開發柴油發電機時不采用該供油系統。

 

圖3  分配式噴油泵燃油供給系統示意圖

圖4  噴油泵噴嘴示意圖

 

4、共軌噴射系統

      共軌燃油噴射系統由低壓部分、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、預濾器、輸油泵、燃油濾清器、低壓油管。輸油泵從油箱吸出經過濾清的燃油，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135MPa的系統壓力，之后燃油通過高壓管進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電機各缸的噴油器。即使噴油器為進行噴油已從軌道中獲得燃油后，軌道內的壓力還可以保持恒定，這是由于燃油的固有彈性而產生的蓄能器效應的結果。燃油壓力由軌壓傳感器測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入噴油器，流量限制器避免過多的燃油流向燃燒室。

（4）當噴油器上的電磁閥被激發，燃油流出時，噴嘴開啟，將燃油直接噴入柴油發電機燃燒室內，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）系統使柴油發電機的噴射系統與各種遠程控制功能有可能構成一個整體，同時提高了燃燒過程設計的靈活性。

（6）系統依靠油軌把壓力的產生與噴射分開。用柱塞式直列泵作為高壓泵，在柴油機上用徑向柱塞泵產生壓力，這些泵可以設計成在低轉矩下運行，從而大幅度地降低對驅動功率的需求。如果把油泵設計成為變量泵可以使整個系統的效率大為提高。

（7）共軌系統的突出特點是：把噴射壓力的產生與柴油發電機轉速及供油量分開，這樣就有可能提高平均噴射壓力；另一特點是噴油規律柔性可變，這對燃燒優化十分重要。

5、單體泵系統

      單體泵系統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、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電機的氣缸體上，由配氣凸輪軸上的噴射凸輪驅動。單體泵適用的壓力可高達160MPa。這樣高的噴射壓力與基于特性圖譜的電子閉環控制聯合使用，在油耗及排放方面均可獲得實質性的降低，并能滿足現行的及即將發布的法規的要求，還可有選擇地停缸。圖6所示為機械式單體泵燃油供給裝置示意圖。柴油發電機供油系統由柴油箱、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  共軌燃油噴射系統示意圖

圖6  機械式單體泵燃油供給裝置示意圖

 

      工作原理：

      柴油箱儲有經過沉淀和濾清的柴油。柴油從柴油箱被吸入輸油泵并泵出，經柴油濾清器濾去雜質后，進入噴油泵。自噴油泵泵出的高壓柴油經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    常見柴油噴射系統的特性和特征數據

 

二、電控燃油供給系統的組成

 

      圖1為高壓共軌電控燃油噴射系統的基本組成圖。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油軌壓力傳感器測量的油軌壓力以及需要進行調節，高壓油軌內的燃油經過高壓油管，根據機器的運行狀態，由電控單元從預設的map圖中確定合適的噴油定時、噴油持續期由電液控制的電子噴油器將燃油噴入氣缸。根據對發動機進氣量檢測的方式不同，燃油噴射系統可分為兩種類型：L型（空氣流量型或直接測量型）燃油噴射和D型（歧管壓力型或間接測量型）燃油噴射，如圖8所示。

 

圖7  燃油供給系統高低壓油路示意圖

圖8  電控柴油機燃油噴射系統的類型

 

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、出油管，燃油濾清器，輸油泵，高壓泵的低壓區。

（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、不同的必要的壓力下、整個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，是一種標準形式；另一種是機械齒輪驅動的輸油泵。

      齒輪式輸油泵用來給高壓油泵提供燃油，其主要零件是兩個在旋轉時相互嚙合的反轉齒輪，如圖9所示。燃油被吸入泵體和齒輪之間的空腔內，并被輸送到壓力側的出油口，旋轉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電機轉速成比例，齒輪泵的供油量在進油口端的節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的。在第一次起動前或燃油箱內燃油被用盡時，起動前應排出燃油箱內的空氣。當排出空氣時，用手動泵壓送柴油直到油路中沒有空氣為止。手動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，將導致燃油泵零部件、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的特定要求，否則燃油供給系統正常運轉和相關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），若這種水進入噴射系統，將會引起燃油系統元件的穴蝕。帶有油水分離器的燃油濾清器可以除去柴油中的水分。在某些柴油發電機上，燃油箱和輸油泵之間裝設油水分離器。油水分離器由手壓膜片泵、液面傳感器、浮子、分離器殼體和分離器蓋等組成。來自柴油箱的柴油經進油口進入油水分離器，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，當浮子到達規定的放水水位時，液面傳感器將電路接通，儀表板上的警告燈發出放水信號，這時操作員應及時旋松放水塞放水。手壓膜片泵供放水和排氣時使用。燃油濾清器結構示意圖如圖10所示。

 

圖9  齒輪式輸油泵結構圖

圖10  燃油濾清器結構示意圖

 

2、高壓油路部分

      共軌系統的高壓油路部分包括高壓發生器（高壓油泵）、壓力蓄能器（共軌管）和燃油計量元件（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，它主要負責在發電機組的整個使用壽命中供給足夠的高壓燃油，同時還要保證柴油發電機迅速起動所需要的額外的供油量和壓力要求。高壓油泵不斷地產生共軌所需的系統壓力。這就意味著燃油并不是在每個單一的噴射過程都必須被壓縮（相對于傳統的系統燃油）。

      高壓油泵安裝在與傳統柴油發電機分配泵相同的位置上，通過帶輪法蘭、帶輪、齒帶由柴油發電機驅動，其最高轉速不超過3000r/min。高壓油泵靠低壓油路過來的燃油潤滑。高壓油泵上安裝有用來進行壓力控制的電磁閥。燃油被3個呈輻射狀安裝互隔120°的泵油柱塞壓縮，高壓油泵每轉1圈，有3次供油，峰值驅動轉矩較低，高壓油泵驅動系統保持較穩定的負荷。16N·m的轉矩大概是驅動一個同等分配泵所需轉矩的1/9，這就意味著共軌系統比傳統的噴射系統在泵的驅動方面具有較小的負荷。所需的動力是隨著共軌壓力和泵的速度（供油量）成比例上升的。高壓油泵結構示意圖及外形如圖11所示。

      輸油泵將燃油從燃油箱泵出，經過帶有油水分離裝置的燃油濾清器到達高壓油泵的進油口。輸油泵使燃油經安全閥的節流孔，進入高壓油泵的潤滑和冷卻回路。凸輪軸使3個泵的柱塞按照凸輪的外形上下運動。

      當供油油壓超過安全閥的開啟壓力、高壓油泵的柱塞向下運動時（吸油行程），輸油泵能使燃油經高壓油泵進油閥進入柱塞腔。在高壓油泵柱塞越過下止點后，進油閥關閉。這樣，柱塞腔內的燃油被密封，它將以高于供油壓力的油壓被壓縮，油壓的升高一旦達到共軌的油壓，出油閥被打開，被壓縮的燃油進入高壓循環。柱塞繼續供給燃油，直至到達上止點（供油行程），壓力減小，導致出油閥關閉，仍然在柱塞腔內的燃油壓力下降，柱塞向下運動。只要柱塞腔內的壓力降至低于輸油泵的供油壓力時，進油閥就會開啟，吸油過程開始。

      進油計量比例閥安裝在高壓油泵的第一級加壓（齒輪泵）和第二級加壓（柱塞泵）之間，以調整經第一級加壓到第二級加壓的燃油量，而閥的開啟量由ECU控制。進油計量比例閥的結構如圖12所示。

（2）共軌壓力傳感器

      為了輸出一個相對于給定壓力的電壓給ECU，共軌壓力傳感器必須測量共軌的燃油壓力。壓力傳感器需保證足夠的精度和響應速度。共軌壓力傳感器由3部分構成：焊接在壓力裝置上的集成的傳感器部件，裝有電子檢測回路的印刷電路板，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不通孔到達傳感器膜片。一個將壓力信號轉換為電信號的傳感器部件（半導體裝置）被安裝在此膜片上，傳感器產生的信號被輸入一個用于放大拾取信號并將它送入ECU的檢測回路。

（3）共軌管

      共軌儲存高壓燃油。同時，由于高壓油泵的供油和燃油噴射產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刻，噴射壓力維持定值。共軌同時起燃油分配器的作用。共軌上裝有用來測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，在高壓油管內有時會發生高頻壓力波動，因此高壓油管必須能夠承受最高的系統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，內徑為2.4mm。各氣缸高壓油管的長度應盡量相等，使柴油發電機每一個噴油器有相同的噴油壓力，從而減小柴油發電機各氣缸之間噴油量的偏差。高壓油管應盡可能短，使從共軌管到噴油器的壓力損失最小。

 

圖11  高壓油泵結構示意圖

圖12  進油計量比例閥結構圖

 

總結：

      在電控單體泵、電控泵噴嘴、共軌系統這些柴油電子控制方案當中，以高壓共軌燃油噴射系統最被廣大主機廠所推崇， 究其原因無外乎從機械控制式向電子控制式轉變的方便度。共軌系統最大限度地降低了各老機型對升級進行機械更改的要求。目前在中國市場上的共軌系統提供商主要是國際巨頭，包括市場份額接近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。本土企業當中雖也有聚力進行共軌系統研發與生產的，包括新風、北油、龍泵、無錫油泵油嘴研究所等，但目前的技術成熟度與生產成熟度均未成氣候，路漫漫其修遠兮，仍須上下大力求索！

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