康明斯动力（深圳）有限公司

 

性能特点和作用说明

柴油发电机供油系统的组成和工作过程

 

摘要：燃油系统的功用是根据柴油发电机运转工况的需要，向柴油发电机供给一定数量的、清洁的、雾化良好的燃油，以便与一定数量的空气混合形成可燃混合气。燃油系统一般是由燃油泵、燃油滤、喷油嘴、高压油管、输油泵等组成。由于高压共轨式燃油喷射系统具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节的特点，从而使柴油机的经济性、动力性和排放性能都会有进一步的提高。因此，康明斯柴油机未来发展方向无疑是全面进入高压共轨时代，这就需要我们加大对高压共轨系统的研究力度，使康明斯柴油机水平跨上一个新的台阶。

 

一、燃油系统的分类

 

1、直列喷油泵系统

      直列喷油泵系统是应用最为广泛的、传统的柴油喷射技术。多年以来，这种系统不断改进，并且适应更多的应用领域，因此，现在仍有不同版本的该系列喷油泵在广泛使用。它们的突出特点是稳定的耐久性和易维护性。依其具体应用条件都带有提前供油装置及机械式调速器或电子执行器。对于直列喷油泵（特别是广泛用于重型汽车柴油发电机的）柴油发电机每个气缸都有一套由凸轮轴驱动的柱塞-柱塞套总成，柱塞数必须和柴油发电机的气缸数相同。图1所示为直列泵燃油供给系统示意图，动态模拟如图2所示。

 

图1  直列燃油泵系统示意图

图2  柴油发电机组燃油系统工作动态图

 

2、分配式喷油泵系统

      分配式喷油泵燃油供给系统示意图如图2所示。分配泵的柱塞数与气缸数无关。其特点是带有整体式的喷油提前装置及机械式调速器或电子执行器。

（1）在带有轴向柱塞的分配式喷油泵里，一个中置的由凸轮盘驱动的柱塞产生压力并将燃油分配至各气缸，同时由一个控制环或电磁阀控制喷油量。

（2）带有径向柱塞的分配式喷油泵有2～4个凸轮环驱动的径向柱塞，用来产生压力和供油，用电磁阀控制喷油正时及调节燃油量。

      这两种分配式喷油泵的零件都要求有较高的制造精度，以保证更长的使用寿命和一致性，保证准确控制进油口的关闭和喷油量，并保证各气缸之间的喷油量尽可能平均。分配式喷油泵用于3～6缸柴油发电机上，功率范围根据柴油发电机转速和燃烧方式的不同而不同，最高可以达到20kW/缸。直喷柴油发电机用的分配式喷油泵转速达2400r/min时，喷油泵高压室的压力最高可达70MPa。

3、泵喷嘴燃油系统

      泵喷嘴的泵和喷嘴是装成一体的。每个气缸在缸盖上装有一个泵喷嘴，它直接通过摇臂或间接地由柴油发电机凸轮轴通过推杆来驱动，如图4所示。与直列泵和分配式喷油泵相比，通过去掉高压油管能够使喷油压力有显著的提高（至205MPa）。这样高的喷油压力加上对喷油持续时间（即喷油量）和喷油始点的特性曲线进行电子闭环控制，就能使柴油发电机的有害物质排放明显降低，并获得形状良好的供油率曲线。由于泵喷嘴系列传动机构复杂，对缸盖要求高，系统成本高，一般在开发柴油发电机时不采用该供油系统。

 

图3  分配式喷油泵燃油供给系统示意图

图4  喷油泵喷嘴示意图

 

4、共轨喷射系统

      共轨燃油喷射系统由低压部分、高压部分和ECU组成，如图5所示。

（1）低压供油部分包括柴油箱、预滤器、输油泵、燃油滤清器、低压油管。输油泵从油箱吸出经过滤清的燃油，然后源源不断地将燃油输送给高压泵。

（2）高压部分包括带压力控制阀的高压泵、高压油管、轨压传感器、压力限制阀、流量限制器、作为高压蓄能器的油轨和喷油器及回油管组成。高压泵压缩燃油至最高达135MPa的系统压力，之后燃油通过高压管进入管状的高压燃油蓄能器（油轨）。

（3）高压油轨中的高压燃油通过另一部分高压油管分配给柴油发电机各缸的喷油器。即使喷油器为进行喷油已从轨道中获得燃油后，轨道内的压力还可以保持恒定，这是由于燃油的固有弹性而产生的蓄能器效应的结果。燃油压力由轨压传感器测量并通过压力限制阀保持在理想的水平。压力限制阀的功能是限定油轨中的压力不超过150MPa。高压燃油通过流量限制器直接从油轨进入喷油器，流量限制器避免过多的燃油流向燃烧室。

（4）当喷油器上的电磁阀被激发，燃油流出时，喷嘴开启，将燃油直接喷入柴油发电机燃烧室内，多余的燃油通过回油管流回油箱。从压力限制阀、高压泵的回油也流回燃油箱。

（5）共轨（蓄能器）系统使柴油发电机的喷射系统与各种远程控制功能有可能构成一个整体，同时提高了燃烧过程设计的灵活性。

（6）系统依靠油轨把压力的产生与喷射分开。用柱塞式直列泵作为高压泵，在柴油机上用径向柱塞泵产生压力，这些泵可以设计成在低转矩下运行，从而大幅度地降低对驱动功率的需求。如果把油泵设计成为变量泵可以使整个系统的效率大为提高。

（7）共轨系统的突出特点是：把喷射压力的产生与柴油发电机转速及供油量分开，这样就有可能提高平均喷射压力；另一特点是喷油规律柔性可变，这对燃烧优化十分重要。

5、单体泵系统

      单体泵系统主要组件有整体插入式高压泵、快速作用的电磁阀、电控系统、较短的高压油管、喷油器总成。

      单体泵一般作为整体部件装在柴油发电机的气缸体上，由配气凸轮轴上的喷射凸轮驱动。单体泵适用的压力可高达160MPa。这样高的喷射压力与基于特性图谱的电子闭环控制联合使用，在油耗及排放方面均可获得实质性的降低，并能满足现行的及即将发布的法规的要求，还可有选择地停缸。图6所示为机械式单体泵燃油供给装置示意图。柴油发电机供油系统由柴油箱、低压燃油输油管、输油泵、柴油滤清器、喷油泵、高压油管、喷油器、回油管和限压阀组成。

 

图5  共轨燃油喷射系统示意图

图6  机械式单体泵燃油供给装置示意图

 

      工作原理：

      柴油箱储有经过沉淀和滤清的柴油。柴油从柴油箱被吸入输油泵并泵出，经柴油滤清器滤去杂质后，进入喷油泵。自喷油泵泵出的高压柴油经高压油管和喷油器喷入燃烧室。由于输油泵的供油量比喷油泵供油量大得多，过量的柴油便经回油管流回柴油箱。从柴油箱到喷油泵入口的这段油路中的油压是由输油泵建立的，而输油泵的出油压力一般为4～5bar（1bar＝105Pa），故这段油路称为低压油路。从喷油泵到喷油器这段油路中的油压是喷油泵建立的，一般在1000bar以上，故称此段油路为高压油路。高压柴油通过喷油器呈雾状喷入燃烧室，与空气混合而形成可燃混合气。

表1    常见柴油喷射系统的特性和特征数据

 

二、电控燃油供给系统的组成

 

      图1为高压共轨电控燃油喷射系统的基本组成图。它主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送入高压油轨，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控单元从预设的map图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。根据对发动机进气量检测的方式不同，燃油喷射系统可分为两种类型：L型（空气流量型或直接测量型）燃油喷射和D型（歧管压力型或间接测量型）燃油喷射，如图8所示。

 

图7  燃油供给系统高低压油路示意图

图8  电控柴油机燃油喷射系统的类型

 

1．低压油路部分

      低压油路部分为高压油路部分供给足够的油量，主要零部件有油箱，低压回路的进、出油管，燃油滤清器，输油泵，高压泵的低压区。

（1）输油泵

      输油泵的工作是向高压泵供给足够的燃油量。各种工作状态、不同的必要的压力下、整个工作寿命期都必须满足上述要求。目前，有两种形式：一种是电子滚子式输油泵，是一种标准形式；另一种是机械齿轮驱动的输油泵。

      齿轮式输油泵用来给高压油泵提供燃油，其主要零件是两个在旋转时相互啮合的反转齿轮，如图9所示。燃油被吸入泵体和齿轮之间的空腔内，并被输送到压力侧的出油口，旋转齿轮间的啮合线能保证良好的密封，能防止燃油回流。齿轮式输油泵的供油量与柴油发电机转速成比例，齿轮泵的供油量在进油口端的节流阀或者出油口端的溢流阀处受到限制。齿轮式输油泵是免维护的。在第一次起动前或燃油箱内燃油被用尽时，起动前应排出燃油箱内的空气。当排出空气时，用手动泵压送柴油直到油路中没有空气为止。手动泵是和柴油滤清器做成一体的。

（2）燃油滤清器

      燃油中若含有杂质，将导致燃油泵零部件、出油阀、喷油器的损坏，因此必须装用燃油滤清器。燃油滤清器必须符合喷射系统的特定要求，否则燃油供给系统正常运转和相关元件的使用寿命将无法得到保证。柴油中含有可溶性乳状液或者自由水（例如用于温度变化的冷却液），若这种水进入喷射系统，将会引起燃油系统元件的穴蚀。带有油水分离器的燃油滤清器可以除去柴油中的水分。在某些柴油发电机上，燃油箱和输油泵之间装设油水分离器。油水分离器由手压膜片泵、液面传感器、浮子、分离器壳体和分离器盖等组成。来自柴油箱的柴油经进油口进入油水分离器，由出油口流出。柴油中的水分在油水分离器内从柴油中分离出来并沉积在壳体的底部。浮子随着积水的增多而上浮，当浮子到达规定的放水水位时，液面传感器将电路接通，仪表板上的警告灯发出放水信号，这时操作员应及时旋松放水塞放水。手压膜片泵供放水和排气时使用。燃油滤清器结构示意图如图10所示。

 

图9  齿轮式输油泵结构图

图10  燃油滤清器结构示意图

 

2、高压油路部分

      共轨系统的高压油路部分包括高压发生器（高压油泵）、压力蓄能器（共轨管）和燃油计量元件（电磁阀），主要的零部件有配有电磁阀的高压油泵、共轨管、共轨压力传感器、喷油器。

（1）高压油泵

      高压油泵是高压回路和低压回路的分界面，在所有的工况下，它主要负责在发电机组的整个使用寿命中供给足够的高压燃油，同时还要保证柴油发电机迅速起动所需要的额外的供油量和压力要求。高压油泵不断地产生共轨所需的系统压力。这就意味着燃油并不是在每个单一的喷射过程都必须被压缩（相对于传统的系统燃油）。

      高压油泵安装在与传统柴油发电机分配泵相同的位置上，通过带轮法兰、带轮、齿带由柴油发电机驱动，其最高转速不超过3000r/min。高压油泵靠低压油路过来的燃油润滑。高压油泵上安装有用来进行压力控制的电磁阀。燃油被3个呈辐射状安装互隔120°的泵油柱塞压缩，高压油泵每转1圈，有3次供油，峰值驱动转矩较低，高压油泵驱动系统保持较稳定的负荷。16N·m的转矩大概是驱动一个同等分配泵所需转矩的1/9，这就意味着共轨系统比传统的喷射系统在泵的驱动方面具有较小的负荷。所需的动力是随着共轨压力和泵的速度（供油量）成比例上升的。高压油泵结构示意图及外形如图11所示。

      输油泵将燃油从燃油箱泵出，经过带有油水分离装置的燃油滤清器到达高压油泵的进油口。输油泵使燃油经安全阀的节流孔，进入高压油泵的润滑和冷却回路。凸轮轴使3个泵的柱塞按照凸轮的外形上下运动。

      当供油油压超过安全阀的开启压力、高压油泵的柱塞向下运动时（吸油行程），输油泵能使燃油经高压油泵进油阀进入柱塞腔。在高压油泵柱塞越过下止点后，进油阀关闭。这样，柱塞腔内的燃油被密封，它将以高于供油压力的油压被压缩，油压的升高一旦达到共轨的油压，出油阀被打开，被压缩的燃油进入高压循环。柱塞继续供给燃油，直至到达上止点（供油行程），压力减小，导致出油阀关闭，仍然在柱塞腔内的燃油压力下降，柱塞向下运动。只要柱塞腔内的压力降至低于输油泵的供油压力时，进油阀就会开启，吸油过程开始。

      进油计量比例阀安装在高压油泵的第一级加压（齿轮泵）和第二级加压（柱塞泵）之间，以调整经第一级加压到第二级加压的燃油量，而阀的开启量由ECU控制。进油计量比例阀的结构如图12所示。

（2）共轨压力传感器

      为了输出一个相对于给定压力的电压给ECU，共轨压力传感器必须测量共轨的燃油压力。压力传感器需保证足够的精度和响应速度。共轨压力传感器由3部分构成：焊接在压力装置上的集成的传感器部件，装有电子检测回路的印刷电路板，装有电子插入式连线的传感器外壳。燃油通过共轨上的一个小孔流向共轨压力传感器，它的尽头用传感器膜片密封。有压力的燃油通过一个不通孔到达传感器膜片。一个将压力信号转换为电信号的传感器部件（半导体装置）被安装在此膜片上，传感器产生的信号被输入一个用于放大拾取信号并将它送入ECU的检测回路。

（3）共轨管

      共轨储存高压燃油。同时，由于高压油泵的供油和燃油喷射产生的高压振荡在共轨容积中衰减，这样保证在喷油器打开时刻，喷射压力维持定值。共轨同时起燃油分配器的作用。共轨上装有用来测量供油压力的共轨压力传感器及流量限制器。

3、高压油管

      高压油管是连接共轨管和喷油器的通道，用来传送高压燃油。喷油瞬间，在高压油管内有时会发生高频压力波动，因此高压油管必须能够承受最高的系统压力和高压燃油的冲击作用。高压油管是由钢管制成的，通常外径为6mm，内径为2.4mm。各气缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油发电机每一个喷油器有相同的喷油压力，从而减小柴油发电机各气缸之间喷油量的偏差。高压油管应尽可能短，使从共轨管到喷油器的压力损失最小。

 

图11  高压油泵结构示意图

图12  进油计量比例阀结构图

 

总结：

      在电控单体泵、电控泵喷嘴、共轨系统这些柴油电子控制方案当中，以高压共轨燃油喷射系统最被广大主机厂所推崇， 究其原因无外乎从机械控制式向电子控制式转变的方便度。共轨系统最大限度地降低了各老机型对升级进行机械更改的要求。目前在中国市场上的共轨系统提供商主要是国际巨头，包括市场份额接近70%的德国博世BOSCH、日本的电装DENSO、美国的德尔福DELPHI、美国康明斯Cummins等。本土企业当中虽也有聚力进行共轨系统研发与生产的，包括新风、北油、龙泵、无锡油泵油嘴研究所等，但目前的技术成熟度与生产成熟度均未成气候，路漫漫其修远兮，仍须上下大力求索！

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