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康明斯柴油发电机的PT泵工作原理 |
摘要：PT燃油系统是美国康明斯发动机公司（Cummins Engine Company）的专利产品。与一般柴油机的燃油系统相比，PT燃油系统在组成、结构及工作原理上都有其独特之处。目前，国内的柴油发电机组、船用柴油机、中型卡车以及其他工程机械已经大量采用康明斯发动机和PT燃油系统。PT燃油喷射系统在动力性、经济性以及环保方面都优于柴油发电机直列泵喷油系统和分配泵喷油系统。PT泵燃油喷射系统是康明斯K系列、N系列等机型专用燃油喷射系统。
一、PT燃油系统的基本工作原理
PT燃油系统通过改变燃油泵的输油压力（Pressure）和喷油器的进油时间（Time）来改变喷油量，因此，把它命名为“PT燃油系统”或“压力-时间系统”。由液压原理可知，液体流过孔道的流量与液体的压力、流通的时间及通道的截面积成正比。PT燃油系统即根据这一原理来改变喷油量。该系统的喷油器进油口处设有量孔，其尺寸经过选定后不能改变。燃油流经量孔的时间则主要与柴油发动机的转速有关，随转速升降而变化。因此，改变喷油量主要通过改变喷油器进油压力来达到。
一般柴油发电机上只装PTG两极式调速器，而在柴油发电机组或负荷变化频繁的机器上加装的有机械可变转速全程式调速器（MVS）、可变转速全程式调速器（VS）或专用全速调速器（SVS）。当只装PTG两极调速器时，节流阀与调速手柄连接，调节调速手柄可以使节流阀旋转，从而改变节流阀通过的截面积。若加装MVS、VS或SVS全程式调速器，则节流阀保持全开位置不动，MVS、VS或SVS调速器在PTG调速器不起作用的转速范围内起调速作用。
当发动机工作时，柴油被齿轮式输油泵从柴油箱中吸出，经柴油滤清器滤除燃油中的杂质，再经稳压器消除燃油压力的脉动后，送入柴油滤清器。经过滤清的柴油分成两路，一路进入PTG两极式调速器和节流阀，另一路进入MVS（VS、SVS）全程式调速器。其压力经过调速器和节流阀调节后，经断油阀供给喷油器。在喷油器内柴油经计量、增压然后被定时地喷入气缸。多余的柴油经回油管流回柴油箱。喷油器的驱动机构包括喷油凸轮、摆臂、喷油器推杆和喷油器摇臂。喷油凸轮与配气机构凸轮共轴。电磁式断油阀用来切断燃油的供给，使柴油机停转。
二、PT燃油系统组成
PT燃油泵有PT（G型）和PT（H型）两种。后者与前者的区别是后者流量较大，并附有燃油控制阻尼器以控制燃油压力的周期波动。这里主要介绍PT（G型）燃油泵。
1、PT（G型）燃油泵组成
PT燃油泵组成如图1所示。
① 齿轮式输油泵：
从柴油箱中将油抽出并加压通过油泵滤网送往调速器。
② 调速器：
调节从齿轮式输油泵流出的燃油压力，并控制柴油机的转速。
③ 节流阀：
在各种工况下，自动或手动控制流入喷油器的燃油压力（量）。
④ 断油阀：
切断燃油供给，使柴油机熄火。
由此可知：PT燃油泵在燃油系统中起供油、调压和调速等作用。即在适当压力下将燃油供入喷油器；在柴油机转速或负荷发生变化时及时调节供油压力，以改变供油量满足工况变化的需要；调节并稳定柴油机转速。PTG-MVS燃油泵的构造如图2所示。
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图1 柴油发电机PT燃油系统的组成 |
图2 柴油发电机PT燃油系统的结构 |
2、PTG两极式调速器
PTG两极式调速器的工作原理如图3所示。
调速器柱塞可在调速器套筒内轴向移动，也可通过驱动件和传动销使其旋转。柱塞的左端受到飞块离心力的轴向推力，右端则作用有怠速弹簧8与高速弹簧9弹力。
调速器套筒上有三排油孔，与进油口相通的为进油孔，中间一排孔通往节流阀，左边一排则连通怠速油道。
在调速器柱塞右端有一轴向油道，并通过径向孔与进油孔相通。柴油机工作时，进入调速器的柴油，少部分经节流阀或怠速油道流向喷油器。大部分则通过调速器柱塞的轴向油道推开怠速弹簧柱塞，经旁通油道流回齿轮泵的进油口。在飞块的左端和右端分别设有低速转矩控制弹簧和高速转矩控制弹簧。
PTG两极式调速器的工作原理如下所述。
① 怠速工况
怠速时，节流阀处于关闭位置（图3右上角），燃油只经过怠速油道流往喷油器。如果由于某种原因使转速下降，飞块离心力减小，怠速弹簧便推动调速器柱塞向左移动，使通往怠速油道的孔口截面增大，供油量增加。当转速升高时，PTG调速器柱塞右移，流通截面减小，供油量减少，以此保持怠速稳定。怠速调整螺钉10用于改变怠速的稳定转速。
② 高速工况
当柴油机转速升高时，PTG调速器的柱塞右移，怠速弹簧被压缩，这时主要由高速弹簧起作用，PTG调速器柱塞凹槽的左边切口已逐渐移至中间通往节流阀的孔口处。当转速处于标定转速时，切口位于孔口左侧。此时，如果柴油机的转速增高，则柱塞继续右移，孔口流通截面减小，使流向喷油器的油量减少。当柴油机的负荷全部卸去时，则孔口的截面关至很小，柱塞右端的十字形径向孔已移出调速器套筒5而与旁通油道相通，柴油机处于最高空转转速下工作，从而限制了转速的升高。
③ 高速转矩控制
当柴油机在低速工况工作时，飞块右端的高速转矩控制弹簧处于自由状态。如果发动机的转速升高，则飞块离心力增大，使调速器柱塞右移。当转速超过最大转矩转速时，弹簧开始受到压缩，使调速器柱塞所受到的飞块轴向力减小，因而燃油压力也减小，转矩下降。转速愈高，转矩下降愈多，从而改善了柴油机高速时的转矩适应性。
④ 低速转矩控制
当柴油发动机转速低于最大转矩点转速时，PTG调速器的柱塞向左移动，压缩低速转矩控制弹簧，调速器柱塞增加了一个向右的推力，使燃油压力相应增大，供油量增加，柴油机转矩上升，从而减缓了柴油机低速时转矩减小的倾向，提高了低速时转矩的适应性。
3、节流阀
PT燃油泵中的节流阀是旋转式柱塞阀，除怠速工况外，燃油从PTG调速器至喷油器都要流经节流阀。它用来调节除怠速和最高转速以外各转速的PT燃油泵的供油量。怠速和最高转速的供油量由PTG调速器自动调节。通过操纵手柄（或踩踏加速踏板）来转动节流阀，以改变节流阀通过断面，达到改变供油压力和PT燃油泵供油量的目的。
4、MVS及VS调速器
在工程机械（如发电机组、推土机用）柴油机上，其PT燃油系统的PT泵内除了PTG两极式调速器外，还装有MVS或VS全程式调速器。它可使柴油机在使用人员选定的任意转速下稳定运转，以适应工程机械工作时的需要。
① MVS调速器
MVS调速器在PT泵油路中的位置如图1和图2所示。图4为MVS调速器的结构示意图。其柱塞的左侧承受来自输油泵并经柴油滤清器的柴油的压力作用，此油压随柴油机转速的变化而变化。柱塞右侧与调速器弹簧柱塞相接触而承受调速弹簧（包括怠速弹簧和调速器弹簧）的弹力。
当PT泵的调速手柄处于某一位置时，其下的双臂杠杆便使MVS调速弹簧的弹力与柱塞左侧的油压相平衡，使柴油机在该转速下稳定工作。当柴油机的负荷减少面使其转速上升时，则柱塞左侧的油压随之增大，于是柱塞右移，来自节流阀的柴油通道被关小，使PT泵的输出油压下降，喷油泵的循环喷油量也随之减小，以限制柴油机转速的上升；反之，当柴油机的负荷增加而使其转速下降时，则调速弹簧的弹力便大于柱塞左侧的油压，柱塞左移，来自节流阀的柴油通道被开大，使PT泵的输出油压上升，喷油泵的循环喷油量也随之增大，以限制柴油机转速的下降。改变调速手柄的位置，即改变了调速弹簧的预紧力，柴油机便在另一转速下稳定运转。
在怠速时，调速器弹簧呈自由状态而不起作用，仅由怠速弹簧维持怠速的稳定运转。MVS调速器设有高速和低速限制螺钉，用以限制调速手柄的极限位置。
PT泵在附加了MVS调速器后，正常工作时节流阀是用螺钉加以固定的。如需调整，则拧动节流阀以改变通过节流阀流向MVS调速器的油压，从而使循环喷油量发生变化。
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图3 柴油发电机PTG两极式调速器 |
图4 柴油发电机MVS调速器结构示意图 |
② VS调速器
图5为PTG-VS燃油泵结构示意图。VS调速器也是一种全程式调速器，它是利用双臂杠杆控制调速弹簧的弹力与飞锤的离心力相平衡来达到全程调速的目的。而前面所讲述的MVS调速器是利用双臂杠杆控制调速弹簧的弹力与油压的平衡来实现全程调速的。
图5中数字标注的名称分别为：1-传动齿轮及轴；2-VS调速器飞锤；3-去喷油器的燃油；4-断油阀；5-VS调速器柱塞；6-VS怠速弹簧：7-VS高速弹簧；8-VS调速器；9-VS油门轴；10-齿轮泵；11-脉冲减振器；12-自滤清器来的燃油；13-压力调节阀；14-PTG调速器；15-怠速调整螺钉；16-卡环；17-PTG高速弹簧；18-PTG怠速弹簧；19-压力控制钮；20-节流阀；21-滤清器滤网；22-PTG调速器柱塞；23-高速转矩弹簧；24-PTG调速器飞锤；25-飞锤柱塞；26-低速转矩弹簧；27-主轴。
5、断油阀
图6所示为电磁式断油阀结构示意图。通电时，阀片被电磁铁吸向右边，断油阀开启，燃油从进油口经断油阀供向喷油器。断电时，阀片在复位弹簧的作用下关闭，停止供油。因此，柴油机启动时需接通断油阀电路，停机时需切断其电路。若断油阀电路失灵，则可旋入螺纹顶杆将阀片顶开，停机时再将螺纹顶杆旋出即可。
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图5 柴油发电机PTG-VS燃油泵结构示意图 |
图6 柴油发电机断油阀结构示意图 |
6、空燃比控制器（AFC）
柴油机增压后，喷油泵的供油量增大，使其在低速、大负荷或加速工况时容易产生冒黑烟的现象。当其在低速、大负荷工况下运行时，废气涡轮在发动机低排气能量下工作，压气机在低效率区内运行，导致提供的空气量不足，引起排气冒黑烟。当负荷突然增加、供油量突然增多时，增压器转速不能立即升高，使进入气缸的空气量跟不上燃油量的迅速增加，导致燃烧不完全、排气冒黑烟。为此，早期生产的康明斯增压型柴油机，在PT泵上还安装了一种真空式空燃比控制器（冒烟限制器），可以随着进入气缸的空气量的多少来改变进入气缸的燃油量，并把供给喷油器的多余燃油旁通掉一部分，使其回流至燃油箱，从而很好地控制空燃比，以与进气量相适应，达到降低油耗和排放的目的。
近年来生产的康明斯增压型柴油机，采用了一种新式的空燃比控制器。它可以随时按照进入气缸内空气量的多少来合理供油，从而取代了早期使用的以燃油接通-切断、余油分流的方式来限制排烟的真空式空燃比控制器。
空燃比控制器安装在PT泵内节流阀与断油阀之间（如图7所示）。在PTG-AFC燃油泵中，燃油离开节流阀后先经过AFC装置再到达泵体顶部的断油阀。而在PTG燃油泵中，燃油从节流阀经过一条通道直接流向断油阀。
AFC的结构及工作原理如图8所示。燃油在流出调速器并经过节流阀后进入AFC。当没有受到涡轮增压器供给的空气压力时，柱塞处于上端位置，于是柱塞就关闭了主要的燃油流通回路，由无充气时节流阀6位置控制的第二条通路供给燃油，如图8（a）所示。无充气时节流阀直接安装在节流阀盖板里的节流阀轴的上边。
当进气歧管压力增加或减小时，AFC柱塞就起作用，使其供给的燃油成比例地增加或减少。当压力增大时，柱塞下降，柱塞与柱塞之间的缝隙增大，燃油流量增加，如图8（b）所示。反之，压力减小则柱塞缝隙变小，燃油流量减少。这样就防止了燃油-空气的混合气变得过浓而引起排气过度冒黑烟。AFC柱塞的位置由作用于活塞和膜片的进气歧管空气压力与按比例移动的弹簧的相互作用而定。
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图7 柴油发电机PTG-AFC燃油泵的燃油流程 |
图8 柴油发电机AFC的结构及工作原理 |
总结：
长期以来，由于相关产业比较落后，我国在发动机制造技术上与西方发达国家一直有较大差距。近30年来进口了大量工程机械，为方便维修，提高国内的发动机制造水平，开始引进柴油机及相关零部件生产制造技术。据了解，除泵喷油器外的其它柱塞式燃油泵都已实现国产化。在上世纪70年代中期国内进口的工程机械上开始出现PT燃油泵，当时所采用的是带MVS调速器的PT泵，现已基本淘汰，国内也无生产。本文介绍的是目前最常用的新型PT泵，PT燃油系通过压力和时间的协调配合，使燃油的供给计量和定时喷射等方面满足发动机的理想工况。目前，已有很多国家引进了它的生产技术，我国重庆康明斯发动机有限公司和重庆油泵油嘴厂分别引进了发动机主机和PT燃油系的生产技术。PT燃油系由PT燃油泵和PT喷油器组成，具有结构简单，使用可靠，维修方便，体积小、重量轻等优点。
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