性能特點和作用說明

康明斯柴油機電控單體泵原理與優(yōu)缺點理

 

電控單體泵是一種模塊式結(jié)構(gòu)的高壓噴射系統(tǒng)，各缸柱塞泵泵體相互獨立。其工作方式與泵噴嘴類似，但在結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別。單體泵的噴油器和噴油泵之間用一根很短的高壓油管相連接。為了滿足日益嚴(yán)格的排放要求以及經(jīng)濟性，柴油發(fā)電機噴油系統(tǒng)正向著高噴射壓力、自由靈活調(diào)整噴油量和噴油正時、噴油速率最佳控制的方向發(fā)展，電子控制的柴油噴射系統(tǒng)是實現(xiàn)柴油噴射過程柔性控制的有效手段，因此電控單體泵系統(tǒng)應(yīng)運而生。

 

一、單體泵結(jié)構(gòu)

 

      單體泵結(jié)構(gòu)如圖1a所示，主要由電磁閥、滾輪式挺柱、柱塞、柱塞套筒、回位彈簧、彈簧座、出油閥、出油閥座、出油閥彈簧、出油閥壓緊螺帽及泵體等零件組成。

1、出油閥的構(gòu)造

（1）出油閥和閥座是精密偶件，采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，其導(dǎo)孔、上下端面及座孔經(jīng)過精密的加工和研磨，配對以后不能互換。

（2）出油閥的圓錐部是閥的軸向密封錐面，閥的錐部在導(dǎo)孔中滑動配合起導(dǎo)向作用。尾部加工有切槽，形成十字形斷面，以便使燃油通過。出油閥中部的圓柱面叫減壓帶，它與密封錐面間形成了一個減壓容積。

（3）閥座的下端面和柱塞套筒的上端面是精密加工嚴(yán)密貼合，它是通過壓緊螺帽以規(guī)定的扭緊力矩來壓緊的。壓緊螺帽與閥座之間有一定厚度的銅制高壓密封墊圈。出油閥壓緊螺帽和殼體上端面間還有低壓密封墊圈。

（4）在出油閥壓緊螺帽內(nèi)腔裝有帶槽的減容器，以減小內(nèi)腔空間的容積，促進噴停迅速，限制出油閥最大升程的作用。

2、出油閥的作用

（1）防止噴油前滴油，提高噴射速度：噴油泵供油時，待油壓高于出油閥彈簧的預(yù)緊力和高壓油管內(nèi)的殘余壓力后，出油閥升起，其密封錐面離開閥座。必須等到出油閥上的減壓帶完全離開閥座的導(dǎo)向孔時，泵油室的燃油才能進入高壓油管。

（2）防止噴油后滴油，提高關(guān)閉速度：停止供油時，出油閥減壓帶的下沿一進入導(dǎo)管時，高壓油管與泵室的通路便被切斷。當(dāng)出油閥完全座落后下降了一距離h，因而高壓油管的容積得到增大，使油壓迅速地下降1MPa～2MPa，斷油迅速干脆，防止了因油壓的波動和“管縮油漲”而產(chǎn)生噴后滴油。

（3）防止燃油倒流，使高壓油管內(nèi)保持一定的殘余壓力。

 

二、單體泵的工作原理

 

      當(dāng)柴油發(fā)電機工作時直接通過凸輪軸驅(qū)動單體泵的柱塞完成泵油過程，此時由ECU控制設(shè)在單體泵出口端的電磁閥來精確控制泵油時刻和泵油持續(xù)時間。由于高壓油管比較短，所以通過供油時刻間接控制噴油定時，通過供油持續(xù)時間控制噴油器的噴射過程。當(dāng)ECU控制電磁閥使之為OFF狀態(tài)時，如圖1b所示，閥芯在彈簧力的作用下回位，回油孔開啟，柱塞腔內(nèi)的燃油隨柱塞的上移經(jīng)回油孔回流，單體泵不供油，噴油器不噴油。當(dāng)ECU接通電磁閥時閥芯關(guān)閉回油孔，如圖1c所示，隨柱塞上移，高壓腔內(nèi)迅速建立起油壓，當(dāng)泵油壓力大于出油閥彈簧力和高壓油管內(nèi)的殘壓之和時，出油閥打開，泵油開始，并向高壓管泵油，高壓燃油經(jīng)過很短的高壓油管直接傳送到噴油器，在噴油器端立即建立高壓，使噴油器針閥開啟而進行噴射。噴射持續(xù)時間取決于由ECU控制的單體泵電磁閥的接通持續(xù)時間（控制脈寬），經(jīng)過控制脈寬之后單體泵電磁閥斷電，此時如圖18b所示回油孔打開，柱塞腔內(nèi)的燃油經(jīng)回油孔回油，當(dāng)柱塞腔內(nèi)的油壓低于出油閥彈簧壓力和高壓短管內(nèi)的殘壓之和時，出油閥落座，停止泵油，同時高壓油管內(nèi)的燃油迅速膨脹，使噴油器端的油壓迅速降低，針閥落座而停止噴油。

 

圖1  柴油機電控單體泵系統(tǒng)圖

圖2  柴油機單體泵結(jié)構(gòu)原理示意圖

 

三、單體泵特點

 

      目前國內(nèi)柴油發(fā)電機用單體泵的泵端壓力為160～180MPa，而噴油器為傳統(tǒng)的機械式，其開啟壓力約為22MPa。在單體泵供油過程中，當(dāng)噴油器端的壓力大于噴油器的開啟壓力時，噴油器就開始噴油，在噴射過程中最高噴射壓力可達160～180MPa。噴射壓力取決于噴油器的總噴射面積、泵油速率、高壓系統(tǒng)容積、啟噴壓力，以及針閥偶件、柱塞偶件的配合間隙等。

      對電控單體泵噴射系統(tǒng)，在噴油器結(jié)構(gòu)一定的條件下，影響噴油規(guī)律的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有高壓油管的直徑、長度，以及單體泵柱塞的橫截面積和噴油器噴孔的總噴射面積之比（稱之為面積比）。該面積比直接影響噴射壓力，即面積比越大，意味著供油速率與噴油速率之比越大，噴射壓力越高；而且對一定的噴射面積，噴射壓力越高，噴射速率也越高。而高壓系統(tǒng)的容積（包括柱塞的壓油容積、高壓油管容積和噴油器內(nèi)部容積之和）直接影響噴射系統(tǒng)的響應(yīng)特性。該容積越大，單體泵到噴油器之間的響應(yīng)特性越差。在對單體泵和噴油器結(jié)構(gòu)一定的條件下，高壓系統(tǒng)容積主要取決于高壓油管的直徑和長度。但高壓油管直徑過小，直接影響單位時間的供油能力，過大則影響響應(yīng)特性。所以根據(jù)不同排量柴油發(fā)電機應(yīng)優(yōu)化選擇，而高壓油管長度在系統(tǒng)布置允許的前提下應(yīng)越短越好。為了適應(yīng)不斷強化的排放法規(guī)要求，單體泵也不斷向高壓化發(fā)展。德爾福（Delphi）公司2001年推出的EUP200型單體泵的最高噴射壓力已達到200MPa。

      電控單體泵的特點是各缸單體泵之間相互獨立，所以控制比較靈活。但是單體泵并非直接控制噴油器，而是通過電磁閥控制噴油泵的供油過程和供油規(guī)律來間接地控制噴油規(guī)律，因此噴射過程的控制精度相對較差。電控單體泵系統(tǒng)可以實現(xiàn)噴油量、噴油正時的柔性控制，噴油壓力取決于單體泵的柱塞直徑與升程。電控單體泵系統(tǒng)在歐洲的歐Ⅲ階段廣泛使用，同樣可達到我國國三排放標(biāo)準(zhǔn)，并且無需大規(guī)模修改發(fā)動機結(jié)構(gòu)，便可輕松從國三升級到國四；其噴油規(guī)律先緩后急，符合理想放熱規(guī)律要求，有利于降低排放與燃燒噪音；供油能力強，可進行各缸獨立控制，特別適用于功率較大的重型柴油機；國產(chǎn)的成熟單體泵系統(tǒng)，性能可靠，使用維護方便，成本比共軌系統(tǒng)便宜，對油品要求與傳統(tǒng)機械泵相當(dāng)，并可進行單缸泵單元更換，噴油器成本較共軌噴油器成本低。

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