正壓燃油回路在挖掘機(jī)上的使用研究

孫 耀

（日立建機(jī)（上海）有限公司，上海 200131）

引言

近年來國內(nèi)工程機(jī)械市場的發(fā)展非常迅速，各類非道路設(shè)備保有量巨大，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，為了節(jié)能減排，控制大氣污染，國家近年逐步加強(qiáng)對排放的控制力度。環(huán)保部聯(lián)合國家質(zhì)量監(jiān)總局于2014年5月16日發(fā)布了《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段）》，文件要求，自2014年10月1日起，凡進(jìn)行排氣污染物排放型式核準(zhǔn)的非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)都必須符合該標(biāo)準(zhǔn)。

對于工程機(jī)械行業(yè)來說，上述標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布對設(shè)備的發(fā)動機(jī)整體設(shè)計(jì)、燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)、尾氣后處理等方面都提出了更高要求。其中，燃油噴射系統(tǒng)選擇顯得尤為重要，國內(nèi)市場上主流的工程機(jī)械廠商在新規(guī)則出臺后，都推出了新一代產(chǎn)品，搭載了EGR（Exhaust Gas Recirculation）廢氣再循環(huán)、尿素處理等裝置，燃油系統(tǒng)則基本上都使用了高壓共軌。

如今國內(nèi)的燃油品質(zhì)也在逐步提高，如硫磺是燃油系統(tǒng)主要危害成分之一，在GB252 2015第二階段中要求，必須嚴(yán)格限定硫含量低于50ppm。在排放規(guī)制要求越來越嚴(yán)的大背景下，高壓共軌成了各大產(chǎn)商的優(yōu)先選擇。但是，常規(guī)燃油回路混入空氣的話，高壓柱塞泵處仍會高溫炭化，產(chǎn)生雜質(zhì)，從而威脅燃油部件。本文提出的正壓燃油回路可以有效減少空氣進(jìn)入高壓共軌系統(tǒng)，降低部件磨損的風(fēng)險。

筆者所在的日立建機(jī)有限公司在ZX-3型挖掘機(jī)上已搭載過高壓共軌，囿于當(dāng)時國內(nèi)燃油品質(zhì)，而且使用了普通燃油回路，當(dāng)時的市場使用效果并不樂觀，故障率較高，所以，后續(xù)機(jī)型沒有繼續(xù)使用高壓共軌，直至最新的ZX-5A推出。

1 高壓共軌與常規(guī)燃油回路

發(fā)動機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，集合了機(jī)械、液壓、電子控制等技術(shù)。為適應(yīng)各種工況下惡劣的工作環(huán)境，柴油在進(jìn)入燃燒室燃燒之前必須經(jīng)過過濾和增壓。經(jīng)過共軌增壓后，燃油在合適的時間以一定的噴射速率噴射到每一個氣缸內(nèi)，加上ECM（發(fā)動機(jī)控制模塊）控制EGR廢氣再循環(huán)等系統(tǒng)，可以達(dá)到最佳的燃燒效果和最少的廢氣排放。

1.1 高壓共軌的特點(diǎn)

“高壓”是指燃油噴射系統(tǒng)的壓力高，與搭載傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的柴油機(jī)相比要高很多。如日立建機(jī)生產(chǎn)的ZX200-5A型挖掘機(jī)，使用了搭載高壓共軌的五十鈴4HK發(fā)動機(jī)，最高工作壓力能達(dá)到160MPa左右，壓力大的結(jié)果是柴油霧化效果好，能夠在燃燒室形成最佳的空燃比，燃燒更加充分。

“共軌”是指“共用油軌”，簡單來說噴油器共用一個供油管。燃油經(jīng)過濾芯過濾后，進(jìn)入高壓油泵加壓，加壓后的高壓燃油并不穩(wěn)定，存在波動，不利于噴油器霧化噴射?？梢酝ㄟ^一根“共用油軌”進(jìn)行穩(wěn)壓、濾波，最后均勻分配相同壓力和質(zhì)量的燃油到各噴油器。共軌內(nèi)部的燃油壓力大小和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，即發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化不會影響到共軌壓力的變化。

與傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)相比，采用高壓共軌的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)、排放少，同時也具備更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1.2 常規(guī)燃油系統(tǒng)的連接

以4HK發(fā)動機(jī)為例，共軌系統(tǒng)主要由“高壓供油泵”和“共軌”兩部分組成。高壓供油泵由次擺線泵、sCV（sucking Control Valve）閥、高壓柱塞泵組成，其中，次擺線泵會進(jìn)行初次加壓，sCV閥進(jìn)行壓力控制，高壓柱塞泵進(jìn)行高壓增壓。共軌還配置有壓力限制器（當(dāng)共軌壓力異常上升超過180MPa時，壓力限制器會打開釋放壓力）。

燃油回路的常規(guī)連接方式如圖1所示（紅色表示壓力油路），燃油由油箱被抽離，首先到達(dá)燃油預(yù)濾芯，隨后經(jīng)過電動燃油泵，再進(jìn)入燃油主濾芯，接著進(jìn)入次擺線泵初次加壓，隨后通過sCV閥到高壓柱塞泵二次加壓，加壓后的燃油進(jìn)入高壓共軌分配至各噴油器燃燒，這樣的連接方式類似串聯(lián)回路。

圖1 常規(guī)燃油回路與高壓共軌連接示意圖

1.3 常規(guī)燃油系統(tǒng)存在的問題

發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，高壓柱塞泵會產(chǎn)生巨大的壓力。以ZX200-5A為例，低怠速800rpm時，高壓柱塞泵加壓后共軌壓力為40MPa；高怠速1700rpm時，共軌壓力為50MPa；高怠速HP模式斗桿溢流操作時，共軌壓力可以達(dá)到116MPa。

當(dāng)燃油濾清堵塞時，電子燃油泵不足以提供發(fā)動機(jī)所需要的流量，產(chǎn)生的負(fù)壓會導(dǎo)致空氣被一起吸入。在如此高的壓力下，如果在燃油箱或?yàn)V芯處有空氣混入，此連接會導(dǎo)致空氣直接進(jìn)入次擺線泵，無法在泵內(nèi)釋放，只能進(jìn)入高壓油泵加壓，沒有辦法在柱塞泵后面設(shè)置過濾裝置進(jìn)行過濾。

由理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT初步推算（R=8.3J/(mol·K）），吸入的空氣在高壓柱塞泵內(nèi)壓縮時會出現(xiàn)高溫化（0號柴油的燃點(diǎn)為257℃），此時必然會引起燃油的炭化，產(chǎn)生碳顆粒雜質(zhì)，且空氣越多，炭化越激烈，產(chǎn)生的雜質(zhì)越多。

如圖2所示，含有雜質(zhì)的高壓燃油沿紅色虛線路徑直接進(jìn)入噴油器，到達(dá)噴油器的節(jié)流孔、控制閥芯、噴針，對這些部件造成磨損。大量的雜質(zhì)積累后還會導(dǎo)致噴油器卡滯，使噴油器發(fā)生內(nèi)泄或堵死。單個噴油器出現(xiàn)故障會造成功率下降，若多個噴油器或出現(xiàn)故障，發(fā)動機(jī)最終將無法工作，直接停機(jī)。

圖2 碳顆粒磨損噴油器示意圖

筆者在2011年在技術(shù)支援部工作時，每月判定的燃油系統(tǒng)索賠案件中，有相當(dāng)一部分故障噴油器的最終調(diào)查結(jié)果均表明是碳顆粒雜質(zhì)造成的。當(dāng)時正值ZX-3型挖掘機(jī)的銷售和使用高峰，ZX-3使用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，燃油回路采用了常規(guī)連接，不能消除空氣，空氣會徑直進(jìn)入高壓油泵。

2 正壓式燃油回路

正壓式燃油回路顧名思義，即燃油回路內(nèi)有正向壓力，該壓力由次擺線泵建立，約1.1MPa，充當(dāng)排氣回路的壓力。通過壓力回路將空氣和部分燃油“擠壓”到油箱里，排除空氣后的燃油進(jìn)入高壓柱塞泵加壓，此時因?yàn)榭諝庖鸦颈慌懦?，炭化現(xiàn)象將得到抑制。

2.1 正壓燃油回路的連接

基于普通回路做變更，通過初次壓力將空氣“擠走”，具體連接如圖3所示（藍(lán)色表示排氣回路，紅色表示壓力回路）。燃油從燃油箱被抽出，經(jīng)過燃油預(yù)濾芯和電動燃油泵，然后通過高壓油泵的外側(cè)管路進(jìn)入次擺線泵。

次擺線泵進(jìn)行加壓之后的燃油約有1.1MPa，此時再通過外接管路將加壓之后的燃油引至燃油主濾芯油口A。燃油主濾芯座上有三個油口（A、B、C），經(jīng)過油口A的壓力燃油進(jìn)入濾芯座，混有空氣的燃油通過帶有節(jié)流孔（節(jié)流孔直徑約1.5mm）的螺塞，通過油口C，直接流回至燃油箱。排除空氣后的燃油則由油口B流至sCV閥，到達(dá)高壓柱塞泵，由于排除了空氣，燃油在此處加壓不會有炭化現(xiàn)象。

圖3 正壓燃油回路連接示意圖

2.2 正壓燃油回路效果可視化

正壓燃油回路可以排出大量空氣，但是從實(shí)機(jī)上無法看到這一過程。為直觀展現(xiàn)正壓燃油回路對空氣排出效果，將過程可視化，筆者參與設(shè)計(jì)并制作了如圖4所示的正壓燃油回路可視化模板，以運(yùn)用在實(shí)際的油路分析和教學(xué)當(dāng)中。

該可視化模板主要使用安裝在樹脂面板上的七枚ZYIA面板式流量計(jì)（最大流量4L/min），連接到試驗(yàn)臺架上的4HK發(fā)動機(jī)上，各部件都按實(shí)際工作情景連接。將油管連接各流量計(jì)，流量計(jì)均由透明的樹脂制作，通過流量計(jì)將各油管內(nèi)部燃油的流動情況可視化。

圖4 正壓燃油回路模板可視化展示

啟動試驗(yàn)臺架上的發(fā)動機(jī)后，可以通過模板觀察排氣情況，如圖5所示。啟動開始后，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速逐步提高到怠速1200rpm左右，此時流量計(jì)B上顯示的流量約為1.5L/min，無氣泡（左一）；流量計(jì)A顯示的流量很小，低于0.5L/min，也無氣泡（左二）。

保持1200rpm的轉(zhuǎn)速不變，在燃油箱吸油管側(cè)人為混入空氣，此時流量計(jì)B顯示的流量約為1.5L/min，氣泡非常明顯（右一），證明空氣進(jìn)入了高壓油泵側(cè)；流量計(jì)A顯示的流量約為0.6L/min，有大量氣泡出現(xiàn)（右二），證明系統(tǒng)內(nèi)大量的氣泡通過正壓回路的油口C返回了燃油箱，進(jìn)入到高壓柱塞泵的燃油基本沒有空氣。該可視化模板清晰的展示出了正壓燃油回路的排氣效果。

圖5 正壓燃油回路排氣效果展示

3 正壓回路使用效果確認(rèn)

筆者聯(lián)合日立建機(jī)技術(shù)支援部，對市場上正在運(yùn)行的部分挖掘機(jī)進(jìn)行了故障率分析。搭載普通回路的挖掘機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)參考ZX-3級別，搭載正壓回路挖掘機(jī)的數(shù)據(jù)參考ZX-5級別，如上文提及，兩者主要區(qū)別在于是否采用正壓燃油回路，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。結(jié)果顯示，通過導(dǎo)入正壓燃油回路后，燃油系統(tǒng)的故障率下降，正壓燃油回路的使用效果明顯。

4 結(jié)語

本文提出的正壓燃油回路在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中的使用，能夠減少空氣的混入，在燃油進(jìn)入高壓柱塞泵之前，就將空氣排至燃油箱，避免高壓柱塞泵產(chǎn)生碳顆粒雜質(zhì)，減少磨損，有效保護(hù)了噴油器等核心部件。不僅降低故障率，提高發(fā)動機(jī)的使用壽命，而且減少客戶停機(jī)時間和維修成本。對于工程機(jī)械燃油系統(tǒng)的選用，特別是對高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的連接方式，有著良好的借鑒意義。

表1 燃油系統(tǒng)故障率統(tǒng)計(jì)*