共軌柴油機(jī)低壓油路的自動(dòng)排氣研究

郝其山,范寧霞,劉俊杰

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261000；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261000)

0 引言

隨著采用高壓共軌燃油系統(tǒng)柴油機(jī)的應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)難或發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中熄火等故障逐漸增多。柴油機(jī)起動(dòng)過(guò)程涉及的因素較多[1],主要包括供油、供氣和起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等[2]。供油系統(tǒng)中，燃油品質(zhì)差易造成噴油器針閥卡死，導(dǎo)致起動(dòng)困難[3-4]；軌壓對(duì)高壓共軌柴油機(jī)的起動(dòng)影響很大[5]，空氣進(jìn)入高壓共軌燃油系統(tǒng)[6]或燃油中析出空氣，導(dǎo)致軌壓建立困難[7]；進(jìn)回油管直徑偏小也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難[8]。

本研究中針對(duì)低壓油路中存氣導(dǎo)致的起動(dòng)困難提出解決方案。

1 方案措施

a)無(wú)中間管 b)有中間管圖1 中間管作用示意圖

1.1 燃油濾清器增加中間管

圖1為增加中間管的燃油濾清器結(jié)構(gòu)及工作原理。在燃油濾清器中增加中間管，將氣截留，氣泡被中間管阻擋，無(wú)法進(jìn)入出油口，燃油從中間管底部進(jìn)入出油口。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，氣體被中間管擋住，不會(huì)進(jìn)入高壓油泵，保證共軌管的軌壓在短時(shí)間內(nèi)建立起來(lái)。實(shí)際使用中需要注意，新濾清器安裝好后需要首先松開(kāi)進(jìn)油口處的接頭，通過(guò)手動(dòng)泵油將濾清器內(nèi)的空氣全部排出后再起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

該結(jié)構(gòu)濾清器用在配套汽車(chē)起重機(jī)的機(jī)型上。起重機(jī)一般都配有1個(gè)電動(dòng)泵油水寒寶，水寒寶只在下車(chē)初次上電時(shí)工作，在有上車(chē)的起重機(jī)上，因上車(chē)斷電時(shí)整機(jī)并沒(méi)有斷電，因此在上車(chē)電動(dòng)時(shí)水寒寶不工作。如果粗濾器中有氣，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難，采用帶中間管的粗濾器可有效解決這個(gè)問(wèn)題。

1.2 在粗濾器上增加排氣小孔

借鑒空氣管理系統(tǒng)運(yùn)行情況對(duì)整體產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，緩解燃油系統(tǒng)氣體聚集過(guò)量導(dǎo)致的油路堵塞問(wèn)題。為了保證燃油濾清器的過(guò)濾效率，在其濾層上下游合理位置設(shè)置排氣孔。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中排氣孔從上游排氣位置通向下游，避免整體系統(tǒng)在濾清器腔體內(nèi)氣體聚集導(dǎo)致的油路堵塞[9]。

圖2為在粗濾器上增加排氣孔結(jié)構(gòu)圖。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)可以將濾芯上端聚集的氣體通過(guò)排氣孔及時(shí)排出，減少氣體聚集，使氣隨油排到油箱,保證燃油充滿粗濾器。

圖2 粗濾芯上的排氣孔

此設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于粗濾芯上，孔徑一般為0.5～1.0 mm，對(duì)過(guò)濾精度影響不大。精濾芯過(guò)濾精度高，不允許有通氣孔，以免未經(jīng)過(guò)濾的燃油進(jìn)入噴油泵。粗濾器帶排氣孔與不帶排氣孔聚氣對(duì)比如圖3所示。

a)不帶排氣孔(改進(jìn)前) b)帶排氣孔(改進(jìn)后)圖3 粗濾器改進(jìn)前后聚氣對(duì)比

由圖3可知，不帶排氣孔時(shí)，粗濾器中的燃油只占濾清器的1/3，而有排氣孔的濾清器燃油能充滿濾清器,這樣可以避免下次起動(dòng)時(shí)空氣被吸到噴油泵，影響起動(dòng)性能。該方案中的排氣孔也可采用微孔介質(zhì)的形式[10]，但成本會(huì)高一些。

圖4 帶排氣孔及中心管結(jié)構(gòu)的濾芯

1.3 燃油粗濾排氣孔+中心管結(jié)構(gòu)

排氣孔排出多余氣體防止聚氣，提升濾芯內(nèi)燃油液面高度；中心管結(jié)構(gòu)插入到燃油液面以下，降低取油口位置，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間能更充分的吸取燃油；兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合使用能更好的發(fā)揮作用。帶排氣孔及中心管的濾芯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.4 精濾器上帶單向閥

精濾器上帶單向閥結(jié)構(gòu)如圖5所示。在有兩個(gè)進(jìn)油口的濾清器座上，其中一個(gè)進(jìn)油口處安裝排氣用的單向閥，并通過(guò)油管將單向閥管路連接至回油管。

圖5 精濾器帶單向閥結(jié)構(gòu)

帶單向閥低壓油路工作原理見(jiàn)圖6。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，在油壓作用下，單向閥開(kāi)啟，濾清器內(nèi)攔截的氣體通過(guò)該單向閥排出至油箱中。單向閥安裝在進(jìn)油口，主要是考慮到進(jìn)油口位置較高，能將濾清器內(nèi)的空氣排的更徹底。因精濾器是在輸油泵后，壓力可達(dá)到800 kPa，為保證空氣排凈后高壓油泵燃油需求，單向閥的排氣孔直徑不能太大，同時(shí)為不影響共軌管建壓，單向閥要保證一定的開(kāi)啟壓力。單向閥還有防止油箱中的空氣倒流進(jìn)濾清器的作用。

圖6 精濾器帶單向閥原理圖

1.5 獨(dú)立式油氣分離器

圖7為獨(dú)立式油氣分離器結(jié)構(gòu)原理。

采取該結(jié)構(gòu)可以將燃油中的氣體從頂部排出。燃油濾清器裝在輸油泵后，內(nèi)裝一個(gè)浮動(dòng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)?shù)蛪河吐窋嘤秃?，浮子下降關(guān)閉燃油通路;燃油充滿時(shí)，浮子關(guān)閉出氣口，打開(kāi)供油口。該部件只是一個(gè)浮動(dòng)開(kāi)關(guān)，沒(méi)有濾清功能，只有排氣功能，需要串聯(lián)到低壓燃油管路中使用，可以放到精濾器前，也可以放到精濾器后。從其結(jié)構(gòu)原理可以看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，分離器內(nèi)油面達(dá)到一定高度時(shí)，出油口封閉，但此時(shí)氣體并沒(méi)有全部排出，上部空間會(huì)一直存有部分氣體。

1.6 自動(dòng)排氣燃油濾清器

圖8為自動(dòng)排氣燃油濾清器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是將浮動(dòng)開(kāi)關(guān)裝在濾清器座內(nèi)，當(dāng)柴油機(jī)工作時(shí)，柴油經(jīng)進(jìn)油口進(jìn)入濾清器，從出油口流出。當(dāng)系統(tǒng)中有氣時(shí)，浮子落下，氣體從上部的排氣口排出。當(dāng)柴油充滿濾清器時(shí)，浮子浮起，堵住排氣口，防止柴油流出。

圖9為自動(dòng)排氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)架，可進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比自動(dòng)排氣柴油濾清器和排氣單向閥的效果。試驗(yàn)流量為4.5 L/min，第1、2、3級(jí)使用正常產(chǎn)品模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)工況，并記錄存氣情況。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，自動(dòng)排氣的濾清器內(nèi)浮動(dòng)開(kāi)關(guān)與排氣孔之間一直有間隙，排氣會(huì)持續(xù)進(jìn)行，因排氣口處沒(méi)有壓力，與單向閥試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出其漏油量較大。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖7 獨(dú)立式油氣分離器 圖8 自動(dòng)排氣燃油濾清器

圖9 自動(dòng)排氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)架

運(yùn)行時(shí)間/min單向閥自動(dòng)排氣燃油濾清器排氣能力5 出油管肉眼沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣泡出現(xiàn)。單向閥有大量氣泡流出 開(kāi)始運(yùn)行時(shí),排氣管內(nèi)有大量氣泡出現(xiàn)。穩(wěn)定運(yùn)行后,只有少量細(xì)小氣泡出現(xiàn)30 單向閥內(nèi)有大量氣泡流出 排氣管內(nèi)有少量細(xì)小氣泡出現(xiàn)漏油量10 穩(wěn)定運(yùn)行后,10 min單向閥出油量為2.7 L 穩(wěn)定運(yùn)行后,10 min內(nèi)排氣閥出油量為4.2 L

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)裝置

圖10 整車(chē)試驗(yàn)相關(guān)照片

針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的濾清器進(jìn)行整車(chē)起動(dòng)性能試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其對(duì)起動(dòng)性能的影響。為觀察濾清器及管路中的存氣情況，制作外殼透明的濾清器和透明油管。試驗(yàn)中，通過(guò)排空粗濾器中的燃油模擬低壓油路系統(tǒng)進(jìn)氣，起動(dòng)后運(yùn)行5 min，保證濾清器中充滿燃油。整車(chē)試驗(yàn)相關(guān)照片見(jiàn)圖10。

試驗(yàn)車(chē)輛為裝配某電控柴油機(jī)的牽引車(chē)。原車(chē)低壓油路配置除水放心濾+燃油粗濾器+燃油精濾器。

2.2 試驗(yàn)步驟

1)排除低壓油路系統(tǒng)中的空氣，起動(dòng)，記錄起動(dòng)時(shí)間，運(yùn)行5 min。

2)停車(chē)，排除粗濾器中的燃油，再次起動(dòng)，記錄起動(dòng)時(shí)間，運(yùn)行5 min。

3)停車(chē)20 min，再次起動(dòng)，記錄起動(dòng)時(shí)間，運(yùn)行5 min。

4)更換配置，重復(fù)步驟1～3。

2.3 試驗(yàn)方案

共設(shè)計(jì)10個(gè)試驗(yàn)方案,各方案的起動(dòng)時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 不同配置方案起動(dòng)時(shí)間 s

由表2可以看出，采用方案7即精濾上增加單向閥可以排凈精濾器中的空氣，起動(dòng)效果較好。

3 不同方案實(shí)施可行性對(duì)比

針對(duì)這幾種方案在實(shí)際使用中的可行性做進(jìn)一步分析，見(jiàn)表3。

考慮到成本及實(shí)際情況，現(xiàn)在應(yīng)用較多的是帶排氣孔粗濾、帶中間管粗濾及帶放氣閥結(jié)構(gòu)。

表3 不同方案實(shí)施情況對(duì)比

4 結(jié)論

粗濾器帶排氣孔可以排出粗濾器內(nèi)的空氣，但并不能從根本上解決發(fā)動(dòng)機(jī)難起動(dòng)問(wèn)題；在精濾上增加單向閥的結(jié)構(gòu)可以將精濾器中的空氣隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行排出，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間較短，是一種較好的改善電控柴油機(jī)起動(dòng)性能的方法。

影響高壓共軌燃油系統(tǒng)柴油機(jī)起動(dòng)性能的因素很多，低壓燃油系統(tǒng)進(jìn)氣是其中之一，單一措施往往不能從根本上解決，需要多種方案的組合效果會(huì)更好。