共軌柴油機低壓油路的自動排氣研究

郝其山,范寧霞,劉俊杰

(1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261000；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000)

0 引言

隨著采用高壓共軌燃油系統柴油機的應用，發動機起動難或發動機運行中熄火等故障逐漸增多。柴油機起動過程涉及的因素較多[1],主要包括供油、供氣和起動機轉速等[2]。供油系統中，燃油品質差易造成噴油器針閥卡死，導致起動困難[3-4]；軌壓對高壓共軌柴油機的起動影響很大[5]，空氣進入高壓共軌燃油系統[6]或燃油中析出空氣，導致軌壓建立困難[7]；進回油管直徑偏小也會導致發動機起動困難[8]。

本研究中針對低壓油路中存氣導致的起動困難提出解決方案。

1 方案措施

a)無中間管 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構及工作原理。在燃油濾清器中增加中間管，將氣截留，氣泡被中間管阻擋，無法進入出油口，燃油從中間管底部進入出油口。在發動機起動過程中，氣體被中間管擋住，不會進入高壓油泵，保證共軌管的軌壓在短時間內建立起來。實際使用中需要注意，新濾清器安裝好后需要首先松開進油口處的接頭，通過手動泵油將濾清器內的空氣全部排出后再起動發動機。

該結構濾清器用在配套汽車起重機的機型上。起重機一般都配有1個電動泵油水寒寶，水寒寶只在下車初次上電時工作，在有上車的起重機上，因上車斷電時整機并沒有斷電，因此在上車電動時水寒寶不工作。如果粗濾器中有氣，發動機起動困難，采用帶中間管的粗濾器可有效解決這個問題。

1.2 在粗濾器上增加排氣小孔

借鑒空氣管理系統運行情況對整體產品進行優化設計，緩解燃油系統氣體聚集過量導致的油路堵塞問題。為了保證燃油濾清器的過濾效率，在其濾層上下游合理位置設置排氣孔。實際運行過程中排氣孔從上游排氣位置通向下游，避免整體系統在濾清器腔體內氣體聚集導致的油路堵塞[9]。

圖2為在粗濾器上增加排氣孔結構圖。發動機工作時可以將濾芯上端聚集的氣體通過排氣孔及時排出，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

此設計主要應用于粗濾芯上，孔徑一般為0.5～1.0 mm，對過濾精度影響不大。精濾芯過濾精度高，不允許有通氣孔，以免未經過濾的燃油進入噴油泵。粗濾器帶排氣孔與不帶排氣孔聚氣對比如圖3所示。

a)不帶排氣孔(改進前) b)帶排氣孔(改進后)圖3 粗濾器改進前后聚氣對比

由圖3可知，不帶排氣孔時，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時空氣被吸到噴油泵，影響起動性能。該方案中的排氣孔也可采用微孔介質的形式[10]，但成本會高一些。

圖4 帶排氣孔及中心管結構的濾芯

1.3 燃油粗濾排氣孔+中心管結構

排氣孔排出多余氣體防止聚氣，提升濾芯內燃油液面高度；中心管結構插入到燃油液面以下，降低取油口位置，發動機起動瞬間能更充分的吸取燃油；兩種結構結合使用能更好的發揮作用。帶排氣孔及中心管的濾芯結構如圖4所示。

1.4 精濾器上帶單向閥

精濾器上帶單向閥結構如圖5所示。在有兩個進油口的濾清器座上，其中一個進油口處安裝排氣用的單向閥，并通過油管將單向閥管路連接至回油管。

圖5 精濾器帶單向閥結構

帶單向閥低壓油路工作原理見圖6。發動機工作時，在油壓作用下，單向閥開啟，濾清器內攔截的氣體通過該單向閥排出至油箱中。單向閥安裝在進油口，主要是考慮到進油口位置較高，能將濾清器內的空氣排的更徹底。因精濾器是在輸油泵后，壓力可達到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，同時為不影響共軌管建壓，單向閥要保證一定的開啟壓力。單向閥還有防止油箱中的空氣倒流進濾清器的作用。

圖6 精濾器帶單向閥原理圖

1.5 獨立式油氣分離器

圖7為獨立式油氣分離器結構原理。

采取該結構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，內裝一個浮動開關。當低壓油路斷油后，浮子下降關閉燃油通路;燃油充滿時，浮子關閉出氣口，打開供油口。該部件只是一個浮動開關，沒有濾清功能，只有排氣功能，需要串聯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。從其結構原理可以看出，當發動機工作時，分離器內油面達到一定高度時，出油口封閉，但此時氣體并沒有全部排出，上部空間會一直存有部分氣體。

1.6 自動排氣燃油濾清器

圖8為自動排氣燃油濾清器結構。該結構是將浮動開關裝在濾清器座內，當柴油機工作時，柴油經進油口進入濾清器，從出油口流出。當系統中有氣時，浮子落下，氣體從上部的排氣口排出。當柴油充滿濾清器時，浮子浮起，堵住排氣口，防止柴油流出。

圖9為自動排氣濾清器試驗臺架，可進行試驗對比自動排氣柴油濾清器和排氣單向閥的效果。試驗流量為4.5 L/min，第1、2、3級使用正常產品模擬發動機運行時工況，并記錄存氣情況。發動機工作時，自動排氣的濾清器內浮動開關與排氣孔之間一直有間隙，排氣會持續進行，因排氣口處沒有壓力，與單向閥試驗結果對比可以看出其漏油量較大。試驗結果見表1。

圖7 獨立式油氣分離器 圖8 自動排氣燃油濾清器

圖9 自動排氣濾清器試驗臺架

運行時間/min單向閥自動排氣燃油濾清器排氣能力5 出油管肉眼沒有發現氣泡出現。單向閥有大量氣泡流出 開始運行時,排氣管內有大量氣泡出現。穩定運行后,只有少量細小氣泡出現30 單向閥內有大量氣泡流出 排氣管內有少量細小氣泡出現漏油量10 穩定運行后,10 min單向閥出油量為2.7 L 穩定運行后,10 min內排氣閥出油量為4.2 L

2 試驗驗證

2.1 試驗裝置

圖10 整車試驗相關照片

針對不同結構的濾清器進行整車起動性能試驗來驗證其對起動性能的影響。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。試驗中，通過排空粗濾器中的燃油模擬低壓油路系統進氣，起動后運行5 min，保證濾清器中充滿燃油。整車試驗相關照片見圖10。

試驗車輛為裝配某電控柴油機的牽引車。原車低壓油路配置除水放心濾+燃油粗濾器+燃油精濾器。

2.2 試驗步驟

1)排除低壓油路系統中的空氣，起動，記錄起動時間，運行5 min。

2)停車，排除粗濾器中的燃油，再次起動，記錄起動時間，運行5 min。

3)停車20 min，再次起動，記錄起動時間，運行5 min。

4)更換配置，重復步驟1～3。

2.3 試驗方案

共設計10個試驗方案,各方案的起動時間見表2。

表2 不同配置方案起動時間 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，起動效果較好。

3 不同方案實施可行性對比

針對這幾種方案在實際使用中的可行性做進一步分析，見表3。

考慮到成本及實際情況，現在應用較多的是帶排氣孔粗濾、帶中間管粗濾及帶放氣閥結構。

表3 不同方案實施情況對比

4 結論

粗濾器帶排氣孔可以排出粗濾器內的空氣，但并不能從根本上解決發動機難起動問題；在精濾上增加單向閥的結構可以將精濾器中的空氣隨發動機運行排出，發動機的起動時間較短，是一種較好的改善電控柴油機起動性能的方法。

影響高壓共軌燃油系統柴油機起動性能的因素很多，低壓燃油系統進氣是其中之一，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更好。