郝其山,范寧霞,劉俊杰

(1.內(nèi)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(tǒng)柴油機的應(yīng)用，發(fā)動機起動難或發(fā)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(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(tǒng)[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(fā)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(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，無法進入出油口，燃油從中間管底部進入出油口。在發(fā)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(nèi)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(nèi)的空氣全部排出后再起動發(fā)動機。

該結(jié)構(gòu)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(fā)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(tǒng)運行情況對整體產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計，緩解燃油系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)在濾清器腔體內(nèi)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(jié)構(gòu)圖。發(fā)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(shè)計主要應(yīng)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(jīng)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(zhì)的形式[10]，但成本會高一些。

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)動機起動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(jié)構(gòu)

帶單向閥低壓油路工作原理見圖6。發(fā)動機工作時，在油壓作用下，單向閥開啟，濾清器內(nèi)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(nèi)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(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)裝一個浮動開關(guān)。當?shù)蛪河吐窋嘤秃?，浮子下降關(guān)閉燃油通路;燃油充滿時，浮子關(guān)閉出氣口，打開供油口。該部件只是一個浮動開關(guān)，沒有濾清功能，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，當發(fā)動機工作時，分離器內(nèi)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(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是將浮動開關(guān)裝在濾清器座內(nèi)，當柴油機工作時，柴油經(jīng)進油口進入濾清器，從出油口流出。當系統(tǒng)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(chǎn)品模擬發(fā)動機運行時工況，并記錄存氣情況。發(fā)動機工作時，自動排氣的濾清器內(nèi)浮動開關(guān)與排氣孔之間一直有間隙，排氣會持續(xù)進行，因排氣口處沒有壓力，與單向閥試驗結(jié)果對比可以看出其漏油量較大。試驗結(jié)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(fā)現(xiàn)氣泡出現(xiàn)。單向閥有大量氣泡流出 開始運行時,排氣管內(nèi)有大量氣泡出現(xiàn)。穩(wěn)定運行后,只有少量細小氣泡出現(xiàn)30 單向閥內(nèi)有大量氣泡流出 排氣管內(nèi)有少量細小氣泡出現(xiàn)漏油量10 穩(wěn)定運行后,10 min單向閥出油量為2.7 L 穩(wěn)定運行后,10 min內(nèi)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(guān)照片

針對不同結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(guān)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(tǒng)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(shè)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(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 不同方案實施情況對比

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)動機難起動問題；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)動機運行排出，發(fā)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(tǒng)柴油機起動性能的因素很多，低壓燃油系統(tǒng)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。