高压共轨技术

高压共轨技术 我国先后引进了日本五十铃公司N系列轻型卡车用的J系列直喷式柴油机、意大利依维柯轻型客车用的索菲姆8140系列直喷式增压柴油机以及美国康明斯公司的B系列直喷式柴油机等。引进的这些相当于国外20世纪80年代先进水平的汽车柴油机均装用德国博世公司或日本电装公司和杰克赛尔公司生产的VE型分配 式喷油泵。 至今，我国安装VE型分配式喷油泵的各类汽车柴油机的保有量已有几十万台，市场维修量相当可观。但是，与我国生产和使用历史较长的直列式柱塞喷油泵相比，VE型分配式喷油泵由于在我国的使用时间较短，结构类型和附件种类又较多，许多汽车柴油机的使用和维修人员对VE型分配式喷油泵的基本结构、工作原理、使用维修和装配调整等方面的知识尚缺乏基本了解，致使在使用和维修中出现的问题较多，往往因使用或调整不当而导致汽车动力不足，甚至大量冒黑烟等不良后果。为此，我们详细介绍VE型分配式喷油泵的基本结构、工作原理、使用维修和装配调整，供使用和维修人员在实际工作中参考。 一、概述 分配式喷油泵简称分配泵，是一种较为新颖的柴油机燃油喷射泵。与直列式柱塞喷油泵相比，分配泵仅用一对柱塞偶件就可以向2,6个汽缸供油。其结构简单，零件少，体积小，质量轻，特别适合于小型高转速柴油机使用。因此，国外在中小汽车，特别是轿车上得到了广泛的应用。 分配泵按其结构形式可分为转子式分配泵和单柱塞式分配泵。20世纪中叶英国 CAV公司开发了DPA型转子式分配泵，60年代我国也曾仿制批量生产过，配国产丰收型拖拉机。由于这种转子式分配泵性能尚有一些缺陷，70年代末即停止生产。70年代中期，德国博世公司开发出了VE型单柱塞式分配泵(如图1所示)。其结构简单，性能完善，体积小，质量轻，很快受到全世界柴油机制造厂商的青睐，获得了广泛推广，成为世界上生产批量最多的多缸喷油泵。随后，日本电装公司和杰克赛尔公司先后引进德国博世公司的专利技术生产VE型分配泵。与直列式柱塞喷油泵相比，VE型分配泵具有许多优点: 1.体积小，零件少，质量轻(如表1所示)。 2.供油均匀性好。VE分配泵的供油均匀性完全由制造精度保证，有助于降低柴油机的噪声。 3.高速适应性好。直列式柱塞喷油泵最高转速为2000r/min，而VE分配泵可达 到3000r/min。 4.直列式喷油泵燃油与润滑油分开，密封性要求较高，一旦柴油泄漏稀释机油，会加速机件磨损，易引发故障。而VE分配泵泵体内部充满柴油，具有自润滑作用，无需定期更换机油。 5.VE分配泵的各种控制机构有相对的独立性。可按柴油机的不同需要，组合成相应的控制机构。 6.VE分配泵采用电磁阀控制燃油的通断，在汽车上的操作灵活方便。 7.VE分配泵具有防逆转功能，可以防止柴油机反转。 8.VE分配泵在柴油机上的安装位置灵活，水平、垂直安装均可。 与直列泵相比，VE分配泵零件的加工精度要求较高，而且对材料材质和热处理的要求较严格，对柴油的清洁度的要求也较为苛刻。满足这些条件才能确保喷油泵的正常运转和应有的使用寿命。VE分配泵的基本技术规格如表2所示，其编号方法及其含义说明如图2所示。 二、基本结构和工作原理 1.基本结构及功能 VE分配泵喷油系统的油路如图3所示。柴油机启动前，先用手动泵泵油，通过顶盖上的溢流阀排除柴油管路中的空气。柴油机运行时，由曲轴齿轮带动分配泵的传动轴。其前端的滑片式输油泵将柴油从油箱中抽出，经过柴油滤清器和油水分离器，滤掉柴油中的杂质和水份后进入输油泵，使柴油压力升高。然后进入分配泵泵体内，再经过电磁阀进入柱塞腔。当柱塞向上运动时，压缩柴油产生高压，经柱塞中的油道和出油孔，分配到泵体上相应汽缸的油道，再经过出油阀、高压油管和喷油器喷入对应的汽缸。泵体内多余的柴油从顶盖上的溢流阀返回油箱。柴油如此循环流动既可带走油路中的气泡和零件摩擦产生的热量，又可润滑各个运动零件。与此同时，泵体内的柴油压力控制提前器，相应改变喷油提前角。 分配泵是系统中的核心部件(如图4所示)，它主要由以下四部分组成: (1)传动供油部分(如图5所示) 传动轴通过十字联轴器带动平面凸轮盘旋转，再带动柱塞旋转。柱塞弹簧和弹簧座将柱塞压在凸轮盘上，使柱塞在旋转的同时又作往复运动。这样，柱塞腔中的柴油既被压缩产生高压，又通过柱塞中的出油孔分配到泵体上相应汽缸的油道，经出油阀、高压油管和喷油器喷入对应的汽缸。 (2)调速控制部分(如图6所示) 传动轴上的齿轮带动飞锤座和飞锤旋转，飞锤的离心力推动调速套筒轴向移动。经调速机构拨动柱塞上的油量控制套筒随转速变化而左右移动，改变其右侧棱边与柱塞上径向卸载孔的相对位置(如图4所示)，从而达到随转速变化来控制供油量变化的目的。 (3)滚轮座及提前器(如图7所示) 滚轮座上装有四个滚轮，通过圆柱销与提前器活塞联接。当泵体内柴油压力变化时，推动提前器活塞移动，带动圆柱销使滚轮座转动，改变滚轮与平面凸轮盘凸起的相对位置，从而达到改变供油提前角的目的。 (4)输油泵及调压阀(如图8所示) 滑片式输油泵旋转时，由于转子与泵壳偏心，滑片之间的容积变化而将柴油加压到0.6,0.8 MPa，进入泵体内腔，而调压阀则用来调节柴油压力。当柴油压力太高时，调压活塞打开回油口，柴油返回进油口，使压力下降。压力越高，弹簧压缩量越大，油孔开启截面积越大，回油量就越多，起到自动调节输油压力的作用。由于调压阀的作用，输油泵产生的油压随着油泵转速(即发动机转速)增加而成正比提高，从而使供油提前角随转速提高而线性加大，满足柴油机高效燃烧的要求。 2.供油及分配的基本原理 VE分配泵柱塞、分配套筒(即柱塞套)和平面凸轮盘的相对位置如图9所示。首先介绍凸轮与柱塞上进、出油槽相互之间的相位。 对于四缸柴油机而言，分配泵的平面凸轮盘上有四段凸轮型线，相互间隔90?;滚轮座中装有四个滚轮，相互间隔也是90?。柱塞顶端有四条进油槽，圆周上有一条出油槽，相应的分配套筒上有一个进油孔和四个出油孔。油泵传动轴每转过90?，在凸轮和柱塞弹簧的配合作用下，拉推柱塞左右往复运动一次的同时转动90?，柱塞就相应完成一次进油、压油和分配的供油过程。这样的供油过程重复四次，分别向四个汽缸喷油。在柴油机的一个工作循环中，分配泵传动轴旋转一周。 对于六缸柴油机而言，分配泵的平面凸轮盘上有六段凸轮型线，相互间隔60?;滚轮座中装有四个滚轮，但相互间隔分别为60?和120?。柱塞顶端有六条进油槽，而圆周上仍只有一条出油槽，相应的分配套筒上也有一个进油孔和六个出油孔。油泵传动轴每转过60?，柱塞就完成一次进油、压油和分配的供油过程。这样的供油过程重复六次，分配泵传动轴旋转一周。 无论是四缸分配泵还是六缸分配泵，柱塞完成一次进油、压油和分配的供油过程是相同的，现详述如下: (1)进油过程 当平面凸轮最高点与滚轮接触时，柱塞处于上止点。平面凸轮盘继续转动，滚轮沿平面凸轮下降段下滑，柱塞下行并同时旋转，其进油槽与分配套筒上的进油孔接通，此时柱塞上的出油槽已转过分配套筒上的出油孔而关闭，柴油经过电磁阀和分配套筒上的进油孔进入柱塞腔。当柱塞到达下止点进油过程结束时，平面凸轮已旋转到最低点与滚轮接触。 (2)压缩喷油过程 当平面凸轮盘继续旋转时，滚轮沿凸轮的上升段升起，柱塞上行压缩柴油，并同时旋转使其上的进油槽转过分配套筒上的进油孔而关闭。而出油槽与分配套筒上的出油孔接通，随着柱塞的继续上行，高压柴油经出油阀、高压油管和喷油器喷 入汽缸。 (3)供油结束 当柱塞上升到一定程度，柱塞上的卸载孔露出控制套筒的控制平面，柱塞腔内的高压柴油经柱塞的中心油道卸载，油压迅速下降，供油结束。 (4)均压过程(如图10所示) 供油结束以后，柱塞已旋转到其均压槽与分配套筒上的出油孔相通的位置上，出油孔与出油阀之间的分配油道通过柱塞上的均压槽和环槽与泵体内腔接通，使各缸这一段分配油道之间的压力在喷射开始前保持一致，从而改善分配泵各缸之间的供油均匀性。 VE分配泵采用改变供油结束点相对凸轮的位置(即控制套筒的控制平面与柱塞上卸载孔的相对位置)，来改变供油的有效行程(如图11所示)。由调速器根据转速和负荷来调节控制套筒的位置，其控制平面越往右，卸载孔露出的相位越迟，供油结束越晚，供油有效行程越大，供油量就越多。反之，供油量减少。 3.停油电磁阀 如图12所示，停油电磁阀的电路由点火开关控制: ST —— 柴油机启动时，电磁阀由汽车蓄电池直接供电，电压较高，克服弹簧力迅速开启。 ON —— 柴油机正常运转时，电磁阀一直通电。为了减少电磁阀发热，延长电磁阀的使用寿命，串联入一个降压电阻，使电磁阀电压减小到能保持阀芯吸住在开启位置的最低值。 OFF —— 电磁阀断电，阀芯在弹簧力的作用下落座，切断进油通道，柴油机停机。 (end) 这种高压电磁阀控制的分配泵的尺寸、安装条件、输油泵、滚轮和平面凸轮盘传动结构以及由脉冲电磁阀控制的提前器与上述VE-EDC电控分配泵大体相同，最重要的新部件有高压电磁阀、转角传感器和油泵电子控制单元。 1(高压电磁阀 高压电磁阀由阀体、阀针和油泵电控单元控制的电磁线圈组成，作为一个独立的部件安装在分配泵泵头中心。它必须满足下列要求: (1)具有较大的开启截面，确保即使在高转速时高压腔也能充分进油; (2)低的运动质量，响应特性好，确保燃油定量的精确度; (3)磁力大，以适应高的燃油压力。 燃油由滑片式输油泵经泵头和高压电磁阀输送到高压腔。高压电磁阀接通的时刻确定了喷油泵的供油始点，它可以处在凸轮的下止点或凸轮型线的上升段。高压电磁阀关闭(断电)就确定了油泵的供油结束点，因此高压电磁阀的接通时间确定了喷油量。高压腔内产生的高压经出油阀和高压油管输送到喷油嘴。由于压力波的动力效应，嘴端喷油压力可高达140MPa。 由于没有其他的进油口，因此当高压电磁阀一旦发生故障，燃油即停止喷射，这样就可防止发动机因失控而“飞车”。 (转角传感器 2 转角传感器总成包括传感器、传感器在驱动轴上的支承环和带固定齿距的触发轮(如图9所示)。传感器产生的脉冲信号输入到油泵电控单元，并由一个评估电路进行处理。传感器与滚轮座圈互相连接，这样就保证了当提前器使滚轮座圈转过一个角度时能正确地将角度增量与平面凸轮盘位置联系起来。 3(油泵电控单元 油泵电控单元安装在油泵顶部，它具有下列主要功能: (1)通过总线系统与发动机电控单元进行数据交换; (2)转角传感器信号的评估; (3)高压电磁阀的控制; (4)提前器脉冲电磁阀的控制。 这种油泵电控单元的工作原理与上述VE-EDC电控分配泵大体相同，其中也存入了控制分配泵工作的各种特性曲线。它不仅考虑了针对特定汽车使用中的调节参数和确定的发动机特性，而且还可以检查所收到的信号的可信度，是分配泵控制的神经中枢。 (2)两极式调速器 两极式调速器基本结构如图24所示。其调速弹簧和部分负荷弹簧套在弹簧拉杆上,并且预压缩装在保持架内(如图26所示)。两弹簧之间有一个可以在弹簧拉杆上移动的隔套,调速弹簧装在隔套的左边。两个限位块装在拉杆上,并可以在保持架上滑动。调速弹簧刚度最大,部分负荷弹簧刚度次之,稳定弹簧和启动弹簧最软。 ?启动过程(如图25所示) 启动时,驾驶员利用控制手柄将保持架向左移动,使张力杆停靠在泵体固定销M3上,启动弹簧推动调速套筒左移,使飞锤收拢。此时启动杆以M2为支点逆时针转 控制套向右移动到启动加浓位置,供油量最大。发动机启动以后,转速增加,动, 飞锤由于离心力的作用向外张开,使调速套筒克服启动弹簧力向右移动,启动杆以M2为支点顺时针转动,将控制套向左移动,供油量减少,启动加浓过程结束。 ?怠速运转(如图26所示) 启动以后,驾驶员松开油门踏板,控制手柄回复到怠速限位螺钉位置,保持架向右移动,张力杆离开固定销M3,和启动杆一起以M2为支点顺时针转动,控制套向左移动,供油量减少。飞锤的离心力与怠速弹簧、稳定弹簧和启动弹簧的合力相平衡保持发动机怠速稳定运转。 ?部分负荷运转(如图27所示) 部分负荷时,控制手柄在高速限位螺钉和怠速限位螺钉之间的位置。当发动机转 飞锤离心力加大,推动调速套筒、启动杆和张力杆,使启动弹速高于怠速转速时, 簧、怠速弹簧和稳定弹簧压缩,同时使启动杆和张力杆绕支点M2顺时针转动,拉动弹簧拉杆进而压缩调速弹簧。当拉力超过部分负荷弹簧压力时,进一步压缩部分负荷弹簧。当这些弹簧压缩产生的合力与飞锤离心力相平衡时,发动机稳定运转。 然而,部分负荷时不同的转速范围,参与作用的弹簧的状态是不一样的,如图28所示。在低速运转范围(调速特性曲线(1)到(2)的范围)内,稳定弹簧压缩量为?S1,飞锤离心力与稳定弹簧力相平衡。在中速运转范围调速特性曲线(2)到(3)的范围)内,飞锤离心力将稳定弹簧完全压缩,同时保持架内的部分负荷弹簧压缩量为?S2,控制套的位置由控制手柄位置(发动机负荷)和油泵转速来决定。例如:控制手柄位置(3)不变时,飞锤离心力与各弹簧力保持平衡。当发动机转速突然下降时,控制套的位置沿(2),(4)线向(2)方向移动,供油量增加,使转速又自动增加恢复到原状。反之,发动机转速上升,控制套的位置沿(2),(4)线向(4)方向移动,供油量减少,使转速又自动下降恢复到原状。假如控制手柄位置(3),转速一定,控制手柄位置变化,则控制套的位置沿箭头向a或b方向变化。 ?标定工况运转(如图29所示) 标定工况时,控制手柄紧靠在高速限位螺钉上,保持架向左移到极限位置,稳定弹簧和部分负荷弹簧被完全压缩,张力杆靠在泵体固定销M3上,调速弹簧刚度最大,飞锤离心力与调速弹簧力相平衡。此时,发动机在标定工况的负荷和转速下稳定运转。 ?最高空载转速(如图30所示) 当负荷突然消失,转速上升到超过标定转速以后,飞锤离心力克服保持架中调速 继续压缩调速弹簧,使张力杆和启动杆绕支点M2顺时针转动,弹簧的预压缩力, 把控制套拨向左移动,供油量随之迅速减少。当转速超过最高转速时,柱塞上的卸载孔露出控制套平面,供油中断,从而使最高空转转速不超过规定值。 (3)全程式调速器与两极式调速器的比较 全程式调速器的供油特性曲线如图31(A)所示。驾驶员通过与油门踏板相连的控制手柄直接改变调速弹簧的预紧力。控制手柄位置不同,调速弹簧的预紧力也不同,调速器起作用的转速就不同,如图31中(1),(5)各点。如果控制手柄在由(4)位置决定的调速特性线上a点稳定工作,此时若控制手柄稍稍放松,控制套先按图31中粗实线箭头所指的方向向减速方向移动,先移到另一个工况(3)的最高转速,再沿着位置(3)的调速特性线向b点移动,供油量增加直到b点稳定工作。 两极式调速器的供油特性曲线如图31(B)所示。当控制手柄在由(4)位置决定的调速特性线上a点稳定工作时,若控制手柄稍稍放松,控制套先从a点转移到另一个工况(3),再沿着位置(3)油量增加的方向移到b点稳定工作。 在上述相同的条件下,两极式调速器加速或减速(控制手柄位置变化),其控制套 的移动距离(喷油量变化的幅度)比全程式调速器要小,因此可减轻加减速时由于喷油量变化而引起的振动,舒适性较好,适合于负荷变化较小的乘用车。 6.负校正机构 为了保证柴油机在高速时有足够的功率,而在低于最大扭矩转速的运转工况能适当地减少供油量,以防止低速重负荷时冒黑烟。而柱塞式喷油泵的供油特性理论上随转速变化供油量不变,实际上是随着转速的降低供油量略有增加,这与上述要求正好相反,因此必须予以校正。 全程式调速器和两极式调速器都可以安装机械式负校正机构。现以安装机械式负校正机构的两极调速器为例来说明机械式负校正机构的基本结构和工作原理。 如图32所示,机械式负校正机构是在原调速部件的启动杆上增加一根负校正杆,其上方用固定销M4与启动杆连接。负校正杆上有一个固定支点B和受负校正弹簧控制的负校正轴支点A。当控制手柄紧靠在高速限位螺钉上时,怠速弹簧、稳定弹簧和部分负荷弹簧都已完全被压缩,A和B点与调速器张力杆相接触。如图33所示,当转速从N4继续升高时,飞锤离心力加大,校正杆便以B点为支点逆时针转动,压缩校正弹簧,校正杆上的M4支点推启动杆绕M2支点逆时针转动,控制 供油量增加,从而获得随转速增加供油量增加的校正效果。供油量增套向右移动, 加的多少(负校正油量)由图32中所示的负校正行程S决定,而负校正开始的转速N4(负校正转速)取决于负校正弹簧的刚度及其预紧力。(未完待续)