正压燃油回路在挖掘机上的使用研究

孙 耀

（日立建机（上海）有限公司，上海 200131）

引言

近年来国内工程机械市场的发展非常迅速，各类非道路设备保有量巨大，随着国内经济的转型，为了节能减排，控制大气污染，国家近年逐步加强对排放的控制力度。环保部联合国家质量监总局于2014年5月16日发布了《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段）》，文件要求，自2014年10月1日起，凡进行排气污染物排放型式核准的非道路移动机械用柴油机都必须符合该标准。

对于工程机械行业来说，上述标准的发布对设备的发动机整体设计、燃油系统设计、尾气后处理等方面都提出了更高要求。其中，燃油喷射系统选择显得尤为重要，国内市场上主流的工程机械厂商在新规则出台后，都推出了新一代产品，搭载了EGR（Exhaust Gas Recirculation）废气再循环、尿素处理等装置，燃油系统则基本上都使用了高压共轨。

如今国内的燃油品质也在逐步提高，如硫磺是燃油系统主要危害成分之一，在GB252 2015第二阶段中要求，必须严格限定硫含量低于50ppm。在排放规制要求越来越严的大背景下，高压共轨成了各大产商的优先选择。但是，常规燃油回路混入空气的话，高压柱塞泵处仍会高温炭化，产生杂质，从而威胁燃油部件。本文提出的正压燃油回路可以有效减少空气进入高压共轨系统，降低部件磨损的风险。

笔者所在的日立建机有限公司在ZX-3型挖掘机上已搭载过高压共轨，囿于当时国内燃油品质，而且使用了普通燃油回路，当时的市场使用效果并不乐观，故障率较高，所以，后续机型没有继续使用高压共轨，直至最新的ZX-5A推出。

1 高压共轨与常规燃油回路

发动机的燃油喷射系统设计较为复杂，集合了机械、液压、电子控制等技术。为适应各种工况下恶劣的工作环境，柴油在进入燃烧室燃烧之前必须经过过滤和增压。经过共轨增压后，燃油在合适的时间以一定的喷射速率喷射到每一个气缸内，加上ECM（发动机控制模块）控制EGR废气再循环等系统，可以达到最佳的燃烧效果和最少的废气排放。

1.1 高压共轨的特点

“高压”是指燃油喷射系统的压力高，与搭载传统喷射系统的柴油机相比要高很多。如日立建机生产的ZX200-5A型挖掘机，使用了搭载高压共轨的五十铃4HK发动机，最高工作压力能达到160MPa左右，压力大的结果是柴油雾化效果好，能够在燃烧室形成最佳的空燃比，燃烧更加充分。

“共轨”是指“共用油轨”，简单来说喷油器共用一个供油管。燃油经过滤芯过滤后，进入高压油泵加压，加压后的高压燃油并不稳定，存在波动，不利于喷油器雾化喷射。可以通过一根“共用油轨”进行稳压、滤波，最后均匀分配相同压力和质量的燃油到各喷油器。共轨内部的燃油压力大小和发动机的转速无关，即发动机转速变化不会影响到共轨压力的变化。

与传统喷射系统相比，采用高压共轨的发动机运转更加平稳、排放少，同时也具备更好的燃油经济性。

1.2 常规燃油系统的连接

以4HK发动机为例，共轨系统主要由“高压供油泵”和“共轨”两部分组成。高压供油泵由次摆线泵、sCV（sucking Control Valve）阀、高压柱塞泵组成，其中，次摆线泵会进行初次加压，sCV阀进行压力控制，高压柱塞泵进行高压增压。共轨还配置有压力限制器（当共轨压力异常上升超过180MPa时，压力限制器会打开释放压力）。

燃油回路的常规连接方式如图1所示（红色表示压力油路），燃油由油箱被抽离，首先到达燃油预滤芯，随后经过电动燃油泵，再进入燃油主滤芯，接着进入次摆线泵初次加压，随后通过sCV阀到高压柱塞泵二次加压，加压后的燃油进入高压共轨分配至各喷油器燃烧，这样的连接方式类似串联回路。

图1 常规燃油回路与高压共轨连接示意图

1.3 常规燃油系统存在的问题

发动机运转时，高压柱塞泵会产生巨大的压力。以ZX200-5A为例，低怠速800rpm时，高压柱塞泵加压后共轨压力为40MPa；高怠速1700rpm时，共轨压力为50MPa；高怠速HP模式斗杆溢流操作时，共轨压力可以达到116MPa。

当燃油滤清堵塞时，电子燃油泵不足以提供发动机所需要的流量，产生的负压会导致空气被一起吸入。在如此高的压力下，如果在燃油箱或滤芯处有空气混入，此连接会导致空气直接进入次摆线泵，无法在泵内释放，只能进入高压油泵加压，没有办法在柱塞泵后面设置过滤装置进行过滤。

由理想气体状态方程pV=nRT初步推算（R=8.3J/(mol·K）），吸入的空气在高压柱塞泵内压缩时会出现高温化（0号柴油的燃点为257℃），此时必然会引起燃油的炭化，产生碳颗粒杂质，且空气越多，炭化越激烈，产生的杂质越多。

如图2所示，含有杂质的高压燃油沿红色虚线路径直接进入喷油器，到达喷油器的节流孔、控制阀芯、喷针，对这些部件造成磨损。大量的杂质积累后还会导致喷油器卡滞，使喷油器发生内泄或堵死。单个喷油器出现故障会造成功率下降，若多个喷油器或出现故障，发动机最终将无法工作，直接停机。

图2 碳颗粒磨损喷油器示意图

笔者在2011年在技术支援部工作时，每月判定的燃油系统索赔案件中，有相当一部分故障喷油器的最终调查结果均表明是碳颗粒杂质造成的。当时正值ZX-3型挖掘机的销售和使用高峰，ZX-3使用高压共轨燃油喷射系统，燃油回路采用了常规连接，不能消除空气，空气会径直进入高压油泵。

2 正压式燃油回路

正压式燃油回路顾名思义，即燃油回路内有正向压力，该压力由次摆线泵建立，约1.1MPa，充当排气回路的压力。通过压力回路将空气和部分燃油“挤压”到油箱里，排除空气后的燃油进入高压柱塞泵加压，此时因为空气已基本被排除，炭化现象将得到抑制。

2.1 正压燃油回路的连接

基于普通回路做变更，通过初次压力将空气“挤走”，具体连接如图3所示（蓝色表示排气回路，红色表示压力回路）。燃油从燃油箱被抽出，经过燃油预滤芯和电动燃油泵，然后通过高压油泵的外侧管路进入次摆线泵。

次摆线泵进行加压之后的燃油约有1.1MPa，此时再通过外接管路将加压之后的燃油引至燃油主滤芯油口A。燃油主滤芯座上有三个油口（A、B、C），经过油口A的压力燃油进入滤芯座，混有空气的燃油通过带有节流孔（节流孔直径约1.5mm）的螺塞，通过油口C，直接流回至燃油箱。排除空气后的燃油则由油口B流至sCV阀，到达高压柱塞泵，由于排除了空气，燃油在此处加压不会有炭化现象。

图3 正压燃油回路连接示意图

2.2 正压燃油回路效果可视化

正压燃油回路可以排出大量空气，但是从实机上无法看到这一过程。为直观展现正压燃油回路对空气排出效果，将过程可视化，笔者参与设计并制作了如图4所示的正压燃油回路可视化模板，以运用在实际的油路分析和教学当中。

该可视化模板主要使用安装在树脂面板上的七枚ZYIA面板式流量计（最大流量4L/min），连接到试验台架上的4HK发动机上，各部件都按实际工作情景连接。将油管连接各流量计，流量计均由透明的树脂制作，通过流量计将各油管内部燃油的流动情况可视化。

图4 正压燃油回路模板可视化展示

启动试验台架上的发动机后，可以通过模板观察排气情况，如图5所示。启动开始后，将发动机转速逐步提高到怠速1200rpm左右，此时流量计B上显示的流量约为1.5L/min，无气泡（左一）；流量计A显示的流量很小，低于0.5L/min，也无气泡（左二）。

保持1200rpm的转速不变，在燃油箱吸油管侧人为混入空气，此时流量计B显示的流量约为1.5L/min，气泡非常明显（右一），证明空气进入了高压油泵侧；流量计A显示的流量约为0.6L/min，有大量气泡出现（右二），证明系统内大量的气泡通过正压回路的油口C返回了燃油箱，进入到高压柱塞泵的燃油基本没有空气。该可视化模板清晰的展示出了正压燃油回路的排气效果。

图5 正压燃油回路排气效果展示

3 正压回路使用效果确认

笔者联合日立建机技术支援部，对市场上正在运行的部分挖掘机进行了故障率分析。搭载普通回路的挖掘机数据统计参考ZX-3级别，搭载正压回路挖掘机的数据参考ZX-5级别，如上文提及，两者主要区别在于是否采用正压燃油回路，统计结果如表1所示。结果显示，通过导入正压燃油回路后，燃油系统的故障率下降，正压燃油回路的使用效果明显。

4 结语

本文提出的正压燃油回路在高压共轨燃油喷射系统中的使用，能够减少空气的混入，在燃油进入高压柱塞泵之前，就将空气排至燃油箱，避免高压柱塞泵产生碳颗粒杂质，减少磨损，有效保护了喷油器等核心部件。不仅降低故障率，提高发动机的使用寿命，而且减少客户停机时间和维修成本。对于工程机械燃油系统的选用，特别是对高压共轨燃油喷射系统的连接方式，有着良好的借鉴意义。

表1 燃油系统故障率统计*