康明斯PT燃油系统工作原理及流动阻力特性

摘要：PT燃油泵作为康明斯发电机组的专利燃油系统也被大家慢慢有所认识，由于其深奥的工作原理使康明斯柴油机的故障排除更有特殊性。康明斯公司在本文中在PT燃油系统工作原理基础上，对其粘性流体在管道中流动现象作科学的解析，通过改变燃油泵内部结构、调整部件位置，正确的满足了康明斯柴油机燃油曲线的要求，同时阐述了喷油器在工作中的四个过程。

一、PT燃油系统的流动阻力及其特性

康明斯发电机组使用的PT燃油系统是根据粘性流体在管道及缝隙中流动压力变化的基本规律，粘性流体流经小孔口的自由流出现象而设计的。通过调整PT燃油泵的各部件形状及管道阻力大小来改变燃油系统的压力P、粘性液体流经小孔口的时间T，更好的满足了康明斯柴油机的工况改变每循环供油量随着改变的特性要求。

粘性流体在管道及缝隙中流动其流体微团之间有相对运动，相互间必将产生切应力对流体运动形成阻力，称为流动阻力。要维持流动就必须克服阻力，从而消耗能量、降低压力。按照流动的边界情况阻力可分为沿程阻力及局部阻力。

1、沿程阻力

发生在沿程边界形状变化不很大的区域，一般在缓变流区域。主要是由于流体与壁面、流体质点间存在着摩擦力，沿程损失以压力△Pn表示。

△Pn=φL/d·v²/2g................................（公式1）

式中：φ——表示沿程阻力系数，它与流体的粘度、流速、管道的内径及管壁粗糙度等有关，是一个由试验确定的数据；L——表示管道长度；d——表示管道直径；v——理论平均速度。

2、局部阻力

发生在流道边界形状急剧变化的地方，一般在急变流区域，例如流道弯曲、过流截面突然扩大或缩小、设置阀门的地方。流体为了克服局部阻力而消耗的能量以压力△P叔表示。

△Pa=ξu²/2g................................（公式2）

式中：ξ——表示局部阻尼系数，是一个由试验确定的数据。

3、粘性流体流经孔口的水力现象

孔口出流时，如果孔口过流截面上各点流速可看成是均匀的，称为小孔口。当液体从压力容器出流于大气压下的容器中时称为自由出流。当孔口断面中心的压力大于98kPa时，则可以认为断面上各点速度均匀，可作为小孔口出流。小孔口出流在收缩截面上流线相互平行，符合缓变流条件。

在一个带有压力的容器中，其下部有一个直径很小的孔，粘性液体从小孔口流入无压力的小容器中，对流过小孔口的流体写出贝诺里方程

P₁/qg+H+a₀v₀²/2g =P_c/qg+a₀v₀²/2g+ξ_cv_c²/2g................................（公式3）

式中：P₁——表示容器内压力；p_c——表示小孔口收缩截面形心点压力；v₀—表示液体流过小孔口的流速；ξ_c——表示孔口局部阻力系数；q——表示流体粘度系数；a₀、v₀、g——表示相对参数。

若P₁的值比较大，a₂等于1，P₁-P_c等于△P时，上式变为

v²=k△P................................（公式4）

式中：k——决定于流体性质、截面形状与尺寸的系数；△P——小孔口（计量孔）前后压力差。

PT燃油系统是美国Cummins公司应用于康明斯发电机组的专利技术。其中P指的是PT燃油泵输出的燃油压力；T指的喷油器允许燃油流入油杯的有效时间。

二、PT燃油系统的工作原理

PT燃油泵根据康明斯柴油机的不同转速调整出适当的燃油压力P，在该转速喷油器确定的有效时间T内流入喷油器的油杯。流入油杯的循环油量Q取决于燃油压力P和流动时间T。

1、PT燃油系统的供油量计算

PT燃油系统每循环供油量：

Q=v'AT cm³/循环................................（公式5）

式中：Q——每循环供油量，cm³/循环；v'——液体的流速，cm/s；A——计量孔的面积，cm²；T——计量孔开启时间，s。

液体经过节流截面（计量孔）的流速v²=k△P，同时

v'=k₁*n................................（公式6）

式中：k₁——为一常数；n——表示曲轴转速。

由以上公式可得

△P=k₂·n²................................（公式7）

同时

T=k₃/n................................（公式8）

将（6）、（8）公式代入（5）式可得某一工况下每循环供油量

Q=v'AT=k₁·n·A·k₃/n=k₁·A·k₃=k₄（常数）................................（公式9）

从（7）式说明，康明斯柴油机转速变化时，喷油器计量孔前后的压差正比于康明斯柴油机转速的平方。这样的变化不是康明斯柴油机所要求的，因为当康明斯柴油机负荷不变时，每循环供油量随康明斯柴油机转速应几乎不变；从（9）式看出康明斯柴油机在某一工况下，当康明斯柴油机的转速增加时，由于计量孔开启时间缩短，压差虽有所增加，但每循环供油量k₄不变，如图1所示。PT燃油系统的基本组成是由油箱、燃油滤清器、PT燃油泵、低压输油管、喷油器、摇臂、推杆、喷油凸轮和回油管等组成。PT燃油泵主要包括齿轮泵、磁性滤清器、脉冲膜片调压器、两极调速器、VS全程调速器、节流轴、电磁阀等。另外特殊康明斯柴油机还配有AFC冒烟限制器、EFC电子调速器、ASA空气信号衰减器等。

2、燃油系统组成

（1）油箱作为康明斯柴油机燃料储备部件，应处在康明斯柴油机的较低部位，一般应有排油阀、通气孔、回油孔、吸油孔、加油孔等附件。

（2）燃油滤清器是防止大于0.6μm的杂质进入燃油系统而堵塞管路。

（3）齿轮泵是普通低压2.25MPa的齿轮泵，其输出压力特性如（6）、（7）式的要求。

（4）脉冲膜片调压器的作用是吸收齿轮泵产生的压力波，使燃油系统的压力稳定。

（5）磁性滤清器装有永久磁性的滤网，过滤齿轮泵工作时产生的铁屑或杂质。

（6）两极调速器作用是稳定康明斯柴油机较低转速，限制较高转速。在较低、较高转速之间两极调速器不起作用，康明斯柴油机的供油量由操作员调速杆控制。

（7）VS全程调速器与机械式全程调速器的工作原理基本相同，不但使康明斯柴油机低速惰转稳定、限制较高转速，而且在变负荷工况下，保证康明斯柴油机在操作员调速杆控制转速附近运行。带有VS全程调速器的PT泵，两极调速器的油门轴处于较大开度并固定不动，从两极调速器来的燃油流经VS全程调速器后才到电磁阀，再去喷油器。

当康明斯柴油机在某一工况稳定工作时，若负荷突然增加，转速下降，飞块离心力减小，柱塞左移，VS全程调速器的油孔开度增大，油道阻力减少，燃油压力增大，康明斯柴油机每循环供油量也增加，使康明斯柴油机转速升高，转速趋向稳定。

VS全程调速器可保持康明斯柴油机在怠速到额定转速任一转速稳定运转，只要操作员手动调速杆控制在不同的位置，即可调节康明斯柴油机转速。

（8）节流轴（旋转油门轴）受油泵调速杆控制，节流轴的转动改变油道的阻力，调整燃油系统的供油压力，调整每循环供油量，适应各种工况下对康明斯柴油机转速的需要。

当节流轴完全关闭时，节流轴里面仍有少量的燃油流过，其目的是保证特殊工况下有足够的燃油润滑和冷却喷油器。节流轴泄漏量的调整是极其严格的。泄漏量太大，则康明斯柴油机减速性差并造成怠速不稳定；泄漏量太小，则康明斯柴油机加速性差并容易造成“失速”现象。通过调整限位螺钉来调节节流轴的泄漏量。

（9）电磁阀也是停机阀。标准电磁阀由线圈、阀壳体、片状弹簧、阀片、手动调节螺钉等部件组成。当通电时，电磁阀的阀片被电磁力所吸引，油路打开。相反，断电时阀片在回位弹簧的作用下，关闭油路，停止供油。康明斯柴油机停机。当电磁阀失灵时，可用手动调节螺钉将阀片打开，接通油路。

（10）喷油器是将燃油引入各个燃烧室中去的装置。它有计量、定时和喷射作用。

（11）摇臂、推杆、回油管作为燃油系统的辅助部件是不可少的。

（12）AFC冒烟限制器、EFC电子调速器、ASA空气信号衰减器等装置是特殊环境下的特殊装置。

康明斯柴油发电机燃油压力曲线图

三、喷油器工作过程

喷油器按其结构型式分为上止式喷油器和非上止式喷油器两种。上止式喷油器的喷油行程已调整到康明斯柴油机要求的尺寸，在安装时，采用小扭矩法调整各部件之间的间隙为零即可。

非上止式喷油器可根据各种康明斯柴油机型号要求的喷油行程调整。喷油器按其工作过程可分为4个阶段。

1、旁通阶段

喷油器处于停止供油状态，喷油柱塞在较低位置，喷油器内部进回油道相通。这时燃油对喷油器进行冷却，并排除油道中的气体，康明斯柴油机在作功冲程和排气冲程中喷油器柱塞一直处于这一状态。

2、计量阶段

在进气冲程后不久，随喷油器凸轮外型曲线的变化，喷油柱塞在弹簧的作用下升起，进、回油道切断，旁通阶段结束。燃油流入喷油器的油杯，开始计量。在压缩冲程中，喷油器柱塞缓慢下行，直至接近封闭计量孔，计量结束。

3、准备喷射阶段

计量结束后，喷油器柱塞下行到一定的位置，下部的油杯及油道产生一定的压力，使止回球阀落到球座上，关闭进油道。喷油器柱塞继续下行把油道与油杯分开，并排除油杯中的气体，为喷射作好准备。

4、喷射阶段

在康明斯柴油机压缩冲程接近终了时，喷油器凸轮外型曲线又有突然的变化，使喷油器柱塞快速下行，把油杯里的燃油以103.49MPa的高压喷入汽缸内，同时进、回油道联通，燃油又开始旁通阶段。