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共轨高压油泵结构、工作原理和仿真模型分析 |
摘要：高压共轨燃油喷射系统可实现压力可调、独立控制喷油正时、喷油速率变化和喷油量，因此它可以极大提高柴油机动力性能和燃油经济性，实现低排放、低噪音。在高压共轨系统中，共轨管的燃油由高压油泵压入。因此高压供油泵的供油能力，对整个柴油发电机组共轨系统的工作性能有重要的影响。康明斯公司在本文以AVL开发的燃油喷射系统仿真软件HYDSIM为工具，建立康明斯QSK38系列高压油泵的试验、仿真模型，并进行了试验验证。运用系统模型研究了高压泵结构参数对高压油泵供油效率的影响。
一、高压油泵主要组成部分
柴油机高压油泵主要由泵体、凸轮轴、柱塞、配油泵、调节阀和压力控制器等部件组成，如图1所示。
1、泵体
如图2所示。泵体是高压油泵的主要承载部件，通常由铸铁或铸钢制成。泵体内部包含了吸油孔、排油孔和油路通道等结构，起到固定和密封油液的作用。
2、凸轮轴
如图3（a）所示。凸轮轴是高压油泵的驱动部件，通常由钢铁制成。凸轮轴上的凸轮通过连杆和柱塞相连，转动时推动柱塞往复运动，从而实现燃油的进、排。也有部分机型采用偏心轮驱动方式，结构如图3（b）所示。
3、柱塞
柱塞是高压油泵的核心部件，通常由高强度材料制成。柱塞通过凸轮轴的推动，沿着柱塞导向套筒的轴向往复运动，从而改变油路的断续性，实现燃油的高压输送。
4、配油泵
配油泵是高压油泵的辅助部件，通常由齿轮泵或柱塞泵构成。配油泵负责为高压油泵提供稳定的低压油源，保证高压油泵的正常工作。
5、调节阀
调节阀是高压油泵的控制部件，通常由电磁阀或机械结构构成。调节阀通过控制油泵的进油量和排油量，调节燃油的压力和流量，以满足柴油机不同工况下的需求。
6、压力控制器
压力控制器是高压油泵的保护部件，通常由压力传感器和控制模块构成。压力控制器可以实时监测高压油泵的工作压力，当压力超过设定值时，及时采取措施保护高压油泵和柴油机。
7、溢流阀
如图4所示。在定量泵节流调节系统中，高原油泵提供的是恒定流量。当系统压力增大时，会使流量需求减小。此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即泵出口压力恒定（阀口常随压力波动开启）。
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图1 电控柴油机高压油泵组成 |
图2 电控柴油机高压油泵泵体结构图 |
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图3 电控柴油机高压油泵驱动方式 |
图4 电控柴油机高压油泵溢流阀 |
二、高压油泵工作原理与特点
1、高压油泵的原理
柴油机高压油泵的工作原理主要分为吸油、加油和排油三个阶段。
（1）吸油阶段
当凸轮轴转动时，凸轮推动柱塞向外运动，此时泵腔内形成负压，吸入低压油源。配油泵通过供油孔向泵腔提供稳定的低压油，确保泵腔内的油液充足。
（2）加油阶段
凸轮继续推动柱塞向外运动，泵腔内的油液被挤压，形成高压油。调节阀控制油泵的进油量和排油量，以调节燃油的压力和流量。
（3）排油阶段
当凸轮继续转动，凸轮轴上的凸轮离开柱塞，柱塞由弹簧的作用下向内运动，泵腔内的油液被排出。排油孔通过油路通道将高压油送往喷油嘴，完成对柴油机的喷油工作。
通过以上工作原理，柴油机高压油泵可以实现燃油的高压输送，确保柴油机正常运行。
2、高压共轨系统的特点
高压共轨系统改变了传统的喷油系统的组成结构，最大的特点就是将燃油压力产生和燃油喷射分离，以此对轨管内的油压实现精确控制。
① 可靠性
对康明斯来说系统零部件成熟且有长期使用考核验证，中型比较成熟。
② 继承性
结构简单，安装方便。
③ 灵活性
高压共轨油压独立于发动机转速控制，整机控制功能强。
④喷油压力
共轨管压力1600bar、普通压力180kgf/cm2。
⑤ 多次喷油
可以实现多次喷射，目前最好的共轨系统可以进行6次喷射，共轨系统的灵活性好。
⑥ 升级潜力
多次喷油特别是后喷能力使得共轨系统特别方便与后处理系统配合。
⑦ 匹配适合性
结构移植方便，适应范围广，与柴油机均能很好匹配。
⑧ 时间控制
时间控制系统抛弃了传统喷油系统的泵-管-嘴系统，用高速电磁阀直接控制高压燃油的通与断，喷油量由电磁阀开启和切断的时间来确定，时间控制系统结构简单，将喷油量和喷油正时的控制合二为一，控制的自由度更大，同时能较大地提高喷油压力。
⑨ 环保
高压共轨式燃油喷射技术有助于减少柴油机尾气排放量，以及改善噪声、燃油消耗等方面的综合性能。
三、高压油泵仿真模型分析
1、高压油泵供油过程的数学模型
高压油泵柱塞腔的连续方程为：
Qνh=Qh-Qhk-Qho-Qlh.......................（公式1）
式中，Qνh——柱塞腔压力变化所引起的压缩油量变化；
Qh——柱塞瞬时压入油量；
Qhk——通过出油阀流出的流量；
Qho——柱塞腔流向低压管道的流量；
Qlh——柱塞腔泄露流量。
Vh/E=（dPh/dt）=fh（dH/dt）-（δk×μk×fk）×（√2/ρ|Ph-Pk|）-｛γ×μ0×fo×（√2/ρ|Ph-Po|）｝-（πdhδh3/12ηLh）（Ph-Po）.......................（公式2）
式中，E——燃油弹性模量；
η——燃油动力粘度；
μ——流量系数；
d——直径；
L——长度；
f——流通截面积；
H——柱塞升程；
V——容积；
下标h——柱塞；
下标k——出油孔（阀）；
下标o——回油孔通道。
δ和γ——阶越函数，取0或1。
当高压供油泵的柱塞参数确定后，油泵的实际单循环供油量和进油阀、出油阀、余隙容积有关。
2、仿真系统模型的建立
本文利用康明斯公司的高压供油泵进行研究，该高压供油泵为两缸柱塞泵，在凸轮旋转一周内，两柱塞间隔60度凸轮转角交替向共轨管供油。采用AVL公司开发的专用燃油系统仿真软件HYDSIM对高压泵的供油过程进行建模。在系统建模时，作了处理：
（1）认为燃油温度在主轴一个循环过程中不变，取为40℃;
（2）燃油的密度、运动粘度、体积模量是压力的函数；
（3）将共轨近似看作空心圆柱体；
为验证该模型的准确性，进行该系统典型工况的平台试验，
由图5可见，系统仿真得到的轨压波动曲线和实验测试得到的轨压波动曲线变化趋势相同，误差也不是很大。另外，系统仿真模型对高压泵主轴旋转50周的供油量计算值为156.5mL,而相对应的实验测量值为156mL,误差约为0.32%。由此可见，系统的仿真模型可以正确的反应该高压供油泵的特性，可以用于该高压供油泵的仿真研究。
3、模型运行及分析
利用建立的仿真模型对高压共轨燃油喷射系统的高压油泵供油过程进行仿真计算，并对高压供油泵的结构参数对油泵供油性能的影响进行分析。
（1）余隙容积的影响
余隙容积影响柱塞腔高压的建立，余隙容积越大，柱塞腔的高压建立时间越长，从而柱塞有效供油行程越小，容积效率越低。余隙容积对高压泵的容积效率的影响，如图6所示。
由仿真结果可知，油泵容积效率随着余隙容积的增大而减小。随余隙容积的减小，容积效率的增大，扭矩峰值也随之增大。如图7所示。
（2）进油阀结构参数的影响
进油阀弹簧的预紧力决定着进油阀的开启压力，开启压力的大小影响进油阀的开启/关闭情况，因而对油泵供油效率产生影响。
图8为进油阀开启压力对容积效率的影响，可见，进油阀的开启压力太高或太低都不利于高压油泵的容积效率。这是因为进油阀弹簧预紧力太小，则进油阀关闭动作缓慢，而弹簧预紧力太大时，又不利于进油阀的开启，从而造成回油量的增多或进油量的减少。
（3）出油阀结构参数的影响
在仿真计算中，通过改变出油阀开启压力的大小计算单循环的供油量，发现出油阀开启压力大小对容积效率几乎没有影响。这是由于高压共轨管保持着高压，油泵出油阀腔通过高压油管与共轨管相通，所以出油阀腔也一直保持高压。出油阀弹簧的预紧力相对于于出油阀腔的压力来说是很小的，所以出油阀的开启/关闭主要还是由柱塞腔和出油阀腔的压力差决定，因此出油阀的弹簧预紧力大小对油泵性能几乎没有影响。
4、结论
用所建的模型能较好地反映某型高压供油泵的工作过程，通过运用HYDSIM进行模拟计算，避免了盲目试验，减少了工作量，大大缩短了改进周期，同时还可验证以往经验设计的正确性。由防真计算可知：
（1）柱塞腔的余隙容积的大小影响高压供油泵的容积效率。在高压泵的设计中，应适当减小余隙容积，当然该容积也不能过小，因为余隙容积的减小一定程度，扭矩峰值将增大。另外余隙容积太小，可能产生液击。
（2）进油阀的弹簧预紧力和进油阀的弹簧刚度对高压泵的容积效率会产生影响，可根据实际情况综合考虑选择适当的开启压力和弹簧刚度。
（3）出油阀弹簧的预紧力对油泵性能几乎没有影响。但在高压泵的设计中，可以选择较小的出油阀弹簧预紧力，以减小出油阀的跳动。
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图5 共轨管压力波动试验与仿真对比曲线 |
图6 余隙容积对高压油泵效率的影响 |
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图7 余隙容积对高压油泵扭矩的影响 |
图8 进油阀参数对高压油泵性能影响曲线 |
总结：
柴油机高压油泵是柴油机燃油系统中的关键部件，其结构复杂，包括泵体、凸轮轴、柱塞、配油泵、调节阀和压力控制器等部件。高压油泵通过凸轮轴的驱动，使柱塞往复运动，实现燃油的进、排。同时，配油泵、调节阀和压力控制器的协同工作，保证了燃油的压力和流量的稳定性。柴油机高压油泵的正常工作对于柴油机的性能和动力输出至关重要。
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