客車油路分析計(jì)算及研究

劉元啟，鄭琦巍，吳國(guó)堅(jiān)，占國(guó)強(qiáng)，吳俊濤

（江西博能上饒客車有限公司，江西 上饒 334100）

柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)是其重要組成部分。其作用是將一定數(shù)量的清潔柴油，以足夠高的壓力，在準(zhǔn)確的時(shí)間內(nèi)噴入氣缸，與壓縮空氣混合，以保證柴油在氣缸內(nèi)燃燒。供油系統(tǒng)的好壞，必然會(huì)影響到氣缸內(nèi)燃油的燃燒質(zhì)量，同時(shí)也將影響柴油機(jī)的性能和可靠性。因此，良好的油路是保證柴油機(jī)正常啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)[1]。

1 上饒客車油路及參數(shù)

上饒SR6115TH型客車燃油系統(tǒng)原理圖[2]如圖1所示，由油箱、粗濾器、除水放心濾、輸油泵、精濾器、高壓油泵、高壓共軌管、噴油器、高低壓油管、電控單元、傳感器等零部件組成。

燃油系統(tǒng)的工作過(guò)程：在輸油泵吸附力的作用下，柴油從油箱中吸出，流經(jīng)粗濾器、除水放心濾、精濾器，然后進(jìn)入高壓油泵變成高壓燃油，經(jīng)高壓油管進(jìn)入高壓共軌管，然后根據(jù)柴油機(jī)的工作狀態(tài)，定時(shí)定量將高壓燃油送至各個(gè)噴油器，在噴油器的霧化下噴入燃燒室。從高壓油泵、共軌管和噴油器溢流出來(lái)的燃油經(jīng)回油管返回油箱[3]。

SR6115TH型客車油路參數(shù)如表1所示。

2 油路布置設(shè)計(jì)基本要求

上饒SR6115TH型客車發(fā)動(dòng)機(jī)采用BOSCH高壓共軌柴油機(jī)。其燃油系統(tǒng)自帶高壓油路部分組件，作為客車生產(chǎn)企業(yè)，主要設(shè)計(jì)低壓油路部分。

2.1 油箱布置設(shè)計(jì)要求

1）燃油箱最高液面線以上的膨脹空間應(yīng)大于總?cè)莘e的5%，以避免因燃油吸熱產(chǎn)生的體積膨脹而使燃油溢出。

2）燃油箱應(yīng)設(shè)置通氣孔，通氣口流量不小于340 L/h，阻力不超過(guò)5 kPa，一般φ1.5 mm的通氣孔已足夠使燃油箱通氣。

3）燃油箱的吸油管口應(yīng)大致設(shè)在離燃油箱底部25 mm處，并設(shè)置網(wǎng)眼型過(guò)濾器，以防止吸入燃油箱內(nèi)沉淀的水和雜質(zhì)。

4）進(jìn)、回油管端口必須在液面以下，回油管口低于進(jìn)油管口，兩者的間隔應(yīng)大于300 mm，以防回油溫度過(guò)高，產(chǎn)生氣泡進(jìn)入進(jìn)油管，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難。

5）燃油箱底部應(yīng)有放油螺塞，以便按期清除掉燃油箱底部沉積的水和沉淀物。

2.2 管路布置設(shè)計(jì)要求

1）從燃油箱到發(fā)動(dòng)機(jī)輸油泵之間的進(jìn)油管路內(nèi)徑應(yīng)有足夠的尺寸，以確保輸油泵進(jìn)油阻力不超過(guò)13 kPa[7-8]。從發(fā)動(dòng)機(jī)回油接頭到燃油箱之間的回油管路的回油阻力不應(yīng)超過(guò)69 kPa[7]。燃油箱進(jìn)回油管長(zhǎng)度、內(nèi)徑和壓力設(shè)計(jì)要求如表2所示。

表2 燃油箱進(jìn)回油管設(shè)計(jì)要求[9-10]

2）進(jìn)油和回油管路材料應(yīng)具有較好的耐油性和抗老化性；能在-40℃～100℃范圍內(nèi)安全可靠地工作；在內(nèi)外壓差100 kPa時(shí)，不會(huì)吸扁或開裂。

3）燃油系統(tǒng)必須具有很好的密封性，各管路及接頭處不應(yīng)泄漏或進(jìn)氣，否則發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難，或速度響應(yīng)性變差。

2.3 燃油預(yù)濾器（粗濾器）選擇要求

為了防止燃油箱和燃油管路內(nèi)的雜質(zhì)和沉淀物進(jìn)入輸油泵，在底盤或車身上必須安裝燃油預(yù)濾器。預(yù)濾器必須安裝在易于日常檢查和維護(hù)的位置上。燃油預(yù)濾器的額定流量應(yīng)不小于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油濾清器的流量。

上饒SR6115TH型客車燃油系統(tǒng)中油箱內(nèi)無(wú)燃油預(yù)濾器（粗濾器），而是在油箱外安裝了粗濾器和除水放心濾（注：除水放心濾也就是油水分離器，本質(zhì)是一種兼具除水和過(guò)濾的粗濾器。理論上只需安裝一個(gè)粗濾器即可，但BOSCH高壓共軌系統(tǒng)對(duì)燃油的品質(zhì)、清潔度要求非常高，而國(guó)內(nèi)油品的品質(zhì)達(dá)不到。燃油系統(tǒng)常常多安一個(gè)柴油粗濾器以實(shí)現(xiàn)多級(jí)過(guò)濾、凈化油品的目的），有以下兩種方案，如圖2所示。

圖2中的陰影部分“柴油粗濾器”方案一為“帶手油泵的粗濾器”，方案二[11]為“燃油水寒寶007”，并安裝控制開關(guān)?！叭加退畬?07”本質(zhì)上是一種帶有電動(dòng)燃油泵的粗濾器。“燃油水寒寶007”的控制開關(guān)安裝在駕駛室內(nèi)，以方便駕駛員操作。

經(jīng)過(guò)多輛上饒SR6115TH型客車的測(cè)試論證，帶手油泵粗濾器的客車出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)泵油困難、發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常連續(xù)起動(dòng)、起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)、需多次才能起動(dòng)的現(xiàn)象。帶“燃油水寒寶007”的客車，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能良好，解決了油路易進(jìn)氣、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難的難題。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之前，這個(gè)電動(dòng)裝置既可以提供足夠的燃油量，又可以實(shí)現(xiàn)油路快速排氣，并且操作容易，降低了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。試驗(yàn)證明，方案二優(yōu)于方案一。

2.4 燃油選擇要求

發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性受燃油品質(zhì)的影響很大，要正確使用燃油。一般根據(jù)使用環(huán)境，按燃油的冷濾點(diǎn)選擇輕柴油牌號(hào)，見(jiàn)表3。

表3 根據(jù)使用環(huán)境選擇輕柴油的牌號(hào)

如發(fā)動(dòng)機(jī)常常在-18℃環(huán)境下工作，如西藏、新疆、青海、內(nèi)蒙古、黑龍江等地，建議采用燃油加熱器，以保持在10℃燃油霧點(diǎn)以上的溫度，防止燃油中蠟結(jié)晶堵塞燃油濾清器，防止未經(jīng)過(guò)濾的燃油擊穿燃油濾清器而流入發(fā)動(dòng)機(jī)油道。

3 客車油路系統(tǒng)模型及計(jì)算

本文所研究的油路是上饒SR6115TH型客車原有燃油系統(tǒng)中的一部分（進(jìn)油低壓油路），模型如圖3所示。

油箱液面相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)輸油泵進(jìn)油口中心處的高度差為1 m。下面根據(jù)流體力學(xué)[12]的知識(shí)，利用圖3油路系統(tǒng)模型，分析計(jì)算SR6115TH型客車原油路進(jìn)油阻力、燃油系統(tǒng)供油能力；討論最低允許油位及油箱合理的安裝位置高度，為燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

3.1 進(jìn)油阻力特性的計(jì)算和驗(yàn)證

進(jìn)油阻力設(shè)計(jì)要求[7-8]：阻力指標(biāo)基于燃油箱半滿狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入輸油泵的最大原始阻力不得超過(guò)100 mmHg（13 kPa）。

進(jìn)油阻力損失Pw包括進(jìn)油管阻力P進(jìn)油管、濾清器阻力P濾、除水濾阻力P除水三部分阻力損失，即Pw＝P進(jìn)油管＋P濾＋P除水。

進(jìn)油管可視為粘性流體的有壓管。根據(jù)流體力學(xué)中有壓管中流動(dòng)及能量損失的知識(shí)，可以得出進(jìn)油管阻力：

式中：Pf為沿程水頭壓力損失，Pa；Pj為局部水頭壓力損失，Pa；λ為沿程損失系數(shù)；ζ為局部損失系數(shù)；l為進(jìn)油管長(zhǎng)度，m；d為進(jìn)油管內(nèi)徑，m；ρ為燃油的密度，kg/m3；υ表示管中燃油的流速，m/s。

首先確定燃油在進(jìn)油管中的流速υ＝4Q/πd2

雷諾數(shù) Re＝vd/γ=4Q/πdγ

式中：Q表示進(jìn)油管中燃油的流量，m3/s；γ表示燃油的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

根據(jù)表1參數(shù)得出，

υ＝4×260×10-3/3600/3.14×（14×10-3）2＝0.469 4 m/s

Re＝4×10-3×260×10-3/3 600/3.14×14×10-3×3.048×10-6＝2 156＞臨界雷諾數(shù) Re0＝2 000。由于2 000＜Re＜40 000，所以進(jìn)油管中的燃油流態(tài)為層流和紊流的過(guò)渡區(qū)。

工程上為方便起見(jiàn)，當(dāng)Re＞Re0=2 000時(shí)，流態(tài)常以紊流計(jì)算[12]。

紊流光滑區(qū)的布拉修斯公式：λ＝0.316 4/Re0.25＝0.316 4/2 1560.25＝0.046 433

查文獻(xiàn)[12]可得，進(jìn)口阻力系數(shù)ζ進(jìn)＝0.5；上饒SR 6115TH型客車進(jìn)油管有一個(gè)90°彎管，其局部阻力系數(shù)ζ彎管＝0.685，則進(jìn)油管局部損失系數(shù)ζ＝ζ進(jìn)＋ζ彎管＝0.5＋0.685＝1.185。代入相關(guān)數(shù)據(jù)得

進(jìn)油管阻力P進(jìn)油管＝2 973.285 Pa，則進(jìn)油阻力Pw＝P進(jìn)油管＋P濾＋P除水＝22.973 kPa＞13 kPa

以上計(jì)算說(shuō)明，該型客車原燃油系統(tǒng)的進(jìn)油阻力過(guò)大，不能滿足進(jìn)油阻力設(shè)計(jì)要求，其中很大一部分原因是由于多安了一個(gè)柴油粗濾器（原因見(jiàn)前）。為了解決進(jìn)油阻力設(shè)計(jì)要求、油品品質(zhì)兩者之間的矛盾，需用一個(gè)電動(dòng)燃油泵來(lái)代替原手動(dòng)燃油泵，以增大流量，克服阻力。而“燃油水寒寶007”正能滿足這樣的要求（用007取代帶手油泵的粗濾器的主要目的是增大流量，克服阻力，順利排氣，解決發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難的難題。理論上只需安裝一個(gè)粗濾器即可，但BOSCH高壓共軌系統(tǒng)對(duì)燃油的品質(zhì)、清潔度要求非常高，而國(guó)內(nèi)油品的品質(zhì)達(dá)不到，所以燃油系統(tǒng)仍要多安裝一個(gè)除水放心濾?，F(xiàn)在用電動(dòng)燃油泵后還是不能保證一級(jí)過(guò)濾的效果有兩級(jí)過(guò)濾的效果好）。

3.2 燃油系統(tǒng)供油能力的計(jì)算

燃油系統(tǒng)供油部件為輸油泵，其供油能力可以用燃油的最小吸附力和輸油泵進(jìn)口處的最大吸油壓力來(lái)表示。輸油泵吸油壓力除了需要克服進(jìn)油阻力外，還需要克服重力阻力，并為燃油提供一定的動(dòng)能和足夠的壓力。下面計(jì)算柴油機(jī)燃油的最小吸附力和輸油泵理論上所需要的最大吸油壓力。圖3中取截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ(如圖3中所示)，列伯努利方程[12]：

可得 P1－P2＝ρgΗ＋+Pw

式中： Ζ1、Ζ2，P1、P2，υ1、υ2，α1、α2分別為選定的截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ上任一相對(duì)于選定基準(zhǔn)面的高度，m；管中燃油的絕對(duì)壓力，Pa；管中燃油的流速，m/s；動(dòng)能修正系數(shù)。g表示重力加速度，kg·m/s；hw表示水頭損失，m；Pw表示水頭壓力損失，Pa。

這里 ρ＝0.833 g/mL＝833 kg/m3，g＝9.8 m/s2，Ζ2－Ζ1＝Η≥1 m（輸油泵的吸油提升高度≥1 m），α1=α2＝1.0，可近似認(rèn)為υ1＝0 m/s，υ2按輸油泵的流量來(lái)計(jì)算，即υ2＝υ＝0.469 4 m/s，水頭壓力損失 Pw＝22 973.285 Pa，P1可近似認(rèn)為為大氣壓力 Pa，即 P1＝Pa＝1.01×105Pa ，P2等于輸油泵進(jìn)口處的吸油真空度Pi（絕對(duì)壓力），即P2＝Pi。

代入數(shù)據(jù)得

即燃油所需的最小吸附力 P吸附力（min）＝31 kPa，輸油泵進(jìn)口處所需最大吸油壓力（吸油真空度）Pi(max)＝70 kPa（絕對(duì)壓力）。

上饒SR6115TH型客車的輸油泵實(shí)際吸油壓力為35 kPa＜Pi(max)＝70 kPa。輸油泵的實(shí)際吸油壓力可以滿足理論上輸油泵所需要的最大吸油壓力。以上計(jì)算說(shuō)明，該客車不存在輸油泵的吸油真空度過(guò)大、燃油的吸附力過(guò)小的情況。

3.3 油箱安裝位置高度

這里油箱安裝位置高度Η0是指燃油箱半滿狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸油泵進(jìn)油口中心處到燃油箱液面的高度。輸油泵進(jìn)油口中心位于油箱液面之上時(shí)，Η0為正。

下面計(jì)算分析當(dāng)油箱中油液處于半滿狀態(tài)時(shí)，油箱安裝位置高度Η0對(duì)燃油吸附力、輸油泵進(jìn)口處吸油真空度Pi的影響。

上式中，Pi是輸油泵進(jìn)口處的絕對(duì)壓力，即輸油泵進(jìn)口處的吸油真空度，故Pa－Pi是泵進(jìn)口處燃油吸附力，則有油箱安裝位置高度

若Η0＜0，油箱液面處于輸油泵進(jìn)油口中心處之上，油箱中的油液會(huì)經(jīng)回油管向噴油泵泵體內(nèi)倒灌。一般要求，油箱液面不能高于噴油泵中心（濰柴發(fā)動(dòng)機(jī)輸油泵在噴油泵前端，輸油泵高度和噴油泵高度大致相等）。當(dāng)/2g+Pw/ρg＝2.821 m 時(shí)，Pi＞Pa，進(jìn)油管內(nèi)為正壓。

若Η0≥0時(shí)，油箱液面處于輸油泵進(jìn)油口中心處之下；當(dāng) 0≤Η0＜4.956 m 時(shí)，100 kPa＜Pi＜35 kPa，進(jìn)油管內(nèi)為負(fù)壓，符合表2中設(shè)計(jì)要求（博世系統(tǒng)電控柴油機(jī)的齒輪泵進(jìn)口壓力一般為0.35×105～1.0×105Pa絕對(duì)壓力）[10]。

考慮到以上分析是油箱處于半滿狀態(tài)（h油位＝0.345 m）下得出的，并考慮到濾清器變臟后阻力會(huì)增大，再經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，油箱安裝位置高度Η0最佳可取值的范圍為0.345～1 m。在此范圍內(nèi)，當(dāng)Η0↓，P吸附力↓，Pi↑，即當(dāng)油箱安裝位置越高時(shí)，燃油所需的吸附力越小，燃油輸油泵所需要的吸油真空度越大，燃油越容易吸入。

3.4 最低允許油位的計(jì)算

1）P吸附力、Pi與油位 h油位的關(guān)系：

當(dāng)油箱的安裝位置固定時(shí)，Ζ2一定，Pa為大氣壓力，可認(rèn)為不變；當(dāng) h油位↑，P吸附力↓，Pi↑。即當(dāng)油箱油位越高時(shí)，燃油所需的吸附力越小，燃油輸油泵所需要的吸油真空度越大，燃油越容易吸入。

2）設(shè)計(jì)要求決定油箱油位不能過(guò)低，必須保證一定的儲(chǔ)油量。進(jìn)、回油管端口離油箱底部的高度不低于25 mm，則進(jìn)、回油管設(shè)計(jì)要求決定的油箱最低油位為25 mm。

3）對(duì)于流量較大的燃油輸油泵，要求油箱儲(chǔ)油量大于燃油輸油泵5 min最大泵油量[13]。上饒SR6115TH型客車所用濰柴WP10.290柴油機(jī)的燃油輸油泵流量QL為260 L/h，發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，最大泵油量是發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下獲得的。燃油輸油泵5 min最大泵油量為5 min×260/60 L/min＝30 L，即油箱儲(chǔ)油量必須大于30 L，則油箱最低油位30×106／（1 350×450）mm＝49.38 mm。再考慮到進(jìn)油管吸油口離油箱底部的高度25 mm，上饒SR6115TH型客車燃油系統(tǒng)油箱最低允許油位為74.38 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

BOSCH高壓共軌系統(tǒng)對(duì)燃油油路要求非常苛刻，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題，軌壓都不能正常建立，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)起動(dòng)困難。這就要求要非常重視整個(gè)燃油油路。

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