高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)用新型油泵的研究

胡小剛

摘要：本文介紹了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展前景和趨勢，分析了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理，重點(diǎn)研究了博世（BOSCH）高壓共軌系統(tǒng)CR系列，通過對高壓泵進(jìn)行三維建模和有限元分析，結(jié)合高壓泵的效率、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等建立供油能力數(shù)學(xué)模型，找出供油能力與高壓泵結(jié)構(gòu)之間的函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：高壓共軌；有限元分析；三維建模；供油能力

0前言

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消耗對環(huán)境的影響受到全世界的關(guān)注。而車用發(fā)動(dòng)機(jī)則是當(dāng)下能源消耗大戶，持續(xù)降低油耗、節(jié)約能源成為一項(xiàng)漫長而艱巨的任務(wù)。當(dāng)前，車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放物是造成環(huán)境污染的重要來源，其中有害排放物有氮氧化物、未燃燒碳?xì)浠衔铩㈩w粒、一氧化碳等，這些物質(zhì)對人體和環(huán)境有極大的危害。為了進(jìn)一步解決氮氧化物和顆粒的排放較高問題，諸多柴油機(jī)噴射系統(tǒng)采用了高壓共軌噴射系統(tǒng)。該系統(tǒng)既提高柴油機(jī)整機(jī)性能，又減少了排放。高壓共軌泵作為高壓共軌系統(tǒng)重要部件，關(guān)系到系統(tǒng)的整體運(yùn)行，本文重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)方面對其分析和研究，并對高壓泵供油能力進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

1高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，是本世紀(jì)新型綠色柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)，它采用壓力時(shí)間計(jì)量原理淘汰了以前慣用的脈動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確控制高速電磁閥的啟閉時(shí)間，控制共軌中的進(jìn)油量，完成對共軌中燃油壓力精準(zhǔn)控制，使噴油壓力不會隨柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化；另外，經(jīng)過ECU準(zhǔn)確計(jì)算，控制了各缸噴油電磁閥，實(shí)現(xiàn)1次或多次燃油噴射，徹底分離了噴油壓力的產(chǎn)生及燃油的噴射過程，噴油量、噴油壓力和噴油定時(shí)的柔性控制得以實(shí)現(xiàn)。（圖１）

目前，世界上很大公司都研制了各自的共軌系統(tǒng)，本文重點(diǎn)分析相對成熟的且大量上市的博世公司的CR系統(tǒng)。博世公司于1997 年推出了第一款系列生產(chǎn)的共軌系統(tǒng)。名稱源自為所有氣缸提供燃油的高壓蓄能器（共軌）。其他柴油噴射系統(tǒng)是分別為每次噴射產(chǎn)生燃油壓力，而共軌系統(tǒng)則是將壓力產(chǎn)生和噴射互相分隔開來。燃油以噴射所需的壓力持續(xù)供應(yīng)。CR系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過對高壓泵、噴射器、油軌和電子控制裝置組合調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)為從最小型的乘用車到重型汽車在內(nèi)的多種類型車輛提供適用的系統(tǒng)。

2高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)簡介

為了進(jìn)一步解決NOx和顆粒PM的排放較高的問題，諸多柴油機(jī)噴射系統(tǒng)均采用高壓共軌噴射系統(tǒng)。德國的博世公司是柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域的先驅(qū)和領(lǐng)導(dǎo)者。以博世CR系列的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)為例，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基本工作原理為：輸油泵（齒輪泵）將燃油經(jīng)過濾器從油箱吸出，再經(jīng)過濾，以較低的壓力輸往高壓泵（柱塞泵）。然后該油路分為兩路：一路先通過安全閥小孔流過高壓泵的凸輪軸室，接著流過壓力控制閥，最后回油。另一路先經(jīng)高壓泵柱塞腔，再到共軌管。共軌管通過軌壓傳感器實(shí)時(shí)測量壓力，還有一個(gè)溢流閥，執(zhí)行電控單元指令，反復(fù)啟閉回油通路實(shí)現(xiàn)共軌壓力控制。燃油從共軌管流向噴油器后又分為兩路：一路從打開的電磁閥回油，一路進(jìn)入到燃燒室。

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)主要部分的功能如下：輸油泵：為高壓泵補(bǔ)油；高壓油泵，為高壓油軌提供高壓燃油；共軌管：能讓高壓泵供油和噴油器噴射引起的壓力波動(dòng)盡可能小的共軌容積，并保證能在啟動(dòng)時(shí)迅速建立壓力，起著蓄能作用。

3高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中高壓泵的分類及作用

當(dāng)前柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)中使用的高壓泵主要有兩類，分別是直列柱塞式共軌高壓泵和徑向柱塞式共軌高壓泵。

本文重點(diǎn)研究博世高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的高壓泵，其為徑向柱塞泵。高壓泵的任務(wù)是壓縮燃油并按照發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面的要求提供合適壓力的燃油。要做到這一點(diǎn)，它會不斷地將燃油送入高壓蓄壓器（共軌），以保持系統(tǒng)供油壓力。壓力產(chǎn)生與發(fā)動(dòng)機(jī)無關(guān)，也就是說，發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時(shí)也能夠產(chǎn)生所需的壓力。實(shí)物和結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4高壓泵關(guān)鍵元部件三維建模

首先確定博世高壓共軌泵的基本結(jié)構(gòu)并對關(guān)鍵元部件進(jìn)行三維建模。

驅(qū)動(dòng)、泵油部件等其它部件共同組成了共軌系統(tǒng)的高壓泵。驅(qū)動(dòng)部件包含凸輪軸、柱塞彈簧等，它最重要的部分為凸輪軸，直接關(guān)系到燃油壓力的建立及供油速率和供油效率。泵油部件包括柱塞偶件，柱塞偶件包含了柱塞、柱塞套，高壓泵的供油速率和死容積受柱塞升程和直徑的直接影響，它供油效率的高低取決于柱塞偶件配合間隙的設(shè)計(jì)。故共軌系統(tǒng)高壓泵中最需要研究的兩個(gè)關(guān)鍵部件是凸輪軸部件幾柱塞偶件。

高壓泵的凸輪軸是驅(qū)動(dòng)高壓泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件。凸輪軸設(shè)計(jì)的好壞是影響高壓泵供油規(guī)律的關(guān)鍵因素。本文通過Pro/E對高壓泵凸輪軸進(jìn)行三維建模，重點(diǎn)研究凸輪軸的受力分析圖、并校核了凸輪軸危險(xiǎn)截面的安全系數(shù)。（圖４）

柱塞和柱塞套組成了高壓泵的柱塞偶件，它們是最基本元件，也是供油的核心部件。柱塞在柱塞套內(nèi)上下往返移動(dòng)，形成高壓泵的吸油、壓油行程。要求柱塞、柱塞套的配合非常好，間隙在1.5~3um之間。實(shí)際情況是：泵端壓力與燃油泄漏量成正比，高壓共軌系統(tǒng)中高壓泵柱塞偶件的間隙泄露問題主要出現(xiàn)在高壓泵端蓋壓力超過2000bar時(shí)。但是考慮到柱塞桿的功能多樣性，并且本文只研究起壓縮燃油作用的柱塞偶件，所以本文通過簡化模型，將柱塞桿簡化為一根“光桿”。通過Pro/E建立柱塞偶件三維模型，為后續(xù)有限元分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5高壓泵關(guān)鍵元部件有限元分析

（1）通過分析軟件ANSYS的Workbench模塊，本項(xiàng)目詳細(xì)計(jì)算了高壓泵凸輪軸的三維建模部分，同時(shí)校核了它的危險(xiǎn)截面強(qiáng)度。為抓住重點(diǎn)，分析主要部位，本項(xiàng)目將對不屬于承力部件且會影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量的凸輪軸倒角、圓角和螺紋等進(jìn)行去除，簡化凸輪軸模型。然后對凸輪軸有限元模型進(jìn)行施加約束和載荷，找出其最大主應(yīng)力和等效應(yīng)力的臨界點(diǎn)。通過分析，判斷凸輪軸的設(shè)計(jì)強(qiáng)度能否滿足要求，在受力最苛刻條件下是否會失效。（圖５）endprint

（2）高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)高壓泵開發(fā)的難點(diǎn)在于高壓泵中燃油的泄漏。這個(gè)問題倍受矚目，因?yàn)樾孤┊a(chǎn)生后果極其嚴(yán)重。影響高壓泵供油效率的核心參數(shù)是柱塞腔燃油泄漏量，燃油在高壓下通過柱塞和柱塞套間的徑向間隙的泄漏是泄漏核心來源，泄漏主要是柱塞偶件在高壓下的徑向變形導(dǎo)致的。泄漏燃油在柱塞間隙中的流動(dòng)形式很復(fù)雜，一是間隙兩端存在壓差，二是柱塞內(nèi)圓面和柱塞套外圓面之間有相對運(yùn)動(dòng)，所以，Couette、Poiserolle流兩種流動(dòng)形式的疊加才是柱塞偶件中的泄漏燃油的流動(dòng)形式。（圖６）

本項(xiàng)目將利用分析軟件ANSYS的Workbench模塊，對已經(jīng)設(shè)計(jì)建模的柱塞偶件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其在高壓下的密封性驗(yàn)證，并計(jì)算燃油通過柱塞偶件間隙的泄漏量。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形分析時(shí)，為了簡化起見，將柱塞和柱塞套視為完全軸對稱結(jié)構(gòu)。同時(shí)，本項(xiàng)目重點(diǎn)研究柱塞偶件在燃油壓力下的徑向變形，將簡化作用在柱塞偶件上載荷，對研究結(jié)構(gòu)影響不大的邊界條件進(jìn)行簡化處理。

6高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)新型供油系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立

該新型供油系統(tǒng)為高壓泵，它的泵油過程異常復(fù)雜，存在很多干擾供油過程的因素，在建立高壓泵供油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)首先對模型進(jìn)行簡化。高壓泵的供油能力可以從每循環(huán)供油壓力和最大供油量兩個(gè)方面來表示。通過建立的數(shù)學(xué)模型分析高壓泵泵油能力的主要影響因素，主要包括：柱塞直徑、柱塞最大供油行程、柱塞腔間隙、柱塞偶件燃油泄漏量等。

（1）

式中：Q1h—燃油泄漏量（mm3）；dh—柱塞直徑（mm）；

δh—柱塞與柱塞套之間間隙（mm）；

η—燃油運(yùn)動(dòng)粘度；L—柱塞和柱塞套密封段長度（mm）。

7總結(jié)和結(jié)論

本文通過對高壓泵進(jìn)行三維建模和有限元分析，得出高壓油泵供油能力數(shù)學(xué)函數(shù)，對高壓油泵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)與研制提供相關(guān)技術(shù)參數(shù)，得出高壓油泵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的有限元分析數(shù)據(jù)，為分析泄漏提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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