高壓共軌燃油噴射系統用新型油泵的研究

胡小剛

摘要：本文介紹了高壓共軌燃油噴射系統的發展前景和趨勢，分析了高壓共軌燃油噴射系統的結構及原理，重點研究了博世（BOSCH）高壓共軌系統CR系列，通過對高壓泵進行三維建模和有限元分析，結合高壓泵的效率、系統的穩定性、可靠性等建立供油能力數學模型，找出供油能力與高壓泵結構之間的函數關系。

關鍵詞：高壓共軌；有限元分析；三維建模；供油能力

0前言

現代經濟快速發展，能源消耗對環境的影響受到全世界的關注。而車用發動機則是當下能源消耗大戶，持續降低油耗、節約能源成為一項漫長而艱巨的任務。當前，車用發動機排放物是造成環境污染的重要來源，其中有害排放物有氮氧化物、未燃燒碳氫化合物、顆粒、一氧化碳等，這些物質對人體和環境有極大的危害。為了進一步解決氮氧化物和顆粒的排放較高問題，諸多柴油機噴射系統采用了高壓共軌噴射系統。該系統既提高柴油機整機性能，又減少了排放。高壓共軌泵作為高壓共軌系統重要部件，關系到系統的整體運行，本文重點從結構方面對其分析和研究，并對高壓泵供油能力進行數學建模。

1高壓共軌燃油噴射系統的發展趨勢

柴油機高壓共軌燃油噴射系統，是本世紀新型綠色柴油機的燃油系統，它采用壓力時間計量原理淘汰了以前慣用的脈動原理，實現了準確控制高速電磁閥的啟閉時間，控制共軌中的進油量，完成對共軌中燃油壓力精準控制，使噴油壓力不會隨柴油機的轉速而變化；另外，經過ECU準確計算，控制了各缸噴油電磁閥，實現1次或多次燃油噴射，徹底分離了噴油壓力的產生及燃油的噴射過程，噴油量、噴油壓力和噴油定時的柔性控制得以實現。（圖１）

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

2高壓共軌燃油噴射系統簡介

為了進一步解決NOx和顆粒PM的排放較高的問題，諸多柴油機噴射系統均采用高壓共軌噴射系統。德國的博世公司是柴油機高壓共軌燃油噴射系統開發領域的先驅和領導者。以博世CR系列的高壓共軌燃油噴射系統為例，其基本結構如圖2所示。

基本工作原理為：輸油泵（齒輪泵）將燃油經過濾器從油箱吸出，再經過濾，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。另一路先經高壓泵柱塞腔，再到共軌管。共軌管通過軌壓傳感器實時測量壓力，還有一個溢流閥，執行電控單元指令，反復啟閉回油通路實現共軌壓力控制。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，一路進入到燃燒室。

高壓共軌燃油噴射系統主要部分的功能如下：輸油泵：為高壓泵補油；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盡可能小的共軌容積，并保證能在啟動時迅速建立壓力，起著蓄能作用。

3高壓共軌燃油噴射系統中高壓泵的分類及作用

當前柴油機高壓共軌系統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。

本文重點研究博世高壓共軌燃油噴射系統的高壓泵，其為徑向柱塞泵。高壓泵的任務是壓縮燃油并按照發動機性能方面的要求提供合適壓力的燃油。要做到這一點，它會不斷地將燃油送入高壓蓄壓器（共軌），以保持系統供油壓力。壓力產生與發動機無關，也就是說，發動機處于低轉速時也能夠產生所需的壓力。實物和結構如圖3所示。

4高壓泵關鍵元部件三維建模

首先確定博世高壓共軌泵的基本結構并對關鍵元部件進行三維建模。

驅動、泵油部件等其它部件共同組成了共軌系統的高壓泵。驅動部件包含凸輪軸、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計。故共軌系統高壓泵中最需要研究的兩個關鍵部件是凸輪軸部件幾柱塞偶件。

高壓泵的凸輪軸是驅動高壓泵正常運轉的關鍵部件。凸輪軸設計的好壞是影響高壓泵供油規律的關鍵因素。本文通過Pro/E對高壓泵凸輪軸進行三維建模，重點研究凸輪軸的受力分析圖、并校核了凸輪軸危險截面的安全系數。（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。柱塞在柱塞套內上下往返移動，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。實際情況是：泵端壓力與燃油泄漏量成正比，高壓共軌系統中高壓泵柱塞偶件的間隙泄露問題主要出現在高壓泵端蓋壓力超過2000bar時。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，為后續有限元分析提供基礎數據。

5高壓泵關鍵元部件有限元分析

（1）通過分析軟件ANSYS的Workbench模塊，本項目詳細計算了高壓泵凸輪軸的三維建模部分，同時校核了它的危險截面強度。為抓住重點，分析主要部位，本項目將對不屬于承力部件且會影響網格劃分質量的凸輪軸倒角、圓角和螺紋等進行去除，簡化凸輪軸模型。然后對凸輪軸有限元模型進行施加約束和載荷，找出其最大主應力和等效應力的臨界點。通過分析，判斷凸輪軸的設計強度能否滿足要求，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高壓泵開發的難點在于高壓泵中燃油的泄漏。這個問題倍受矚目，因為泄漏產生后果極其嚴重。影響高壓泵供油效率的核心參數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致的。泄漏燃油在柱塞間隙中的流動形式很復雜，一是間隙兩端存在壓差，二是柱塞內圓面和柱塞套外圓面之間有相對運動，所以，Couette、Poiserolle流兩種流動形式的疊加才是柱塞偶件中的泄漏燃油的流動形式。（圖６）

本項目將利用分析軟件ANSYS的Workbench模塊，對已經設計建模的柱塞偶件，進行結構強度及其在高壓下的密封性驗證，并計算燃油通過柱塞偶件間隙的泄漏量。

進行結構強度和變形分析時，為了簡化起見，將柱塞和柱塞套視為完全軸對稱結構。同時，本項目重點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，對研究結構影響不大的邊界條件進行簡化處理。

6高壓共軌燃油噴射系統新型供油系統的數學模型建立

該新型供油系統為高壓泵，它的泵油過程異常復雜，存在很多干擾供油過程的因素，在建立高壓泵供油系統數學模型時首先對模型進行簡化。高壓泵的供油能力可以從每循環供油壓力和最大供油量兩個方面來表示。通過建立的數學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—燃油運動粘度；L—柱塞和柱塞套密封段長度（mm）。

7總結和結論

本文通過對高壓泵進行三維建模和有限元分析，得出高壓油泵供油能力數學函數，對高壓油泵關鍵結構部件的設計與研制提供相關技術參數，得出高壓油泵關鍵結構部件的有限元分析數據，為分析泄漏提供技術數據。

參考文獻：

[1]顏松.柴油機高壓共軌系統壓力動態特性模擬：［碩士論文］．浙江大學,2005.

[2]李剛.高壓共軌系統高壓泵的設計開發[D].上海:上海交通大學機械與動力工程學科碩士學位論文,2006:10-14.endprint