船舶柴油機高壓共軌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

齊永剛

摘 要：高壓共軌系統(tǒng)具有全面、柔性、精確的燃油噴射控制特點，具備滿足未來更加嚴(yán)格排放法規(guī)的潛力。排放要求越高，對燃油噴射控制精度要求越高。而共軌系統(tǒng)的壓力波動會引起控制難度增加、控制精度下降等問題。本文主要從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計層面分析了不同高壓共軌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計對系統(tǒng)壓力波動的影響，旨在為高壓共軌系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。

為了應(yīng)對日益加劇的環(huán)境污染，世界各國制定的排放法規(guī)要求越來越嚴(yán)格。作為內(nèi)燃機行業(yè)被公認(rèn)的20世紀(jì)三大突破之一的高壓共軌燃油系統(tǒng)以其全面、柔性、精確的噴油控制逐漸成為滿足越來越嚴(yán)格排放法規(guī)的主流技術(shù)。柴油機的排放越低對燃油噴射的控制精度要求就越高。高壓共軌系統(tǒng)最突出的優(yōu)點就是以其靈活精確控制燃油噴射，實現(xiàn)優(yōu)化的燃燒過程，降低排放和提高燃油經(jīng)濟性。本文主要從高壓共軌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計層面出發(fā)，分析幾種不同總體結(jié)構(gòu)設(shè)計對系統(tǒng)壓力動態(tài)特性的影響，并指出幾種結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣，旨在為高壓共軌系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 高壓共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及基本原理

柴油機高壓共軌系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主要由高壓油泵、共軌管、電控噴油器、ECU、流量限制閥、壓力限制閥、各種傳感器等組成。低壓油泵將燃油從油箱吸出、增壓、穩(wěn)壓后，經(jīng)過燃油計量單元輸入高壓油泵，高壓油泵將燃油加壓后送入共軌管。共軌管中的高壓燃油通過流量限制閥進(jìn)入電控噴油器。ECU根據(jù)柴油機當(dāng)前的工況和預(yù)設(shè)的MAP圖確定系統(tǒng)的基本噴油正時、噴油持續(xù)期及噴油量，同時ECU根據(jù)各傳感器信號對基本噴油正時、噴油持續(xù)期及噴油量進(jìn)行修正，實現(xiàn)柴油機當(dāng)前工況的優(yōu)化運行。

1.1 高壓油泵

從整體結(jié)構(gòu)上看，高壓油泵主要分為兩類：單體式高壓油泵和組合式高壓油泵。其中組合式高壓油泵又可分為帶ACC（蓄壓腔）和不帶ACC結(jié)構(gòu)。高壓泵通常主要由以下幾部分構(gòu)成：齒輪泵、凸輪軸、傳動部件、柱塞偶件、燃油計量單元、進(jìn)油閥、出油閥等，其中齒輪泵和凸輪軸為組合式高壓油獨有。齒輪泵一般采用外嚙合和內(nèi)嚙合兩種結(jié)構(gòu)，主要用于向高壓油泵提供一定流量和一定壓力的低壓燃油。凸輪軸一般根據(jù)柴油機傳動比、偶件參數(shù)等要求，一般采用多凸和單凸結(jié)構(gòu)。燃油計量單元主要有兩種結(jié)構(gòu)：一是高響應(yīng)速度的PCV閥，另外一種是比例控制的MEUN閥。前一種閥響應(yīng)速度快，控制精度高，但成本較高；后一種閥采用比例流量控制，成本較低。

1.2 電控噴油器

電控噴油器的基本結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分構(gòu)成：針閥偶件、控制活塞組件、液壓伺服系統(tǒng)、電磁閥、罩帽、器體等。其中液壓伺服機構(gòu)主要包括進(jìn)油量孔、出油量孔、控制腔以及單向閥幾部分。為了簡化高壓共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可將共軌管的容積分布到高壓油泵和噴油器。采用這種分布式結(jié)構(gòu)時，共軌管的壓力限制閥一般集成到高壓油泵；共軌管的流量限制閥一般集成到電控噴油器。

1.3 共軌管

共軌管按其結(jié)構(gòu)形式一般分為整體式共軌管和分段式共軌管。共軌管一般還包括：壓力傳感器、流量限制閥、壓力限制閥等部件。與分段式共軌管相比，整體式共軌管結(jié)構(gòu)簡單，且由于密封面更少可靠性更好。但是，多缸大功率柴油機采用整體式共軌管因其長度過長，在加工方面存在一定的困難。分段式共軌管便于加工，安裝靈活便于布置，具有較強的適應(yīng)性。

2 高壓共軌系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)高壓油泵、共軌管及電控噴油器的不同結(jié)構(gòu)，高壓共軌系統(tǒng)可采用的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有以下四種：

（1）整體式結(jié)構(gòu)：高壓油泵+整體式共軌管+電控噴油器。這種高壓共軌系統(tǒng)的高壓油泵不帶ACC，高壓油泵的高壓燃油出口為多個；共軌管采用整體式結(jié)構(gòu)，高壓油泵通過多根高壓油管直接與共軌管相連；電控噴油器不帶ACC。（2）分段式結(jié)構(gòu)：高壓油泵+分段式共軌管+電控噴油器。這種高壓共軌系統(tǒng)的高壓油泵不帶ACC，高壓油泵的高壓燃油出口為多個；共軌管采用分段式結(jié)構(gòu)，高壓油泵通過高壓油管直接與共軌管相連，共軌之間通過高壓油管相連；電控噴油器不帶ACC。（3）蓄壓整體（或分段）式結(jié)構(gòu)：帶ACC的高壓油泵+整體（或分段）式共軌管+電控噴油器。這種高壓共軌系統(tǒng)的高壓油泵帶ACC，高壓油泵的高壓燃油出口為單個；共軌管采用整體式結(jié)構(gòu)，高壓油泵通過高壓油管直接與共軌管相連；電控噴油器不帶ACC。如圖9所示。（4）分布式結(jié)構(gòu)：帶ACC的高壓油泵+帶ACC的電控噴油器。這種高壓共軌系統(tǒng)的高壓油泵帶ACC，高壓油泵的高壓燃油出口為單個；無共軌管；高壓油泵通過單根高壓油管直接與電控噴油器串連；電控噴油器帶ACC，電控噴油器之間以高壓油管相連。

3 共軌系統(tǒng)仿真模型的校正

3.1 共軌系統(tǒng)模型的建立

以BOSCH公司CR/CP2高壓共軌系統(tǒng)為對象，應(yīng)用專業(yè)的燃油系統(tǒng)仿真分析軟件AVL_hydsim建立高壓共軌系統(tǒng)仿真分析模型，如圖1所示。

3.2 仿真模型的校正

以BOSCH公司CR/CP2高壓共軌系統(tǒng)為試驗對象，開展高壓共軌系統(tǒng)平臺試驗。根據(jù)試驗結(jié)果對仿真模型進(jìn)行校正，直到計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果的誤差在2%以內(nèi)。試驗主要設(shè)備包括THP高壓共軌系統(tǒng)試驗臺、單次噴射儀、壓力傳感器、示波器等。

4 仿真分析

4.1 仿真模型的建立

以校正后的仿真分析模型為基礎(chǔ)，分別建立前述四種結(jié)構(gòu)高壓共軌系統(tǒng)仿真模型。模型1：高壓油泵為3缸，每缸高壓油泵直接通過高壓油管與整體式共軌管相連；6只電控噴油器通過高壓油管與共軌管相連。模型2：高壓油泵為3缸，共軌管為3根；每缸高壓油泵分別通過高壓油管與一根分段式共軌管相連；6只電控噴油器中，每兩只噴油器通過高壓油管與一根共軌管相連。模型3：高壓油泵為3缸，高壓油泵頂部設(shè)計有ACC，每缸高壓油泵直接與ACC相連，然后通過一根高壓油管將ACC與整體式共軌管相連；6只電控噴油器通過高壓油管與共軌管相連。模型4：高壓油泵為3缸，高壓油泵頂部設(shè)計有ACC，每缸高壓油泵直接與ACC相連；通過高壓油管將高壓油泵與6只電控噴油器串連，共軌管容積分布到每個噴油器。

考慮到仿真模型的可對比性，以上四種高壓共軌系統(tǒng)模型除高壓容積不同（即泵端ACC+共軌管+器端ACC的總?cè)莘e相等，但具體分布不同）外，其余參數(shù)相同，其關(guān)鍵參數(shù)見表1。

4.2 四種結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)壓力的影響分析

為了使計算結(jié)果與高壓共軌系統(tǒng)的實際使用狀態(tài)保持一致，計算多個循環(huán)，并選取高壓共軌系統(tǒng)壓力已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的部分進(jìn)行分析。

（1）第一種結(jié)構(gòu)。第一種高壓共軌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為泵端和器端均無ACC的整體式共軌管結(jié)構(gòu)，其仿真計算的系統(tǒng)壓力特性關(guān)鍵值如表2所示

從計算結(jié)果來看，這種高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的共軌管壓力波動約為6.8MPa；噴油器的SAC腔壓力波動約為61～74.6MPa，壓力波動最大相差約為13.6MPa。

（2）第二種結(jié)構(gòu)。第二種高壓共軌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為泵端和器端均無ACC的分段式共軌管結(jié)構(gòu)，其仿真計算的系統(tǒng)壓力特性關(guān)鍵值如表3所示。

從計算結(jié)果來看，這種高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的三段共軌管壓力波動分別約為13.8MPa，8.4MPa， 14MPa；噴油器的SAC腔壓力波動約為60.9～71MPa，壓力波動最大相差約為13.5MPa。

（3）第三種結(jié)構(gòu)。第三種高壓共軌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為泵端帶ACC的整體式共軌管結(jié)構(gòu)，其仿真計算的系統(tǒng)壓力特性關(guān)鍵值如表4所示。

從計算結(jié)果來看，這種高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的泵端ACC和共軌管的壓力波動分別約為12.6MPa和6.3MPa；噴油器的SAC腔壓力波動約為75.3～76.3MPa，壓力波動最大相差約為1MPa。

（4）第四種結(jié)構(gòu)。第四種高壓共軌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為泵端和器端帶ACC無共軌管結(jié)構(gòu)（無節(jié)流孔），其仿真計算的系統(tǒng)壓力特性關(guān)鍵值如表5所示。

從計算結(jié)果來看，這種高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的泵端ACC壓力波動約為14.7MPa；器端ACC壓力波動分別約為：14.6MPa，12MPa，11.4MPa，11.2MPa，11.5MPa；噴油器的SAC腔壓力波動約為56.1～57.9MPa，壓力波動最大相差約為1.8MPa。

4.3 四種結(jié)構(gòu)對比分析

四種結(jié)構(gòu)的主要壓力特性如表6所示。

從共軌管壓力波動來看：整體式結(jié)構(gòu)的壓力波動小于分段式結(jié)構(gòu)，約小25%～50%；泵端帶ACC的整體式結(jié)構(gòu)的壓力波動略小于泵端不帶ACC的整體式結(jié)構(gòu)。從針閥偶件SAC腔壓力波動來看：整體式結(jié)構(gòu)與分段式結(jié)構(gòu)的壓力波動范圍比較接近，而分布式結(jié)構(gòu)的壓力波動明顯比整體式結(jié)構(gòu)和分段式結(jié)構(gòu)更小，約小24%。從針閥偶件SAC腔壓力波動一致性來看，泵端帶ACC的整體式結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)的壓力波動一致明顯更好。總體上來看，由于針閥偶件的SAC腔的壓力特性直接對燃油系統(tǒng)的噴油特性產(chǎn)生影響，因此優(yōu)先考慮滿足針閥偶件SAC腔的壓力波動值；另外，各噴油器的壓力波動一致性也會對高壓共軌系統(tǒng)的精確噴油器控制產(chǎn)生影響，因此壓力波動一致性也需要考慮。綜合來看，分布式高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在針閥偶件SAC腔壓力波動和各缸噴油器壓力波動的一致性方面具有明顯的優(yōu)勢。

4.4 節(jié)流孔對分布式系統(tǒng)的影響分析

各噴油器的噴油正時不同，噴油期間各缸噴油器的壓力會相互影響，因此考慮采用節(jié)流孔結(jié)構(gòu)來抑制各噴油器之間的相互影響。該模型主要考慮在器端ACC的入口處增加一個節(jié)流孔（其計算值分別取1.25mm，1.5mm，1.75mm，2mm），并分析該節(jié)流孔對系統(tǒng)壓力的影響。其模型如圖2所示，系統(tǒng)壓力特性鍵值如表6所示。

從總體來看，節(jié)流孔直徑對高壓共軌系統(tǒng)壓力特性有一定的影響。隨著節(jié)流孔直徑的增加：泵端ACC壓力的最大、最小及平均值均有所下降，壓力波動值有所上升；器端ACC壓力的最大及最小值有所增加，均值和壓力波動值有所下降；SAC腔壓力的最大、最小值有所上升，均值和壓力波動有所下降。由于針閥偶件SAC腔壓力波動對燃油系統(tǒng)噴射特性影響最明顯，因此對4種方案的針閥偶件SAC腔壓力特性進(jìn)行詳細(xì)對比分析。噴射前針閥偶件SAC腔壓力特性：四種方案最低壓力為164.7～160.7MPa，呈逐漸降低趨勢；最高壓力基本保持一致，最大相差0.6MPa；平均壓力為179.4～177.2MPa，呈逐漸降低趨勢；壓力波動為29.6～33.9MPa，呈逐漸升高趨勢。噴射期間針閥偶件SAC腔壓力特性：節(jié)流孔直徑越小，針閥偶件SAC腔的壓力降越大，四種方案與噴射前針閥偶件SAC腔的平均壓力相比，壓力降分別約為：22.6MPa，14.8MPa，10.9MPa，8.8MPa。而方案1的6只噴油器SAC腔之間最低壓力值相差約0.9MPa，方案4的6只噴油器SAC腔之間最低壓力值相差約2.2MPa。可見，帶ACC的電控噴油器的節(jié)流小孔可以抑制各噴油器之間的相互影響；同時，節(jié)流孔的直徑會對針閥偶件SAC腔的壓力降產(chǎn)生影響。其特點是：節(jié)流孔直徑越大，噴射期間針閥偶件SAC腔的壓力降越小，同組噴油器之間相互影響就越大。但是，從程度上來看，前者的影響明顯更大。因此，滿足各只噴油器一致性要求的同時，應(yīng)盡量增加節(jié)流孔的直徑。

5 結(jié)論

1.整體式結(jié)構(gòu)高壓共軌系統(tǒng)的共軌管的壓力波動小于分段式結(jié)構(gòu)，約小25%～50%；泵端帶ACC結(jié)構(gòu)比泵端不帶ACC結(jié)構(gòu)的共軌管的壓力波動略小。2.整體式結(jié)構(gòu)高壓共軌系統(tǒng)與分段式結(jié)構(gòu)針閥偶件SAC腔的壓力波動范圍比較接近，而分布式結(jié)構(gòu)的壓力波動明顯比整體式結(jié)構(gòu)和分段式結(jié)構(gòu)更小，約小24%。3.采用分布式高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其針閥偶件SAC腔的壓力波動一致性明顯比整體式和分段式更好，有利于高壓共軌系統(tǒng)噴油的精確控制。4.分布式高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的節(jié)流小孔設(shè)計可以抑制各噴油器之間的相互影響，提高系統(tǒng)的一致性。5.分布式高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的節(jié)流小孔直徑會影響針閥偶件SAC腔的壓力降，孔徑越小，針閥偶件SAC腔的壓力降越大。

參考文獻(xiàn)

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