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共軌高壓油泵結(jié)構(gòu)、工作原理和仿真模型分析 |
摘要：高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)可實現(xiàn)壓力可調(diào)、獨立控制噴油正時、噴油速率變化和噴油量，因此它可以極大提高柴油機(jī)動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，實現(xiàn)低排放、低噪音。在高壓共軌系統(tǒng)中，共軌管的燃油由高壓油泵壓入。因此高壓供油泵的供油能力，對整個柴油發(fā)電機(jī)組共軌系統(tǒng)的工作性能有重要的影響。康明斯公司在本文以AVL開發(fā)的燃油噴射系統(tǒng)仿真軟件HYDSIM為工具，建立康明斯QSK38系列高壓油泵的試驗、仿真模型，并進(jìn)行了試驗驗證。運(yùn)用系統(tǒng)模型研究了高壓泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對高壓油泵供油效率的影響。
一、高壓油泵主要組成部分
柴油機(jī)高壓油泵主要由泵體、凸輪軸、柱塞、配油泵、調(diào)節(jié)閥和壓力控制器等部件組成，如圖1所示。
1、泵體
如圖2所示。泵體是高壓油泵的主要承載部件，通常由鑄鐵或鑄鋼制成。泵體內(nèi)部包含了吸油孔、排油孔和油路通道等結(jié)構(gòu)，起到固定和密封油液的作用。
2、凸輪軸
如圖3（a）所示。凸輪軸是高壓油泵的驅(qū)動部件，通常由鋼鐵制成。凸輪軸上的凸輪通過連桿和柱塞相連，轉(zhuǎn)動時推動柱塞往復(fù)運(yùn)動，從而實現(xiàn)燃油的進(jìn)、排。也有部分機(jī)型采用偏心輪驅(qū)動方式，結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。
3、柱塞
柱塞是高壓油泵的核心部件，通常由高強(qiáng)度材料制成。柱塞通過凸輪軸的推動，沿著柱塞導(dǎo)向套筒的軸向往復(fù)運(yùn)動，從而改變油路的斷續(xù)性，實現(xiàn)燃油的高壓輸送。
4、配油泵
配油泵是高壓油泵的輔助部件，通常由齒輪泵或柱塞泵構(gòu)成。配油泵負(fù)責(zé)為高壓油泵提供穩(wěn)定的低壓油源，保證高壓油泵的正常工作。
5、調(diào)節(jié)閥
調(diào)節(jié)閥是高壓油泵的控制部件，通常由電磁閥或機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成。調(diào)節(jié)閥通過控制油泵的進(jìn)油量和排油量，調(diào)節(jié)燃油的壓力和流量，以滿足柴油機(jī)不同工況下的需求。
6、壓力控制器
壓力控制器是高壓油泵的保護(hù)部件，通常由壓力傳感器和控制模塊構(gòu)成。壓力控制器可以實時監(jiān)測高壓油泵的工作壓力，當(dāng)壓力超過設(shè)定值時，及時采取措施保護(hù)高壓油泵和柴油機(jī)。
7、溢流閥
如圖4所示。在定量泵節(jié)流調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，高原油泵提供的是恒定流量。當(dāng)系統(tǒng)壓力增大時，會使流量需求減小。此時溢流閥開啟，使多余流量溢回油箱，保證溢流閥進(jìn)口壓力，即泵出口壓力恒定（閥口常隨壓力波動開啟）。
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圖1 電控柴油機(jī)高壓油泵組成 |
圖2 電控柴油機(jī)高壓油泵泵體結(jié)構(gòu)圖 |
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圖3 電控柴油機(jī)高壓油泵驅(qū)動方式 |
圖4 電控柴油機(jī)高壓油泵溢流閥 |
二、高壓油泵工作原理與特點
1、高壓油泵的原理
柴油機(jī)高壓油泵的工作原理主要分為吸油、加油和排油三個階段。
（1）吸油階段
當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)動時，凸輪推動柱塞向外運(yùn)動，此時泵腔內(nèi)形成負(fù)壓，吸入低壓油源。配油泵通過供油孔向泵腔提供穩(wěn)定的低壓油，確保泵腔內(nèi)的油液充足。
（2）加油階段
凸輪繼續(xù)推動柱塞向外運(yùn)動，泵腔內(nèi)的油液被擠壓，形成高壓油。調(diào)節(jié)閥控制油泵的進(jìn)油量和排油量，以調(diào)節(jié)燃油的壓力和流量。
（3）排油階段
當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，凸輪軸上的凸輪離開柱塞，柱塞由彈簧的作用下向內(nèi)運(yùn)動，泵腔內(nèi)的油液被排出。排油孔通過油路通道將高壓油送往噴油嘴，完成對柴油機(jī)的噴油工作。
通過以上工作原理，柴油機(jī)高壓油泵可以實現(xiàn)燃油的高壓輸送，確保柴油機(jī)正常運(yùn)行。
2、高壓共軌系統(tǒng)的特點
高壓共軌系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的噴油系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，最大的特點就是將燃油壓力產(chǎn)生和燃油噴射分離，以此對軌管內(nèi)的油壓實現(xiàn)精確控制。
① 可靠性
對康明斯來說系統(tǒng)零部件成熟且有長期使用考核驗證，中型比較成熟。
② 繼承性
結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。
③ 靈活性
高壓共軌油壓獨立于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制，整機(jī)控制功能強(qiáng)。
④噴油壓力
共軌管壓力1600bar、普通壓力180kgf/cm2。
⑤ 多次噴油
可以實現(xiàn)多次噴射，目前最好的共軌系統(tǒng)可以進(jìn)行6次噴射，共軌系統(tǒng)的靈活性好。
⑥ 升級潛力
多次噴油特別是后噴能力使得共軌系統(tǒng)特別方便與后處理系統(tǒng)配合。
⑦ 匹配適合性
結(jié)構(gòu)移植方便，適應(yīng)范圍廣，與柴油機(jī)均能很好匹配。
⑧ 時間控制
時間控制系統(tǒng)拋棄了傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)的泵-管-嘴系統(tǒng)，用高速電磁閥直接控制高壓燃油的通與斷，噴油量由電磁閥開啟和切斷的時間來確定，時間控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，將噴油量和噴油正時的控制合二為一，控制的自由度更大，同時能較大地提高噴油壓力。
⑨ 環(huán)保
高壓共軌式燃油噴射技術(shù)有助于減少柴油機(jī)尾氣排放量，以及改善噪聲、燃油消耗等方面的綜合性能。
三、高壓油泵仿真模型分析
1、高壓油泵供油過程的數(shù)學(xué)模型
高壓油泵柱塞腔的連續(xù)方程為：
Qνh=Qh-Qhk-Qho-Qlh.......................（公式1）
式中，Qνh——柱塞腔壓力變化所引起的壓縮油量變化；
Qh——柱塞瞬時壓入油量；
Qhk——通過出油閥流出的流量；
Qho——柱塞腔流向低壓管道的流量；
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——燃油彈性模量；
η——燃油動力粘度；
μ——流量系數(shù)；
d——直徑；
L——長度；
f——流通截面積；
H——柱塞升程；
V——容積；
下標(biāo)h——柱塞；
下標(biāo)k——出油孔（閥）；
下標(biāo)o——回油孔通道。
δ和γ——階越函數(shù)，取0或1。
當(dāng)高壓供油泵的柱塞參數(shù)確定后，油泵的實際單循環(huán)供油量和進(jìn)油閥、出油閥、余隙容積有關(guān)。
2、仿真系統(tǒng)模型的建立
本文利用康明斯公司的高壓供油泵進(jìn)行研究，該高壓供油泵為兩缸柱塞泵，在凸輪旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)，兩柱塞間隔60度凸輪轉(zhuǎn)角交替向共軌管供油。采用AVL公司開發(fā)的專用燃油系統(tǒng)仿真軟件HYDSIM對高壓泵的供油過程進(jìn)行建模。在系統(tǒng)建模時，作了處理：
（1）認(rèn)為燃油溫度在主軸一個循環(huán)過程中不變，取為40℃;
（2）燃油的密度、運(yùn)動粘度、體積模量是壓力的函數(shù)；
（3）將共軌近似看作空心圓柱體；
為驗證該模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行該系統(tǒng)典型工況的平臺試驗，
由圖5可見，系統(tǒng)仿真得到的軌壓波動曲線和實驗測試得到的軌壓波動曲線變化趨勢相同，誤差也不是很大。另外，系統(tǒng)仿真模型對高壓泵主軸旋轉(zhuǎn)50周的供油量計算值為156.5mL,而相對應(yīng)的實驗測量值為156mL,誤差約為0.32%。由此可見，系統(tǒng)的仿真模型可以正確的反應(yīng)該高壓供油泵的特性，可以用于該高壓供油泵的仿真研究。
3、模型運(yùn)行及分析
利用建立的仿真模型對高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的高壓油泵供油過程進(jìn)行仿真計算，并對高壓供油泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對油泵供油性能的影響進(jìn)行分析。
（1）余隙容積的影響
余隙容積影響柱塞腔高壓的建立，余隙容積越大，柱塞腔的高壓建立時間越長，從而柱塞有效供油行程越小，容積效率越低。余隙容積對高壓泵的容積效率的影響，如圖6所示。
由仿真結(jié)果可知，油泵容積效率隨著余隙容積的增大而減小。隨余隙容積的減小，容積效率的增大，扭矩峰值也隨之增大。如圖7所示。
（2）進(jìn)油閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響
進(jìn)油閥彈簧的預(yù)緊力決定著進(jìn)油閥的開啟壓力，開啟壓力的大小影響進(jìn)油閥的開啟/關(guān)閉情況，因而對油泵供油效率產(chǎn)生影響。
圖8為進(jìn)油閥開啟壓力對容積效率的影響，可見，進(jìn)油閥的開啟壓力太高或太低都不利于高壓油泵的容積效率。這是因為進(jìn)油閥彈簧預(yù)緊力太小，則進(jìn)油閥關(guān)閉動作緩慢，而彈簧預(yù)緊力太大時，又不利于進(jìn)油閥的開啟，從而造成回油量的增多或進(jìn)油量的減少。
（3）出油閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響
在仿真計算中，通過改變出油閥開啟壓力的大小計算單循環(huán)的供油量，發(fā)現(xiàn)出油閥開啟壓力大小對容積效率幾乎沒有影響。這是由于高壓共軌管保持著高壓，油泵出油閥腔通過高壓油管與共軌管相通，所以出油閥腔也一直保持高壓。出油閥彈簧的預(yù)緊力相對于于出油閥腔的壓力來說是很小的，所以出油閥的開啟/關(guān)閉主要還是由柱塞腔和出油閥腔的壓力差決定，因此出油閥的彈簧預(yù)緊力大小對油泵性能幾乎沒有影響。
4、結(jié)論
用所建的模型能較好地反映某型高壓供油泵的工作過程，通過運(yùn)用HYDSIM進(jìn)行模擬計算，避免了盲目試驗，減少了工作量，大大縮短了改進(jìn)周期，同時還可驗證以往經(jīng)驗設(shè)計的正確性。由防真計算可知：
（1）柱塞腔的余隙容積的大小影響高壓供油泵的容積效率。在高壓泵的設(shè)計中，應(yīng)適當(dāng)減小余隙容積，當(dāng)然該容積也不能過小，因為余隙容積的減小一定程度，扭矩峰值將增大。另外余隙容積太小，可能產(chǎn)生液擊。
（2）進(jìn)油閥的彈簧預(yù)緊力和進(jìn)油閥的彈簧剛度對高壓泵的容積效率會產(chǎn)生影響，可根據(jù)實際情況綜合考慮選擇適當(dāng)?shù)拈_啟壓力和彈簧剛度。
（3）出油閥彈簧的預(yù)緊力對油泵性能幾乎沒有影響。但在高壓泵的設(shè)計中，可以選擇較小的出油閥彈簧預(yù)緊力，以減小出油閥的跳動。
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圖5 共軌管壓力波動試驗與仿真對比曲線 |
圖6 余隙容積對高壓油泵效率的影響 |
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圖7 余隙容積對高壓油泵扭矩的影響 |
圖8 進(jìn)油閥參數(shù)對高壓油泵性能影響曲線 |
總結(jié)：
柴油機(jī)高壓油泵是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括泵體、凸輪軸、柱塞、配油泵、調(diào)節(jié)閥和壓力控制器等部件。高壓油泵通過凸輪軸的驅(qū)動，使柱塞往復(fù)運(yùn)動，實現(xiàn)燃油的進(jìn)、排。同時，配油泵、調(diào)節(jié)閥和壓力控制器的協(xié)同工作，保證了燃油的壓力和流量的穩(wěn)定性。柴油機(jī)高壓油泵的正常工作對于柴油機(jī)的性能和動力輸出至關(guān)重要。
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