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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(shí)現(xiàn)壓力可調(diào)、獨(dú)立控制噴油正時(shí)、噴油速率變化和噴油量，因此它可以極大提高柴油機(jī)動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，實(shí)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(duì)整個(gè)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(yàn)、仿真模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。運(yùn)用系統(tǒng)模型研究了高壓泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(dòng)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(dòng)時(shí)推動(dòng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)燃油的進(jìn)、排。也有部分機(jī)型采用偏心輪驅(qū)動(dòng)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(dòng)，沿著柱塞導(dǎo)向套筒的軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而改變油路的斷續(xù)性，實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測高壓油泵的工作壓力，當(dāng)壓力超過設(shè)定值時(shí)，及時(shí)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(shí)，會(huì)使流量需求減小。此時(shí)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)
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(gè)階段。
（1）吸油階段
當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凸輪推動(dòng)柱塞向外運(yùn)動(dòng)，此時(shí)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(dòng)柱塞向外運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，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(dòng)，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(duì)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(shí)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(diǎn)
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(diǎn)就是將燃油壓力產(chǎn)生和燃油噴射分離，以此對(duì)軌管內(nèi)的油壓實(shí)現(xiàn)精確控制。
① 可靠性
對(duì)康明斯來說系統(tǒng)零部件成熟且有長期使用考核驗(yàn)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(dú)立于發(fā)動(dòng)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(shí)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(jí)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(shí)間控制
時(shí)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(shí)間來確定，時(shí)間控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，將噴油量和噴油正時(shí)的控制合二為一，控制的自由度更大，同時(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)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(duì)高壓泵的供油過程進(jìn)行建模。在系統(tǒng)建模時(shí)，作了處理：
（1）認(rèn)為燃油溫度在主軸一個(gè)循環(huán)過程中不變，取為40℃;
（2）燃油的密度、運(yùn)動(dòng)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(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行該系統(tǒng)典型工況的平臺(tái)試驗(yàn)，
由圖5可見，系統(tǒng)仿真得到的軌壓波動(dòng)曲線和實(shí)驗(yàn)測試得到的軌壓波動(dòng)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(duì)高壓泵主軸旋轉(zhuǎn)50周的供油量計(jì)算值為156.5mL,而相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jì)算，并對(duì)高壓供油泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)油泵供油效率產(chǎn)生影響。
圖8為進(jìn)油閥開啟壓力對(duì)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?yàn)檫M(jìn)油閥彈簧預(yù)緊力太小，則進(jìn)油閥關(guān)閉動(dòng)作緩慢，而彈簧預(yù)緊力太大時(shí)，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(jì)算中，通過改變出油閥開啟壓力的大小計(jì)算單循環(huán)的供油量，發(fā)現(xiàn)出油閥開啟壓力大小對(duì)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(duì)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(duì)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(jì)算，避免了盲目試驗(yàn)，減少了工作量，大大縮短了改進(jìn)周期，同時(shí)還可驗(yàn)證以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。由防真計(jì)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(jì)中，應(yīng)適當(dāng)減小余隙容積，當(dāng)然該容積也不能過小，因?yàn)橛嘞度莘e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(duì)高壓泵的容積效率會(huì)產(chǎn)生影響，可根據(jù)實(shí)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(duì)油泵性能幾乎沒有影響。但在高壓泵的設(shè)計(jì)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(dòng)。
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圖5 共軌管壓力波動(dòng)試驗(yàn)與仿真對(duì)比曲線 |
圖6 余隙容積對(duì)高壓油泵效率的影響 |
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圖7 余隙容積對(duì)高壓油泵扭矩的影響 |
圖8 進(jìn)油閥參數(shù)對(duì)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(dòng)，使柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)燃油的進(jìn)、排。同時(shí)，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(duì)于柴油機(jī)的性能和動(dòng)力輸出至關(guān)重要。
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