客車油路分析計算及研究

劉元啟，鄭琦巍，吳國堅，占國強，吳俊濤

（江西博能上饒客車有限公司，江西 上饒 334100）

柴油機的燃油系統是其重要組成部分。其作用是將一定數量的清潔柴油，以足夠高的壓力，在準確的時間內噴入氣缸，與壓縮空氣混合，以保證柴油在氣缸內燃燒。供油系統的好壞，必然會影響到氣缸內燃油的燃燒質量，同時也將影響柴油機的性能和可靠性。因此，良好的油路是保證柴油機正常啟動和運轉的基礎[1]。

1 上饒客車油路及參數

上饒SR6115TH型客車燃油系統原理圖[2]如圖1所示，由油箱、粗濾器、除水放心濾、輸油泵、精濾器、高壓油泵、高壓共軌管、噴油器、高低壓油管、電控單元、傳感器等零部件組成。

燃油系統的工作過程：在輸油泵吸附力的作用下，柴油從油箱中吸出，流經粗濾器、除水放心濾、精濾器，然后進入高壓油泵變成高壓燃油，經高壓油管進入高壓共軌管，然后根據柴油機的工作狀態，定時定量將高壓燃油送至各個噴油器，在噴油器的霧化下噴入燃燒室。從高壓油泵、共軌管和噴油器溢流出來的燃油經回油管返回油箱[3]。

SR6115TH型客車油路參數如表1所示。

2 油路布置設計基本要求

上饒SR6115TH型客車發動機采用BOSCH高壓共軌柴油機。其燃油系統自帶高壓油路部分組件，作為客車生產企業，主要設計低壓油路部分。

2.1 油箱布置設計要求

1）燃油箱最高液面線以上的膨脹空間應大于總容積的5%，以避免因燃油吸熱產生的體積膨脹而使燃油溢出。

2）燃油箱應設置通氣孔，通氣口流量不小于340 L/h，阻力不超過5 kPa，一般φ1.5 mm的通氣孔已足夠使燃油箱通氣。

3）燃油箱的吸油管口應大致設在離燃油箱底部25 mm處，并設置網眼型過濾器，以防止吸入燃油箱內沉淀的水和雜質。

4）進、回油管端口必須在液面以下，回油管口低于進油管口，兩者的間隔應大于300 mm，以防回油溫度過高，產生氣泡進入進油管，導致發動機起動困難。

5）燃油箱底部應有放油螺塞，以便按期清除掉燃油箱底部沉積的水和沉淀物。

2.2 管路布置設計要求

1）從燃油箱到發動機輸油泵之間的進油管路內徑應有足夠的尺寸，以確保輸油泵進油阻力不超過13 kPa[7-8]。從發動機回油接頭到燃油箱之間的回油管路的回油阻力不應超過69 kPa[7]。燃油箱進回油管長度、內徑和壓力設計要求如表2所示。

表2 燃油箱進回油管設計要求[9-10]

2）進油和回油管路材料應具有較好的耐油性和抗老化性；能在-40℃～100℃范圍內安全可靠地工作；在內外壓差100 kPa時，不會吸扁或開裂。

3）燃油系統必須具有很好的密封性，各管路及接頭處不應泄漏或進氣，否則發動機起動困難，或速度響應性變差。

2.3 燃油預濾器（粗濾器）選擇要求

為了防止燃油箱和燃油管路內的雜質和沉淀物進入輸油泵，在底盤或車身上必須安裝燃油預濾器。預濾器必須安裝在易于日常檢查和維護的位置上。燃油預濾器的額定流量應不小于發動機燃油濾清器的流量。

上饒SR6115TH型客車燃油系統中油箱內無燃油預濾器（粗濾器），而是在油箱外安裝了粗濾器和除水放心濾（注：除水放心濾也就是油水分離器，本質是一種兼具除水和過濾的粗濾器。理論上只需安裝一個粗濾器即可，但BOSCH高壓共軌系統對燃油的品質、清潔度要求非常高，而國內油品的品質達不到。燃油系統常常多安一個柴油粗濾器以實現多級過濾、凈化油品的目的），有以下兩種方案，如圖2所示。

圖2中的陰影部分“柴油粗濾器”方案一為“帶手油泵的粗濾器”，方案二[11]為“燃油水寒寶007”，并安裝控制開關。“燃油水寒寶007”本質上是一種帶有電動燃油泵的粗濾器。“燃油水寒寶007”的控制開關安裝在駕駛室內，以方便駕駛員操作。

經過多輛上饒SR6115TH型客車的測試論證，帶手油泵粗濾器的客車出現發動機泵油困難、發動機無法正常連續起動、起動時間較長、需多次才能起動的現象。帶“燃油水寒寶007”的客車，發動機的起動性能良好，解決了油路易進氣、發動機起動困難的難題。在發動機起動之前，這個電動裝置既可以提供足夠的燃油量，又可以實現油路快速排氣，并且操作容易，降低了駕駛員的勞動強度。試驗證明，方案二優于方案一。

2.4 燃油選擇要求

發動機的性能和可靠性受燃油品質的影響很大，要正確使用燃油。一般根據使用環境，按燃油的冷濾點選擇輕柴油牌號，見表3。

表3 根據使用環境選擇輕柴油的牌號

如發動機常常在-18℃環境下工作，如西藏、新疆、青海、內蒙古、黑龍江等地，建議采用燃油加熱器，以保持在10℃燃油霧點以上的溫度，防止燃油中蠟結晶堵塞燃油濾清器，防止未經過濾的燃油擊穿燃油濾清器而流入發動機油道。

3 客車油路系統模型及計算

本文所研究的油路是上饒SR6115TH型客車原有燃油系統中的一部分（進油低壓油路），模型如圖3所示。

油箱液面相對于發動機輸油泵進油口中心處的高度差為1 m。下面根據流體力學[12]的知識，利用圖3油路系統模型，分析計算SR6115TH型客車原油路進油阻力、燃油系統供油能力；討論最低允許油位及油箱合理的安裝位置高度，為燃油系統的設計提供參考。

3.1 進油阻力特性的計算和驗證

進油阻力設計要求[7-8]：阻力指標基于燃油箱半滿狀態時，進入輸油泵的最大原始阻力不得超過100 mmHg（13 kPa）。

進油阻力損失Pw包括進油管阻力P進油管、濾清器阻力P濾、除水濾阻力P除水三部分阻力損失，即Pw＝P進油管＋P濾＋P除水。

進油管可視為粘性流體的有壓管。根據流體力學中有壓管中流動及能量損失的知識，可以得出進油管阻力：

式中：Pf為沿程水頭壓力損失，Pa；Pj為局部水頭壓力損失，Pa；λ為沿程損失系數；ζ為局部損失系數；l為進油管長度，m；d為進油管內徑，m；ρ為燃油的密度，kg/m3；υ表示管中燃油的流速，m/s。

首先確定燃油在進油管中的流速υ＝4Q/πd2

雷諾數 Re＝vd/γ=4Q/πdγ

式中：Q表示進油管中燃油的流量，m3/s；γ表示燃油的運動粘性系數。

根據表1參數得出，

υ＝4×260×10-3/3600/3.14×（14×10-3）2＝0.469 4 m/s

Re＝4×10-3×260×10-3/3 600/3.14×14×10-3×3.048×10-6＝2 156＞臨界雷諾數 Re0＝2 000。由于2 000＜Re＜40 000，所以進油管中的燃油流態為層流和紊流的過渡區。

工程上為方便起見，當Re＞Re0=2 000時，流態常以紊流計算[12]。

紊流光滑區的布拉修斯公式：λ＝0.316 4/Re0.25＝0.316 4/2 1560.25＝0.046 433

查文獻[12]可得，進口阻力系數ζ進＝0.5；上饒SR 6115TH型客車進油管有一個90°彎管，其局部阻力系數ζ彎管＝0.685，則進油管局部損失系數ζ＝ζ進＋ζ彎管＝0.5＋0.685＝1.185。代入相關數據得

進油管阻力P進油管＝2 973.285 Pa，則進油阻力Pw＝P進油管＋P濾＋P除水＝22.973 kPa＞13 kPa

以上計算說明，該型客車原燃油系統的進油阻力過大，不能滿足進油阻力設計要求，其中很大一部分原因是由于多安了一個柴油粗濾器（原因見前）。為了解決進油阻力設計要求、油品品質兩者之間的矛盾，需用一個電動燃油泵來代替原手動燃油泵，以增大流量，克服阻力。而“燃油水寒寶007”正能滿足這樣的要求（用007取代帶手油泵的粗濾器的主要目的是增大流量，克服阻力，順利排氣，解決發動機起動困難的難題。理論上只需安裝一個粗濾器即可，但BOSCH高壓共軌系統對燃油的品質、清潔度要求非常高，而國內油品的品質達不到，所以燃油系統仍要多安裝一個除水放心濾。現在用電動燃油泵后還是不能保證一級過濾的效果有兩級過濾的效果好）。

3.2 燃油系統供油能力的計算

燃油系統供油部件為輸油泵，其供油能力可以用燃油的最小吸附力和輸油泵進口處的最大吸油壓力來表示。輸油泵吸油壓力除了需要克服進油阻力外，還需要克服重力阻力，并為燃油提供一定的動能和足夠的壓力。下面計算柴油機燃油的最小吸附力和輸油泵理論上所需要的最大吸油壓力。圖3中取截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ(如圖3中所示)，列伯努利方程[12]：

可得 P1－P2＝ρgΗ＋+Pw

式中： Ζ1、Ζ2，P1、P2，υ1、υ2，α1、α2分別為選定的截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ上任一相對于選定基準面的高度，m；管中燃油的絕對壓力，Pa；管中燃油的流速，m/s；動能修正系數。g表示重力加速度，kg·m/s；hw表示水頭損失，m；Pw表示水頭壓力損失，Pa。

這里 ρ＝0.833 g/mL＝833 kg/m3，g＝9.8 m/s2，Ζ2－Ζ1＝Η≥1 m（輸油泵的吸油提升高度≥1 m），α1=α2＝1.0，可近似認為υ1＝0 m/s，υ2按輸油泵的流量來計算，即υ2＝υ＝0.469 4 m/s，水頭壓力損失 Pw＝22 973.285 Pa，P1可近似認為為大氣壓力 Pa，即 P1＝Pa＝1.01×105Pa ，P2等于輸油泵進口處的吸油真空度Pi（絕對壓力），即P2＝Pi。

代入數據得

即燃油所需的最小吸附力 P吸附力（min）＝31 kPa，輸油泵進口處所需最大吸油壓力（吸油真空度）Pi(max)＝70 kPa（絕對壓力）。

上饒SR6115TH型客車的輸油泵實際吸油壓力為35 kPa＜Pi(max)＝70 kPa。輸油泵的實際吸油壓力可以滿足理論上輸油泵所需要的最大吸油壓力。以上計算說明，該客車不存在輸油泵的吸油真空度過大、燃油的吸附力過小的情況。

3.3 油箱安裝位置高度

這里油箱安裝位置高度Η0是指燃油箱半滿狀態時，發動機輸油泵進油口中心處到燃油箱液面的高度。輸油泵進油口中心位于油箱液面之上時，Η0為正。

下面計算分析當油箱中油液處于半滿狀態時，油箱安裝位置高度Η0對燃油吸附力、輸油泵進口處吸油真空度Pi的影響。

上式中，Pi是輸油泵進口處的絕對壓力，即輸油泵進口處的吸油真空度，故Pa－Pi是泵進口處燃油吸附力，則有油箱安裝位置高度

若Η0＜0，油箱液面處于輸油泵進油口中心處之上，油箱中的油液會經回油管向噴油泵泵體內倒灌。一般要求，油箱液面不能高于噴油泵中心（濰柴發動機輸油泵在噴油泵前端，輸油泵高度和噴油泵高度大致相等）。當/2g+Pw/ρg＝2.821 m 時，Pi＞Pa，進油管內為正壓。

若Η0≥0時，油箱液面處于輸油泵進油口中心處之下；當 0≤Η0＜4.956 m 時，100 kPa＜Pi＜35 kPa，進油管內為負壓，符合表2中設計要求（博世系統電控柴油機的齒輪泵進口壓力一般為0.35×105～1.0×105Pa絕對壓力）[10]。

考慮到以上分析是油箱處于半滿狀態（h油位＝0.345 m）下得出的，并考慮到濾清器變臟后阻力會增大，再經過實踐驗證，油箱安裝位置高度Η0最佳可取值的范圍為0.345～1 m。在此范圍內，當Η0↓，P吸附力↓，Pi↑，即當油箱安裝位置越高時，燃油所需的吸附力越小，燃油輸油泵所需要的吸油真空度越大，燃油越容易吸入。

3.4 最低允許油位的計算

1）P吸附力、Pi與油位 h油位的關系：

當油箱的安裝位置固定時，Ζ2一定，Pa為大氣壓力，可認為不變；當 h油位↑，P吸附力↓，Pi↑。即當油箱油位越高時，燃油所需的吸附力越小，燃油輸油泵所需要的吸油真空度越大，燃油越容易吸入。

2）設計要求決定油箱油位不能過低，必須保證一定的儲油量。進、回油管端口離油箱底部的高度不低于25 mm，則進、回油管設計要求決定的油箱最低油位為25 mm。

3）對于流量較大的燃油輸油泵，要求油箱儲油量大于燃油輸油泵5 min最大泵油量[13]。上饒SR6115TH型客車所用濰柴WP10.290柴油機的燃油輸油泵流量QL為260 L/h，發動機額定轉速為2 200 r/min，最大泵油量是發動機在額定轉速下獲得的。燃油輸油泵5 min最大泵油量為5 min×260/60 L/min＝30 L，即油箱儲油量必須大于30 L，則油箱最低油位30×106／（1 350×450）mm＝49.38 mm。再考慮到進油管吸油口離油箱底部的高度25 mm，上饒SR6115TH型客車燃油系統油箱最低允許油位為74.38 mm。

4 結束語

BOSCH高壓共軌系統對燃油油路要求非常苛刻，任何一個環節出了問題，軌壓都不能正常建立，發動機就會起動困難。這就要求要非常重視整個燃油油路。

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