發動機噴油系統用高壓共軌燃油泵發展及特點

董 朋 ，趙升噸，胡戰勝 ，張 鵬，范淑琴

（1.西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049；2.廣東榮興鍛壓設備有限公司，廣東 順德 528300）

在眾多的高壓共軌系統中運用比較成熟的系統有意大利FAIT公司、德國博世公司、美國德爾福公司、以及日本電裝公司的共軌燃油噴射系統[1-3]。這其中德國博世公司以及日本電裝公司的共軌燃油噴射系統在國內的應用最為廣泛[1，2]。

1 博世公司產品

1.1 博世公司CP1高壓柱塞泵

共軌系統中燃油的壓力越高，噴入汽缸時霧化情況越好。目前的高壓共軌系統能達到200MPa的噴射壓力，在齒輪泵、葉片泵、徑向柱塞泵等幾種常見的泵類結構中，徑向柱塞泵更易于實現燃油的高壓化。博世公司第一代產品為CP1型高壓柱塞泵，其結構如圖1所示[3]。低壓燃油通過齒輪泵供給，經過柱塞泵的吸油閥進入吸油腔，當柱塞上升壓縮容積的過程中，燃油經過排油閥進入到高壓共軌燃油管中，到達燃油噴嘴處，繼而完成噴油。該高壓共軌油泵中，采用了兩個單向閥作為吸油閥和排油閥。柱塞腔的體積設計的足夠小[4，5]。以保證已壓縮的燃油盡量全部進入高壓共軌燃油管路。

圖1 博世公司CP1型高壓共軌燃油泵

此泵的整體采用相錯120°的三柱塞結構，徑向剖面圖如圖1b所示。吸油個過程為柱塞從上止點向下運動，柱塞腔擴大，燃油從吸油閥進入柱塞腔，當運動到下死點并開始向上運動時，柱塞腔容積減小，吸油閥關閉，油液推開排油閥，從而進入共軌管路。在泵的一個旋轉周期內實現三次吸油排油動作。燃油壓力通過一個電磁調壓閥設定，當共軌管路中的燃油過多，壓力過大時，調壓閥開啟，卸掉多余的油液。由于此型號的供油泵的供油量一直處于最大狀態，導致燃油需求量較小的情況下能量的浪費，并且會導致燃油溫度升高。驅動軸驅動多邊形輪在平面內運動，柱塞底部采用了滑靴支撐，滑靴的平面與多邊形驅動輪平面直接接觸，為柱塞提供向上的支撐力。

1.2 博世CP2高壓共軌泵

博世公司的第二代高壓泵為CP2高壓泵為雙排直列結構，其結構圖如圖2所示。單個柱塞在一個周期內完成三次吸排油，兩個柱塞的凸輪軸的相位角相差60度[6，7]。此泵采用外嚙合齒輪泵輸油，燃油經過燃油計量閥進入柱塞腔。由于柱塞處的密封長度更長，此泵的輸出壓力比CP1型泵更高。CP2型高壓泵通過燃油計量閥來調節軌道壓力。燃油計量閥是一個電控節流閥。軌道壓力較低時，閥口處于較大開口狀態。燃油大量的進入柱塞腔。當需要的進油量較小時，閥口減小，進入高壓泵的燃油量降低。

圖2 博世公司CP2型高壓共軌燃油泵

該CP2型高壓共軌燃油泵柱塞底部采用滾輪支撐，與CP1相比，滾輪與凸輪之間線接觸，滾輪與凸輪之間的摩擦副為滾動摩擦副，泵的整體工作可靠性提高。驅動軸由于采用了凸輪結構。其柱塞的升程速度由凸輪曲線控制，特殊設計的凸輪曲線可以穩定燃油泵的輸出流量，其兩個柱塞相對應的凸輪在相位上有一定的夾角，從而使輸入到共軌管中的燃油壓力更加穩定。

1.3 博世CP3壓共軌泵

CP3型高壓共軌泵通過轉子驅動偏心輪運動，此結構與CP1型結構類似，此偏心輪在平面內平動，依靠多邊形偏心輪上的平面來推動柱塞運動，通過安裝在柱塞側面的壓縮彈簧實現柱塞的回程。其三個柱塞相錯120度，其結構圖如圖3所示。與CP1不同的是，CP3型泵增加了燃油計量閥[8]。通過此閥來控制進入高壓泵燃油量的大小。燃油計量閥采用PWM控制方式，通過調節控制信號的占空比來控制閥口開度的大小，從而調整進入高壓泵的流量。并且，此泵在偏心輪運動時候產生的徑向分力通過一個套筒零件轉移到了泵體上。以保證柱塞在運動過程中盡量只受到滑靴向上的力以及高壓燃油的反作用力，降低由偏心輪處的徑向分力，從而降低柱塞所承受的摩擦，降低其磨損，延長工作壽命，因此，在高壓作用下此泵能夠有更好的穩定性能。而CP1型泵完全由柱塞承受此徑向分力，所以其柱塞長度會較長。

圖3 博世公司CP3型高壓共軌燃油泵

CP3型高壓共軌燃油泵采用外嚙合齒輪泵作為燃油供給泵，將其直接與泵體連接在一起，其結構圖如圖4所示。整個泵體通過燃油潤滑，全部的運動件基本都處在潤滑狀態。燃油計量閥能夠使輸入高壓系統的油液量可控，一定程度上節省了對多余高壓油液壓縮做功耗能。

圖4 博世公司CP3型高壓共軌燃油泵實物圖

1.4 博世CP4壓共軌泵

CP4型高壓共軌泵沿用了單柱塞式結構。并且柱塞與凸輪的接觸采用了滾動軸承的形式，采用滾動軸承能夠更好的改變潤滑條件。在滾動軸承外側加有一層護套，用來承擔來自凸輪的徑向分力，以保證柱塞的受力狀態良好。由于凸輪對稱的結構形式，此泵在凸輪軸旋轉的一個周期內能夠實現兩次吸排油動作。燃油經過燃油進口進入殼體，在殼體內給予運動部件潤滑作用。燃油經過燃油計量閥進入高壓腔。燃油計量閥是電控節流閥，多余的流量通過另一個小閥口流回油箱。此泵高壓腔的進油閥與出油閥全部為單向閥形式，在柱塞下降，柱塞腔擴大過程中，燃油打開上端的單向閥進入柱塞腔。當柱塞上移過程中，并且壓力達到共軌壓力后，燃油推開左端的單向閥，進入燃油軌道。其結構如圖5所示[3]。

圖5 博世公司CP4型高壓共軌燃油泵

2 日本電裝公司產品

目前市場上的主流產品為博世公司的高壓共軌系統，此外市場占有率較高的是日本電裝公司的高壓共軌泵。日本電裝高壓泵有直列式和轉子式[9]。

2.1 電裝HP0型高壓共軌燃油泵

HP0型高壓泵是直列式高壓泵的典型產品。HP0型高壓泵的剖面圖如圖6所示。它通過兩個凸輪來驅動柱塞運動。柱塞的回程采取彈簧回程的形式。此泵的通過進油閥來控制進入柱塞腔的燃油流量，從而減少共軌系統的溢流流量。當柱塞下行，柱塞腔擴大過程中，進油閥打開，燃油進入柱塞腔。柱塞在上行過程中，此時進油閥還處于開啟狀態，燃油經過進油口流回低壓腔。當剩余燃油量達到ECU計算出的所需燃油量時，控制閥關閉。燃油經過高壓腔的出油閥進入燃油軌道，進而完成噴射。進油口的電磁閥開關取決于ECU對所需燃油量的計算值。

圖6 電裝公司HP0型高壓共軌燃油泵

HP0型高壓泵在大體結構上與博世CP2型高壓泵類似，采用了凸輪驅動柱塞的結構形式，柱塞與凸輪的接觸處都安裝有滾動軸承。然而兩者對于進油量控制方式是不同的。此泵的燃油供給泵有兩種形式，分別為內曲線轉子泵和葉片泵。

2.2 HP2型高壓共軌燃油泵

HP2型高壓共軌燃油泵是一種結構較特殊的泵，此泵采用柱塞內置于定子的結構形式。柱塞安裝在定子上，帶有內曲線的轉子在外側。在外轉子旋轉一個周期內，柱塞同時向外或者向內運動，實現兩次吸排油動作。而且定子上可以帶有一個泵油腔，也可以帶有兩個泵油腔，帶有兩個泵油腔的可以實現單周期內4次吸排油動作。其工作原理示意圖如圖7所示[10，11]。

圖7 電裝公司HP2型高壓共軌燃油泵工作原理示意圖

HP2型高壓共軌燃油泵的定子內曲線經過優化設計。此曲線直接控制著進入共軌管高壓燃油的燃油量，泵的流量脈動值由此定子內曲線直接決定。此泵通過燃油計量閥來控制高壓泵的泵油量，該燃油計量閥結構如圖8所示。此燃油計量閥為開關閥，根據發動機ECU的計算，控制進入高壓泵柱塞腔的進油量，從而減少了高壓燃油的溢流量。此閥的工作原理是當電磁鐵通電時，閥芯向右移動，燃油從下端進油口流經閥芯到閥的出油口，當電磁鐵斷電時，閥芯關閉。阻斷了燃油的通路。此泵的燃油供給泵采用葉片結構，利用葉片在偏心輪處的收縮實現容積的變化，達到輸送燃油到高壓共軌燃油泵的目的。

2.3 電裝HP3型高壓共軌燃油泵

HP3型燃油泵采用了偏心輪驅動柱塞的方式，油液通過一個擺線轉子泵進入油液計量閥。從燃油計量閥經過的油液，進入柱塞泵的高壓腔，當高壓泵的柱塞上升時，高壓腔容積減小，油液經過排油閥進入高壓燃油軌道[12]。

HP3型高壓泵為對置的雙柱塞結構。通過偏心輪驅動柱塞上升與下降。該對置式的柱塞通過一個滑靴支撐在平動滑塊上。該結構中采用了較大面積的滑靴面積，以保證對柱塞的可靠支撐。采用了壓縮彈簧的結構形式實現柱塞的回程。該燃油泵的高壓腔通過進油閥與出油閥來實現配流。進油閥及出油閥采用了單向閥結構。其基本結構如圖9所示。

2.4 HP4型高壓共軌燃油泵

HP4型高壓共軌燃油泵在傳動結構上與博世公司的CP1、CP3結構上有相似之處。通過偏心輪驅動三個相位相差120°均布的柱塞實現對燃油的加壓[13，14]。其低壓燃油供給泵采用了擺線轉子泵的結構形式。其基本結構如圖10所示。其燃油計量閥與HP3型泵的計量閥相同。

3 其他公司高壓共軌燃油泵

德爾福曾經是美國通用汽車公司的零部件部門，后來脫離并獨自上市，是知名的汽車零部件供應商。其生產的DFP1型高壓泵與日本電裝HP2型高壓泵結構類似，如圖11所示[15]。該泵采用了葉片式供油泵提供燃油，在輸油處采用了徑向柱塞內置的轉子。該結構能夠通過設計定子型線，旋轉一次完成一次泵油或者多次泵油動作。此外，德國西門子也有自己的高壓共軌燃油噴射系統，其高壓共軌泵采用了葉片泵供油，均布的三柱塞作為高壓泵的傳動裝置。

圖8 電裝公司燃油計量閥及燃油供給泵

圖9 電裝公司HP3型高壓共軌燃油

圖10 電裝公司HP4型高壓共軌燃油泵

圖11 德爾福公司DFP1型高壓共軌燃油泵

4 高壓共軌燃油泵結構特點

（1）高壓共軌燃油泵基本都采用了徑向柱塞的傳動形式。由于徑向柱塞在結構上的獨特優勢，其傳動過程中基本只參與對高壓油腔的壓縮和釋放。所以成為了高壓共軌燃油泵的首選傳動方案。

（2）配流方式基本都采用了單向閥配油。在容積式泵類結構中，端面配流、配流盤配流等結構形式廣泛的存在于各類油泵中，然而由于高壓共軌燃油泵的出口壓力非常高，單向閥以其簡單可靠的結構，安全穩妥的密封性能成為高壓共軌燃油泵配流方式的不二之選。

（3）高壓共軌燃油泵作為提供高壓燃油的核心部件，其吸油可靠性直接決定了燃油噴射系統工作的可靠性。為能夠持續不斷地給系統提供燃油，該泵基本都配置了前置的供油泵，一般采用齒輪或葉片式容積泵結構，從而保證高壓泵的穩定供油能力。

（4）基本都存在燃油計量裝置。為了防止燃油壓力過高及油液過熱，在泵的出口或者進口位置都設置了燃油計量裝置。其中在泵出口設置燃油計量裝置是為了作為燃油系統壓力安全閥保證系統燃油壓力穩定。在進油口設置燃油計量裝置，能夠根據燃油噴射系統的工作狀況，實時的調整燃油的進油量，從而既保證了燃油壓力的穩定，又能夠避免燃油溫度過高，所以此方式基本已成為主流燃油計量方式。

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