船舶柴油機高壓共軌系統總體結構設計研究

齊永剛

摘 要：高壓共軌系統具有全面、柔性、精確的燃油噴射控制特點，具備滿足未來更加嚴格排放法規的潛力。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。本文主要從系統總體結構設計層面分析了不同高壓共軌系統總體結構設計對系統壓力波動的影響，旨在為高壓共軌系統的總體結構設計提供指導。

為了應對日益加劇的環境污染，世界各國制定的排放法規要求越來越嚴格。作為內燃機行業被公認的20世紀三大突破之一的高壓共軌燃油系統以其全面、柔性、精確的噴油控制逐漸成為滿足越來越嚴格排放法規的主流技術。柴油機的排放越低對燃油噴射的控制精度要求就越高。高壓共軌系統最突出的優點就是以其靈活精確控制燃油噴射，實現優化的燃燒過程，降低排放和提高燃油經濟性。本文主要從高壓共軌系統總體結構設計層面出發，分析幾種不同總體結構設計對系統壓力動態特性的影響，并指出幾種結構設計的優劣，旨在為高壓共軌系統的總體結構設計提供指導。

1 高壓共軌系統的結構及基本原理

柴油機高壓共軌系統的基本結構主要由高壓油泵、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、穩壓后，經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入電控噴油器。ECU根據柴油機當前的工況和預設的MAP圖確定系統的基本噴油正時、噴油持續期及噴油量，同時ECU根據各傳感器信號對基本噴油正時、噴油持續期及噴油量進行修正，實現柴油機當前工況的優化運行。

1.1 高壓油泵

從整體結構上看，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結構。高壓泵通常主要由以下幾部分構成：齒輪泵、凸輪軸、傳動部件、柱塞偶件、燃油計量單元、進油閥、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嚙合兩種結構，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。凸輪軸一般根據柴油機傳動比、偶件參數等要求，一般采用多凸和單凸結構。燃油計量單元主要有兩種結構：一是高響應速度的PCV閥，另外一種是比例控制的MEUN閥。前一種閥響應速度快，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構主要由以下幾部分構成：針閥偶件、控制活塞組件、液壓伺服系統、電磁閥、罩帽、器體等。其中液壓伺服機構主要包括進油量孔、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的結構，可將共軌管的容積分布到高壓油泵和噴油器。采用這種分布式結構時，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

共軌管按其結構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，整體式共軌管結構簡單，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，具有較強的適應性。

2 高壓共軌系統的總體結構

根據高壓油泵、共軌管及電控噴油器的不同結構，高壓共軌系統可采用的總體結構設計主要有以下四種：

（1）整體式結構：高壓油泵+整體式共軌管+電控噴油器。這種高壓共軌系統的高壓油泵不帶ACC，高壓油泵的高壓燃油出口為多個；共軌管采用整體式結構，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）分段式結構：高壓油泵+分段式共軌管+電控噴油器。這種高壓共軌系統的高壓油泵不帶ACC，高壓油泵的高壓燃油出口為多個；共軌管采用分段式結構，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）式結構：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構，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）分布式結構：帶ACC的高壓油泵+帶ACC的電控噴油器。這種高壓共軌系統的高壓油泵帶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 共軌系統仿真模型的校正

3.1 共軌系統模型的建立

以BOSCH公司CR/CP2高壓共軌系統為對象，應用專業的燃油系統仿真分析軟件AVL_hydsim建立高壓共軌系統仿真分析模型，如圖1所示。

3.2 仿真模型的校正

以BOSCH公司CR/CP2高壓共軌系統為試驗對象，開展高壓共軌系統平臺試驗。根據試驗結果對仿真模型進行校正，直到計算結果與試驗測試結果的誤差在2%以內。試驗主要設備包括THP高壓共軌系統試驗臺、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，分別建立前述四種結構高壓共軌系統仿真模型。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模型除高壓容積不同（即泵端ACC+共軌管+器端ACC的總容積相等，但具體分布不同）外，其余參數相同，其關鍵參數見表1。

4.2 四種結構對系統壓力的影響分析

為了使計算結果與高壓共軌系統的實際使用狀態保持一致，計算多個循環，并選取高壓共軌系統壓力已達到穩定狀態的部分進行分析。

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

從計算結果來看，這種高壓共軌系統結構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）第二種結構。第二種高壓共軌系統總體結構為泵端和器端均無ACC的分段式共軌管結構，其仿真計算的系統壓力特性關鍵值如表3所示。

從計算結果來看，這種高壓共軌系統結構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）第三種結構。第三種高壓共軌系統總體結構為泵端帶ACC的整體式共軌管結構，其仿真計算的系統壓力特性關鍵值如表4所示。

從計算結果來看，這種高壓共軌系統結構的泵端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）第四種結構。第四種高壓共軌系統總體結構為泵端和器端帶ACC無共軌管結構（無節流孔），其仿真計算的系統壓力特性關鍵值如表5所示。

從計算結果來看，這種高壓共軌系統結構的泵端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 四種結構對比分析

四種結構的主要壓力特性如表6所示。

從共軌管壓力波動來看：整體式結構的壓力波動小于分段式結構，約小25%～50%；泵端帶ACC的整體式結構的壓力波動略小于泵端不帶ACC的整體式結構。從針閥偶件SAC腔壓力波動來看：整體式結構與分段式結構的壓力波動范圍比較接近，而分布式結構的壓力波動明顯比整體式結構和分段式結構更小，約小24%。從針閥偶件SAC腔壓力波動一致性來看，泵端帶ACC的整體式結構和分布式結構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的噴油特性產生影響，因此優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的精確噴油器控制產生影響，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結構在針閥偶件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勢。

4.4 節流孔對分布式系統的影響分析

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，因此考慮采用節流孔結構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流孔（其計算值分別取1.25mm，1.5mm，1.75mm，2mm），并分析該節流孔對系統壓力的影響。其模型如圖2所示，系統壓力特性鍵值如表6所示。

從總體來看，節流孔直徑對高壓共軌系統壓力特性有一定的影響。隨著節流孔直徑的增加：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腔壓力特性進行詳細對比分析。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的電控噴油器的節流小孔可以抑制各噴油器之間的相互影響；同時，節流孔的直徑會對針閥偶件SAC腔的壓力降產生影響。其特點是：節流孔直徑越大，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，應盡量增加節流孔的直徑。

5 結論

1.整體式結構高壓共軌系統的共軌管的壓力波動小于分段式結構，約小25%～50%；泵端帶ACC結構比泵端不帶ACC結構的共軌管的壓力波動略小。2.整體式結構高壓共軌系統與分段式結構針閥偶件SAC腔的壓力波動范圍比較接近，而分布式結構的壓力波動明顯比整體式結構和分段式結構更小，約小24%。3.采用分布式高壓共軌系統結構其針閥偶件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噴油的精確控制。4.分布式高壓共軌系統結構的節流小孔設計可以抑制各噴油器之間的相互影響，提高系統的一致性。5.分布式高壓共軌系統結構的節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

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