胡小剛

摘要：本文介紹了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展前景和趨勢(shì)，分析了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理，重點(diǎn)研究了博世（BOSCH）高壓共軌系統(tǒng)CR系列，通過(guò)對(duì)高壓泵進(jìn)行三維建模和有限元分析，結(jié)合高壓泵的效率、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等建立供油能力數(shù)學(xué)模型，找出供油能力與高壓泵結(jié)構(gòu)之間的函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：高壓共軌；有限元分析；三維建模；供油能力

0前言

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消耗對(duì)環(huán)境的影響受到全世界的關(guān)注。而車用發(fā)動(dòng)機(jī)則是當(dāng)下能源消耗大戶，持續(xù)降低油耗、節(jié)約能源成為一項(xiàng)漫長(zhǎng)而艱巨的任務(wù)。當(dāng)前，車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放物是造成環(huán)境污染的重要來(lái)源，其中有害排放物有氮氧化物、未燃燒碳?xì)浠衔?、顆粒、一氧化碳等，這些物質(zhì)對(duì)人體和環(huán)境有極大的危害。為了進(jìn)一步解決氮氧化物和顆粒的排放較高問(wèn)題，諸多柴油機(jī)噴射系統(tǒng)采用了高壓共軌噴射系統(tǒng)。該系統(tǒng)既提高柴油機(jī)整機(jī)性能，又減少了排放。高壓共軌泵作為高壓共軌系統(tǒng)重要部件，關(guān)系到系統(tǒng)的整體運(yùn)行，本文重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)方面對(duì)其分析和研究，并對(duì)高壓泵供油能力進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

1高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，是本世紀(jì)新型綠色柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)，它采用壓力時(shí)間計(jì)量原理淘汰了以前慣用的脈動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確控制高速電磁閥的啟閉時(shí)間，控制共軌中的進(jìn)油量，完成對(duì)共軌中燃油壓力精準(zhǔn)控制，使噴油壓力不會(huì)隨柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化；另外，經(jīng)過(guò)ECU準(zhǔn)確計(jì)算，控制了各缸噴油電磁閥，實(shí)現(xiàn)1次或多次燃油噴射，徹底分離了噴油壓力的產(chǎn)生及燃油的噴射過(guò)程，噴油量、噴油壓力和噴油定時(shí)的柔性控制得以實(shí)現(xiàn)。（圖１）

目前，世界上很大公司都研制了各自的共軌系統(tǒng)，本文重點(diǎn)分析相對(duì)成熟的且大量上市的博世公司的CR系統(tǒng)。博世公司于1997 年推出了第一款系列生產(chǎn)的共軌系統(tǒng)。名稱源自為所有氣缸提供燃油的高壓蓄能器（共軌）。其他柴油噴射系統(tǒng)是分別為每次噴射產(chǎn)生燃油壓力，而共軌系統(tǒng)則是將壓力產(chǎn)生和噴射互相分隔開(kāi)來(lái)。燃油以噴射所需的壓力持續(xù)供應(yīng)。CR系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)高壓泵、噴射器、油軌和電子控制裝置組合調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)為從最小型的乘用車到重型汽車在內(nèi)的多種類型車輛提供適用的系統(tǒng)。

2高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)簡(jiǎn)介

為了進(jìn)一步解決NOx和顆粒PM的排放較高的問(wèn)題，諸多柴油機(jī)噴射系統(tǒng)均采用高壓共軌噴射系統(tǒng)。德國(guó)的博世公司是柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的先驅(qū)和領(lǐng)導(dǎo)者。以博世CR系列的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)為例，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基本工作原理為：輸油泵（齒輪泵）將燃油經(jīng)過(guò)濾器從油箱吸出，再經(jīng)過(guò)濾，以較低的壓力輸往高壓泵（柱塞泵）。然后該油路分為兩路：一路先通過(guò)安全閥小孔流過(guò)高壓泵的凸輪軸室，接著流過(guò)壓力控制閥，最后回油。另一路先經(jīng)高壓泵柱塞腔，再到共軌管。共軌管通過(guò)軌壓傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量壓力，還有一個(gè)溢流閥，執(zhí)行電控單元指令，反復(fù)啟閉回油通路實(shí)現(xiàn)共軌壓力控制。燃油從共軌管流向噴油器后又分為兩路：一路從打開(kāi)的電磁閥回油，一路進(jìn)入到燃燒室。

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)主要部分的功能如下：輸油泵：為高壓泵補(bǔ)油；高壓油泵，為高壓油軌提供高壓燃油；共軌管：能讓高壓泵供油和噴油器噴射引起的壓力波動(dòng)盡可能小的共軌容積，并保證能在啟動(dòng)時(shí)迅速建立壓力，起著蓄能作用。

3高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中高壓泵的分類及作用

當(dāng)前柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)中使用的高壓泵主要有兩類，分別是直列柱塞式共軌高壓泵和徑向柱塞式共軌高壓泵。

本文重點(diǎn)研究博世高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的高壓泵，其為徑向柱塞泵。高壓泵的任務(wù)是壓縮燃油并按照發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面的要求提供合適壓力的燃油。要做到這一點(diǎn)，它會(huì)不斷地將燃油送入高壓蓄壓器（共軌），以保持系統(tǒng)供油壓力。壓力產(chǎn)生與發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時(shí)也能夠產(chǎn)生所需的壓力。實(shí)物和結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4高壓泵關(guān)鍵元部件三維建模

首先確定博世高壓共軌泵的基本結(jié)構(gòu)并對(duì)關(guān)鍵元部件進(jìn)行三維建模。

驅(qū)動(dòng)、泵油部件等其它部件共同組成了共軌系統(tǒng)的高壓泵。驅(qū)動(dòng)部件包含凸輪軸、柱塞彈簧等，它最重要的部分為凸輪軸，直接關(guān)系到燃油壓力的建立及供油速率和供油效率。泵油部件包括柱塞偶件，柱塞偶件包含了柱塞、柱塞套，高壓泵的供油速率和死容積受柱塞升程和直徑的直接影響，它供油效率的高低取決于柱塞偶件配合間隙的設(shè)計(jì)。故共軌系統(tǒng)高壓泵中最需要研究的兩個(gè)關(guān)鍵部件是凸輪軸部件幾柱塞偶件。

高壓泵的凸輪軸是驅(qū)動(dòng)高壓泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件。凸輪軸設(shè)計(jì)的好壞是影響高壓泵供油規(guī)律的關(guān)鍵因素。本文通過(guò)Pro/E對(duì)高壓泵凸輪軸進(jìn)行三維建模，重點(diǎn)研究凸輪軸的受力分析圖、并校核了凸輪軸危險(xiǎn)截面的安全系數(shù)。（圖４）

柱塞和柱塞套組成了高壓泵的柱塞偶件，它們是最基本元件，也是供油的核心部件。柱塞在柱塞套內(nèi)上下往返移動(dòng)，形成高壓泵的吸油、壓油行程。要求柱塞、柱塞套的配合非常好，間隙在1.5~3um之間。實(shí)際情況是：泵端壓力與燃油泄漏量成正比，高壓共軌系統(tǒng)中高壓泵柱塞偶件的間隙泄露問(wèn)題主要出現(xiàn)在高壓泵端蓋壓力超過(guò)2000bar時(shí)。但是考慮到柱塞桿的功能多樣性，并且本文只研究起壓縮燃油作用的柱塞偶件，所以本文通過(guò)簡(jiǎn)化模型，將柱塞桿簡(jiǎn)化為一根“光桿”。通過(guò)Pro/E建立柱塞偶件三維模型，為后續(xù)有限元分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5高壓泵關(guān)鍵元部件有限元分析

（1）通過(guò)分析軟件ANSYS的Workbench模塊，本項(xiàng)目詳細(xì)計(jì)算了高壓泵凸輪軸的三維建模部分，同時(shí)校核了它的危險(xiǎn)截面強(qiáng)度。為抓住重點(diǎn)，分析主要部位，本項(xiàng)目將對(duì)不屬于承力部件且會(huì)影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量的凸輪軸倒角、圓角和螺紋等進(jìn)行去除，簡(jiǎn)化凸輪軸模型。然后對(duì)凸輪軸有限元模型進(jìn)行施加約束和載荷，找出其最大主應(yīng)力和等效應(yīng)力的臨界點(diǎn)。通過(guò)分析，判斷凸輪軸的設(shè)計(jì)強(qiáng)度能否滿足要求，在受力最苛刻條件下是否會(huì)失效。（圖５）endprint

（2）高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)高壓泵開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)在于高壓泵中燃油的泄漏。這個(gè)問(wèn)題倍受矚目，因?yàn)樾孤┊a(chǎn)生后果極其嚴(yán)重。影響高壓泵供油效率的核心參數(shù)是柱塞腔燃油泄漏量，燃油在高壓下通過(guò)柱塞和柱塞套間的徑向間隙的泄漏是泄漏核心來(lái)源，泄漏主要是柱塞偶件在高壓下的徑向變形導(dǎo)致的。泄漏燃油在柱塞間隙中的流動(dòng)形式很復(fù)雜，一是間隙兩端存在壓差，二是柱塞內(nèi)圓面和柱塞套外圓面之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以，Couette、Poiserolle流兩種流動(dòng)形式的疊加才是柱塞偶件中的泄漏燃油的流動(dòng)形式。（圖６）

本項(xiàng)目將利用分析軟件ANSYS的Workbench模塊，對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)建模的柱塞偶件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其在高壓下的密封性驗(yàn)證，并計(jì)算燃油通過(guò)柱塞偶件間隙的泄漏量。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形分析時(shí)，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，將柱塞和柱塞套視為完全軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。同時(shí)，本項(xiàng)目重點(diǎn)研究柱塞偶件在燃油壓力下的徑向變形，將簡(jiǎn)化作用在柱塞偶件上載荷，對(duì)研究結(jié)構(gòu)影響不大的邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

6高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)新型供油系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立

該新型供油系統(tǒng)為高壓泵，它的泵油過(guò)程異常復(fù)雜，存在很多干擾供油過(guò)程的因素，在建立高壓泵供油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)首先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。高壓泵的供油能力可以從每循環(huán)供油壓力和最大供油量?jī)蓚€(gè)方面來(lái)表示。通過(guò)建立的數(shù)學(xué)模型分析高壓泵泵油能力的主要影響因素，主要包括：柱塞直徑、柱塞最大供油行程、柱塞腔間隙、柱塞偶件燃油泄漏量等。

（1）

式中：Q1h—燃油泄漏量（mm3）；dh—柱塞直徑（mm）；

δh—柱塞與柱塞套之間間隙（mm）；

η—燃油運(yùn)動(dòng)粘度；L—柱塞和柱塞套密封段長(zhǎng)度（mm）。

7總結(jié)和結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)高壓泵進(jìn)行三維建模和有限元分析，得出高壓油泵供油能力數(shù)學(xué)函數(shù)，對(duì)高壓油泵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)與研制提供相關(guān)技術(shù)參數(shù)，得出高壓油泵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的有限元分析數(shù)據(jù)，為分析泄漏提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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