董 朋 ，趙升噸，胡戰(zhàn)勝 ，張 鵬，范淑琴

（1.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.廣東榮興鍛壓設(shè)備有限公司，廣東 順德 528300）

在眾多的高壓共軌系統(tǒng)中運(yùn)用比較成熟的系統(tǒng)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(tǒng)[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(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用最為廣泛[1，2]。

1 博世公司產(chǎn)品

1.1 博世公司CP1高壓柱塞泵

共軌系統(tǒng)中燃油的壓力越高，噴入汽缸時(shí)霧化情況越好。目前的高壓共軌系統(tǒng)能達(dá)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(jié)構(gòu)中，徑向柱塞泵更易于實(shí)現(xiàn)燃油的高壓化。博世公司第一代產(chǎn)品為CP1型高壓柱塞泵，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。低壓燃油通過齒輪泵供給，經(jīng)過柱塞泵的吸油閥進(jìn)入吸油腔，當(dāng)柱塞上升壓縮容積的過程中，燃油經(jīng)過排油閥進(jìn)入到高壓共軌燃油管中，到達(dá)燃油噴嘴處，繼而完成噴油。該高壓共軌油泵中，采用了兩個(gè)單向閥作為吸油閥和排油閥。柱塞腔的體積設(shè)計(jì)的足夠小[4，5]。以保證已壓縮的燃油盡量全部進(jìn)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(cuò)120°的三柱塞結(jié)構(gòu)，徑向剖面圖如圖1b所示。吸油個(gè)過程為柱塞從上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)，柱塞腔擴(kuò)大，燃油從吸油閥進(jìn)入柱塞腔，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)并開始向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞腔容積減小，吸油閥關(guān)閉，油液推開排油閥，從而進(jìn)入共軌管路。在泵的一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)三次吸油排油動(dòng)作。燃油壓力通過一個(gè)電磁調(diào)壓閥設(shè)定，當(dāng)共軌管路中的燃油過多，壓力過大時(shí)，調(diào)壓閥開啟，卸掉多余的油液。由于此型號(hào)的供油泵的供油量一直處于最大狀態(tài)，導(dǎo)致燃油需求量較小的情況下能量的浪費(fèi)，并且會(huì)導(dǎo)致燃油溫度升高。驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)多邊形輪在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，柱塞底部采用了滑靴支撐，滑靴的平面與多邊形驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。單個(gè)柱塞在一個(gè)周期內(nèi)完成三次吸排油，兩個(gè)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(jīng)過燃油計(jì)量閥進(jìn)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(jì)量閥來調(diào)節(jié)軌道壓力。燃油計(jì)量閥是一個(gè)電控節(jié)流閥。軌道壓力較低時(shí)，閥口處于較大開口狀態(tài)。燃油大量的進(jìn)入柱塞腔。當(dāng)需要的進(jìn)油量較小時(shí)，閥口減小，進(jìn)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(dòng)摩擦副，泵的整體工作可靠性提高。驅(qū)動(dòng)軸由于采用了凸輪結(jié)構(gòu)。其柱塞的升程速度由凸輪曲線控制，特殊設(shè)計(jì)的凸輪曲線可以穩(wěn)定燃油泵的輸出流量，其兩個(gè)柱塞相對(duì)應(yīng)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(wěn)定。

1.3 博世CP3壓共軌泵

CP3型高壓共軌泵通過轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)偏心輪運(yùn)動(dòng)，此結(jié)構(gòu)與CP1型結(jié)構(gòu)類似，此偏心輪在平面內(nèi)平動(dòng)，依靠多邊形偏心輪上的平面來推動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng)，通過安裝在柱塞側(cè)面的壓縮彈簧實(shí)現(xiàn)柱塞的回程。其三個(gè)柱塞相錯(cuò)120度，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。與CP1不同的是，CP3型泵增加了燃油計(jì)量閥[8]。通過此閥來控制進(jìn)入高壓泵燃油量的大小。燃油計(jì)量閥采用PWM控制方式，通過調(diào)節(jié)控制信號(hào)的占空比來控制閥口開度的大小，從而調(diào)整進(jìn)入高壓泵的流量。并且，此泵在偏心輪運(yùn)動(dòng)時(shí)候產(chǎn)生的徑向分力通過一個(gè)套筒零件轉(zhuǎn)移到了泵體上。以保證柱塞在運(yùn)動(dòng)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(wěn)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(huì)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(jié)構(gòu)圖如圖4所示。整個(gè)泵體通過燃油潤滑，全部的運(yùn)動(dòng)件基本都處在潤滑狀態(tài)。燃油計(jì)量閥能夠使輸入高壓系統(tǒng)的油液量可控，一定程度上節(jié)省了對(duì)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(shí)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(jié)構(gòu)。并且柱塞與凸輪的接觸采用了滾動(dòng)軸承的形式，采用滾動(dòng)軸承能夠更好的改變潤滑條件。在滾動(dòng)軸承外側(cè)加有一層護(hù)套，用來承擔(dān)來自凸輪的徑向分力，以保證柱塞的受力狀態(tài)良好。由于凸輪對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式，此泵在凸輪軸旋轉(zhuǎn)的一個(gè)周期內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)兩次吸排油動(dòng)作。燃油經(jīng)過燃油進(jìn)口進(jìn)入殼體，在殼體內(nèi)給予運(yùn)動(dòng)部件潤滑作用。燃油經(jīng)過燃油計(jì)量閥進(jìn)入高壓腔。燃油計(jì)量閥是電控節(jié)流閥，多余的流量通過另一個(gè)小閥口流回油箱。此泵高壓腔的進(jìn)油閥與出油閥全部為單向閥形式，在柱塞下降，柱塞腔擴(kuò)大過程中，燃油打開上端的單向閥進(jìn)入柱塞腔。當(dāng)柱塞上移過程中，并且壓力達(dá)到共軌壓力后，燃油推開左端的單向閥，進(jìn)入燃油軌道。其結(jié)構(gòu)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(chǎn)品

目前市場上的主流產(chǎn)品為博世公司的高壓共軌系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(chǎn)品。HP0型高壓泵的剖面圖如圖6所示。它通過兩個(gè)凸輪來驅(qū)動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng)。柱塞的回程采取彈簧回程的形式。此泵的通過進(jìn)油閥來控制進(jìn)入柱塞腔的燃油流量，從而減少共軌系統(tǒng)的溢流流量。當(dāng)柱塞下行，柱塞腔擴(kuò)大過程中，進(jìn)油閥打開，燃油進(jìn)入柱塞腔。柱塞在上行過程中，此時(shí)進(jìn)油閥還處于開啟狀態(tài)，燃油經(jīng)過進(jìn)油口流回低壓腔。當(dāng)剩余燃油量達(dá)到ECU計(jì)算出的所需燃油量時(shí)，控制閥關(guān)閉。燃油經(jīng)過高壓腔的出油閥進(jìn)入燃油軌道，進(jìn)而完成噴射。進(jìn)油口的電磁閥開關(guān)取決于ECU對(duì)所需燃油量的計(jì)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(jié)構(gòu)上與博世CP2型高壓泵類似，采用了凸輪驅(qū)動(dòng)柱塞的結(jié)構(gòu)形式，柱塞與凸輪的接觸處都安裝有滾動(dòng)軸承。然而兩者對(duì)于進(jìn)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(nèi)曲線轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)較特殊的泵，此泵采用柱塞內(nèi)置于定子的結(jié)構(gòu)形式。柱塞安裝在定子上，帶有內(nèi)曲線的轉(zhuǎn)子在外側(cè)。在外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期內(nèi)，柱塞同時(shí)向外或者向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩次吸排油動(dòng)作。而且定子上可以帶有一個(gè)泵油腔，也可以帶有兩個(gè)泵油腔，帶有兩個(gè)泵油腔的可以實(shí)現(xiàn)單周期內(nèi)4次吸排油動(dòng)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(nèi)曲線經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)。此曲線直接控制著進(jìn)入共軌管高壓燃油的燃油量，泵的流量脈動(dòng)值由此定子內(nèi)曲線直接決定。此泵通過燃油計(jì)量閥來控制高壓泵的泵油量，該燃油計(jì)量閥結(jié)構(gòu)如圖8所示。此燃油計(jì)量閥為開關(guān)閥，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的計(jì)算，控制進(jìn)入高壓泵柱塞腔的進(jìn)油量，從而減少了高壓燃油的溢流量。此閥的工作原理是當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，閥芯向右移動(dòng)，燃油從下端進(jìn)油口流經(jīng)閥芯到閥的出油口，當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，閥芯關(guān)閉。阻斷了燃油的通路。此泵的燃油供給泵采用葉片結(jié)構(gòu)，利用葉片在偏心輪處的收縮實(shí)現(xiàn)容積的變化，達(dá)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(qū)動(dòng)柱塞的方式，油液通過一個(gè)擺線轉(zhuǎn)子泵進(jìn)入油液計(jì)量閥。從燃油計(jì)量閥經(jīng)過的油液，進(jìn)入柱塞泵的高壓腔，當(dāng)高壓泵的柱塞上升時(shí)，高壓腔容積減小，油液經(jīng)過排油閥進(jìn)入高壓燃油軌道[12]。

HP3型高壓泵為對(duì)置的雙柱塞結(jié)構(gòu)。通過偏心輪驅(qū)動(dòng)柱塞上升與下降。該對(duì)置式的柱塞通過一個(gè)滑靴支撐在平動(dòng)滑塊上。該結(jié)構(gòu)中采用了較大面積的滑靴面積，以保證對(duì)柱塞的可靠支撐。采用了壓縮彈簧的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)柱塞的回程。該燃油泵的高壓腔通過進(jìn)油閥與出油閥來實(shí)現(xiàn)配流。進(jìn)油閥及出油閥采用了單向閥結(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)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(dòng)結(jié)構(gòu)上與博世公司的CP1、CP3結(jié)構(gòu)上有相似之處。通過偏心輪驅(qū)動(dòng)三個(gè)相位相差120°均布的柱塞實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油的加壓[13，14]。其低壓燃油供給泵采用了擺線轉(zhuǎn)子泵的結(jié)構(gòu)形式。其基本結(jié)構(gòu)如圖10所示。其燃油計(jì)量閥與HP3型泵的計(jì)量閥相同。

3 其他公司高壓共軌燃油泵

德爾福曾經(jīng)是美國通用汽車公司的零部件部門，后來脫離并獨(dú)自上市，是知名的汽車零部件供應(yīng)商。其生產(chǎn)的DFP1型高壓泵與日本電裝HP2型高壓泵結(jié)構(gòu)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(nèi)置的轉(zhuǎn)子。該結(jié)構(gòu)能夠通過設(shè)計(jì)定子型線，旋轉(zhuǎn)一次完成一次泵油或者多次泵油動(dòng)作。此外，德國西門子也有自己的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，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(dòng)裝置。

圖8 電裝公司燃油計(jì)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）高壓共軌燃油泵基本都采用了徑向柱塞的傳動(dòng)形式。由于徑向柱塞在結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其傳動(dòng)過程中基本只參與對(duì)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(dòng)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(jié)構(gòu)中，端面配流、配流盤配流等結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，安全穩(wěn)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(tǒng)工作的可靠性。為能夠持續(xù)不斷地給系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，從而保證高壓泵的穩(wěn)定供油能力。

（4）基本都存在燃油計(jì)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(jìn)口位置都設(shè)置了燃油計(jì)量裝置。其中在泵出口設(shè)置燃油計(jì)量裝置是為了作為燃油系統(tǒng)壓力安全閥保證系統(tǒng)燃油壓力穩(wěn)定。在進(jìn)油口設(shè)置燃油計(jì)量裝置，能夠根據(jù)燃油噴射系統(tǒng)的工作狀況，實(shí)時(shí)的調(diào)整燃油的進(jìn)油量，從而既保證了燃油壓力的穩(wěn)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(jì)量方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許 濤.高壓共軌柴油機(jī)高壓油泵控制策略研究[D].長春：吉林大學(xué)，2017.

[2] 辛 喆，李亞平，張?jiān)讫垼?柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)軌壓模糊控制與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，（s1）：34-41.

[3] Inc B.Training_Program_Guide_2013[J].https：//wwwboschcomcn/.2013.

[4] 范立云，董曉露，白 云，等.高壓共軌系統(tǒng)高壓油泵容積效率研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，38（8）.

[5] 常 遠(yuǎn)，歐陽光耀，楊 昆.超高壓共軌系統(tǒng)燃油噴射控制[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（5）：39-43.

[6]范明強(qiáng).博世公司商用車新型增壓式高壓共軌噴射系統(tǒng)介紹[J].汽車維修與保養(yǎng)，2017，（8）：86-9.

[7] 范立云，連 歷，馬修真，等.高壓共軌系統(tǒng)高壓油泵供油特性影響因素分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2016，37（4）.

[8] 劉 成，滕 勤，馬 標(biāo).高壓共軌柴油機(jī)油軌壓力控制研究綜述[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2017，34（1）：.

[9] Inc D.電裝產(chǎn)品樣本 [J].http：//wwwglobaldensocom/en/products/oem/tool/.2015.

[10] 奚 陽.燃油噴射參數(shù)對(duì)高壓共軌柴油機(jī)性能的影響[J].工業(yè)，2017（2）.

[11] 王洪榮，鄧鵬毅，張 衡.高壓共軌柴油機(jī)共軌壓力階躍響應(yīng)控制策略研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2017，38（2）.

[12]方 燁.基于模型的高壓共軌柴油機(jī)控制策略研究與臺(tái)架優(yōu)化[D].杭州：浙江大學(xué)；2017.

[13] 馬修真，田丙奇，范立云，等.電控噴油器參數(shù)對(duì)高壓共軌系統(tǒng)循環(huán)噴油量波動(dòng)影響的量化分析[J].汽車工程，2015，（1）：55-61.

[14]何雙杰.基于MAP及模糊PID控制的高壓共軌柴油機(jī)的研究[J].信息與電腦：理論版，2017，（2）：59-62.

[15] Inc D.Delphi principles of operation common rail manual[J].wwwfordwikicouk_images_6_6b_Delphi_Principles_Of_Operation_-_Common_Rail_Manualpdf.2015.