船舶柴油机高压共轨系统总体结构设计研究

摘 要：高压共轨系统具有全面、柔性、精确的燃油喷射控制特点，具备满足未来更加严格排放法规的潜力。排放要求越高，对燃油喷射控制精度要求越高。而共轨系统的压力波动会引起控制难度增加、控制精度下降等问题。本文主要从系统总体结构设计层面分析了不同高压共轨系统总体结构设计对系统压力波动的影响，旨在为高压共轨系统的总体结构设计提供指导。

为了应对日益加剧的环境污染，世界各國制定的排放法规要求越来越严格。作为内燃机行业被公认的20世纪三大突破之一的高压共轨燃油系统以其全面、柔性、精确的喷油控制逐渐成为满足越来越严格排放法规的主流技术。柴油机的排放越低对燃油喷射的控制精度要求就越高。高压共轨系统最突出的优点就是以其灵活精确控制燃油喷射，实现优化的燃烧过程，降低排放和提高燃油经济性。本文主要从高压共轨系统总体结构设计层面出发，分析几种不同总体结构设计对系统压力动态特性的影响，并指出几种结构设计的优劣，旨在为高压共轨系统的总体结构设计提供指导。

1 高压共轨系统的结构及基本原理

柴油机高压共轨系统的基本结构主要由高压油泵、共轨管、电控喷油器、ECU、流量限制阀、压力限制阀、各种传感器等组成。低压油泵将燃油从油箱吸出、增压、稳压后，经过燃油计量单元输入高压油泵，高压油泵将燃油加压后送入共轨管。共轨管中的高压燃油通过流量限制阀进入电控喷油器。ECU根据柴油机当前的工况和预设的MAP图确定系统的基本喷油正时、喷油持续期及喷油量，同时ECU根据各传感器信号对基本喷油正时、喷油持续期及喷油量进行修正，实现柴油机当前工况的优化运行。

1.1 高压油泵

从整体结构上看，高压油泵主要分为两类：单体式高压油泵和组合式高压油泵。其中组合式高压油泵又可分为带ACC（蓄压腔）和不带ACC结构。高压泵通常主要由以下几部分构成：齿轮泵、凸轮轴、传动部件、柱塞偶件、燃油计量单元、进油阀、出油阀等，其中齿轮泵和凸轮轴为组合式高压油独有。齿轮泵一般采用外啮合和内啮合两种结构，主要用于向高压油泵提供一定流量和一定压力的低压燃油。凸轮轴一般根据柴油机传动比、偶件参数等要求，一般采用多凸和单凸结构。燃油计量单元主要有两种结构：一是高响应速度的PCV阀，另外一种是比例控制的MEUN阀。前一种阀响应速度快，控制精度高，但成本较高；后一种阀采用比例流量控制，成本较低。

1.2 电控喷油器

电控喷油器的基本结构主要由以下几部分构成：针阀偶件、控制活塞组件、液压伺服系统、电磁阀、罩帽、器体等。其中液压伺服机构主要包括进油量孔、出油量孔、控制腔以及单向阀几部分。为了简化高压共轨系统的结构，可将共轨管的容积分布到高压油泵和喷油器。采用这种分布式结构时，共轨管的压力限制阀一般集成到高压油泵；共轨管的流量限制阀一般集成到电控喷油器。

1.3 共轨管

共轨管按其结构形式一般分为整体式共轨管和分段式共轨管。共轨管一般还包括：压力传感器、流量限制阀、压力限制阀等部件。与分段式共轨管相比，整体式共轨管结构简单，且由于密封面更少可靠性更好。但是，多缸大功率柴油机采用整体式共轨管因其长度过长，在加工方面存在一定的困难。分段式共轨管便于加工，安装灵活便于布置，具有较强的适应性。

2 高压共轨系统的总体结构

根据高压油泵、共轨管及电控喷油器的不同结构，高压共轨系统可采用的总体结构设计主要有以下四种：

（1）整体式结构：高压油泵+整体式共轨管+电控喷油器。这种高压共轨系统的高压油泵不带ACC，高压油泵的高压燃油出口为多个；共轨管采用整体式结构，高压油泵通过多根高压油管直接与共轨管相连；电控喷油器不带ACC。（2）分段式结构：高压油泵+分段式共轨管+电控喷油器。这种高压共轨系统的高压油泵不带ACC，高压油泵的高压燃油出口为多个；共轨管采用分段式结构，高压油泵通过高压油管直接与共轨管相连，共轨之间通过高压油管相连；电控喷油器不带ACC。（3）蓄压整体（或分段）式结构：带ACC的高压油泵+整体（或分段）式共轨管+电控喷油器。这种高压共轨系统的高压油泵带ACC，高压油泵的高压燃油出口为单个；共轨管采用整体式结构，高压油泵通过高压油管直接与共轨管相连；电控喷油器不带ACC。如图9所示。（4）分布式结构：带ACC的高压油泵+带ACC的电控喷油器。这种高压共轨系统的高压油泵带ACC，高压油泵的高压燃油出口为单个；无共轨管；高压油泵通过单根高压油管直接与电控喷油器串连；电控喷油器带ACC，电控喷油器之间以高压油管相连。

3 共轨系统仿真模型的校正

3.1 共轨系统模型的建立

以BOSCH公司CR/CP2高压共轨系统为对象，应用专业的燃油系统仿真分析软件AVL_hydsim建立高压共轨系统仿真分析模型，如图1所示。

3.2 仿真模型的校正

以BOSCH公司CR/CP2高压共轨系统为试验对象，开展高压共轨系统平台试验。根据试验结果对仿真模型进行校正，直到计算结果与试验测试结果的误差在2%以内。试验主要设备包括THP高压共轨系统试验台、单次喷射仪、压力传感器、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为基础，分别建立前述四种结构高压共轨系统仿真模型。模型1：高压油泵为3缸，每缸高压油泵直接通过高压油管与整体式共轨管相连；6只电控喷油器通过高压油管与共轨管相连。模型2：高压油泵为3缸，共轨管为3根；每缸高压油泵分别通过高压油管与一根分段式共轨管相连；6只电控喷油器中，每两只喷油器通过高压油管与一根共轨管相连。模型3：高压油泵为3缸，高压油泵顶部设计有ACC，每缸高压油泵直接与ACC相连，然后通过一根高压油管将ACC与整体式共轨管相连；6只电控喷油器通过高压油管与共轨管相连。模型4：高压油泵为3缸，高压油泵顶部设计有ACC，每缸高压油泵直接与ACC相连；通过高压油管将高压油泵与6只电控喷油器串连，共轨管容积分布到每个喷油器。

考虑到仿真模型的可对比性，以上四种高压共轨系统模型除高压容积不同（即泵端ACC+共轨管+器端ACC的总容积相等，但具体分布不同）外，其余参数相同，其关键参数见表1。

4.2 四种结构对系统压力的影响分析

为了使计算结果与高压共轨系统的实际使用状态保持一致，计算多个循环，并选取高压共轨系统压力已达到稳定状态的部分进行分析。

（1）第一种结构。第一种高压共轨系统总体结构为泵端和器端均无ACC的整体式共轨管结构，其仿真计算的系统压力特性关键值如表2所示

从计算结果来看，这种高压共轨系统结构的共轨管压力波动约为6.8MPa；喷油器的SAC腔压力波动约为61～74.6MPa，压力波动最大相差约为13.6MPa。

（2）第二种结构。第二种高压共轨系统总体结构为泵端和器端均无ACC的分段式共轨管结构，其仿真计算的系统压力特性关键值如表3所示。

从计算结果来看，这种高压共轨系统结构的三段共轨管压力波动分别约为13.8MPa，8.4MPa， 14MPa；喷油器的SAC腔压力波动约为60.9～71MPa，压力波动最大相差约为13.5MPa。

（3）第三种结构。第三种高压共轨系统总体结构为泵端带ACC的整体式共轨管结构，其仿真计算的系统压力特性关键值如表4所示。

从计算结果来看，这种高压共轨系统结构的泵端ACC和共轨管的压力波动分别约为12.6MPa和6.3MPa；喷油器的SAC腔压力波动约为75.3～76.3MPa，压力波动最大相差约为1MPa。

（4）第四种结构。第四种高压共轨系统总体结构为泵端和器端带ACC无共轨管结构（无节流孔），其仿真计算的系统压力特性关键值如表5所示。

从计算结果来看，这种高压共轨系统结构的泵端ACC压力波动约为14.7MPa；器端ACC压力波动分别约为：14.6MPa，12MPa，11.4MPa，11.2MPa，11.5MPa；喷油器的SAC腔压力波动约为56.1～57.9MPa，压力波动最大相差约为1.8MPa。

4.3 四种结构对比分析

四种结构的主要压力特性如表6所示。

从共轨管压力波动来看：整体式结构的压力波动小于分段式结构，约小25%～50%；泵端带ACC的整体式结构的压力波动略小于泵端不带ACC的整体式结构。从针阀偶件SAC腔压力波动来看：整体式结构与分段式结构的压力波动范围比较接近，而分布式结构的压力波动明显比整体式结构和分段式结构更小，约小24%。从针阀偶件SAC腔压力波动一致性来看，泵端带ACC的整体式结构和分布式结构的压力波动一致明显更好。总体上来看，由于针阀偶件的SAC腔的压力特性直接对燃油系统的喷油特性产生影响，因此优先考虑满足针阀偶件SAC腔的压力波动值；另外，各喷油器的压力波动一致性也会对高压共轨系统的精确喷油器控制产生影响，因此压力波动一致性也需要考虑。综合来看，分布式高压共轨系统结构在针阀偶件SAC腔压力波动和各缸喷油器压力波动的一致性方面具有明显的优势。

4.4 节流孔对分布式系统的影响分析

各喷油器的喷油正时不同，喷油期间各缸喷油器的压力会相互影响，因此考虑采用节流孔结构来抑制各喷油器之间的相互影响。该模型主要考虑在器端ACC的入口处增加一个节流孔（其计算值分别取1.25mm，1.5mm，1.75mm，2mm），并分析该节流孔对系统压力的影响。其模型如图2所示，系统压力特性键值如表6所示。

从总体来看，节流孔直径对高压共轨系统压力特性有一定的影响。随着节流孔直径的增加：泵端ACC压力的最大、最小及平均值均有所下降，压力波动值有所上升；器端ACC压力的最大及最小值有所增加，均值和压力波动值有所下降；SAC腔压力的最大、最小值有所上升，均值和压力波动有所下降。由于针阀偶件SAC腔压力波动对燃油系统喷射特性影响最明显，因此对4种方案的针阀偶件SAC腔压力特性进行详细对比分析。喷射前针阀偶件SAC腔压力特性：四种方案最低压力为164.7～160.7MPa，呈逐渐降低趋势；最高压力基本保持一致，最大相差0.6MPa；平均压力为179.4～177.2MPa，呈逐渐降低趋势；压力波动为29.6～33.9MPa，呈逐渐升高趋势。喷射期间针阀偶件SAC腔压力特性：节流孔直径越小，针阀偶件SAC腔的压力降越大，四种方案与喷射前针阀偶件SAC腔的平均压力相比，压力降分别约为：22.6MPa，14.8MPa，10.9MPa，8.8MPa。而方案1的6只噴油器SAC腔之间最低压力值相差约0.9MPa，方案4的6只喷油器SAC腔之间最低压力值相差约2.2MPa。可见，带ACC的电控喷油器的节流小孔可以抑制各喷油器之间的相互影响；同时，节流孔的直径会对针阀偶件SAC腔的压力降产生影响。其特点是：节流孔直径越大，喷射期间针阀偶件SAC腔的压力降越小，同组喷油器之间相互影响就越大。但是，从程度上来看，前者的影响明显更大。因此，满足各只喷油器一致性要求的同时，应尽量增加节流孔的直径。

5 结论

1.整体式结构高压共轨系统的共轨管的压力波动小于分段式结构，约小25%～50%；泵端带ACC结构比泵端不带ACC结构的共轨管的压力波动略小。2.整体式结构高压共轨系统与分段式结构针阀偶件SAC腔的压力波动范围比较接近，而分布式结构的压力波动明显比整体式结构和分段式结构更小，约小24%。3.采用分布式高压共轨系统结构其针阀偶件SAC腔的压力波动一致性明显比整体式和分段式更好，有利于高压共轨系统喷油的精确控制。4.分布式高压共轨系统结构的节流小孔设计可以抑制各喷油器之间的相互影响，提高系统的一致性。5.分布式高压共轨系统结构的节流小孔直径会影响针阀偶件SAC腔的压力降，孔径越小，针阀偶件SAC腔的压力降越大。

参考文献

[1]船用柴油机的喷射技术，Leonhard R（德） Parche M（奥）等，国内外内燃机，2012年第3期

[2]L’orange公司平台设计的共轨式高压泵，Rainer W.Jorach（德），国外内燃机车，2005年第四期

[3]柴油机高压共轨式燃油喷射系统的仿真研究，李晓波，史镜海，哈尔滨工程大学学报，2008

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