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新闻主题	共轨高压油泵结构、工作原理和仿真模型分析

 

摘要：高压共轨燃油喷射系统可实现压力可调、独立控制喷油正时、喷油速率变化和喷油量，因此它可以极大提高柴油机动力性能和燃油经济性，实现低排放、低噪音。在高压共轨系统中，共轨管的燃油由高压油泵压入。因此高压供油泵的供油能力，对整个柴油发电机组共轨系统的工作性能有重要的影响。康明斯公司在本文以AVL开发的燃油喷射系统仿真软件HYDSIM为工具，建立康明斯QSK38系列高压油泵的试验、仿真模型，并进行了试验验证。运用系统模型研究了高压泵结构参数对高压油泵供油效率的影响。

 

一、 高压油泵主要组成部分

 

柴油机高压油泵主要由泵体、凸轮轴、柱塞、配油泵、调节阀、压力控制器及溢流阀等部件组成（如图1所示）。

1. 泵体

如图2所示，泵体是高压油泵的主要承载部件，通常由铸铁或铸钢制成，内部包含吸油孔、排油孔和油路通道等结构，起到固定和密封油液的作用，同时承受高压燃油的脉动载荷。

2. 凸轮轴

如图3（a）所示，凸轮轴是高压油泵的驱动部件，通常由钢铁制成。凸轮轴上的凸轮通过连杆和柱塞相连，转动时推动柱塞往复运动，实现燃油的吸入与压出。部分机型采用偏心轮驱动方式，结构如图3（b）所示，其驱动特性与凸轮式有所不同。

3. 柱塞

柱塞是高压油泵的核心加压元件，由高强度材料制成。柱塞在凸轮轴的推动下，沿柱塞导向套筒轴向往复运动，改变柱塞腔容积，实现燃油的吸入、压缩与高压排出。

4. 配油泵

配油泵是高压油泵的辅助部件，通常由齿轮泵或柱塞泵构成，负责为高压油泵提供稳定的低压油源，保证高压油泵在各种工况下均有充足的燃油供给。

5. 调节阀

调节阀是高压油泵的控制部件，通常由电磁阀或机械结构构成，通过控制油泵的进油量和排油量，调节燃油的压力和流量，以满足柴油机不同工况下的需求。

6. 压力控制器

压力控制器是高压油泵的保护部件，由压力传感器和控制模块构成，实时监测高压油泵的工作压力，当压力超过设定值时及时采取措施，保护高压油泵和柴油机免受超压损害。

7. 溢流阀

如图4所示，在定量泵节流调节系统中，高压油泵提供恒定流量。当系统压力增大导致流量需求减小时，溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证泵出口压力恒定（阀口常随压力波动开启）。

 

图1  电控柴油机高压油泵组成	图2  电控柴油机高压油泵泵体结构图
图3  电控柴油机高压油泵驱动方式	图4  电控柴油机高压油泵溢流阀

 

二、 高压油泵工作原理与共轨系统特点

 

1. 高压油泵的三阶段工作原理

柴油机高压油泵的工作过程分为吸油、加压和排油三个阶段：

（1）吸油阶段：凸轮轴转动时，凸轮推动柱塞向外运动，泵腔内形成负压，吸入低压油源。配油泵通过供油孔向泵腔提供稳定的低压油，确保泵腔内油液充足。

（2）加压阶段：凸轮继续推动柱塞向外运动，泵腔内油液被挤压形成高压油。调节阀控制进油量和排油量，以调节燃油压力和流量。

（3）排油阶段：凸轮继续转动，凸轮离开柱塞，柱塞在弹簧作用下向内运动，泵腔内高压油经排油孔通过油路通道送往共轨管或喷油嘴，完成供油。

2. 高压共轨系统的九大特点

高压共轨系统将燃油压力产生与燃油喷射分离，实现对轨管内油压的精确控制，其主要特点包括：

（1）可靠性：系统零部件成熟且有长期使用考核验证，中型应用成熟可靠。

（2）继承性：结构简单，安装方便，便于现有柴油机的升级改造。

（3）灵活性：共轨油压独立于发动机转速控制，整机控制功能强。

（4）高压化：共轨管压力达1600bar，远高于传统机械泵的180kgf/cm²（约180bar）。

（5）多次喷射：可实现多次喷射，目前先进的共轨系统可进行6次喷射，灵活性好。

（6）升级潜力：多次喷射（特别是后喷能力）使共轨系统便于与后处理系统（DOC、DPF、SCR）配合，满足更严格排放标准。

（7）匹配适合性：结构移植方便，适应范围广，与各类柴油机均能良好匹配。

（8）时间控制：抛弃传统泵-管-嘴系统，用高速电磁阀直接控制高压燃油通断，喷油量由电磁阀开启和切断的时间确定，控制自由度更大，喷油压力更高。

（9）环保性：有助于减少尾气排放、改善噪声和燃油消耗等综合性能。

 

三、 高压油泵供油过程仿真模型与试验验证

 

1. 高压油泵供油过程的数学模型

高压油泵柱塞腔的连续方程可表示为：

$$\begin{array}{cc}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\nu </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">k</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">o</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">l</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}& \text{<span style="font-size: 14px;">(1)</span>}\end{array}$$

式中，${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\nu </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}$为柱塞腔压力变化引起的压缩油量变化；${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}$为柱塞瞬时压入油量；${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">k</span>}}$为通过出油阀流出的流量；${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">o</span>}}$为柱塞腔流向低压管道的流量；${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">l</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}$为柱塞腔泄漏流量。

进一步展开为：

$$\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">E</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">\cdot </span>\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">t</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">f</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">\cdot </span>\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">H</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">t</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\delta </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">k</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">\cdot </span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mu </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">k</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">\cdot </span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">f</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">k</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">\cdot </span>\sqrt{\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\rho </span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mid </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">k</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mid </span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\gamma </span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">\cdot </span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mu </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">\cdot </span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">f</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">\cdot </span>\sqrt{\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\rho </span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mid </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mid </span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\pi </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\delta </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">3</span>}}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">12</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\eta </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">L</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}}<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>& \text{<span style="font-size: 14px;">(2)</span>}\end{array}$$

式中，$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">E<span\; style="font-family:\; Arial,\; Verdana,\; sans-serif;">为燃油弹性模量；</span></span>}$$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\eta </span>}$为燃油动力粘度；$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mu <span\; style="font-family:\; Arial,\; Verdana,\; sans-serif;">为流量系数；</span></span>}$$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}$为直径；$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">L</span>}$为长度；$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">f<span\; style="font-family:\; Arial,\; Verdana,\; sans-serif;">为流通截面积；</span></span>}$$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">H</span>}$为柱塞升程；$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">V</span>}$为容积；下标 $\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">h</span>}$、$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">k</span>}$、$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">o</span>}$分别代表柱塞、出油孔（阀）、回油孔通道；$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\delta </span>}$和 $\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\gamma </span>}$为阶跃函数（取0或1）。当柱塞参数确定后，油泵实际单循环供油量与进油阀、出油阀及余隙容积有关。

2. 仿真系统模型的建立与验证

利用康明斯高压供油泵（两缸柱塞泵，凸轮旋转一周内两柱塞间隔60°凸轮转角交替供油）进行研究，采用AVL公司开发的专用燃油系统仿真软件HYDSIM建立供油过程模型。建模中假设：

（1）燃油温度在主轴一个循环过程中不变，取40℃；

（2）燃油密度、运动粘度、体积模量为压力的函数；

（3）将共轨近似看作空心圆柱体。

为验证模型准确性，进行系统典型工况的平台试验。由图5可见，系统仿真得到的轨压波动曲线与实验测试曲线变化趋势相同，误差较小。高压泵主轴旋转50周的供油量仿真值为156.5mL，实验测量值为156mL，误差约 0.32% 。表明该仿真模型可正确反映高压供油泵特性，可用于后续仿真研究。

3. 结构参数对供油效率的影响分析

（1）余隙容积的影响（如图6、图7所示）

余隙容积影响柱塞腔高压建立时间——余隙容积越大，高压建立时间越长，柱塞有效供油行程越小，容积效率越低。仿真结果表明：油泵容积效率随余隙容积增大而减小；随余隙容积减小，容积效率增大，但扭矩峰值也随之增大。因此，高压泵设计中应适当减小余隙容积，但不可过小——否则扭矩峰值过高且可能产生液击。

（2）进油阀结构参数的影响（如图8所示）

进油阀弹簧预紧力决定开启压力。仿真表明：开启压力过高或过低均不利于高压油泵容积效率——预紧力太小，进油阀关闭动作缓慢，回油量增多；预紧力太大，进油阀开启困难，进油量减少。需根据实际情况综合考虑选择适当的开启压力和弹簧刚度。

（3）出油阀结构参数的影响

通过改变出油阀开启压力计算单循环供油量发现：出油阀开启压力大小对容积效率几乎没有影响。原因是高压共轨管保持高压，出油阀腔与共轨管相通始终处于高压状态，出油阀弹簧预紧力相对于该压力很小，出油阀开启/关闭主要由柱塞腔和出油阀腔压力差决定。设计中可选用较小的出油阀弹簧预紧力以减小阀跳动。

 

 

图5  共轨管压力波动试验与仿真对比曲线	图6  余隙容积对高压油泵效率的影响
图7  余隙容积对高压油泵扭矩的影响	图8  进油阀参数对高压油泵性能影响曲线

 

 

总结

康明斯QSK38高压共轨供油泵采用两缸柱塞泵结构，通过凸轮驱动柱塞往复运动完成吸油-加压-排油三阶段供油，轨压达1600bar，可实现最多6次喷射。基于AVL HYDSIM建立的供油过程仿真模型经试验验证，可用于结构参数优化研究。仿真结果表明：余隙容积增大导致容积效率降低但扭矩峰值减小，设计中需权衡；进油阀开启压力存在最优区间，过高或过低均不利；出油阀弹簧预紧力对容积效率几乎无影响，可选用较小预紧力以减小阀跳动。仿真方法避免了盲目试验，缩短了改进周期，为高压油泵的结构优化与匹配设计提供了可靠的理论依据。正确的结构参数匹配是保障共轨系统轨压稳定性和供油效率的基础。

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