共轨高压油泵构造、工作原理和仿真模型讲解

摘要：高压共轨燃油喷射装置可实现压力可调、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、低噪声。在高压共轨装置中，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机构的工作性能有重要的影响。cummins公司在本文以AVL开发的燃油喷射机构仿真软件HYDSIM为工具，建立cumminsQSK38系列高压油泵的试验、仿真模型，并进行了试验验证。应用系统模型研究了高压泵构成数据对高压油泵供油效率的影响。

      柴油机高压油泵主要由泵体、凸轮轴、柱塞、配油泵、调整阀和压力监控系统等部件构成，如图1所示。

      如图2所示。泵体是高压油泵的具体承载部件，通常由铸铁或铸钢制成。泵体内部包含了吸油孔、排油孔和油路通道等构造，起到固定和密封油液的用途。

      如图3（a）所示。凸轮轴是高压油泵的驱动部件，一般由钢铁制成。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，从而实现燃油的进、排。也有部分机型采取偏心轮驱动方式，构成如图3（b）所示。

      柱塞是高压油泵的核心部件，通常由高强度材料制成。柱塞通过凸轮轴的推动，沿着柱塞导向套筒的轴向往复运动，从而改变油路的断续性，实现燃油的高压输送。

      配油泵是高压油泵的辅助部件，通常由齿轮泵或柱塞泵构造。配油泵负责为高压油泵供应稳定的低压油源，保证高压油泵的正常工作。

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

      压力控制器是高压油泵的保护部件，通常由压力探头和控制屏构造。压力监控系统可以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。

      如图4所示。在定量泵节流调整机构中，高原油泵提供的是恒定流量。当机构压力增大时，会使流量需求减小。此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即泵出口压力恒定（阀口常随压力波动开启）。

      柴油机高压油泵的作业机理具体分为吸油、加油和排油三个阶段。

      当凸轮轴转动时，凸轮推动柱塞向外运动，此时泵腔内形成负压，吸入低压油源。配油泵通过供油孔向泵腔供应稳定的低压油，确保泵腔内的油液充足。

      凸轮继续推动柱塞向外运动，泵腔内的油液被挤压，形成高压油。调整阀控制油泵的进油量和排油量，以调节燃油的压力和流量。

      当凸轮继续转动，凸轮轴上的凸轮离开柱塞，柱塞由弹簧的功能下向内运动，泵腔内的油液被排出。排油孔通过油路通道将高压油送往喷油器，完成对柴油机的喷油作业。

      通过以上作业原理，柴油机高压油泵可以实现燃油的高压输送，确保柴油机正常运转。

      高压共轨装置改变了传统的喷油装置的构成结构，较大的特点就是将燃油压力发生和燃油喷射分离，以此对轨管内的油压实现精确控制。

      对cummins来说系统零配件成熟且有持久操作考核验证，中型比较成熟。

      高压共轨油压独立于发动机转速控制，整机控制作用强。

      共轨管压力1600bar、普通压力180kgf/cm2。

      可以实现多次喷射，目前较好的共轨系统可以进行6次喷射，共轨系统的灵活性好。

      多次喷油特别是后喷能力使得共轨系统特别方便与后消除装置配合。

      结构移植方便，适应范围广，与柴油机均能很好匹配。

      时间控制装置抛弃了传统喷油系统的泵-管-嘴装置，用高速电磁阀直接控制高压燃油的通与断，喷油量由电磁阀开启和切断的时间来确定，时间控制装置构造简易，将喷油量和喷油正时的控制合二为一柴油发电机工作原理，控制的自由度更大，同时能较大地提升喷油压力。

      高压共轨式燃油喷射技术有助于减少柴油机尾气排放量，以及改进噪音、燃油消耗等方面的综合性能。

      当高压供油泵的柱塞参数确定后，油泵的实际单循环供油量和进油阀、出油阀、余隙容积有关。

      本文利用康明斯公司的高压供油泵进行讨论，该高压供油泵为两缸柱塞泵，在凸轮旋转一周内，两柱塞间隔60度凸轮转角交替向共轨管供油。选取AVL公司开发的专用燃油装置仿真软件HYDSIM对高压泵的供油过程进行建模发电机厂家**。在装置建模时，作了清除：

      为验证该模型的准确性，进行该机构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和实验测试得到的轨压波动曲线变化趋势相同，误差也不是很大。另外，机构仿线mL，而相对应的实验测量值为156mL，误差约为0.32%。由此可见，系统的仿真模型可以正确的反应当高压供油泵的特点，可以用于该高压供油泵的仿线、模型运行及概述

      利用建立的仿真模型对高压共轨燃油喷射系统的高压油泵供油过程进行仿真计算，并对高压供油泵的组成数据对油泵供油性能的危害进行讲解。

      余隙容积影响柱塞腔高压的建立，余隙容积越大，柱塞腔的高压建立时间越长，从而柱塞高效供油行程越小，容积效率越低。余隙容积对高压泵的容积效率的危害，如图6所示。

      由仿真结果可知，油泵容积效率随着余隙容积的增大而减少。随余隙容积的减少，容积效率的增大，扭矩峰值也随之增大。如图7所示。

      进油阀弹簧的预紧力决定着进油阀的开启压力，开启压力的大小危害进油阀的开启/关闭状况，因而对油泵供油效率发生影响。

      图8为进油阀开启压力对容积效率的影响，可见，进油阀的开启压力偏高或太低都不利于高压油泵的容积效率。这是由于进油阀弹簧预紧力太小康明斯发电机型号规格，则进油阀关闭动作缓慢，而弹簧预紧力太大时，又不利于进油阀的开启，从而造成回油量的增多或进油量的减小。

      在仿真计算中，通过改变出油阀开启压力的大小计算单循环的供油量，发现出油阀开启压力大小对容积效率几乎没有危害。这是因为高压共轨管保持着高压，油泵出油阀腔通太高压油管与共轨管相通，故而出油阀腔也一直保持高压。出油阀弹簧的预紧力相对于于出油阀腔的压力来说是很小的，所以出油阀的开启/关闭具体还是由柱塞腔和出油阀腔的压力差决定，因此出油阀的弹簧预紧力大小对油泵性能几乎没有影响。

      用所建的模型能较好地反映某型高压供油泵的作业过程，通过应用HYDSIM进行模拟计算，防止了盲目试验，降低了作业量，大大缩短了改善周期，同时还可验证以往经验布置的正确性。由防线）柱塞腔的余隙容积的大小危害高压供油泵的容积效率。在高压泵的设计中，应适当减少余隙容积，当然该容积也无法过小，因为余隙容积的减轻一定程度，扭矩峰值将增大。另外余隙容积太小，可能发生液击。

2）进油阀的弹簧预紧力和进油阀的弹簧刚度对高压泵的容积效率会产生危害，可根据实际状况综合考虑采用适当的开启压力和弹簧刚度。

3）出油阀弹簧的预紧力对油泵性能几乎没有影响。但在高压泵的设计中，可以采用较小的出油阀弹簧预紧力，以减轻出油阀的跳动。

图5  共轨管压力波动试验与仿真对比曲线  余隙容积对高压油泵效率的危害

     柴油机高压油泵是柴油机燃油装置中的关键部件，其构成复杂，包括泵体、凸轮轴、柱塞、配油泵、调节阀和压力控制界面等部件。高压油泵通过凸轮轴的驱动，使柱塞往复运动，实现燃油的进、排。同时，配油泵、调节阀和压力监控系统的协同工作，保证了燃油的压力和流量的稳定性。柴油机高压油泵的正常作业对于柴油机的性能和动力输出至关重要。

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