王國瑩，付海燕，許春光，孫民忠，任貴峰，袁永先，王繼新，金玉梅

（中國北方發(fā)動機研究所，山西 大 同 037036）

高壓共軌系統(tǒng)具有很高的燃油壓力，而且能使柴油機的響應(yīng)性和駕駛舒適性達到汽油機水平，同時具有燃油經(jīng)濟性好、排放低的特性。在發(fā)動機所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保證高燃油壓力可以使發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速工況下獲得良好的燃燒特性。因此，高壓共軌系統(tǒng)在國內(nèi)外柴油機上得到了廣泛的應(yīng)用。

對于應(yīng)用在V型柴油機的單壓雙軌高壓共軌系統(tǒng)，國外的發(fā)展已經(jīng)比較完善，可以通過控制雙軌中單個共軌管的軌壓實現(xiàn)高壓共軌系統(tǒng)的噴油一致性和穩(wěn)定性［1－3］。國內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)很難達到國外的水平。本研究通過在高壓共軌系統(tǒng)中加入分油器，使高壓泵的油通過分油器分別與V型發(fā)動機左右兩個共軌管相連，通過對分油器的油壓監(jiān)測和控制來實現(xiàn)對雙軌的油壓監(jiān)測和控制［4－5］。

1 分油器結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

分油器作為柴油機共軌系統(tǒng)的一部分，需要承受180MPa以上的軌壓，同時要滿足柴油機對性能和安裝的要求，因此，分油器的設(shè)計要兼顧以下原則：

1）分油器要滿足整機布置要求；

2）分油器不影響共軌系統(tǒng)軌壓建立速度，同時不會影響噴油規(guī)律；

3）分油器要保證高壓密封性及可靠性；

4）分油器要具有高壓測量及超高壓泄壓的作用。

2 分油器容積確定

在高壓共軌系統(tǒng)中分油器也是共軌管，共軌管的作用是減小高壓油泵供油過程和電控噴油器燃油噴射過程中產(chǎn)生的壓力波動。隨著共軌管容積的增大，共軌管中的壓力波動逐漸減小，但二者不是線性關(guān)系，即當共軌管容積增大到一定程度以后，壓力波動的減少量逐漸減小。在系統(tǒng)正常運行時，共軌管中的壓力比較穩(wěn)定，這時共軌管容積的變化對噴油規(guī)律幾乎沒有影響，主要是在共軌管與噴油器之間存在高壓油管、限流器、噴油器內(nèi)油管等許多節(jié)流型通道，從而減小了共軌管中壓力波動的影響［6－7］。

2.1 共軌系統(tǒng)模型建立

本研究利用GT－Fuel一維仿真軟件建立了4缸高壓共軌系統(tǒng)的仿真模型（見圖1）。GT－Fuel采用一維交錯網(wǎng)格，即整個系統(tǒng)會離散成一個個相互連接的網(wǎng)格。標量在網(wǎng)格中心計算，如壓力、溫度等；矢量在網(wǎng)格的交接面計算，如速度、質(zhì)量流量等。

整個高壓共軌系統(tǒng)模型由高壓泵、分油器、左右共軌管及噴油器模塊組成。高壓泵以一恒定燃油壓力（150MPa）向系統(tǒng)供油。分油器及共軌管主要由直管與分叉管組成。管路的壓力損失Δp與壓損系數(shù)Cp，密度ρ，流速v成正比：

此處試驗得到的Cp值由壁面粗糙度（Surface Roughness）計算得到，不考慮壁面摩擦的影響。噴油器在共軌系統(tǒng)中起到很關(guān)鍵的作用，其在共軌系統(tǒng)模型中打包成組，每組模型由運動件、低壓回油管路、高壓管路及電磁閥組成（見圖2）。

系統(tǒng)中的燃油根據(jù)實際情況定義為油與空氣（空氣占0.000 1%）的混合。根據(jù)系統(tǒng)的溫度和壓力變化，通過經(jīng)驗公式計算出相應(yīng)的燃油密度、彈性模量等參數(shù)。

燃油密度經(jīng)驗公式如下：

當燃油壓力在10～50MPa時，

當燃油壓力小于10MPa時，

式中：T0＝298K，p0＝0.1MPa。

假定燃油系統(tǒng)是絕熱的，燃油彈性模量為

2.2 仿真計算

根據(jù)設(shè)計要求對分油器的容積進行計算與分析，確定分油器的主要設(shè)計參數(shù)。

分油器的8種設(shè)計方案見表1。8種方案4個噴油器噴油量計算結(jié)果見圖3與圖4。

表1 分油器設(shè)計方案

計算結(jié)果顯示：除方案5外，分油器內(nèi)部壓力波動變化很小，壓力波動范圍在±3MPa之內(nèi)。這說明共軌管的容積已經(jīng)足夠大，分油器的容積已經(jīng)不影響壓力波動。選擇較小容積的分油器有利于共軌系統(tǒng)軌壓的建立及發(fā)動機的起動。

方案1與方案5中分油器的直徑很小，這時影響高壓共軌系統(tǒng)的主要參數(shù)不是分油器的容積，而是長度，長度越長，摩擦阻力越大，并且管內(nèi)壓力波的反射作用增強，因此，方案5中分油器內(nèi)的壓力波動很大。

由于該柴油機設(shè)計緊湊，分油器安裝空間有限，從加工難度、加工成本及共軌壓力建立速度等方面考慮，選取了直徑為8mm、長度為72mm的分油器。

圖5示出了采用方案2時4個噴油器的噴油速率曲線及左右2個共軌管的軌壓波動曲線。從圖中可以看出，每次噴油左、右軌的軌壓都呈下降趨勢；左軌上的噴油器噴油，則左軌在短時間內(nèi)軌壓波動略為劇烈，左軌波動在8%以內(nèi)，右軌波動5%以內(nèi)；右軌上的噴油器噴油與左軌噴油器噴油的情況類似。兩個共軌管內(nèi)的壓力波相位差約為4°。

3 分油器結(jié)構(gòu)設(shè)計

高壓共軌管總成工作在150～180MPa的高壓狀態(tài)，密封性能要求高，工作時頻率響應(yīng)快。因此，共軌噴油系統(tǒng)的每一個零部件在結(jié)構(gòu)、制造精度、材料和性能檢測等方面的要求比常規(guī)系統(tǒng)高得多。

分油器作為高壓共軌系統(tǒng)的一部分，其高壓接頭一般采用以下幾種工藝：激光焊接、熱鍛造、螺紋壓緊（機械密封）等（見圖6）。激光焊接是一種新的焊接方法，具有熱源和光路容易操控、控制簡單、能量密度高、焊接速度快、工件變形小、熱影響區(qū)小、精確性和自動化程度高等獨特的優(yōu)點，但是加工工藝相對復(fù)雜［8］；熱鍛造適用于大批量生產(chǎn)；螺紋壓緊式高壓接頭是一種應(yīng)用較早的高壓共軌管加工手段，其可靠性高，適用于小批量生產(chǎn)。本研究中的分油器設(shè)計比較小巧，采用單件生產(chǎn)，為了保證其可靠性，簡化工藝難度和零件體積，沒有采用上述的三種工藝。該分油器外觀設(shè)計為長方形，選用整體車削加工的工藝車出高壓接頭。分油器的材料可選用具有較高強度和韌性的40Gr，35GrMo等。

分油器還具有高壓測量及超高壓泄壓的作用，所以分油器上除了有高壓接頭外，還要裝有軌壓傳感器和限壓閥接頭，密封方式采用端面密封?；诜钟推鞲邏好芊獍踩煽康囊螅钟推鞑捎昧藥е虚g通孔的球面堵作為傳感器（用于高壓測量）、限壓閥（超高壓泄壓）與分油器連接的媒介（見圖7）。采用球面堵是因為市售傳感器或限壓閥本身密封面為小平面，且表面處理后具有一定的強度，所以球面堵與傳感器之間采用小平面密封，可保證密封要求；而球面堵球面與分油器油腔圓錐面成線密封接觸，線密封比面密封可靠性更好。

4 試驗驗證

對加工好的分油器樣件進行高壓共軌系統(tǒng)試驗。圖8示出了高壓共軌系統(tǒng)試驗示意。

試驗臺驅(qū)動系統(tǒng)帶動變量泵工作，油箱內(nèi)的低壓燃油經(jīng)過油濾和變量泵變?yōu)楦邏喝加?，高壓燃油?jīng)過分油器通過高壓油管進入油軌中［9－10］。通過電子控制系統(tǒng)控制噴油器噴油，利用單次噴射儀測量噴油器的油量，并通過示波器顯示噴油規(guī)律。設(shè)定軌壓150MPa，控制脈寬1 000μs，4個噴油器的噴油量計算值與試驗值對比見圖9。噴油器計算噴油量與試驗噴油量最大相對誤差為4.6%。

發(fā)動機臺架試驗表明，分油器能及時檢測油壓變化，電控系統(tǒng)根據(jù)油壓變化，通過控制高壓泵的供油量使軌壓趨于穩(wěn)定。當發(fā)動機試驗出現(xiàn)故障，系統(tǒng)壓力超過180MPa，分油器內(nèi)的限壓閥開啟，高壓燃油經(jīng)球形堵上的通孔、限壓閥的泄壓通道進入限壓閥側(cè)面空腔內(nèi)，再通過回油接頭流回低壓管路。

5 結(jié)束語

通過GT－Fuel流體分析軟件搭建了高壓共軌系統(tǒng)模型，利用該模型計算選取了合適的分油器容積，在參考國內(nèi)外共軌管的設(shè)計后，完成了一種適于該共軌系統(tǒng)的分油器設(shè)計。試驗顯示該分油器能夠用于發(fā)動機高壓共軌系統(tǒng)，簡化了燃油系統(tǒng)的布置，安裝方便，并且能夠滿足某柴油機對性能的要求。

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