客车油路分析计算及研究

刘元启，郑琦巍，吴国坚，占国强，吴俊涛

（江西博能上饶客车有限公司，江西 上饶 334100）

柴油机的燃油系统是其重要组成部分。其作用是将一定数量的清洁柴油，以足够高的压力，在准确的时间内喷入气缸，与压缩空气混合，以保证柴油在气缸内燃烧。供油系统的好坏，必然会影响到气缸内燃油的燃烧质量，同时也将影响柴油机的性能和可靠性。因此，良好的油路是保证柴油机正常启动和运转的基础[1]。

1 上饶客车油路及参数

上饶SR6115TH型客车燃油系统原理图[2]如图1所示，由油箱、粗滤器、除水放心滤、输油泵、精滤器、高压油泵、高压共轨管、喷油器、高低压油管、电控单元、传感器等零部件组成。

燃油系统的工作过程：在输油泵吸附力的作用下，柴油从油箱中吸出，流经粗滤器、除水放心滤、精滤器，然后进入高压油泵变成高压燃油，经高压油管进入高压共轨管，然后根据柴油机的工作状态，定时定量将高压燃油送至各个喷油器，在喷油器的雾化下喷入燃烧室。从高压油泵、共轨管和喷油器溢流出来的燃油经回油管返回油箱[3]。

SR6115TH型客车油路参数如表1所示。

2 油路布置设计基本要求

上饶SR6115TH型客车发动机采用BOSCH高压共轨柴油机。其燃油系统自带高压油路部分组件，作为客车生产企业，主要设计低压油路部分。

2.1 油箱布置设计要求

1）燃油箱最高液面线以上的膨胀空间应大于总容积的5%，以避免因燃油吸热产生的体积膨胀而使燃油溢出。

2）燃油箱应设置通气孔，通气口流量不小于340 L/h，阻力不超过5 kPa，一般φ1.5 mm的通气孔已足够使燃油箱通气。

3）燃油箱的吸油管口应大致设在离燃油箱底部25 mm处，并设置网眼型过滤器，以防止吸入燃油箱内沉淀的水和杂质。

4）进、回油管端口必须在液面以下，回油管口低于进油管口，两者的间隔应大于300 mm，以防回油温度过高，产生气泡进入进油管，导致发动机起动困难。

5）燃油箱底部应有放油螺塞，以便按期清除掉燃油箱底部沉积的水和沉淀物。

2.2 管路布置设计要求

1）从燃油箱到发动机输油泵之间的进油管路内径应有足够的尺寸，以确保输油泵进油阻力不超过13 kPa[7-8]。从发动机回油接头到燃油箱之间的回油管路的回油阻力不应超过69 kPa[7]。燃油箱进回油管长度、内径和压力设计要求如表2所示。

表2 燃油箱进回油管设计要求[9-10]

2）进油和回油管路材料应具有较好的耐油性和抗老化性；能在-40℃～100℃范围内安全可靠地工作；在内外压差100 kPa时，不会吸扁或开裂。

3）燃油系统必须具有很好的密封性，各管路及接头处不应泄漏或进气，否则发动机起动困难，或速度响应性变差。

2.3 燃油预滤器（粗滤器）选择要求

为了防止燃油箱和燃油管路内的杂质和沉淀物进入输油泵，在底盘或车身上必须安装燃油预滤器。预滤器必须安装在易于日常检查和维护的位置上。燃油预滤器的额定流量应不小于发动机燃油滤清器的流量。

上饶SR6115TH型客车燃油系统中油箱内无燃油预滤器（粗滤器），而是在油箱外安装了粗滤器和除水放心滤（注：除水放心滤也就是油水分离器，本质是一种兼具除水和过滤的粗滤器。理论上只需安装一个粗滤器即可，但BOSCH高压共轨系统对燃油的品质、清洁度要求非常高，而国内油品的品质达不到。燃油系统常常多安一个柴油粗滤器以实现多级过滤、净化油品的目的），有以下两种方案，如图2所示。

图2中的阴影部分“柴油粗滤器”方案一为“带手油泵的粗滤器”，方案二[11]为“燃油水寒宝007”，并安装控制开关。“燃油水寒宝007”本质上是一种带有电动燃油泵的粗滤器。“燃油水寒宝007”的控制开关安装在驾驶室内，以方便驾驶员操作。

经过多辆上饶SR6115TH型客车的测试论证，带手油泵粗滤器的客车出现发动机泵油困难、发动机无法正常连续起动、起动时间较长、需多次才能起动的现象。带“燃油水寒宝007”的客车，发动机的起动性能良好，解决了油路易进气、发动机起动困难的难题。在发动机起动之前，这个电动装置既可以提供足够的燃油量，又可以实现油路快速排气，并且操作容易，降低了驾驶员的劳动强度。试验证明，方案二优于方案一。

2.4 燃油选择要求

发动机的性能和可靠性受燃油品质的影响很大，要正确使用燃油。一般根据使用环境，按燃油的冷滤点选择轻柴油牌号，见表3。

表3 根据使用环境选择轻柴油的牌号

如发动机常常在-18℃环境下工作，如西藏、新疆、青海、内蒙古、黑龙江等地，建议采用燃油加热器，以保持在10℃燃油雾点以上的温度，防止燃油中蜡结晶堵塞燃油滤清器，防止未经过滤的燃油击穿燃油滤清器而流入发动机油道。

3 客车油路系统模型及计算

本文所研究的油路是上饶SR6115TH型客车原有燃油系统中的一部分（进油低压油路），模型如图3所示。

油箱液面相对于发动机输油泵进油口中心处的高度差为1 m。下面根据流体力学[12]的知识，利用图3油路系统模型，分析计算SR6115TH型客车原油路进油阻力、燃油系统供油能力；讨论最低允许油位及油箱合理的安装位置高度，为燃油系统的设计提供参考。

3.1 进油阻力特性的计算和验证

进油阻力设计要求[7-8]：阻力指标基于燃油箱半满状态时，进入输油泵的最大原始阻力不得超过100 mmHg（13 kPa）。

进油阻力损失Pw包括进油管阻力P进油管、滤清器阻力P滤、除水滤阻力P除水三部分阻力损失，即Pw＝P进油管＋P滤＋P除水。

进油管可视为粘性流体的有压管。根据流体力学中有压管中流动及能量损失的知识，可以得出进油管阻力：

式中：Pf为沿程水头压力损失，Pa；Pj为局部水头压力损失，Pa；λ为沿程损失系数；ζ为局部损失系数；l为进油管长度，m；d为进油管内径，m；ρ为燃油的密度，kg/m3；υ表示管中燃油的流速，m/s。

首先确定燃油在进油管中的流速υ＝4Q/πd2

雷诺数 Re＝vd/γ=4Q/πdγ

式中：Q表示进油管中燃油的流量，m3/s；γ表示燃油的运动粘性系数。

根据表1参数得出，

υ＝4×260×10-3/3600/3.14×（14×10-3）2＝0.469 4 m/s

Re＝4×10-3×260×10-3/3 600/3.14×14×10-3×3.048×10-6＝2 156＞临界雷诺数 Re0＝2 000。由于2 000＜Re＜40 000，所以进油管中的燃油流态为层流和紊流的过渡区。

工程上为方便起见，当Re＞Re0=2 000时，流态常以紊流计算[12]。

紊流光滑区的布拉修斯公式：λ＝0.316 4/Re0.25＝0.316 4/2 1560.25＝0.046 433

查文献[12]可得，进口阻力系数ζ进＝0.5；上饶SR 6115TH型客车进油管有一个90°弯管，其局部阻力系数ζ弯管＝0.685，则进油管局部损失系数ζ＝ζ进＋ζ弯管＝0.5＋0.685＝1.185。代入相关数据得

进油管阻力P进油管＝2 973.285 Pa，则进油阻力Pw＝P进油管＋P滤＋P除水＝22.973 kPa＞13 kPa

以上计算说明，该型客车原燃油系统的进油阻力过大，不能满足进油阻力设计要求，其中很大一部分原因是由于多安了一个柴油粗滤器（原因见前）。为了解决进油阻力设计要求、油品品质两者之间的矛盾，需用一个电动燃油泵来代替原手动燃油泵，以增大流量，克服阻力。而“燃油水寒宝007”正能满足这样的要求（用007取代带手油泵的粗滤器的主要目的是增大流量，克服阻力，顺利排气，解决发动机起动困难的难题。理论上只需安装一个粗滤器即可，但BOSCH高压共轨系统对燃油的品质、清洁度要求非常高，而国内油品的品质达不到，所以燃油系统仍要多安装一个除水放心滤。现在用电动燃油泵后还是不能保证一级过滤的效果有两级过滤的效果好）。

3.2 燃油系统供油能力的计算

燃油系统供油部件为输油泵，其供油能力可以用燃油的最小吸附力和输油泵进口处的最大吸油压力来表示。输油泵吸油压力除了需要克服进油阻力外，还需要克服重力阻力，并为燃油提供一定的动能和足够的压力。下面计算柴油机燃油的最小吸附力和输油泵理论上所需要的最大吸油压力。图3中取截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ(如图3中所示)，列伯努利方程[12]：

可得 P1－P2＝ρgΗ＋+Pw

式中： Ζ1、Ζ2，P1、P2，υ1、υ2，α1、α2分别为选定的截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ上任一相对于选定基准面的高度，m；管中燃油的绝对压力，Pa；管中燃油的流速，m/s；动能修正系数。g表示重力加速度，kg·m/s；hw表示水头损失，m；Pw表示水头压力损失，Pa。

这里 ρ＝0.833 g/mL＝833 kg/m3，g＝9.8 m/s2，Ζ2－Ζ1＝Η≥1 m（输油泵的吸油提升高度≥1 m），α1=α2＝1.0，可近似认为υ1＝0 m/s，υ2按输油泵的流量来计算，即υ2＝υ＝0.469 4 m/s，水头压力损失 Pw＝22 973.285 Pa，P1可近似认为为大气压力 Pa，即 P1＝Pa＝1.01×105Pa ，P2等于输油泵进口处的吸油真空度Pi（绝对压力），即P2＝Pi。

代入数据得

即燃油所需的最小吸附力 P吸附力（min）＝31 kPa，输油泵进口处所需最大吸油压力（吸油真空度）Pi(max)＝70 kPa（绝对压力）。

上饶SR6115TH型客车的输油泵实际吸油压力为35 kPa＜Pi(max)＝70 kPa。输油泵的实际吸油压力可以满足理论上输油泵所需要的最大吸油压力。以上计算说明，该客车不存在输油泵的吸油真空度过大、燃油的吸附力过小的情况。

3.3 油箱安装位置高度

这里油箱安装位置高度Η0是指燃油箱半满状态时，发动机输油泵进油口中心处到燃油箱液面的高度。输油泵进油口中心位于油箱液面之上时，Η0为正。

下面计算分析当油箱中油液处于半满状态时，油箱安装位置高度Η0对燃油吸附力、输油泵进口处吸油真空度Pi的影响。

上式中，Pi是输油泵进口处的绝对压力，即输油泵进口处的吸油真空度，故Pa－Pi是泵进口处燃油吸附力，则有油箱安装位置高度

若Η0＜0，油箱液面处于输油泵进油口中心处之上，油箱中的油液会经回油管向喷油泵泵体内倒灌。一般要求，油箱液面不能高于喷油泵中心（潍柴发动机输油泵在喷油泵前端，输油泵高度和喷油泵高度大致相等）。当/2g+Pw/ρg＝2.821 m 时，Pi＞Pa，进油管内为正压。

若Η0≥0时，油箱液面处于输油泵进油口中心处之下；当 0≤Η0＜4.956 m 时，100 kPa＜Pi＜35 kPa，进油管内为负压，符合表2中设计要求（博世系统电控柴油机的齿轮泵进口压力一般为0.35×105～1.0×105Pa绝对压力）[10]。

考虑到以上分析是油箱处于半满状态（h油位＝0.345 m）下得出的，并考虑到滤清器变脏后阻力会增大，再经过实践验证，油箱安装位置高度Η0最佳可取值的范围为0.345～1 m。在此范围内，当Η0↓，P吸附力↓，Pi↑，即当油箱安装位置越高时，燃油所需的吸附力越小，燃油输油泵所需要的吸油真空度越大，燃油越容易吸入。

3.4 最低允许油位的计算

1）P吸附力、Pi与油位 h油位的关系：

当油箱的安装位置固定时，Ζ2一定，Pa为大气压力，可认为不变；当 h油位↑，P吸附力↓，Pi↑。即当油箱油位越高时，燃油所需的吸附力越小，燃油输油泵所需要的吸油真空度越大，燃油越容易吸入。

2）设计要求决定油箱油位不能过低，必须保证一定的储油量。进、回油管端口离油箱底部的高度不低于25 mm，则进、回油管设计要求决定的油箱最低油位为25 mm。

3）对于流量较大的燃油输油泵，要求油箱储油量大于燃油输油泵5 min最大泵油量[13]。上饶SR6115TH型客车所用潍柴WP10.290柴油机的燃油输油泵流量QL为260 L/h，发动机额定转速为2 200 r/min，最大泵油量是发动机在额定转速下获得的。燃油输油泵5 min最大泵油量为5 min×260/60 L/min＝30 L，即油箱储油量必须大于30 L，则油箱最低油位30×106／（1 350×450）mm＝49.38 mm。再考虑到进油管吸油口离油箱底部的高度25 mm，上饶SR6115TH型客车燃油系统油箱最低允许油位为74.38 mm。

4 结束语

BOSCH高压共轨系统对燃油油路要求非常苛刻，任何一个环节出了问题，轨压都不能正常建立，发动机就会起动困难。这就要求要非常重视整个燃油油路。

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