高压共轨系统分油器的设计

王国莹，付海燕，许春光，孙民忠，任贵峰，袁永先，王继新，金玉梅

（中国北方发动机研究所，山西 大 同 037036）

高压共轨系统具有很高的燃油压力，而且能使柴油机的响应性和驾驶舒适性达到汽油机水平，同时具有燃油经济性好、排放低的特性。在发动机所有转速范围内保证高燃油压力可以使发动机在低转速工况下获得良好的燃烧特性。因此，高压共轨系统在国内外柴油机上得到了广泛的应用。

对于应用在V型柴油机的单压双轨高压共轨系统，国外的发展已经比较完善，可以通过控制双轨中单个共轨管的轨压实现高压共轨系统的喷油一致性和稳定性［1－3］。国内现有的技术很难达到国外的水平。本研究通过在高压共轨系统中加入分油器，使高压泵的油通过分油器分别与V型发动机左右两个共轨管相连，通过对分油器的油压监测和控制来实现对双轨的油压监测和控制［4－5］。

1 分油器结构设计原则

分油器作为柴油机共轨系统的一部分，需要承受180MPa以上的轨压，同时要满足柴油机对性能和安装的要求，因此，分油器的设计要兼顾以下原则：

1）分油器要满足整机布置要求；

2）分油器不影响共轨系统轨压建立速度，同时不会影响喷油规律；

3）分油器要保证高压密封性及可靠性；

4）分油器要具有高压测量及超高压泄压的作用。

2 分油器容积确定

在高压共轨系统中分油器也是共轨管，共轨管的作用是减小高压油泵供油过程和电控喷油器燃油喷射过程中产生的压力波动。随着共轨管容积的增大，共轨管中的压力波动逐渐减小，但二者不是线性关系，即当共轨管容积增大到一定程度以后，压力波动的减少量逐渐减小。在系统正常运行时，共轨管中的压力比较稳定，这时共轨管容积的变化对喷油规律几乎没有影响，主要是在共轨管与喷油器之间存在高压油管、限流器、喷油器内油管等许多节流型通道，从而减小了共轨管中压力波动的影响［6－7］。

2.1 共轨系统模型建立

本研究利用GT－Fuel一维仿真软件建立了4缸高压共轨系统的仿真模型（见图1）。GT－Fuel采用一维交错网格，即整个系统会离散成一个个相互连接的网格。标量在网格中心计算，如压力、温度等；矢量在网格的交接面计算，如速度、质量流量等。

整个高压共轨系统模型由高压泵、分油器、左右共轨管及喷油器模块组成。高压泵以一恒定燃油压力（150MPa）向系统供油。分油器及共轨管主要由直管与分叉管组成。管路的压力损失Δp与压损系数Cp，密度ρ，流速v成正比：

此处试验得到的Cp值由壁面粗糙度（Surface Roughness）计算得到，不考虑壁面摩擦的影响。喷油器在共轨系统中起到很关键的作用，其在共轨系统模型中打包成组，每组模型由运动件、低压回油管路、高压管路及电磁阀组成（见图2）。

系统中的燃油根据实际情况定义为油与空气（空气占0.000 1%）的混合。根据系统的温度和压力变化，通过经验公式计算出相应的燃油密度、弹性模量等参数。

燃油密度经验公式如下：

当燃油压力在10～50MPa时，

当燃油压力小于10MPa时，

式中：T0＝298K，p0＝0.1MPa。

假定燃油系统是绝热的，燃油弹性模量为

2.2 仿真计算

根据设计要求对分油器的容积进行计算与分析，确定分油器的主要设计参数。

分油器的8种设计方案见表1。8种方案4个喷油器喷油量计算结果见图3与图4。

表1 分油器设计方案

计算结果显示：除方案5外，分油器内部压力波动变化很小，压力波动范围在±3MPa之内。这说明共轨管的容积已经足够大，分油器的容积已经不影响压力波动。选择较小容积的分油器有利于共轨系统轨压的建立及发动机的起动。

方案1与方案5中分油器的直径很小，这时影响高压共轨系统的主要参数不是分油器的容积，而是长度，长度越长，摩擦阻力越大，并且管内压力波的反射作用增强，因此，方案5中分油器内的压力波动很大。

由于该柴油机设计紧凑，分油器安装空间有限，从加工难度、加工成本及共轨压力建立速度等方面考虑，选取了直径为8mm、长度为72mm的分油器。

图5示出了采用方案2时4个喷油器的喷油速率曲线及左右2个共轨管的轨压波动曲线。从图中可以看出，每次喷油左、右轨的轨压都呈下降趋势；左轨上的喷油器喷油，则左轨在短时间内轨压波动略为剧烈，左轨波动在8%以内，右轨波动5%以内；右轨上的喷油器喷油与左轨喷油器喷油的情况类似。两个共轨管内的压力波相位差约为4°。

3 分油器结构设计

高压共轨管总成工作在150～180MPa的高压状态，密封性能要求高，工作时频率响应快。因此，共轨喷油系统的每一个零部件在结构、制造精度、材料和性能检测等方面的要求比常规系统高得多。

分油器作为高压共轨系统的一部分，其高压接头一般采用以下几种工艺：激光焊接、热锻造、螺纹压紧（机械密封）等（见图6）。激光焊接是一种新的焊接方法，具有热源和光路容易操控、控制简单、能量密度高、焊接速度快、工件变形小、热影响区小、精确性和自动化程度高等独特的优点，但是加工工艺相对复杂［8］；热锻造适用于大批量生产；螺纹压紧式高压接头是一种应用较早的高压共轨管加工手段，其可靠性高，适用于小批量生产。本研究中的分油器设计比较小巧，采用单件生产，为了保证其可靠性，简化工艺难度和零件体积，没有采用上述的三种工艺。该分油器外观设计为长方形，选用整体车削加工的工艺车出高压接头。分油器的材料可选用具有较高强度和韧性的40Gr，35GrMo等。

分油器还具有高压测量及超高压泄压的作用，所以分油器上除了有高压接头外，还要装有轨压传感器和限压阀接头，密封方式采用端面密封。基于分油器高压密封安全可靠的要求，分油器采用了带中间通孔的球面堵作为传感器（用于高压测量）、限压阀（超高压泄压）与分油器连接的媒介（见图7）。采用球面堵是因为市售传感器或限压阀本身密封面为小平面，且表面处理后具有一定的强度，所以球面堵与传感器之间采用小平面密封，可保证密封要求；而球面堵球面与分油器油腔圆锥面成线密封接触，线密封比面密封可靠性更好。

4 试验验证

对加工好的分油器样件进行高压共轨系统试验。图8示出了高压共轨系统试验示意。

试验台驱动系统带动变量泵工作，油箱内的低压燃油经过油滤和变量泵变为高压燃油，高压燃油经过分油器通过高压油管进入油轨中［9－10］。通过电子控制系统控制喷油器喷油，利用单次喷射仪测量喷油器的油量，并通过示波器显示喷油规律。设定轨压150MPa，控制脉宽1 000μs，4个喷油器的喷油量计算值与试验值对比见图9。喷油器计算喷油量与试验喷油量最大相对误差为4.6%。

发动机台架试验表明，分油器能及时检测油压变化，电控系统根据油压变化，通过控制高压泵的供油量使轨压趋于稳定。当发动机试验出现故障，系统压力超过180MPa，分油器内的限压阀开启，高压燃油经球形堵上的通孔、限压阀的泄压通道进入限压阀侧面空腔内，再通过回油接头流回低压管路。

5 结束语

通过GT－Fuel流体分析软件搭建了高压共轨系统模型，利用该模型计算选取了合适的分油器容积，在参考国内外共轨管的设计后，完成了一种适于该共轨系统的分油器设计。试验显示该分油器能够用于发动机高压共轨系统，简化了燃油系统的布置，安装方便，并且能够满足某柴油机对性能的要求。

［1］ Kalevi Huhtala，Matti Vilenius.Study of a common－rail fuel injection system［C］.SAE Paper 2001－01－3184.

［2］ Xiaoliang Ding，Jun Wang，Youtong Zhang.A Study of Calibration of Electronic－controlled Injector Employed in High Pressure Common Rail System［C］.SAE Paper 2008－01－1742.

［3］ DR ROLF LEONHARD.Solenoid Common－rail Injector for 1800bar［C］.MTZ，2010，71（2）：10－15.

［4］ 平 涛，徐建新.共轨用新型电控喷油器结构及性能研究［J］.柴油机，2008，30（6）：21－23.

［5］ 徐家龙.柴油机电控喷油技术［M］.北京：人民交通出版社，2004：314－316.

［6］ 刘 峥，张扬军.内燃机一维非定常流动［M］.北京：清华大学出版社，2007：110－111，172－173.

［7］ 唐开元，欧阳光耀.高等内燃机学［M］.北京：国防工业出版社，2008：239－257.

［8］ 石 岩，刘 佳，张 宏，等，30CrMnSi钢激光焊接工艺研究［J］.兵工学报，2010（7）：91－97.

［9］ 安士杰，欧阳光耀.电控喷油器仿真模块化究研［J］.车用发动机，2002（2）：23－25.

［10］ 蔡遂生.共轨蓄压式电控喷油器的设计与计算分析［J］.车用发动机，2001（5）：31－35.