发动机喷油系统用高压共轨燃油泵发展及特点

董 朋 ，赵升吨，胡战胜 ，张 鹏，范淑琴

（1.西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049；2.广东荣兴锻压设备有限公司，广东 顺德 528300）

在众多的高压共轨系统中运用比较成熟的系统有意大利FAIT公司、德国博世公司、美国德尔福公司、以及日本电装公司的共轨燃油喷射系统[1-3]。这其中德国博世公司以及日本电装公司的共轨燃油喷射系统在国内的应用最为广泛[1，2]。

1 博世公司产品

1.1 博世公司CP1高压柱塞泵

共轨系统中燃油的压力越高，喷入汽缸时雾化情况越好。目前的高压共轨系统能达到200MPa的喷射压力，在齿轮泵、叶片泵、径向柱塞泵等几种常见的泵类结构中，径向柱塞泵更易于实现燃油的高压化。博世公司第一代产品为CP1型高压柱塞泵，其结构如图1所示[3]。低压燃油通过齿轮泵供给，经过柱塞泵的吸油阀进入吸油腔，当柱塞上升压缩容积的过程中，燃油经过排油阀进入到高压共轨燃油管中，到达燃油喷嘴处，继而完成喷油。该高压共轨油泵中，采用了两个单向阀作为吸油阀和排油阀。柱塞腔的体积设计的足够小[4，5]。以保证已压缩的燃油尽量全部进入高压共轨燃油管路。

图1 博世公司CP1型高压共轨燃油泵

此泵的整体采用相错120°的三柱塞结构，径向剖面图如图1b所示。吸油个过程为柱塞从上止点向下运动，柱塞腔扩大，燃油从吸油阀进入柱塞腔，当运动到下死点并开始向上运动时，柱塞腔容积减小，吸油阀关闭，油液推开排油阀，从而进入共轨管路。在泵的一个旋转周期内实现三次吸油排油动作。燃油压力通过一个电磁调压阀设定，当共轨管路中的燃油过多，压力过大时，调压阀开启，卸掉多余的油液。由于此型号的供油泵的供油量一直处于最大状态，导致燃油需求量较小的情况下能量的浪费，并且会导致燃油温度升高。驱动轴驱动多边形轮在平面内运动，柱塞底部采用了滑靴支撑，滑靴的平面与多边形驱动轮平面直接接触，为柱塞提供向上的支撑力。

1.2 博世CP2高压共轨泵

博世公司的第二代高压泵为CP2高压泵为双排直列结构，其结构图如图2所示。单个柱塞在一个周期内完成三次吸排油，两个柱塞的凸轮轴的相位角相差60度[6，7]。此泵采用外啮合齿轮泵输油，燃油经过燃油计量阀进入柱塞腔。由于柱塞处的密封长度更长，此泵的输出压力比CP1型泵更高。CP2型高压泵通过燃油计量阀来调节轨道压力。燃油计量阀是一个电控节流阀。轨道压力较低时，阀口处于较大开口状态。燃油大量的进入柱塞腔。当需要的进油量较小时，阀口减小，进入高压泵的燃油量降低。

图2 博世公司CP2型高压共轨燃油泵

该CP2型高压共轨燃油泵柱塞底部采用滚轮支撑，与CP1相比，滚轮与凸轮之间线接触，滚轮与凸轮之间的摩擦副为滚动摩擦副，泵的整体工作可靠性提高。驱动轴由于采用了凸轮结构。其柱塞的升程速度由凸轮曲线控制，特殊设计的凸轮曲线可以稳定燃油泵的输出流量，其两个柱塞相对应的凸轮在相位上有一定的夹角，从而使输入到共轨管中的燃油压力更加稳定。

1.3 博世CP3压共轨泵

CP3型高压共轨泵通过转子驱动偏心轮运动，此结构与CP1型结构类似，此偏心轮在平面内平动，依靠多边形偏心轮上的平面来推动柱塞运动，通过安装在柱塞侧面的压缩弹簧实现柱塞的回程。其三个柱塞相错120度，其结构图如图3所示。与CP1不同的是，CP3型泵增加了燃油计量阀[8]。通过此阀来控制进入高压泵燃油量的大小。燃油计量阀采用PWM控制方式，通过调节控制信号的占空比来控制阀口开度的大小，从而调整进入高压泵的流量。并且，此泵在偏心轮运动时候产生的径向分力通过一个套筒零件转移到了泵体上。以保证柱塞在运动过程中尽量只受到滑靴向上的力以及高压燃油的反作用力，降低由偏心轮处的径向分力，从而降低柱塞所承受的摩擦，降低其磨损，延长工作寿命，因此，在高压作用下此泵能够有更好的稳定性能。而CP1型泵完全由柱塞承受此径向分力，所以其柱塞长度会较长。

图3 博世公司CP3型高压共轨燃油泵

CP3型高压共轨燃油泵采用外啮合齿轮泵作为燃油供给泵，将其直接与泵体连接在一起，其结构图如图4所示。整个泵体通过燃油润滑，全部的运动件基本都处在润滑状态。燃油计量阀能够使输入高压系统的油液量可控，一定程度上节省了对多余高压油液压缩做功耗能。

图4 博世公司CP3型高压共轨燃油泵实物图

1.4 博世CP4压共轨泵

CP4型高压共轨泵沿用了单柱塞式结构。并且柱塞与凸轮的接触采用了滚动轴承的形式，采用滚动轴承能够更好的改变润滑条件。在滚动轴承外侧加有一层护套，用来承担来自凸轮的径向分力，以保证柱塞的受力状态良好。由于凸轮对称的结构形式，此泵在凸轮轴旋转的一个周期内能够实现两次吸排油动作。燃油经过燃油进口进入壳体，在壳体内给予运动部件润滑作用。燃油经过燃油计量阀进入高压腔。燃油计量阀是电控节流阀，多余的流量通过另一个小阀口流回油箱。此泵高压腔的进油阀与出油阀全部为单向阀形式，在柱塞下降，柱塞腔扩大过程中，燃油打开上端的单向阀进入柱塞腔。当柱塞上移过程中，并且压力达到共轨压力后，燃油推开左端的单向阀，进入燃油轨道。其结构如图5所示[3]。

图5 博世公司CP4型高压共轨燃油泵

2 日本电装公司产品

目前市场上的主流产品为博世公司的高压共轨系统，此外市场占有率较高的是日本电装公司的高压共轨泵。日本电装高压泵有直列式和转子式[9]。

2.1 电装HP0型高压共轨燃油泵

HP0型高压泵是直列式高压泵的典型产品。HP0型高压泵的剖面图如图6所示。它通过两个凸轮来驱动柱塞运动。柱塞的回程采取弹簧回程的形式。此泵的通过进油阀来控制进入柱塞腔的燃油流量，从而减少共轨系统的溢流流量。当柱塞下行，柱塞腔扩大过程中，进油阀打开，燃油进入柱塞腔。柱塞在上行过程中，此时进油阀还处于开启状态，燃油经过进油口流回低压腔。当剩余燃油量达到ECU计算出的所需燃油量时，控制阀关闭。燃油经过高压腔的出油阀进入燃油轨道，进而完成喷射。进油口的电磁阀开关取决于ECU对所需燃油量的计算值。

图6 电装公司HP0型高压共轨燃油泵

HP0型高压泵在大体结构上与博世CP2型高压泵类似，采用了凸轮驱动柱塞的结构形式，柱塞与凸轮的接触处都安装有滚动轴承。然而两者对于进油量控制方式是不同的。此泵的燃油供给泵有两种形式，分别为内曲线转子泵和叶片泵。

2.2 HP2型高压共轨燃油泵

HP2型高压共轨燃油泵是一种结构较特殊的泵，此泵采用柱塞内置于定子的结构形式。柱塞安装在定子上，带有内曲线的转子在外侧。在外转子旋转一个周期内，柱塞同时向外或者向内运动，实现两次吸排油动作。而且定子上可以带有一个泵油腔，也可以带有两个泵油腔，带有两个泵油腔的可以实现单周期内4次吸排油动作。其工作原理示意图如图7所示[10，11]。

图7 电装公司HP2型高压共轨燃油泵工作原理示意图

HP2型高压共轨燃油泵的定子内曲线经过优化设计。此曲线直接控制着进入共轨管高压燃油的燃油量，泵的流量脉动值由此定子内曲线直接决定。此泵通过燃油计量阀来控制高压泵的泵油量，该燃油计量阀结构如图8所示。此燃油计量阀为开关阀，根据发动机ECU的计算，控制进入高压泵柱塞腔的进油量，从而减少了高压燃油的溢流量。此阀的工作原理是当电磁铁通电时，阀芯向右移动，燃油从下端进油口流经阀芯到阀的出油口，当电磁铁断电时，阀芯关闭。阻断了燃油的通路。此泵的燃油供给泵采用叶片结构，利用叶片在偏心轮处的收缩实现容积的变化，达到输送燃油到高压共轨燃油泵的目的。

2.3 电装HP3型高压共轨燃油泵

HP3型燃油泵采用了偏心轮驱动柱塞的方式，油液通过一个摆线转子泵进入油液计量阀。从燃油计量阀经过的油液，进入柱塞泵的高压腔，当高压泵的柱塞上升时，高压腔容积减小，油液经过排油阀进入高压燃油轨道[12]。

HP3型高压泵为对置的双柱塞结构。通过偏心轮驱动柱塞上升与下降。该对置式的柱塞通过一个滑靴支撑在平动滑块上。该结构中采用了较大面积的滑靴面积，以保证对柱塞的可靠支撑。采用了压缩弹簧的结构形式实现柱塞的回程。该燃油泵的高压腔通过进油阀与出油阀来实现配流。进油阀及出油阀采用了单向阀结构。其基本结构如图9所示。

2.4 HP4型高压共轨燃油泵

HP4型高压共轨燃油泵在传动结构上与博世公司的CP1、CP3结构上有相似之处。通过偏心轮驱动三个相位相差120°均布的柱塞实现对燃油的加压[13，14]。其低压燃油供给泵采用了摆线转子泵的结构形式。其基本结构如图10所示。其燃油计量阀与HP3型泵的计量阀相同。

3 其他公司高压共轨燃油泵

德尔福曾经是美国通用汽车公司的零部件部门，后来脱离并独自上市，是知名的汽车零部件供应商。其生产的DFP1型高压泵与日本电装HP2型高压泵结构类似，如图11所示[15]。该泵采用了叶片式供油泵提供燃油，在输油处采用了径向柱塞内置的转子。该结构能够通过设计定子型线，旋转一次完成一次泵油或者多次泵油动作。此外，德国西门子也有自己的高压共轨燃油喷射系统，其高压共轨泵采用了叶片泵供油，均布的三柱塞作为高压泵的传动装置。

图8 电装公司燃油计量阀及燃油供给泵

图9 电装公司HP3型高压共轨燃油

图10 电装公司HP4型高压共轨燃油泵

图11 德尔福公司DFP1型高压共轨燃油泵

4 高压共轨燃油泵结构特点

（1）高压共轨燃油泵基本都采用了径向柱塞的传动形式。由于径向柱塞在结构上的独特优势，其传动过程中基本只参与对高压油腔的压缩和释放。所以成为了高压共轨燃油泵的首选传动方案。

（2）配流方式基本都采用了单向阀配油。在容积式泵类结构中，端面配流、配流盘配流等结构形式广泛的存在于各类油泵中，然而由于高压共轨燃油泵的出口压力非常高，单向阀以其简单可靠的结构，安全稳妥的密封性能成为高压共轨燃油泵配流方式的不二之选。

（3）高压共轨燃油泵作为提供高压燃油的核心部件，其吸油可靠性直接决定了燃油喷射系统工作的可靠性。为能够持续不断地给系统提供燃油，该泵基本都配置了前置的供油泵，一般采用齿轮或叶片式容积泵结构，从而保证高压泵的稳定供油能力。

（4）基本都存在燃油计量装置。为了防止燃油压力过高及油液过热，在泵的出口或者进口位置都设置了燃油计量装置。其中在泵出口设置燃油计量装置是为了作为燃油系统压力安全阀保证系统燃油压力稳定。在进油口设置燃油计量装置，能够根据燃油喷射系统的工作状况，实时的调整燃油的进油量，从而既保证了燃油压力的稳定，又能够避免燃油温度过高，所以此方式基本已成为主流燃油计量方式。

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