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船用柴油机共轨系统高压油泵供油动态特性研究

摘要

高压共轨系统是现代船舶柴油机燃油喷射系统中最重要的核心技术，高压油泵是共

轨系统轨压建立和调节的关键部件。船用柴油机高压共轨系统在大流量、高压供油条件

下具有瞬时流量脉动剧烈、系统耦合压力波动大的特点，因而掌握高压油泵的供油动态

特性对于精确稳定控制共轨系统喷射、改善喷射性能具有重要意义。论文围绕高压油泵

的供油动态特性开展了以下研究工作。

首先，根据高速船用柴油机的整机性能要求，开展了高压油泵的设计。针对船用柴

油机共轨系统高压油泵循环大流量的特点，设计了低压进口流量调节、直列四柱塞的高

压油泵总体方案；结合高压油泵的总体方案和柴油机的基本参数，完成了高压油泵关键

部件设计和主要参数的确定；进行了高压油泵样件试制和流量测试，所设计的高压油泵

的流量范围为1.379L/min~17.675L/min，标定点处的供油量为16.77L/min，可以满足柴

油机的供油量需求。其次，建立了高压油泵多物理场耦合数值仿真模型，对比了高压油

泵平均供油速率的实验值和仿真值，绝大多数工况点处二者的相对误差均低于3%，验

证了模型的有效性。在此基础上，首先对高压油泵的稳态供油性能开展了研究，探究了

高压油泵各部件参数对循环供油量的影响，并借助量化分析方法得到了不同吸油条件下

对循环供油量具有显著影响的关键因素；进一步针对高压油泵动态调节特性开展了研究，

包括燃油计量阀位移波动特性、高压油泵供油量的负荷特性和速度特性；通过对燃油计

量阀出口流率的频域分析，得出了燃油计量阀出口流率的波动规律，揭示了高压油泵动

态供油过程中燃油计量阀控制频率与柱塞吸油频率之间的频域耦合机理。

为得到高压油泵多柱塞动态供油的瞬时流量脉动特性，提出了一套基于瞬态压力测

量、结合阻抗理论和液压管路传输线方程的高压油泵瞬时流量脉动测试分析方法，设计

并搭建了专门用于共轨系统高压油泵瞬时流量脉动测试的实验台，对高压油泵在不同燃

油计量阀开度、不同转速和不同压力下的瞬时供油特性进行了测试，得到了高压油泵的

瞬时流量脉动特性。在此基础上，结合转速信号和瞬时流量脉动结果，通过定义循环供

油量标准差和流量脉动幅值变异系数两个瞬态供油一致性评价指标，评估了高压油泵不

同工况下的瞬态供油一致性性能。在全工况范围内，高压油泵的瞬时流量脉动幅值在

3

2.6L/min以内，循环供油量标准差低于30mm，流量脉动幅值变异系数低于8%，表明

所设计的高压油泵具有较好的多循环瞬态供油一致性。

最后，针对高压油泵与船用柴油机共轨系统的复杂液力耦合特性开展了研究。基于

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哈尔滨工程大学博士学位论文

建立的高压共轨系统实验平台，通过测量不同工况下高压共轨系统内各处的燃油压力，

得到了各处压力波动情况；通过对压力波动特性进行分析，发现了泵端压力波动程度随

油泵转速的非单调变化的规律，由此提出高压共轨燃油系统液力共振的概念。基于液-

电等效方法和流体网络理论建立了高压共轨燃油系统的LRC（液感-液阻-液容）集总参

数模型，通过将模型预测得到的一阶固有频率结果与实验测得的共振频率值进行对比，

二者相对误差在±5%以内，验证了采用LRC集总参数模型预测共轨燃油系统共振频率

的方法的有效性，由此实现了揭示液力共振机理和预测共振点的目的。通过对LRC模

型的模态结果进行分析，确定了影响系统共振频率的关键部件，进而针对关键部件参数

对系统共振频率的影响进行了研究，得到了其中各因素以及不同因素间的交互作用对系

统共振频率的影响规律，最终得出了避免高压共轨燃油系统发生液力共振的液力匹配设

计原则。

关键词：船用柴油机；高压共轨；高压油泵；供油动态特性；压力波动

II

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