雙閥電控單體泵系統(tǒng)的噴射特性研究

范立云+陳超+王作群+宋恩哲+扈爽+張建宇

摘 要：在AMESim環(huán)境下建立雙閥電控單體泵系統(tǒng)的仿真模型，通過實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。研究壓力峰值、噴油量及平均噴油速率等在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)隨控制角度差和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，并探索雙閥系統(tǒng)的三次噴射特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，在低轉(zhuǎn)速下，增加控制角度差能明顯改善噴油特性，控制角度差小于4°（一定角度）時，噴油壓力、平均噴油速率等隨控制角度差的增加變化不明顯，而噴油量增量隨控制角度差的增加變化相對穩(wěn)定。采用變速率凸輪型線能有效降低后噴射的噴射壓力，有利于靈活控制后噴射的噴油量。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；雙閥；單體泵；控制角度差；三次噴射

中圖分類號：TK422 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research the Injection Characteristics of Dual-Valve Electronic Unit Pump System

Fan Liyun， Chen Chao， Wang Zuoqun， Song Enzhe， Hu Shuang， Zhang Jianyu

（School of Power and Energy Engineering Harbin Engineering University， Harbin 150001， Heilongjiang，China）

Abstract： Establishing the double-valve electronically controlled fuel injection system simulation model in the AMESim environment， verifing accuracy of the mode by comparing with experiments. During the low speed range， studing the variating regulation of the peak pressure， the fuel injection quantity and average injection rate for control angle difference， and exploring the three injection characteristics of double valve system. It obtains that at low speeds， increasing the angle difference can significantly improve the control injection characteristics， when the control angle difference is smaller than 4°（a certain angle）， the injection pressure， average injection rate and so on do not change significantly With the control of the average angle deviation increasing， but the fuel injection quantity increments is relatively poor stability with increasing of the control angle change. Using the variable cam profile speed can effectively reduce the injection pressure of the post-injection， it is conducive to flexible control of post-injection fuel injection quantity.

Key words： diesel； dual-valve； unit pump； controlling the angle difference； three injection

隨著環(huán)境問題的日益加劇，減少排氣污染已經(jīng)成為柴油機(jī)的重點(diǎn)研究方向之一[1，5]。將電控單體泵與電控噴油器相結(jié)合的電控雙閥燃油噴射系統(tǒng)具有噴射壓力高、噴油規(guī)律和噴油量靈活可控等優(yōu)點(diǎn)，是滿足柴油機(jī)排放要求的新型燃油系統(tǒng)之一[6，9]。實(shí)現(xiàn)全工況范圍內(nèi)的高壓噴射和多次噴射對改善柴油機(jī)的燃燒過程和整體性能至關(guān)重要，與電控單體泵相似，雙閥燃油系統(tǒng)也屬于壓力脈動式的燃油系統(tǒng)，噴油壓力受轉(zhuǎn)速的影響非常顯著，尤其是在低轉(zhuǎn)速時，噴油壓力低導(dǎo)致燃油的霧化質(zhì)量差，排放性能降低[10，13]。

通過改變雙閥燃油系統(tǒng)供油和噴油之間的時間間隔（控制角度差）可以在低轉(zhuǎn)速時提高噴射壓力，從而改善柴油機(jī)的整體性能[14-15]。本文主要研究噴射特性（噴射壓力、啟噴壓力、噴油量、平均噴油速率）在低轉(zhuǎn)速時隨轉(zhuǎn)速和控制角度差的變化規(guī)律，并對雙閥燃油系統(tǒng)的三次噴射特性進(jìn)行研究，從而為雙閥燃油系統(tǒng)在低速時實(shí)現(xiàn)高壓噴射提供理論支撐。

1 雙閥電控燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和原理

雙閥電控燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，其主要由電控單體泵、溢流閥（Spill Control Valve，SCV）、針閥控制閥（Needle Control Valve，NCV）和電控噴油器四部分組成。噴油過程是通過電控單體泵端的SCV閥和電控噴油器上的NCV閥協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)的[7]。

圖1 雙閥電控單體泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

表1 雙閥電控單體泵系統(tǒng)的不同控制模式

SCV NCV

開啟 關(guān)閉

開啟 無噴射 無噴射

關(guān)閉 正常噴射 高壓蓄壓

由SCV和NCV協(xié)同控制的噴射過程見表1。當(dāng)SCV處于開啟狀態(tài)時，無論NCV開啟或者關(guān)閉，系統(tǒng)內(nèi)無高壓燃油，均無法實(shí)現(xiàn)噴射。當(dāng)NCV一直處于開啟狀態(tài)，若SCV處于關(guān)閉狀態(tài)時，燃油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正常噴射，此時的噴射狀態(tài)和單體泵的噴射狀態(tài)類似，此模式為SCV控制模式。當(dāng)SCV一直處于通電關(guān)閉狀態(tài)，而NCV也處于關(guān)閉狀態(tài)，此時無法實(shí)現(xiàn)噴射，高壓燃油在封閉系統(tǒng)內(nèi)不斷地被壓縮，實(shí)現(xiàn)蓄壓過程，直到NCV通電打開，針閥背面的高壓燃油泄流并實(shí)現(xiàn)噴油，此模式為NCV控制模式。SCV主要控制供油過程，NCV主要控制噴油過程，SCV和NCV動作的時間間隔決定了針閥的開啟壓力（Needle Open Pressure， NOP）和平均噴射壓力[8]。NCV控制模式下可以實(shí)現(xiàn)燃油的高壓蓄油，提高燃油的噴射壓力，因此，本文旨在NCV控制模式下研究噴油特性的變化規(guī)律。

2系統(tǒng)的仿真模型驗(yàn)證

2.1 仿真模型的建立

雙閥電控單體泵系統(tǒng)主要由電子控制部分和機(jī)械液力部分組成。電子控制部分主要是對SCV和NCV進(jìn)行控制。本文在AMESim環(huán)境下建立的雙閥系統(tǒng)仿真模型如圖2所示，其中電子控制單元（Electronic Control Unit. ECU）模塊用于模擬雙閥系統(tǒng)的輸出電流信號；電控單體泵模塊分為柱塞加壓部分和SCV控制部分，用于模擬電控單體泵的供油過程；電控噴油器模塊分為NCV部分和針閥組件部分，用于模擬電控噴油器的噴油過程。燃油系統(tǒng)中對噴油過程有影響的閥桿、彈簧等運(yùn)動件質(zhì)量采用集中質(zhì)量模塊處理。

圖2 雙閥電控單體泵系統(tǒng)的仿真模型

圖3 ECU的輸出電流信號

圖4 電磁閥的電磁力MAP圖

圖3所示為ECU模塊輸出的SCV和NCV的控制電流圖，其中θ為兩個電磁閥之間的通電時刻的角度差，本文將θ定義為控制角度差。圖4所示為在Maxwell軟件中通過計(jì)算不同控制電流與銜鐵殘余氣隙而得出的兩個電磁閥的電磁力MAP曲線圖。

2.2 仿真模型的驗(yàn)證

圖5 噴油泵實(shí)驗(yàn)臺

電控單體泵系統(tǒng)試驗(yàn)和仿真模型的基本技術(shù)參數(shù)如見表2。

表2 電控單體泵系統(tǒng)的基本參數(shù)

參數(shù) 設(shè)置值

柱塞直徑D/mm 11

高壓油管長度L/m 0.56

高壓油管內(nèi)徑d/mm 0.22

電磁閥桿最大升程Hs/mm 0.18

噴油器彈簧預(yù)緊力Fs/N 240

噴孔數(shù)目×噴孔直徑N×Dn/mm 7×0.18

在油泵實(shí)驗(yàn)臺上對系統(tǒng)的仿真模型進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證，控制每循環(huán)的噴油量為120mm?，分別在500r/min、800r/min和1100r/min三個凸輪轉(zhuǎn)速下測試噴油器的嘴端壓力，并在相同的循環(huán)噴油量條件下，利用仿真模型計(jì)算噴嘴端壓力。實(shí)驗(yàn)測得噴油器嘴端壓力與仿真結(jié)果的對比曲線如圖6所示。由圖6可知噴油壓力的仿真值與實(shí)測值吻合程度很高，噴油器嘴端壓力最大誤差為5.01%，從而說明利用仿真模型計(jì)算能夠準(zhǔn)確預(yù)測雙閥系統(tǒng)的噴油特性。圖5為油泵實(shí)驗(yàn)臺。

（a） 500r/min

（b） 800r/min

（c） 1100r/min

圖6 不同凸輪轉(zhuǎn)速下嘴端壓力對比曲線

3 控制角度差對噴射特性的影響研究

電控雙閥燃油噴射系統(tǒng)采用兩個不同的高速電磁閥協(xié)同控制燃油的噴射過程，SCV的通電時刻決定了雙閥燃油系統(tǒng)的供油開始時刻，而NCV的通電時刻決定了燃油系統(tǒng)的噴油開始時刻，兩個電磁閥之間的動作時間差（即控制角度差θ）決定針閥的開啟壓力和平均噴射壓力。在低轉(zhuǎn)速下，通過改變控制角度差來實(shí)現(xiàn)高壓噴射可以使燃油系統(tǒng)更好地匹配柴油機(jī)，以下將深入研究控制角度差對噴射特性的影響規(guī)律。

3.1 壓力峰值的變化規(guī)律

圖7（a）可知，隨著凸輪轉(zhuǎn)速和控制角度差的增加，壓力峰值總體上呈增加的趨勢變化。在低轉(zhuǎn)速，控制角度差較小時，壓力峰值隨控制角度差的增加變化很小，控制角度差從0°增加到4°時，峰值壓力僅增加1.5%?？刂平嵌炔畲笥?°時，壓力峰值隨控制角度差的變化幅度更加明顯，轉(zhuǎn)速為150r/min，控制角度差從0°變化到10°時，壓力峰值增加了101.8%，控制角度差很小時，壓力峰值在高轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速變化增加幅度甚微。由圖7（b）可知，在低轉(zhuǎn)速下，壓力峰值增量隨控制角度差的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢；其它工況下，壓力峰值增量隨轉(zhuǎn)速和控制角度差的變化規(guī)律很復(fù)雜。

雙閥燃油噴射系統(tǒng)的柱塞腔、高壓油管及噴油器可視為恒定容積腔，燃油壓力同時受到容積腔內(nèi)燃油量、加壓速率和加壓時間的影響。凸輪轉(zhuǎn)速決定了容積腔內(nèi)的燃油量和加壓速率，而控制角度差影響燃油的加壓時間，進(jìn)而決定燃油的受壓縮程度。低轉(zhuǎn)速時，容積腔內(nèi)燃油的加壓速率小，當(dāng)NCV打開并開始噴油時，燃油壓力主要受柱塞的壓油速率及噴油速率的影響，與控制角度差無關(guān)，控制角度差很小相當(dāng)于燃油在沒噴射之前的加壓時間很短，燃油壓力低，而低轉(zhuǎn)速時的壓油速率略微大于噴油速率導(dǎo)致壓力峰值很小。在高轉(zhuǎn)速，燃油的加壓速率明顯大于噴油速率，在未噴射之前，燃油的加壓時間隨控制角度差的增加而增長，噴油壓力明顯升高，加壓速率和加壓時間的共同作用下，使得壓力峰值在高轉(zhuǎn)速時隨控制角度差的增加特別明顯。

（a）

（b）

圖7 控制角度差對壓力峰值的影響規(guī)律

3.2 啟噴壓力的變化規(guī)律

圖8（a）可知，當(dāng)控制角度差在0°到4°之間變化時，啟噴壓力隨控制角度差的增加變化很小，隨著轉(zhuǎn)速的增加，啟噴壓力呈先增加后減小再增加的趨勢變化，在350r/min時，啟噴壓力出現(xiàn)極大值?？刂平嵌炔钤?°到10°變化時，啟噴壓力隨控制角度差的增加而增大，隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律不明顯。圖8（b）可知，控制角度差很小時，啟噴壓力增量隨轉(zhuǎn)速和控制角度差的增加幾乎不變，高轉(zhuǎn)速時，啟噴壓力增量的最大值所對應(yīng)的控制角度差隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。

原因是雙閥燃油噴射系統(tǒng)的啟噴壓力為噴油器彈簧預(yù)緊力和控制腔內(nèi)燃油所產(chǎn)生的作用力之和，低轉(zhuǎn)速時，燃油壓力很小，啟噴壓力主要是噴油器彈簧預(yù)緊力起作用。隨著轉(zhuǎn)速的增加，燃油壓力逐漸增大，轉(zhuǎn)速為350r/min時，在燃油壓力和彈簧預(yù)緊力的共同作用下，啟噴壓力出現(xiàn)極大值。燃油壓力隨著控制角度差和凸輪轉(zhuǎn)速的增大而增加，當(dāng)燃油壓力增加到一定值時，啟噴壓力受燃油壓力的影響遠(yuǎn)大于彈簧預(yù)緊力。

（a）

（b）

圖8 控制角度差對啟噴壓力的影響規(guī)律

3.3 噴油量變化規(guī)律

圖9（a）可知，控制角度差較大時，隨著凸輪轉(zhuǎn)速的增加，噴油量呈減小的變化趨勢；當(dāng)控制角度差在0°到4°之間變化時，噴油量隨轉(zhuǎn)速表現(xiàn)出先減小后增加的變化規(guī)律；任意轉(zhuǎn)速下，噴油量隨著控制角度差的增加逐漸增加，控制角度差每增加1°，噴油量增加6.18%～29.89%。由圖9（b）可知，噴油量增量隨著控制角度差和轉(zhuǎn)速的增加而略微減小，在低轉(zhuǎn)速時，噴油量增量隨著控制角度差的增加波動較大。

原因是噴油脈寬保持不變，凸輪轉(zhuǎn)速增加引起吸油和噴油時間同時減小，控制角度差很小時，燃油的受壓縮時間很短，隨著轉(zhuǎn)速的增加，噴油壓力的增加幅度很小，而噴油時間隨轉(zhuǎn)速變化減小明顯，因此噴油量隨轉(zhuǎn)速的增加減小幅度較大；當(dāng)控制角度差繼續(xù)增大時，燃油的加壓時間明顯增長，燃油壓力顯著提高，相同轉(zhuǎn)速下，噴油持續(xù)時間幾乎不變，循環(huán)噴油量主要決定于噴油壓力?？刂平嵌炔钶^大時，噴油壓力隨控制角度差的增加遠(yuǎn)大于隨轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)速增加更多體現(xiàn)在噴油持續(xù)時間減小，因此在高轉(zhuǎn)速，控制角度差很大時，噴油量與控制角度差和轉(zhuǎn)速表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。

（a）

（b）

圖9 控制角度差對噴油量的影響規(guī)律

3.4 平均噴油速率的變化規(guī)律

本文定義的平均噴油速率時每循環(huán)的噴油量與噴油持續(xù)時間的比值。

圖10（a）可知，在高轉(zhuǎn)速時，隨著控制角度差的增加，平均噴油速率逐漸增加，控制角度差在0°到4°之間變化時，平均噴油速率隨控制角度差的增加變化很??；僅增加2.5%～13.2%；當(dāng)控制角度差大于4°時，平均噴油速率明顯增加。轉(zhuǎn)速為150r/min時，隨著控制角度差的增加，平均噴油速率先減小后逐漸增加，當(dāng)控制角度差較小時，平均噴油速率與啟噴壓力表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律。圖10（b）可知，控制角度差在7°到10°之間變化時，平均噴油速率增量隨轉(zhuǎn)速和控制角度差的變化趨于穩(wěn)定。

原因是平均噴油速率與循環(huán)噴油量和噴油持續(xù)時間有關(guān)，隨著控制角度差和轉(zhuǎn)速的增加，噴油量表現(xiàn)出很好的線性變化關(guān)系，尤其是在高轉(zhuǎn)速，控制角度差較大時線性關(guān)系更加突出。而在相同轉(zhuǎn)速下，隨著控制角度差的增加，燃油壓力逐漸增加直接導(dǎo)致針閥的實(shí)際開啟時刻提前，而針閥的關(guān)閉時刻幾乎保持不變，噴油持續(xù)時間對燃油壓力的變化非常敏感，但控制角度差變化對噴油持續(xù)時間影響很小，因而平均噴油速率主要受噴油量的影響?？刂平嵌炔詈苄r，燃油壓縮時間短導(dǎo)致噴油壓力隨轉(zhuǎn)速變化波動很大，一方面轉(zhuǎn)速增加會導(dǎo)致噴油時間減小，另一方面壓力增加會引起噴油時刻提前，二者的共同作用導(dǎo)致噴油持續(xù)時間變化異常，平均噴油速率在噴油量和噴油持續(xù)時間的共同影響下表現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律。

（a）

（b）

圖10 控制角度差對平均噴油速率的影響規(guī)律

4 三次噴射特性研究

實(shí)現(xiàn)多次噴射是提高柴油機(jī)燃燒效率，改善排放的有效措施之一，雙閥電控單體泵系統(tǒng)通過兩個電磁閥之間的協(xié)同作用，可以實(shí)現(xiàn)多次噴射。但是由于NCV模式具有高壓蓄壓的作用，后噴中的噴油壓力高導(dǎo)致后噴的噴油規(guī)律難以控制，采用變速凸輪型線可以改變后噴的噴油壓力，從而靈活控制噴油量。因此本文主要針對NCV控制模式下的三次噴射特性進(jìn)行研究。

NCV控制模式下的三次噴射是指在某一時刻給SCV的線圈通電，SCV閉合并開始向高壓油管內(nèi)供入高壓燃油，當(dāng)噴油時刻到達(dá)，NCV的線圈開始通電，針閥打開實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射，NCV的線圈斷電關(guān)閉，預(yù)噴射過程結(jié)束，NCV連續(xù)三次通斷電動作實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射、主噴射和后噴射過程，在噴油過程中，SCV始終保持通電關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)噴油過程結(jié)束時，兩個電磁閥同時斷電完成一個循環(huán)的噴油過程。

圖11為凸輪型線速率和噴油壓力的變化曲線圖。由圖11可知，雙閥燃油系統(tǒng)的供油凸輪采用變速率凸輪型線，在供油過程中，首先采用等速率凸輪型線驅(qū)動柱塞向上運(yùn)動使燃油迅速加壓，當(dāng)主噴射過程即將結(jié)束時，凸輪型線速率逐漸減小，降低柱塞的運(yùn)動速度，進(jìn)而使得燃油的加壓速率降低，在后噴射過程中，凸輪仍采用減速型線驅(qū)動柱塞運(yùn)動，通過適當(dāng)?shù)目刂迫加蛪毫砜刂坪髧娚溥^程中的噴油量。

當(dāng)針閥第1次打開時，實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射過程，由于噴油速率很小，噴油壓力不會發(fā)生明顯變化；針閥第2次開啟實(shí)現(xiàn)主噴射時，噴油壓力略微下降，但由于采用勻速凸輪型線驅(qū)動柱塞運(yùn)動，燃油壓力迅速上升并達(dá)到最大值，凸輪型線速率減小，燃油壓力開始下降。此后，NCV關(guān)閉，主噴射過程結(jié)束，而單體泵仍繼續(xù)向高壓油管供入燃油，噴油壓力再次上升，NCV閥第3次打開，完成后噴射過程。

圖11 凸輪型線速率和噴油壓力曲線

圖12為三次噴射過程的針閥升程和噴油速率變化曲線。預(yù)噴射過程中，由于噴射壓力低，且噴油過程時間很短，針閥并未完全開啟，因此預(yù)噴射過程的噴油量很小。主噴射過程中，燃油壓力不斷升高，針閥完全開啟并維持在最大升程，實(shí)現(xiàn)靴型的噴油規(guī)律，由于SCV始終保持閉合狀態(tài)，供油過程一直持續(xù)，燃油壓力不斷升高，采用減速凸輪型線可以降低燃油壓力的上升速率，但是后噴射過程中燃油壓力始終很高，適當(dāng)?shù)目刂漆橀y升程以及減小噴油持續(xù)時間可良好的控制后噴射的噴油量。

圖12 針閥升程和噴油速率曲線

5 結(jié)論

（1）在低轉(zhuǎn)速下，增加控制角度差可以提高啟噴壓力、壓力峰值及平均噴油速率等，控制角度差小于4°（一定角度）時，啟噴壓力、平均噴油速率等隨控制角度差和轉(zhuǎn)速的增加變化很小，控制角度差大于4°（一定角度）時，在低轉(zhuǎn)速下，改變控制角度差可以明顯改善噴油特性。

（2）采用變速率凸輪型線可以降低后噴過程的噴油壓力，從而良好地實(shí)現(xiàn)三次噴射特性，預(yù)噴射過程采用等速率凸輪型線可以迅速提高噴射壓力，主噴射后段及后噴射過程采用減速凸輪型線能有效降低后噴射的噴射壓力，并通過適當(dāng)?shù)目刂漆橀y升程以及減小噴油持續(xù)時間可靈活地控制后噴射的噴油量。

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作者簡介：

責(zé)任作者：陳超（1989—），男，陜西咸陽人。工學(xué)碩士，主要從事柴油機(jī)電控燃油噴射技術(shù)研究。

TEL：13009709875， E-mail： chenchaoyjj@163.com。

通信作者：范立云（1981—），男，黑龍江哈爾濱人。教授，工學(xué)博士，主要從事柴油機(jī)電控燃油噴射技術(shù)研究。

TEL：15124588186， E-mail： fanly_01@163.com。