商海昆， 王 ， 胡若， 王沛， 劉福水

(1. 河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司， 河北 石家莊 050081； 2. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

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低壓油路供油壓力對(duì)單體泵噴油壓力的影響

商海昆1， 王1， 胡若2， 王沛2， 劉福水2

(1. 河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司， 河北 石家莊 050081； 2. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

為了研究不同供油壓力下單體泵的建壓過程及單體泵性能呈現(xiàn)出的變化規(guī)律，在電控單體泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了油泵臺(tái)架試驗(yàn)，獲得了高轉(zhuǎn)速工況下不同供油壓力的單體泵油壓特性曲線。分析了供油壓力與單體泵噴油壓力之間的關(guān)系，并研究了電控單體泵空轉(zhuǎn)時(shí)供油壓力對(duì)單體泵性能的影響。結(jié)果表明：高轉(zhuǎn)速時(shí)，供油壓力低，油壓建立過程存在無(wú)規(guī)律波動(dòng)；高轉(zhuǎn)速時(shí)，一定范圍內(nèi)，供油壓力越大，油壓上升時(shí)刻越早；不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)著不同的臨界充油壓力，當(dāng)供油壓力大于等于臨界壓力時(shí)，單體泵才能夠穩(wěn)定而有規(guī)律地建壓；相同工況下，一定范圍內(nèi)，供油壓力越大，單體泵噴油量越大。

電控單體泵； 低壓油路； 供油壓力； 油壓特性

電控單體泵系統(tǒng)是一種電磁閥溢流時(shí)間控制式燃油噴射系統(tǒng)，不但具有噴油量和噴油正時(shí)靈活可控的工作特性，而且具有較高的噴油壓力和良好的工作可靠性。但電控單體泵高壓油建壓過程中存在一定的波動(dòng)，會(huì)對(duì)單體泵供油產(chǎn)生直接影響，最終會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能不穩(wěn)定，因此需要對(duì)單體泵油壓建立過程進(jìn)行研究。單體泵內(nèi)燃油建壓存在波動(dòng)的原因有很多，其中之一是在吸油過程中形成的氣泡，在柱塞上行時(shí)氣泡壓縮破裂形成氣穴，油壓在建立過程中因氣穴的影響而產(chǎn)生波動(dòng)。而氣穴形成與低壓油路的供油壓力存在很大關(guān)系。

國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)低壓油路的供油特性進(jìn)行了研究[1-10]，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，僅分析低壓油路供油壓力的變化對(duì)單體泵建壓過程的影響，并弄清其中規(guī)律，為進(jìn)一步改良單體泵提供基礎(chǔ)。

1 電控單體泵燃油系統(tǒng)工作原理

電控單體泵燃油系統(tǒng)是一種時(shí)間控制的脈動(dòng)式高壓燃油噴射系統(tǒng)。通過ECU控制電磁旁通閥的啟閉來控制高低壓油路的通斷，進(jìn)而決定電控單體泵泵出的燃油是流向低壓油路還是噴油器。電磁閥斷電，凸輪進(jìn)入下降段后，柱塞受到柱塞彈簧力作用向下運(yùn)動(dòng)，電控單體泵柱塞腔內(nèi)壓力低于低壓油路油壓，此時(shí)低壓燃油經(jīng)控制閥密封錐面進(jìn)入柱塞腔，完成充油過程。柱塞上行，柱塞腔內(nèi)燃油被壓縮，油壓上升。若電磁閥斷電，柱塞腔中的高壓燃油回流到低壓油路。若ECU此時(shí)向電磁閥提供合適的驅(qū)動(dòng)電流，控制閥切斷高低壓油路，柱塞腔中的高壓燃油會(huì)經(jīng)高壓油管，進(jìn)入噴油嘴盛油槽。當(dāng)盛油槽內(nèi)壓力超過針閥開啟壓力，針閥開啟，開始噴油。驅(qū)動(dòng)電流結(jié)束，高低壓油路接通，柱塞腔中油壓下降，噴油嘴盛油槽中油壓下降。當(dāng)盛油槽中油壓低于針閥開啟壓力，針閥落座，結(jié)束噴油。圖1示出電控單體泵燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意。

2 試驗(yàn)及仿真

2.1 試驗(yàn)裝置

圖2示出油泵試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)示意。使用Dewetron-5000燃燒分析儀采集高壓油管泵端燃油壓力、驅(qū)動(dòng)電流及噴油器針閥升程信號(hào)。選用Delphi-E1電控單體泵，其柱塞直徑11 mm，行程18 mm，通過ECU控制電磁閥閉合建立高壓。采用Bosch機(jī)械噴油器，啟噴壓力21 MPa。采用kistler 4067BB2000油壓傳感器、電荷放大器采集高壓油管中的燃油壓力。使用EFS 8246單次噴射儀采集噴油器循環(huán)噴油量，該測(cè)試儀器測(cè)量精度達(dá)到0.6 mm3，其測(cè)量范圍為0～600 mm3，可實(shí)現(xiàn)30～3 000周期/min的噴油量測(cè)量。單體泵供油系統(tǒng)的低壓油路供油壓力0.6 MPa。驅(qū)動(dòng)電流確定為11 A和4 A。

采用降速凸輪驅(qū)動(dòng)挺柱總成。該凸輪工作段為降速段，降速段的斜率決定了此燃油系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)等壓噴射。試驗(yàn)中，凸輪軸最高轉(zhuǎn)速不超過1 300 r/min。因單體泵柱塞腔內(nèi)壓力很難測(cè)得，因而用泵端壓力代替柱塞腔內(nèi)壓力，此方法的合理性在文獻(xiàn)中已得到證明。單體泵匹配的凸輪型線見圖3。

單體泵中電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流波形見圖4。電磁閥的運(yùn)動(dòng)分為三步：開啟、保持開啟和關(guān)閉。驅(qū)動(dòng)電流從產(chǎn)生開始到迅速升到峰值是為快速開啟電磁閥，然后降低到4 A左右來保持電磁閥的開啟狀態(tài)，最后電流迅速降低以迅速關(guān)閉電磁閥。

電控單體泵燃油系統(tǒng)油壓曲線由該系統(tǒng)內(nèi)部油道中各壓力波疊加而成，主要反映噴油嘴針閥運(yùn)動(dòng)、EUP控制閥運(yùn)動(dòng)、柱塞運(yùn)動(dòng)的特征。影響壓力波的因素主要有供油系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)件(噴油嘴針閥、EUP控制閥、柱塞)位置變化而引起的流道截面變化及油管變形等。由于密封的盛油槽內(nèi)油壓難以測(cè)量，本研究將油壓測(cè)點(diǎn)設(shè)在泵端。

2.2 仿真系統(tǒng)及仿真結(jié)果

通過對(duì)比柱塞腔內(nèi)的油壓和泵端油壓，來研究不同供油壓力對(duì)單體泵泵端油壓的影響。因柱塞腔內(nèi)燃油壓力很難通過試驗(yàn)獲得，本研究通過仿真來獲得柱塞腔內(nèi)的燃油壓力數(shù)據(jù)。通過AMESim軟件建立燃油模型，主要由低壓油路、電控單體泵、高壓油管及噴油器組成，其中低壓油路部分由輸油泵、濾清器和回油單向閥組成。模型結(jié)構(gòu)參數(shù)由實(shí)物測(cè)量獲取，控制參數(shù)由控制器參數(shù)確定。

經(jīng)過驗(yàn)證，由該模型得到的最高噴油壓力及循環(huán)噴油量的仿真值與試驗(yàn)值吻合較好，誤差在可接受范圍內(nèi)，因而可使用該模型進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)仿真。圖5示出在轉(zhuǎn)速1 250 r/min，持續(xù)期為15°凸輪軸轉(zhuǎn)角，供油壓力分別為0.3 MPa和0.7 MPa條件下的柱塞腔內(nèi)燃油壓力。由圖5可知：在0.3 MPa供油壓力下柱塞腔內(nèi)油壓的上升時(shí)間比0.7 MPa下的晚；油壓上升過程中，低供油壓力的油壓曲線比高供油壓力工況下的油壓曲線抖動(dòng)更為劇烈；高供油壓力下柱塞腔內(nèi)的壓力峰值比低供油壓力的壓力峰值大。仿真結(jié)果符合單體泵供油特性。供油壓力高，柱塞腔充油速度快，充油期內(nèi)燃油充滿柱塞腔，柱塞上升直接壓縮燃油，因而油壓上升速度快，且油壓峰值大。對(duì)比相同工況下的0.3 MPa供油壓力狀態(tài)，充油期內(nèi)，柱塞腔內(nèi)未充滿燃油，柱塞上行時(shí)，先壓縮空氣再壓縮燃油，因而油壓峰值小。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6示出在1 250 r/min，15°噴油脈寬工況下由試驗(yàn)獲得的泵端油壓特性曲線。圖6可知，供油壓力0.3 MPa條件下，油壓上升時(shí)刻凸輪轉(zhuǎn)角為173°，油壓上升過程中有明顯抖動(dòng)，這種現(xiàn)象導(dǎo)致燃油噴射能力減弱，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定，燃燒及排放變差。0.7 MPa供油壓力條件下，油壓在凸輪轉(zhuǎn)角為150°時(shí)開始上升，油壓上升過程穩(wěn)定平滑，燃油噴射過程較為理想。由此可知，不同的供油壓力對(duì)單體泵的性能有很大影響。另外，供油壓力的減小會(huì)引起油壓建立相位的推遲。

對(duì)比同一工況時(shí)，柱塞腔內(nèi)壓力仿真值和泵端壓力試驗(yàn)值：0.3 MPa供油壓力條件下，試驗(yàn)所得的壓力曲線油壓上升時(shí)刻比0.7 MPa供油壓力下油壓上升時(shí)刻晚，與柱塞腔內(nèi)壓力仿真結(jié)果狀態(tài)相符合。同樣的，0.3 MPa供油壓力下，泵端油壓比0.7 MPa供油壓力下泵端油壓波動(dòng)劇烈，與柱塞腔內(nèi)壓力仿真結(jié)果變化趨勢(shì)相符。因而可知，柱塞腔內(nèi)的油壓直接影響泵端油壓特性。

電控單體泵工作時(shí)，伴隨著燃油高度壓縮、波動(dòng)和燃油噴射等多個(gè)物理過程，無(wú)法通過泵端燃油壓力準(zhǔn)確獲知柱塞內(nèi)的充油狀態(tài)，為此采用單體泵不工作時(shí)低壓油路的燃油壓力代替工作時(shí)燃油壓力對(duì)柱塞腔的充油狀態(tài)進(jìn)行分析，進(jìn)而衡量低壓油路對(duì)單體泵油壓建立的影響。

轉(zhuǎn)速1 250 r/min空轉(zhuǎn)工況下的油壓特性見圖7。從圖7可以看出，0.3 MPa的供油壓力時(shí)，油壓起升相位滯后，此外曲線還有明顯的波動(dòng)，油壓上升過程沒有規(guī)律。在0.7 MPa的供油壓力下，油壓曲線平滑，油壓呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，壓力下降過程則伴有抖動(dòng)現(xiàn)象。由此現(xiàn)象可知，單體泵電磁閥通電與未通電，油壓建立過程是相對(duì)應(yīng)的，空轉(zhuǎn)過程中壓力抖動(dòng)，則電磁閥通電后也會(huì)有相應(yīng)的抖動(dòng)。0.3 MPa供油壓力下，由于供油壓力低，在1 250 r/min轉(zhuǎn)速下，燃油沒有充滿柱塞腔，燃油中的空氣在低于空氣分離壓后析出，氣泡破裂產(chǎn)生能量，從而導(dǎo)致油壓劇烈抖動(dòng)。油壓抖動(dòng)過程中壓力峰值超過21 MPa，達(dá)到了機(jī)械噴油器的啟噴壓力，會(huì)發(fā)生自噴現(xiàn)象，隨之壓力下降，噴油器關(guān)閉，此過程不斷重復(fù)，因而壓力劇烈波動(dòng)。燃油自噴導(dǎo)致噴油不可控，直接破壞燃燒過程，此外還會(huì)加大發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。而0.7 MPa供油壓力能夠滿足該轉(zhuǎn)速下燃油供給，油壓建立前燃油已充滿柱塞腔，柱塞上行建立油壓，因電磁閥未通電，柱塞下行至回油孔后，油壓下降。此過程中，燃油壓力上升平穩(wěn)，壓力開始下降時(shí)油壓產(chǎn)生抖動(dòng)，這是因?yàn)橛蛪焊哂跈C(jī)械噴油器的啟噴壓力，從而產(chǎn)生噴油器噴油，油壓下降到低于噴油器開啟壓力時(shí)，油壓又再次上升，如此循環(huán)，因而出現(xiàn)了油壓抖動(dòng)。由此可見，在較低的供油壓力條件下，單體泵柱塞腔內(nèi)容易產(chǎn)生氣穴，從而影響油壓建立，并產(chǎn)生明顯無(wú)規(guī)律波動(dòng)，而在高轉(zhuǎn)速工況下，會(huì)產(chǎn)生自噴，導(dǎo)致噴油過程失控，這在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中是不能發(fā)生的，由此可見供油壓力對(duì)噴油過程影響很大。

分析原因：供油壓力不同，供油速度不同，在同一工況下，供油時(shí)間相同，因而較小的供油壓力無(wú)法在充油時(shí)間內(nèi)將柱塞腔充滿燃油，柱塞腔內(nèi)有空氣存在。在此狀況下，由于柱塞腔內(nèi)壓力低，因而當(dāng)壓力低于燃油的空氣分離壓時(shí)，燃油內(nèi)空氣會(huì)析出，產(chǎn)生氣泡，氣泡破裂產(chǎn)生巨大的能量，因而使得油壓產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，柱塞腔內(nèi)的油壓產(chǎn)生波動(dòng)直接導(dǎo)致燃油泵端壓力產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，從而使燃油噴射壓力波動(dòng)。在較高的供油壓力條件下，燃油在充油期能夠充滿柱塞腔，柱塞直接壓縮柱塞腔內(nèi)的燃油，燃油壓力迅速上升，此過程壓力波動(dòng)較小，最終體現(xiàn)在燃油噴射壓力高，且波動(dòng)較小。

在以上試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究供油壓力對(duì)單體泵建壓過程的影響。在轉(zhuǎn)速1 250 r/min空轉(zhuǎn)工況下，采用5組供油壓力進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見圖8。

由圖8可知，在不同的供油壓力下，泵端油壓上升時(shí)刻不同，隨著供油壓力的增大，泵端油壓上升時(shí)刻明顯提前，當(dāng)供油壓力大于0.5 MPa時(shí)，油壓上升時(shí)刻基本保持不變，此時(shí)的凸輪軸轉(zhuǎn)角為150°。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：在相同轉(zhuǎn)速下，因供油壓力不同，燃油進(jìn)入柱塞腔速度不同，較低的供油壓力導(dǎo)致柱塞上行時(shí)柱塞腔內(nèi)未充滿燃油，柱塞壓縮的是空氣，壓縮完空氣后柱塞繼續(xù)上行開始?jí)嚎s燃油，此時(shí)油壓上升，對(duì)比其他較高供油壓力，泵端油壓上升時(shí)刻明顯延遲。因此，低壓油路供油壓力越大，燃油充滿柱塞腔速度越快，燃油壓力上升時(shí)刻則會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。

由上述試驗(yàn)可知：不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)著不同臨界供油壓力，當(dāng)供油壓力超過臨界供油壓力時(shí)，在充油期，柱塞腔內(nèi)會(huì)充滿燃油，此狀態(tài)下泵端壓力平穩(wěn)上升，峰值壓力不會(huì)超過噴油器的啟噴壓力；當(dāng)供油壓力小于臨界供油壓力時(shí)，燃油無(wú)法充滿柱塞腔，此狀態(tài)下柱塞腔內(nèi)形成氣穴，使得油壓產(chǎn)生明顯波動(dòng)，峰值油壓會(huì)超過噴油器啟噴壓力，產(chǎn)生自噴。圖9示出不同轉(zhuǎn)速下達(dá)到穩(wěn)定建壓的臨界供油壓力曲線。

柱塞充油過程不僅和供油壓力有關(guān)，同時(shí)還和凸輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，凸輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定充油時(shí)間，供油壓力決定充油速度。圖9中曲線以上區(qū)域?qū)?yīng)的供油壓力能使單體泵充油過程中燃油充滿柱塞腔，保證單體泵穩(wěn)定工作。選擇圖中曲線以下的供油壓力，則會(huì)因?yàn)槌溆蛪毫Σ蛔銓?dǎo)致柱塞腔內(nèi)存在空氣，會(huì)使建壓時(shí)刻推遲；另外，在柱塞上行壓縮燃油過程中，因燃油壓力低，燃油中的空氣在低于空氣分離壓的狀態(tài)下會(huì)析出，形成氣泡，氣泡破裂產(chǎn)生巨大能量導(dǎo)致充油壓力劇烈抖動(dòng)，從建壓時(shí)間及建壓過程兩個(gè)方面對(duì)單體泵性能都產(chǎn)生了不良影響。由此可知，不同轉(zhuǎn)速下，單體泵所需的供油壓力不同，不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)著不同的臨界充油壓力。供油壓力不但影響電控單體泵的泵端油壓，同時(shí)對(duì)單體泵噴油量存在影響。

圖10示出1 250 r/min，15°噴油脈寬條件下不同供油壓力所對(duì)應(yīng)的平均噴油量。0.4 MPa，0.5 MPa，0.6 MPa及0.7 MPa 4種供油壓力所對(duì)應(yīng)的平均噴油量分別為273.4 mm3，274.6 mm3，275.4 mm3，277.2 mm3。由試驗(yàn)結(jié)果可知,在一定的范圍內(nèi),隨著供油壓力的增大,電控單體泵的噴油量會(huì)增加。產(chǎn)生此結(jié)果的原因是：在相同的工況下，在低壓供油壓力狀態(tài)下燃油無(wú)法充滿柱塞腔，而高供油壓力時(shí)能在充油期使燃油充滿柱塞腔。柱塞上行量一定，供油壓力低時(shí)，柱塞腔內(nèi)有空氣，柱塞會(huì)先壓縮空氣再壓燃油，若柱塞腔內(nèi)充滿燃油，整個(gè)壓縮過程都作用于燃油，燃油會(huì)得到更好的壓縮，從而獲得更大的壓力，因而噴射壓力增大，相同時(shí)間內(nèi)噴油量就會(huì)增大。本研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于Delphi-E1單體泵，試驗(yàn)規(guī)律也適用于其他單體泵。

4 結(jié)論

a) 高轉(zhuǎn)速工況下，供油壓力較低會(huì)使電控單體泵柱塞腔內(nèi)油壓明顯抖動(dòng)，從而導(dǎo)致泵端油壓明顯抖動(dòng)，油壓抖動(dòng)影響單體泵性能，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；

b) 高轉(zhuǎn)速工況下，同一轉(zhuǎn)速時(shí)，在一定范圍內(nèi)，供油壓力增大會(huì)使電控單體泵油壓升起相位提前，供油壓力達(dá)到一定值后，油壓升起相位不變；

c) 不同的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)著不同的臨界供油壓力，根據(jù)臨界供油壓力曲線選取合理的供油壓力可以保證單體泵充油順利，穩(wěn)定工作；

d) 同一工況下，一定的范圍內(nèi),隨著供油壓力的增大,電控單體泵的噴油量會(huì)增加。

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[編輯: 李建新]

Effects of Fuel Supply Pressure for Low-pressure Pipe on Injection Pressure of Unit Pump

SHANG Haikun1， WANG Yan1， HU Ruo2， WANG Pei2， LIU Fushui2

(1. Hebei Huabei Diesel Engine Co．， Ltd.， Shijiazhuang 050081， China；2. School of MechanicaI Endineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

The building process of fuel pressure and the performance change of unit pump were researched under different fuel supply pressures in order to provide the reference for the further use and improvement of electronic control unit pump. Through the bench test of fuel pump, the fuel pressure curves of unit pump were acquired under different fuel supply pressures at high speed. Then the correlation between fuel supply pressure and unit pump injection pressure was analyzed and the effect of idling fuel supply pressure on unit pump performance was studied. The results show that the building process of fuel pressure is irregular in low fuel supply pressure at high speed. The higher fuel supply pressure will lead to the earlier timing of pressure rising and more fuel injection quantity in a certain range at high speed. The critical fuel supply pressure exists under different speeds. The unit pump can build the fuel pressure stably and regularly when the fuel supply pressure is not lower than the critical pressure.

electronic control unit pump； low-pressure fuel pipe； fuel supply pressure； fuel pressure characteristic

2015-05-12;

2015-06-11

商海昆(1965— )，男，研究員，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)設(shè)計(jì)與制造；hckjkfb_shanghk@163.com。

劉福水(1965— )，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及燃燒研究；fushui_liu@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.012

TK421.44

B

1001-2222(2015)03-0055-05