劉福水 楊子明 黎一鍇 胡 若 沈宏繼

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院, 北京 100081； 2.北京電動(dòng)車(chē)輛協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100081； 3.63963部隊(duì), 北京 100072)

0 引言

供油系統(tǒng)的匹配直接影響柴油機(jī)性能。電子控制與高壓噴射已成為柴油機(jī)供油系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。目前幾乎所有的高壓供油油源都是以凸輪-柱塞方式產(chǎn)生高壓，因此研究凸輪-柱塞系統(tǒng)的泵油特性和凸輪型線(xiàn)的關(guān)系是高壓供油系統(tǒng)匹配的理論基礎(chǔ)。

電控單體泵(EUP)系統(tǒng)是一種典型的凸輪-柱塞式高壓供油系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的噴射壓力，主要用于中大功率柴油機(jī)[2]。傳統(tǒng)EUP系統(tǒng)的供油凸輪采用等速或切線(xiàn)凸輪形式，這兩種凸輪型線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的泵端壓力隨噴油脈寬的增加而迅速增大[3-4]。但過(guò)高的壓力不但對(duì)燃油系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生很大的負(fù)荷[5]，還會(huì)對(duì)燃油密封、柴油機(jī)燃燒等產(chǎn)生不利的影響。因此理想的供油壓力應(yīng)是泵端壓力快速達(dá)到最高值后維持穩(wěn)定不變，即實(shí)現(xiàn)等壓供油特性。

從穩(wěn)態(tài)角度出發(fā)，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到等壓狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)高壓容積內(nèi)的燃油壓力和密度、噴油速率等參數(shù)不再改變。由質(zhì)量守恒得出，柱塞的運(yùn)動(dòng)速度也應(yīng)為一常數(shù)，即等壓對(duì)應(yīng)等速。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在凸輪軸轉(zhuǎn)速不變時(shí)，采用等速凸輪的EUP系統(tǒng)具有噴射壓力隨噴油脈寬增加而增大的特性[6]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)EUP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)理想的等壓供油特性進(jìn)行了大量的研究[7-13]。前人通過(guò)改變噴射過(guò)程中柱塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一定程度上的等壓噴射特性，但柱塞運(yùn)動(dòng)速度與油壓特性之間的關(guān)系仍不明確。為了獲取理想的泵油特性，有必要對(duì)凸輪型線(xiàn)與油壓特性間關(guān)系進(jìn)行研究，以掌握凸輪型線(xiàn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為凸輪-柱塞泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。

本文結(jié)合AMESim仿真模型，分析等速凸輪與降速凸輪在不同轉(zhuǎn)速和噴油脈寬下的油壓曲線(xiàn)，研究降速凸輪不同工作段加速度的油壓特性，給出降速凸輪工作段加速度對(duì)油壓特性的影響規(guī)律，并獲得不同匹配轉(zhuǎn)速下最佳凸輪工作段加速度的設(shè)計(jì)公式。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與仿真模型

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

實(shí)驗(yàn)在油泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，其原理圖如圖1所示[14]。該系統(tǒng)主要由燃油箱、低壓油泵、電控單體泵、機(jī)械式噴油器、高壓油管、凸輪軸組成。電控單體泵選用柱塞直徑為11 mm的Delphi-E1泵；采用起噴壓力為28 MPa的Bosch機(jī)械式噴油器；凸輪軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為0～2 500 r/min，控制精度為±2 r/min。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 電控單體泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 EUP testing system diagram1.控制柜 2.ECU 3.油壓傳感器 4.電控單體泵 5.凸輪軸 6.針閥位移傳感器 7.噴油器 8.燃燒分析儀

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)ECU控制單體泵電磁閥閉合建立高壓，使用kistler 4067BB2000型油壓傳感器、電荷放大器和Dewetron-5000型燃燒分析儀采集高壓油管泵端燃油壓力與噴油器針閥升程信號(hào)。

表1 單體泵及噴油器主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of pump and injector

1.2 仿真模型的建立

利用AMESim軟件對(duì)電控單體泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行建模[15-16]，如圖2所示。

圖2 AMESim仿真模型Fig.2 AMESim simulation model diagram1.低壓油路 2.泵體 3.凸輪 4.油壓傳感器 5.高壓油管 6.單體泵電磁閥 7.噴油器 8.噴嘴

模型中電控單體泵燃油系統(tǒng)由低壓油路、電控單體泵和噴油器組成，由油管相互連接。低壓油路由恒定壓力的低壓油源、單向閥和濾清器組成。電控單體泵由柱塞泵、控制閥和內(nèi)部油道組成。

為方便運(yùn)算，模型設(shè)置噴射背壓為一常數(shù)；忽略了除運(yùn)動(dòng)副以外的各密封面的泄漏[17]；高壓油管采用波動(dòng)模型，考慮了燃油的壓縮性和管壁的變形[18]。

1.3 仿真模型驗(yàn)證

圖3為實(shí)驗(yàn)臺(tái)架使用的柱塞升程曲線(xiàn)和柱塞運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)。工作段柱塞加速度為負(fù)，工作段寬度為35°CA(凸輪軸轉(zhuǎn)角)，柱塞最大升程18 mm。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架柱塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.3 Rule of plunger movement on test bed

圖4是在凸輪軸轉(zhuǎn)速900 r/min、噴油脈寬工況17°CA下實(shí)驗(yàn)與仿真得到的油壓曲線(xiàn)。各關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)對(duì)比及誤差如表2所示。

圖4 標(biāo)定結(jié)果Fig.4 Simulation model calibration results

表2 標(biāo)定參數(shù)及誤差Tab.2 Simulation model key parameters and errors

圖6 等速凸輪不同噴油脈寬下的油壓特性Fig.6 Pressure characteristics of constant speed cam with different injection durations

由圖4可以看出，仿真曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線(xiàn)的變化規(guī)律吻合，主要特征點(diǎn)的誤差小于0.5%，噴油量誤差小于5%，證明仿真結(jié)果有很好的可信度，仿真模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)EUP系統(tǒng)的特性。

2 不同凸輪油壓特性對(duì)比與分析

2.1 等速凸輪油壓特性與分析

為了研究不同噴油持續(xù)期下等速凸輪油壓特性，將凸輪工作段設(shè)為等速、工作段寬度設(shè)為155°CA，如圖5所示。仿真模型中柱塞腔長(zhǎng)度相應(yīng)延長(zhǎng)至45 mm。

圖5 等速凸輪柱塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.5 Plunger movement rule of constant speed cam

2.1.1不同脈寬下的油壓特性

采用圖5所示的凸輪型線(xiàn)，通過(guò)AMESim計(jì)算得到不同噴油脈寬下的泵端壓力及其變化率曲線(xiàn)如圖6所示。計(jì)算中凸輪軸轉(zhuǎn)速為900 r/min，噴油脈寬為10～150°CA，提前角為4°CA。

圖6a是不同脈寬下泵端壓力隨凸輪軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，可以看出：隨著噴油脈寬的增加，最高噴油壓力逐漸增大，但最終實(shí)現(xiàn)了等壓特性；圖6b是泵端峰值壓力增量隨噴油脈寬的變化曲線(xiàn)?？梢钥闯觯弘S著噴油脈寬增大，泵端壓力上升速度逐漸變慢，在噴油脈寬達(dá)到90°CA以后，噴油脈寬每增大1°CA，泵端壓力增量已經(jīng)小于0.1 MPa。

通過(guò)仿真計(jì)算可知：在凸輪軸轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，采用等速凸輪型線(xiàn)的柱塞泵達(dá)到平衡狀態(tài)所需要的凸輪軸轉(zhuǎn)角超過(guò)90°CA。而柴油機(jī)實(shí)際噴油持續(xù)期一般不超過(guò)15°CA(小于30°CA)，因此在柴油機(jī)常用工況范圍內(nèi)，泵端壓力始終處在快速上升階段，表現(xiàn)為泵端壓力隨噴油脈寬增加而增大，與范立云等[19]的研究結(jié)果相同。

凸輪-柱塞泵供油系統(tǒng)通過(guò)凸輪推動(dòng)柱塞，壓縮高壓油腔內(nèi)的燃油以達(dá)到很高的壓力，單位時(shí)間內(nèi)柱塞運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的高壓容積減小稱(chēng)之為壓油量；同時(shí)通過(guò)噴油器噴嘴處燃油噴出導(dǎo)致燃油壓力下降，燃油離開(kāi)高壓容積的體積流量稱(chēng)為噴油量。

當(dāng)壓油量大于噴油量時(shí)，柱塞腔內(nèi)燃油密度和壓力不斷上升；當(dāng)壓油量小于噴油量時(shí)，柱塞腔內(nèi)燃油密度和壓力開(kāi)始下降；而當(dāng)兩者相等時(shí)，柱塞腔內(nèi)燃油密度、壓力等參數(shù)不再發(fā)生改變，達(dá)到平衡狀態(tài)。

2.1.2不同轉(zhuǎn)速下的油壓特性

凸輪-柱塞泵供油系統(tǒng)壓油量與噴油量之間的差值是導(dǎo)致燃油壓力變化的根本原因，壓油量與柱塞速度直接相關(guān)，通過(guò)調(diào)整柱塞速度可以控制流量差，進(jìn)而控制燃油壓力的變化。

采用圖5所示的凸輪型線(xiàn)，通過(guò)AMESim計(jì)算得到不同凸輪軸轉(zhuǎn)速下的泵端壓力曲線(xiàn)如圖7所示。計(jì)算中噴油脈寬為150°CA，凸輪軸轉(zhuǎn)速為600～1 200 r/min，提前角為4°CA。圖7a是泵端壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，圖7b是泵端壓力隨凸輪軸轉(zhuǎn)角的變化曲線(xiàn)。

圖7 等速凸輪不同凸輪軸轉(zhuǎn)速下的油壓特性Fig.7 Pressure characteristics of constant speed cam at different cam speeds

選取泵端壓力達(dá)到最大值的95%作為等壓段起點(diǎn)。從圖7a可以看出，凸輪軸轉(zhuǎn)速越高，泵端壓力的變化越迅速、平衡壓力越高，但平衡所需要的時(shí)間更長(zhǎng)；凸輪軸轉(zhuǎn)速越高，單位時(shí)間凸輪軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度也越大，因此高轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)平衡狀態(tài)所需的凸輪軸轉(zhuǎn)角更大(圖7b)。

通過(guò)上述分析可知：雖然等速凸輪最終可以獲得等壓供油特性，但在過(guò)渡段表現(xiàn)出明顯的壓力變化。而發(fā)動(dòng)機(jī)一般工作在過(guò)渡段范圍內(nèi)，因此泵端壓力始終處在快速上升階段，表現(xiàn)為泵端壓力隨噴油脈寬增加而增大?？梢?jiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下，等速凸輪得不到等壓供油特性。

2.2 降速凸輪油壓特性與分析

采用等速凸輪在發(fā)動(dòng)機(jī)常用工作范圍內(nèi)僅能得到一直上升的油壓特性。有學(xué)者通過(guò)選用工作段柱塞速度逐漸降低的降速凸輪來(lái)實(shí)現(xiàn)等壓供油[20]，但柱塞加速度對(duì)油壓特性的影響卻少有研究。

為了獲得兩者之間的關(guān)系，在原凸輪型線(xiàn)基礎(chǔ)上，將工作段加速度Aa分別設(shè)為0、-0.012、-0.020 mm/(°CA)2，通過(guò)AMESim計(jì)算得到不同柱塞加速度下的泵端壓力曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 不同工作段加速度下的泵端壓力Fig.8 Pressure characteristics at different accelerations

計(jì)算中提前角為25°CA，參照典型柴油機(jī)最大扭矩點(diǎn)的噴油脈寬和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，選擇噴油脈寬為15°CA，凸輪軸轉(zhuǎn)速為900 r/min。

可以看出，等速凸輪(下降加速度0)在柴油機(jī)工作段內(nèi)，泵端壓力始終上升；當(dāng)采用工作段柱塞加速度為-0.012 mm/(°CA)2時(shí)，柱塞泵可以在柴油機(jī)工作段內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的等壓供油特性；但當(dāng)柱塞速度下降過(guò)快時(shí)(下降加速度-0.020 mm/(°CA)2)，在柴油機(jī)工作段內(nèi)出現(xiàn)了明顯的壓力下降現(xiàn)象，反而不能實(shí)現(xiàn)等壓供油特性。

2.2.1不同柱塞加速度下的油壓特性

從仿真結(jié)果可知，在一定凸輪軸轉(zhuǎn)速下，采用降速凸輪時(shí)，工作段內(nèi)供油壓力表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。因此，存在一個(gè)最佳的加速度，使得工作段內(nèi)表現(xiàn)為近似等壓的供油性能。

電控單體泵采用降速凸輪工作時(shí)，在工作段前閉合電磁閥，此時(shí)柱塞速度較高，壓油量遠(yuǎn)大于噴油量使得泵端壓力迅速上升；當(dāng)凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)至工作段，柱塞速度逐漸下降，壓油量減小使得泵端壓力上升速度變緩；柱塞速度繼續(xù)下降使得壓油量低于噴油量時(shí)，導(dǎo)致泵端壓力開(kāi)始下降。降速凸輪就是利用了柱塞速度的變化導(dǎo)致的泵端壓力先增大后減小這一過(guò)渡階段來(lái)實(shí)現(xiàn)近似等壓的供油特性。

為了評(píng)價(jià)降速凸輪的等壓供油性能，本文引入等壓系數(shù)

式中φ0——從噴油器打開(kāi)到結(jié)束噴油所經(jīng)歷的凸輪軸轉(zhuǎn)角，即噴油脈寬

φconstant——油壓達(dá)到峰值壓力95%以上范圍所占的凸輪軸轉(zhuǎn)角，稱(chēng)為近似等壓段

圖10 不同凸輪軸轉(zhuǎn)速下的油壓特性及等壓系數(shù)Fig.10 Pressure characteristics and constant pressure coefficients at different cam speed

采用不同的工作段柱塞加速度進(jìn)行仿真計(jì)算，得到凸輪軸轉(zhuǎn)速900 r/min下各柱塞加速度下的等壓系數(shù)如圖9所示?？梢钥闯龉ぷ鞫谓邓僭娇?，等壓系數(shù)先增大后減小，在Aa=-0.013 mm/(°CA)2時(shí)，等壓系數(shù)達(dá)到最大。

圖9 不同工作段加速度下等壓系數(shù)Fig.9 Constant pressure coefficients at different accelerations

當(dāng)工作段降速較慢時(shí)，系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)等壓特性，或是近似等壓部分位于發(fā)動(dòng)機(jī)工作段之外，在整個(gè)工作段內(nèi)壓力始終處于上升階段，等壓系數(shù)為0；工作段降速較快時(shí)，近似等壓起點(diǎn)進(jìn)入柴油機(jī)工作段內(nèi)，并且降速越快，近似等壓的部分位于柴油機(jī)工作段內(nèi)的比例越多，等壓系數(shù)越大；但當(dāng)降速過(guò)快時(shí)，在柴油機(jī)工作段內(nèi)出現(xiàn)壓力下降，導(dǎo)致等壓系數(shù)變小。

2.2.2不同轉(zhuǎn)速下的油壓特性

采用Aa=-0.013 mm/(°CA)2的凸輪型線(xiàn)，通過(guò)AMESim計(jì)算凸輪軸轉(zhuǎn)速600～1 100 r/min的壓力特性和等壓系數(shù)如圖10所示，計(jì)算中噴油脈寬為25°CA。

由圖10a可以看出，以900 r/min為設(shè)計(jì)點(diǎn)獲得的最佳凸輪加速度，在非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速表現(xiàn)出不同的供油特性，當(dāng)工作轉(zhuǎn)速高于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，工作段內(nèi)噴油壓力呈上升趨勢(shì)；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速低于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，噴油壓力隨脈寬增大逐漸減小。從圖10b中的等壓系數(shù)變化規(guī)律來(lái)看，隨著轉(zhuǎn)速的增加，該凸輪的等壓系數(shù)先增大后減小，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速附近等壓系數(shù)最大。

通過(guò)仿真計(jì)算可以得到600～1 200 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)最佳加速度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，如圖11所示。由圖11可以看出，凸輪軸轉(zhuǎn)速越高，對(duì)應(yīng)的最佳加速度絕對(duì)值越大，即柱塞在工作段內(nèi)降速越快。

圖11 降速凸輪不同凸輪軸轉(zhuǎn)速下的最佳工作段加速度Fig.11 Best acceleration at different cam speeds

這是因?yàn)殡S著凸輪軸轉(zhuǎn)速的提高，柱塞運(yùn)動(dòng)速度變大，對(duì)應(yīng)的平衡壓力也隨之變大。由2.2.1節(jié)分析可知，達(dá)到平衡狀態(tài)的壓力越高，達(dá)到平衡狀態(tài)需要的噴油脈寬就越長(zhǎng)。因此要在較短的噴油脈寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的等壓供油特性，就需要較大的凸輪工作段降速度。

在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，采用德?tīng)柛?1 mm直徑E1電控單體泵搭配博世機(jī)械式噴油器，高壓油管長(zhǎng)為600 mm時(shí)，不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最佳供油凸輪工作段加速度為

acam=-1.143×10-5n-0.002 86

式中acam——工作段柱塞加速度，mm/(°CA)2

n——凸輪軸轉(zhuǎn)速，r/min

因此實(shí)際匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程中，需根據(jù)不同的設(shè)計(jì)匹配轉(zhuǎn)速來(lái)選擇不同的凸輪工作段加速度。

當(dāng)設(shè)計(jì)匹配低轉(zhuǎn)速時(shí)，泵端壓力隨凸輪軸轉(zhuǎn)角下降很快，需匹配工作段降速較慢的凸輪，同時(shí)以高轉(zhuǎn)速工況下的最大泵端壓力作為約束條件，以保證正常的噴射壓力和避免壓力過(guò)低導(dǎo)致的不正常噴射現(xiàn)象；當(dāng)設(shè)計(jì)匹配高轉(zhuǎn)速時(shí)，則應(yīng)采用工作段降速較快的凸輪，同時(shí)以低轉(zhuǎn)速下的最低噴射壓力作為約束條件，以保證泵端壓力不會(huì)過(guò)高，并能夠在工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)近似的等壓特性。

2.3 樣件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照上文的匹配方法，為某型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)匹配了對(duì)應(yīng)的供油凸輪。該發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。

針對(duì)最大扭矩點(diǎn)的工作轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行供油凸輪型線(xiàn)的設(shè)計(jì)，凸輪軸轉(zhuǎn)速600 r/min，凸輪工作段加速度選為最佳值：-0.01 mm/(°CA)2。加工得到的油泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)凸輪軸如圖12所示，優(yōu)化前后凸輪型線(xiàn)對(duì)比如圖13所示。

圖12 優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)用凸輪軸Fig.12 Optimized camshaft for experimental use

圖13 優(yōu)化前后凸輪型線(xiàn)對(duì)比Fig.13 Comparison of cam profile before and after optimization

在油泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，該供油凸輪軸的凸輪型線(xiàn)與不同脈寬下的泵端壓力曲線(xiàn)如圖14所示，噴油脈寬為10～15°CA，提前角為25°CA。

圖14 降速凸輪不同噴油脈寬下的油壓特性Fig.14 Pressure characteristics of deceleration cam with different injection durations

由圖14可以看出，采用上文分析得到的最佳工作段柱塞加速度時(shí)，噴油脈寬11～15°CA，最大泵端壓力基本保持不變，實(shí)現(xiàn)了良好的等壓供油性能；同時(shí)由EFS分析儀測(cè)量得最大噴油量達(dá)到438 mm3，滿(mǎn)足了發(fā)動(dòng)機(jī)的供油需求。

3 結(jié)論

(1)等速凸輪最終可以獲得等壓供油特性，但在90°CA的過(guò)渡段內(nèi)則表現(xiàn)出明顯的壓力變化。發(fā)動(dòng)機(jī)一般工作在過(guò)渡段范圍內(nèi)，因此在柴油機(jī)常用工況范圍內(nèi)，泵端壓力始終處在快速上升階段，表現(xiàn)為泵端壓力隨噴油脈寬增加而增大。

(2)利用降速凸輪產(chǎn)生的泵端壓力先增大后減小這一過(guò)渡過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)近似等壓的供油特性；但當(dāng)加速度過(guò)大，或噴油脈寬過(guò)長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)壓力達(dá)到最高值后迅速下降的情況。

(3)在某一設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，存在一個(gè)最佳的凸輪加速度，以獲得最大的等壓系數(shù)。給出了針對(duì)確定結(jié)構(gòu)的電控單體泵系統(tǒng)不同匹配轉(zhuǎn)速下最佳凸輪工作段加速度的計(jì)算公式，acam=-1.143×10-5n-0.002 86。

(4)降速凸輪最佳加速度與設(shè)計(jì)匹配轉(zhuǎn)速有關(guān)。設(shè)計(jì)匹配轉(zhuǎn)速越高，對(duì)應(yīng)的最佳凸輪加速度絕對(duì)值越大。

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