低壓油路供油壓力對單體泵噴油壓力的影響

商海昆， 王 ， 胡若， 王沛， 劉福水

(1. 河北華北柴油機有限責任公司， 河北 石家莊 050081； 2. 北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081)

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低壓油路供油壓力對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. 河北華北柴油機有限責任公司， 河北 石家莊 050081； 2. 北京理工大學機械與車輛學院， 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出的變化規律，在電控單體泵試驗臺上進行了油泵臺架試驗，獲得了高轉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系，并研究了電控單體泵空轉時供油壓力對單體泵性能的影響。結果表明：高轉速時，供油壓力低，油壓建立過程存在無規律波動；高轉速時，一定范圍內，供油壓力越大，油壓上升時刻越早；不同轉速對應著不同的臨界充油壓力，當供油壓力大于等于臨界壓力時，單體泵才能夠穩定而有規律地建壓；相同工況下，一定范圍內，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

電控單體泵系統是一種電磁閥溢流時間控制式燃油噴射系統，不但具有噴油量和噴油正時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，會對單體泵供油產生直接影響，最終會導致發動機性能不穩定，因此需要對單體泵油壓建立過程進行研究。單體泵內燃油建壓存在波動的原因有很多，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生波動。而氣穴形成與低壓油路的供油壓力存在很大關系。

國內外有很多學者已經對低壓油路的供油特性進行了研究[1-10]，本研究在前人研究的基礎上，僅分析低壓油路供油壓力的變化對單體泵建壓過程的影響，并弄清其中規律，為進一步改良單體泵提供基礎。

1 電控單體泵燃油系統工作原理

電控單體泵燃油系統是一種時間控制的脈動式高壓燃油噴射系統。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，凸輪進入下降段后，柱塞受到柱塞彈簧力作用向下運動，電控單體泵柱塞腔內壓力低于低壓油路油壓，此時低壓燃油經控制閥密封錐面進入柱塞腔，完成充油過程。柱塞上行，柱塞腔內燃油被壓縮，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此時向電磁閥提供合適的驅動電流，控制閥切斷高低壓油路，柱塞腔中的高壓燃油會經高壓油管，進入噴油嘴盛油槽。當盛油槽內壓力超過針閥開啟壓力，針閥開啟，開始噴油。驅動電流結束，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。當盛油槽中油壓低于針閥開啟壓力，針閥落座，結束噴油。圖1示出電控單體泵燃油系統結構示意。

2 試驗及仿真

2.1 試驗裝置

圖2示出油泵試驗臺系統示意。使用Dewetron-5000燃燒分析儀采集高壓油管泵端燃油壓力、驅動電流及噴油器針閥升程信號。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噴油量，該測試儀器測量精度達到0.6 mm3，其測量范圍為0～600 mm3，可實現30～3 000周期/min的噴油量測量。單體泵供油系統的低壓油路供油壓力0.6 MPa。驅動電流確定為11 A和4 A。

采用降速凸輪驅動挺柱總成。該凸輪工作段為降速段，降速段的斜率決定了此燃油系統能否實現等壓噴射。試驗中，凸輪軸最高轉速不超過1 300 r/min。因單體泵柱塞腔內壓力很難測得，因而用泵端壓力代替柱塞腔內壓力，此方法的合理性在文獻中已得到證明。單體泵匹配的凸輪型線見圖3。

單體泵中電磁閥的驅動電流波形見圖4。電磁閥的運動分為三步：開啟、保持開啟和關閉。驅動電流從產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，最后電流迅速降低以迅速關閉電磁閥。

電控單體泵燃油系統油壓曲線由該系統內部油道中各壓力波疊加而成，主要反映噴油嘴針閥運動、EUP控制閥運動、柱塞運動的特征。影響壓力波的因素主要有供油系統內運動件(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油壓難以測量，本研究將油壓測點設在泵端。

2.2 仿真系統及仿真結果

通過對比柱塞腔內的油壓和泵端油壓，來研究不同供油壓力對單體泵泵端油壓的影響。因柱塞腔內燃油壓力很難通過試驗獲得，本研究通過仿真來獲得柱塞腔內的燃油壓力數據。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。模型結構參數由實物測量獲取，控制參數由控制器參數確定。

經過驗證，由該模型得到的最高噴油壓力及循環噴油量的仿真值與試驗值吻合較好，誤差在可接受范圍內，因而可使用該模型進行相應的系統仿真。圖5示出在轉速1 250 r/min，持續期為15°凸輪軸轉角，供油壓力分別為0.3 MPa和0.7 MPa條件下的柱塞腔內燃油壓力。由圖5可知：在0.3 MPa供油壓力下柱塞腔內油壓的上升時間比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更為劇烈；高供油壓力下柱塞腔內的壓力峰值比低供油壓力的壓力峰值大。仿真結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。對比相同工況下的0.3 MPa供油壓力狀態，充油期內，柱塞腔內未充滿燃油，柱塞上行時，先壓縮空氣再壓縮燃油，因而油壓峰值小。

3 試驗結果與分析

圖6示出在1 250 r/min，15°噴油脈寬工況下由試驗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，油壓上升時刻凸輪轉角為173°，油壓上升過程中有明顯抖動，這種現象導致燃油噴射能力減弱，使發動機工作不穩定，燃燒及排放變差。0.7 MPa供油壓力條件下，油壓在凸輪轉角為150°時開始上升，油壓上升過程穩定平滑，燃油噴射過程較為理想。由此可知，不同的供油壓力對單體泵的性能有很大影響。另外，供油壓力的減小會引起油壓建立相位的推遲。

對比同一工況時，柱塞腔內壓力仿真值和泵端壓力試驗值：0.3 MPa供油壓力條件下，試驗所得的壓力曲線油壓上升時刻比0.7 MPa供油壓力下油壓上升時刻晚，與柱塞腔內壓力仿真結果狀態相符合。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劇烈，與柱塞腔內壓力仿真結果變化趨勢相符。因而可知，柱塞腔內的油壓直接影響泵端油壓特性。

電控單體泵工作時，伴隨著燃油高度壓縮、波動和燃油噴射等多個物理過程，無法通過泵端燃油壓力準確獲知柱塞內的充油狀態，為此采用單體泵不工作時低壓油路的燃油壓力代替工作時燃油壓力對柱塞腔的充油狀態進行分析，進而衡量低壓油路對單體泵油壓建立的影響。

轉速1 250 r/min空轉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，油壓起升相位滯后，此外曲線還有明顯的波動，油壓上升過程沒有規律。在0.7 MPa的供油壓力下，油壓曲線平滑，油壓呈現先增大后減小的規律，壓力下降過程則伴有抖動現象。由此現象可知，單體泵電磁閥通電與未通電，油壓建立過程是相對應的，空轉過程中壓力抖動，則電磁閥通電后也會有相應的抖動。0.3 MPa供油壓力下，由于供油壓力低，在1 250 r/min轉速下，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，氣泡破裂產生能量，從而導致油壓劇烈抖動。油壓抖動過程中壓力峰值超過21 MPa，達到了機械噴油器的啟噴壓力，會發生自噴現象，隨之壓力下降，噴油器關閉，此過程不斷重復，因而壓力劇烈波動。燃油自噴導致噴油不可控，直接破壞燃燒過程，此外還會加大發動機的排放。而0.7 MPa供油壓力能夠滿足該轉速下燃油供給，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，壓力開始下降時油壓產生抖動，這是因為油壓高于機械噴油器的啟噴壓力，從而產生噴油器噴油，油壓下降到低于噴油器開啟壓力時，油壓又再次上升，如此循環，因而出現了油壓抖動。由此可見，在較低的供油壓力條件下，單體泵柱塞腔內容易產生氣穴，從而影響油壓建立，并產生明顯無規律波動，而在高轉速工況下，會產生自噴，導致噴油過程失控，這在發動機工作過程中是不能發生的，由此可見供油壓力對噴油過程影響很大。

分析原因：供油壓力不同，供油速度不同，在同一工況下，供油時間相同，因而較小的供油壓力無法在充油時間內將柱塞腔充滿燃油，柱塞腔內有空氣存在。在此狀況下，由于柱塞腔內壓力低，因而當壓力低于燃油的空氣分離壓時，燃油內空氣會析出，產生氣泡，氣泡破裂產生巨大的能量，因而使得油壓產生劇烈的波動，柱塞腔內的油壓產生波動直接導致燃油泵端壓力產生劇烈波動，從而使燃油噴射壓力波動。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的燃油，燃油壓力迅速上升，此過程壓力波動較小，最終體現在燃油噴射壓力高，且波動較小。

在以上試驗的基礎上，進一步研究供油壓力對單體泵建壓過程的影響。在轉速1 250 r/min空轉工況下，采用5組供油壓力進行對比試驗，結果見圖8。

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

產生這種現象的原因是：在相同轉速下，因供油壓力不同，燃油進入柱塞腔速度不同，較低的供油壓力導致柱塞上行時柱塞腔內未充滿燃油，柱塞壓縮的是空氣，壓縮完空氣后柱塞繼續上行開始壓縮燃油，此時油壓上升，對比其他較高供油壓力，泵端油壓上升時刻明顯延遲。因此，低壓油路供油壓力越大，燃油充滿柱塞腔速度越快，燃油壓力上升時刻則會逐漸趨于穩定。

由上述試驗可知：不同轉速對應著不同臨界供油壓力，當供油壓力超過臨界供油壓力時，在充油期，柱塞腔內會充滿燃油，此狀態下泵端壓力平穩上升，峰值壓力不會超過噴油器的啟噴壓力；當供油壓力小于臨界供油壓力時，燃油無法充滿柱塞腔，此狀態下柱塞腔內形成氣穴，使得油壓產生明顯波動，峰值油壓會超過噴油器啟噴壓力，產生自噴。圖9示出不同轉速下達到穩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，同時還和凸輪轉速有關，凸輪轉速決定充油時間，供油壓力決定充油速度。圖9中曲線以上區域對應的供油壓力能使單體泵充油過程中燃油充滿柱塞腔，保證單體泵穩定工作。選擇圖中曲線以下的供油壓力，則會因為充油壓力不足導致柱塞腔內存在空氣，會使建壓時刻推遲；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下會析出，形成氣泡，氣泡破裂產生巨大能量導致充油壓力劇烈抖動，從建壓時間及建壓過程兩個方面對單體泵性能都產生了不良影響。由此可知，不同轉速下，單體泵所需的供油壓力不同，不同轉速對應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，同時對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應的平均噴油量。0.4 MPa，0.5 MPa，0.6 MPa及0.7 MPa 4種供油壓力所對應的平均噴油量分別為273.4 mm3，274.6 mm3，275.4 mm3，277.2 mm3。由試驗結果可知,在一定的范圍內,隨著供油壓力的增大,電控單體泵的噴油量會增加。產生此結果的原因是：在相同的工況下，在低壓供油壓力狀態下燃油無法充滿柱塞腔，而高供油壓力時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，柱塞腔內有空氣，柱塞會先壓縮空氣再壓燃油，若柱塞腔內充滿燃油，整個壓縮過程都作用于燃油，燃油會得到更好的壓縮，從而獲得更大的壓力，因而噴射壓力增大，相同時間內噴油量就會增大。本研究的實驗數據基于Delphi-E1單體泵，試驗規律也適用于其他單體泵。

4 結論

a) 高轉速工況下，供油壓力較低會使電控單體泵柱塞腔內油壓明顯抖動，從而導致泵端油壓明顯抖動，油壓抖動影響單體泵性能，進而對發動機的工作穩定性產生影響；

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

c) 不同的轉速對應著不同的臨界供油壓力，根據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，穩定工作；

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

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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，主要研究方向為柴油機設計與制造；hckjkfb_shanghk@163.com。

劉福水(1965— )，教授，博士生導師，主要從事柴油發動機及燃燒研究；fushui_liu@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.012

TK421.44

B

1001-2222(2015)03-0055-05