電控單體泵小循環噴油量的關鍵影響因素研究

袁志國，范立云，白云，陳超，馬修真

(哈爾濱工程大學動力與能源學院，黑龍江哈爾濱150001)

電控單體泵系統是一種滿足現代柴油機經濟性和排放法規的燃油噴射系統［1-3］。其在低負荷時，由于噴油脈寬較小，造成噴油系統小循環噴油量非線性程度加劇，各種特性參數變化引起小循環噴油量的波動嚴重影響了柴油機在部分工況點的工作穩定性［4-5］。本文利用AMESim軟件建立系統的仿真模型，通過數值模擬得到不同特性參數變化在額定工況下引起的小循環噴油量波動量化百分比指標，并結合中心復合試驗設計的實驗設計方法進行各種特性參數與小循環噴油量之間的相關性分析。研究對小循環噴油量波動影響顯著的主要特性參數分別在非交互及交互作用下各個參數對小循環噴油量波動的影響規律，從而為降低電控單體泵低負荷時小循環噴油量波動和提高電控單體泵性能的穩定性提供重要的指導作用。

1 系統的結構組成及工作原理

電控單體泵系統屬于時間控制的壓力脈動式電控燃油噴射系統［6-7］，其結構原理如圖1所示。

圖1 電控單體泵結構原理圖Fig.1 Schematic of electronic unit pump

電控單體泵系統主要由柱塞加壓部分和電磁閥控制部分組成，柱塞加壓部分承擔對燃油的壓縮作用，電磁閥部分則控制噴油定時和噴油量，當電磁閥通電閉合時，閥桿關閉密封錐面，切斷燃油回路，泵腔內建立起燃油噴射所需的高壓。當電磁閥斷電時，密封錐面打開，高壓燃油泄壓，噴油過程結束。利用高速電磁閥的快速響應特性能夠實現噴油過程的柔性控制，改變了傳統噴油泵復雜的機械控制模式［8-10］。

2 仿真模型的建立

圖2為建立的電控單體泵系統AMESim仿真模型。為驗證仿真模型的可靠性，控制循環噴油量為120 mm3，分別在500、800和1 100 r/min 3個典型的凸輪轉速下，將試驗和仿真所得的噴油壓力進行對比分析。圖3為典型工況的噴油壓力對比曲線圖，由圖3可知，仿真與試驗結果吻合度很高，因此通過該仿真模型可以準確預測電控單體泵系統的小循環噴油量波動特性。

電控單體泵系統試驗和仿真模型的基本技術參數:柱塞直徑為11 mm，高壓油管長度為0.56 m，高壓油管內徑為 0.22 mm，電磁閥桿最大升程為0.18 mm，噴孔數目×噴孔直徑為 7×0.18 mm。

圖2 電控單體泵的數值仿真模型Fig.2 Numerical simulation model of EUP

圖3 典型工況的噴油壓力對比圖Fig.3 Comparison of injection pressure at typical working conditions

3 小循環噴油量波動量化分析

電控單體泵是一種集電、磁、機、液場耦合在一起的復雜系統，在研究各種特性參數對小循環噴油量波動的影響時，根據系統結構組成將特性參數分為4類:低壓供油特性參數(低壓供油壓力)、柱塞特性參數(凸輪型線速率和柱塞配合間隙)、閥桿特性參數(閥桿升程、銜鐵殘余氣隙和閥桿配合間隙)、噴油器特性參數(針閥升程、噴油器流量系數和噴油器開啟壓力)。通過仿真計算得出不同特性參數及各個部件特性參數變化在全轉速范圍內對小循環噴油量波動影響的量化百分比指標，分別如圖4、5所示。

由圖4中可見，在全轉速范圍內各種特性參數中凸輪型線速率和噴油器開啟壓力所占的量化百分比最大，分別為 34.3% ～20.2%和 49.8%～25.9%，且隨著凸輪轉速的增加，2種特性參數所占量化百分比均呈現逐漸降低的趨勢。原因在于低速時，凸輪型線速率作用時間相對較長，故此時小循環噴油量波動的量化百分比最大，而噴油器開啟壓力決定了針閥的開啟時間，在低速時由于系統建壓速度較慢造成噴油器開啟壓力對噴油過程的影響更突出，同時由于在小脈寬時，針閥開啟時間占噴油過程的時間比例增大且針閥在此時處于浮動狀態，開啟壓力變化會造成針閥流通截面產生差異，兩者共同作用使得在低速、小脈寬時噴油器開啟壓力對小循環噴油量波動的影響加劇，其所占百分比在凸輪轉速為500 r/min時達到49.8%。其余各特性參數對小循環噴油量波動的影響隨轉速變化規律不明顯。噴油器流量系數所占量化百分比為2.6%～10.5%，銜鐵殘余氣隙所占量化百分比為0.1%～6.8%，閥桿升程所占量化百分比為6.4%～16.4%，針閥升程所占量化百分比為0.1%～16.5%，閥桿和柱塞配合間隙對小循環噴油量波動幾乎沒有影響，所占量化百分比僅分別為 0.1%～0.4%、0～0.5%。

由圖5中所示的不同部件特性參數對應的小循環噴油量波動量化百分比可見:在全轉速范圍內影響小循環噴油量波動的各部件參數中，噴油器特性參數所占量化百分比最大，為52.4%～35.8%;其次為柱塞特性參數，所占量化百分比為20.8%～34.8%。因此，控制噴油器特性參數和柱塞特性參數的性能一致性對提高電控單體泵低負荷小循環噴油量的穩定性有十分重要的意義。閥桿特性參數和低壓供油特性參數所占量化百分比分別為 6.6%～23.2%、0～20.2%。在低速時低壓供油特性參數對小循環噴油量波動幾乎沒有影響，而隨轉速增大低壓供油特性參數所占量化百分比相應增加，原因為低壓供油壓力影響系統的吸油充分程度，低轉速下低壓供油壓力的變化會導致吸油的壓差略微減小，但由于有效吸油時間很長，系統吸油充分，不會引起小循環噴油量波動。而隨著轉速增加，系統的有效吸油時間明顯的縮短，吸油充分程度惡化。

圖4 不同特性參數對小循環噴油量波動的百分比Fig.4 Percentage of minor cycle fuel injection quantity fluctuation at different characteristic parameters

圖5 各個部件特性參數對小循環噴油量的波動百分比Fig.5 Percentage of minor cycle fuel injection quantity fluctuation at each part characteristic parameters

4 小循環噴油量的相關性分析

以上小循環噴油量波動的量化研究中得到了單一參數變化對小循環噴油量波動的影響程度，而沒有分析出同一工況下不同參數之間復雜的交互作用對小循環噴油量的影響規律。圖6為結合響應面中的面中央合成實驗設計方法，得出的不考慮交互作用下的各特性參數與小循環噴油量的相關性關系，其中的負相關系數表示影響參數增加，小循環噴油量減少。

由圖6可知，閥桿升程、銜鐵殘余氣隙、和噴油器開啟壓力與小循環噴油量呈負相關，而凸輪型線速率、噴油器流量系數與小循環噴油量呈正相關，其他特性參數和小循環噴油量的相關性呈現多元化。在500、900、1 300 r/min 3種凸輪轉速下噴油器開啟壓力與小循環噴油量的相關系數絕對值最大，且隨著轉速的增加而減小;凸輪型線速率與小循環噴油量的相關系數絕對值次之，隨著轉速變化很小，變化最大為0.05;低壓供油壓力與小循環噴油量的相關系數在500 r/min凸輪轉速時為0，隨著轉速的升高而升高;閥桿升程與小循環噴油量的相關系數絕對值隨轉速增加而增大，相關系數由-0.11變化到-0.34;銜鐵殘余氣隙、噴油器流量系數與小循環噴油量的相關系數隨轉速的增加，其變化不大;柱塞配合間隙、閥桿配合間隙、針閥升程與小循環噴油量的相關系數較小，且隨著轉速升高變化規律不明顯。

圖7為考慮交互作用下的各種因素與小循環噴油量的相關性。在35種因素中既有單一因素也有交互作用的二次因素，二次因素又包括各種參數與自身的交互作用因素和不同參數間的交互作用因素。由圖可得，單因素對小循環噴油量波動的影響起主導作用，在二次因素中，各參數與自身的交互作用因素和不同參數間的交互作用因素與小循環噴油量的相關性系數較小。在8～14參數自身的交互作用因素中，因素11、12在低速時的相關系數絕對值較大，且隨著轉速升高有略微減小的趨勢。在15～35不同參數間的交互作用因素中，因素15、16、19、26、28、31與小循環噴油量的相關性程度高，因素31與小循環噴油量呈正相關，相關系數隨著轉速增加呈減小趨勢變化，在500 r/min凸輪轉速時為0.06。隨著轉速變化，因素15與小循環噴油量的負相關系數的絕對值逐漸增加。因素16、19、26、28與小循環噴油量的相關系數隨著轉速的增加呈現多元化趨勢。由此可知，電控單體泵系統的小循環噴油量穩定性是由單一特性參數作用及不同特性參數之間的交互作用共同影響決定的，且在全工況范圍內變化規律異常復雜。

圖6 非交互作用下各個特性參數與小循環噴油量的相關系數Fig.6 Correlation coefficients of each factor with minor cycle fuel injection at non-interaction condition

圖7 各個特性參數在交互作用下與小循環噴油量的相關性系數Fig.7 Correlation coefficients of each factor with minor cycle fuel injection quantity at interaction condition

5 結論

1)不同凸輪轉速范圍內，噴油器特性參數對小循環噴油量波動的影響程度最大，其量化百分比為35.8%～60.8%，且噴油器開啟壓力及噴油器流量系數是噴油器設計的關鍵參數;柱塞特性參數影響20.3%～34.8%，低壓供油特性參數影響為 0～20.2%，閥桿特性參數影響為 6.6%～23.2%。

2)轉速越高，低壓供油壓力對小循環噴油量波動的影響程度越顯著，在高轉速下，適當地提高低壓供油壓力能夠改善供油穩定性，進而減小循環噴油量波動。

3)全工況范圍內，單一特性參數變化對小循環噴油量穩定性的影響大于特性參數之間的交互作用對小循環噴油量穩定性的影響。其中在低轉速工況下噴油器開啟壓力對小循環噴油量的穩定性影響顯著。

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