柴油機(jī)頂隙柱塞泵特性模擬及試驗(yàn)研究

張杰忠，鄭清平，李 博，馬春燕

（河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

0 引言

傳統(tǒng)的直列平頂柱塞泵上都會(huì)有一個(gè)機(jī)械式的提前器，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整噴油時(shí)刻.但是增加提前器后會(huì)使油泵尺寸加大，安裝部件增多，發(fā)動(dòng)機(jī)重量增加，成本上升，而且不能達(dá)到精確調(diào)節(jié)的目的[1-3].為了取代提前器的作用，頂隙噴油泵應(yīng)運(yùn)而生，它不需要改變直列泵的大體結(jié)構(gòu)尺寸，僅將柱塞頂部由平頂加工成圈槽型或螺旋型，能夠達(dá)到轉(zhuǎn)速增加而噴油提前的目的，從而可以取消提前器.這種改變既可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的工作要求，同時(shí)取消了提前器，減少了噴油泵的故障率并節(jié)約了成本.現(xiàn)代柴油機(jī)以降低排放為主要任務(wù)，噴油始點(diǎn)要求的較晚，加上渦輪增壓技術(shù)的使用對(duì)噴油動(dòng)態(tài)提前范圍要求降低，這為頂隙柱塞泵的使用創(chuàng)造了條件[4-11].

本文利用Hydsim軟件對(duì)頂隙柱塞泵和平頂柱塞泵的供油特性和噴油特性進(jìn)行模擬對(duì)比，并針對(duì)噴油特性優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù).此外，試驗(yàn)測(cè)試頂隙柱塞泵和平頂柱塞泵供油特性，以驗(yàn)證模擬計(jì)算結(jié)果.通過整機(jī)試驗(yàn)研究對(duì)比兩種油泵的油耗和自由加速煙度，并且采用數(shù)值模擬的方法分析和解釋兩種泵在油耗和自由加速煙度方面存在差異的原因，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化計(jì)算.

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 數(shù)值計(jì)算條件

以匹配一臺(tái)四缸增壓柴油機(jī)的供油系統(tǒng)為原型，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.按照實(shí)際噴油泵和噴油器結(jié)構(gòu)中主要元件的結(jié)構(gòu)和組成，將整個(gè)系統(tǒng)分解為凸輪、柱塞、柱塞腔、出油閥、等壓閥、出油閥腔容積、高壓油管、針閥體以及噴嘴等，并根據(jù)實(shí)際連接情況采用機(jī)械連接和液力連接的方法，將這些單元連接起來構(gòu)成了整個(gè)燃油系統(tǒng)的計(jì)算模型，如圖1所示.頂隙柱塞泵與平頂柱塞泵模型的不同在于封閉進(jìn)回油孔的柱塞頭部結(jié)構(gòu)的差別，柱塞頭部與柱塞采用特殊連接的方式.本次頂隙柱塞頭部采用螺旋槽型，圖2給出了結(jié)構(gòu)示意圖.

表1 燃油系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structure parametersof fuel injection system

圖1 Hydsim計(jì)算模型Fig.1 Hydsim calculationmodel

圖2 頂隙柱塞結(jié)構(gòu)Fig.2 The structureof top clearance plunger

1.2 理論基礎(chǔ)

該燃油系統(tǒng)的計(jì)算模型的理論基礎(chǔ)是流體動(dòng)力學(xué)和多質(zhì)量系統(tǒng)的波動(dòng)理論，采用的幾個(gè)主要控制方程如下.

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

能量方程

其中： 為沿流動(dòng)方向的速度； 為時(shí)間； 表示流動(dòng)方向； 為壓力； 為流體密度； 為質(zhì)量力； 為油管內(nèi)徑， 為聲速.

油嘴壓力室內(nèi)的流動(dòng)連續(xù)性方程為

其中： 為盛油槽流入噴嘴壓力室的流量； 為壓力室噴入汽缸內(nèi)的燃油流量； 是壓力室內(nèi)的集中容積； 是柴油彈性模量.

1.3 模型驗(yàn)證

在EFS油泵試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)配有頂隙柱塞和平頂柱塞的噴油泵的泵端壓力進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)比兩種油泵在各個(gè)轉(zhuǎn)速下泵端壓力的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示.頂隙柱塞泵平均誤差3.28%，平頂柱塞泵平均誤差3.67%.由此可見，所搭建的供油系統(tǒng)的計(jì)算模型是合理的.

圖3 模型驗(yàn)證Fig.3 Modelvalidation

2 供油特性與噴油特性

對(duì)柱塞泵而言，由于液力節(jié)流效應(yīng)，轉(zhuǎn)速越高，供油會(huì)相應(yīng)提前.圖4為平頂柱塞泵和頂隙柱塞泵相對(duì)500 r/min下供油特性與噴油特性的模擬結(jié)果對(duì)比，正值代表遲后，負(fù)值為提前.可以看出，兩種噴油泵均隨著轉(zhuǎn)速的升高而供油提前.平頂柱塞泵在油泵轉(zhuǎn)速為500～700 r/m in時(shí)供油始點(diǎn)稍有遲后，遲后約0.13°cam，這是由于在低速時(shí)該平頂柱塞的節(jié)流作用較小，柱塞腔內(nèi)的燃油在高壓作用下會(huì)出現(xiàn)泵端泄露.

這種泄露現(xiàn)象一般在低速段較為嚴(yán)重，在高速段泄露較少.頂隙柱塞泵在油泵轉(zhuǎn)速為500～600 r/min時(shí)同樣因?yàn)樾孤兜木壒使┯褪键c(diǎn)變化不大.總體而言，兩種油泵的供油始點(diǎn)均是隨轉(zhuǎn)速升高而提前的，且頂隙柱塞泵在各轉(zhuǎn)速下的供油提前量都比平頂柱塞泵大，頂隙柱塞泵1 250 r/m in時(shí)的供油始點(diǎn)比500 r/min時(shí)提前2.65°cam，而平頂柱塞泵供油提前量?jī)H為0.66°cam，這種供油提前量差異導(dǎo)致了兩者在噴油特性上的差異.由于平頂柱塞泵只有微弱供油提前量，燃油經(jīng)過高壓油管后，使平頂柱塞泵的噴油始點(diǎn)滯后，且噴油遲后角隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，最大滯后約3.3°cam，.因此，平頂柱塞泵如果不采用提前器，燃燒始點(diǎn)會(huì)嚴(yán)重遲后，很難達(dá)到配機(jī)要求.而頂隙柱塞泵由于有良好的供油提前特性，在600～1 000 r/m in內(nèi)可獲得一定的噴油提前，提前量為0.78°cam，但當(dāng)油泵轉(zhuǎn)速高于1 000 r/m in時(shí)，雖然燃油的聲速推進(jìn)性質(zhì)在管長(zhǎng)一定時(shí)使噴油相對(duì)供油遲后以時(shí)間計(jì)量基本不變，但以角度計(jì)量的噴油遲后角卻與油泵轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高遲后角越大，在該結(jié)構(gòu)下頂隙柱塞泵的供油提前特性還不足以完全抵消這種噴油遲后，所以噴油始點(diǎn)隨轉(zhuǎn)速增加開始遲后，但是遲后量遠(yuǎn)小于平頂柱塞泵.可以看出該頂隙柱塞泵只在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有噴油自動(dòng)提前的功能.

圖4 供油特性與噴油特性Fig.4 The characteristicsof fuelSupply and injection

通過整機(jī)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)采用該結(jié)構(gòu)的頂隙柱塞泵的比油耗總體上要優(yōu)于采用平頂柱塞泵，平均比油耗（BSFC:Brake Specific Fuel Consumption）要低1.4%左右，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200～2000 r/min時(shí)油耗得到顯著改善（圖5）.這種差異主要是因?yàn)轫斚吨孟鄬?duì)而言在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍有較好的噴油提前特性，使得燃燒效率提高.

圖5 比油耗對(duì)比Fig.5 The comparison of BSFC

圖6 優(yōu)化后的噴油始點(diǎn)隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系Fig.6 Startof injection vary w ith the speed changeafteroptim ization

這種結(jié)構(gòu)下的頂隙柱塞泵雖然具有噴油提前特性，但是能夠應(yīng)用的轉(zhuǎn)速范圍較小，提前量不大，因此可對(duì)原頂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以改善噴油提前特性.優(yōu)化后頂隙高度、頂隙深度和頂隙傾角分別為2mm、0.1mm和8.5°，優(yōu)化后的相對(duì)噴油始點(diǎn)如圖6.可見油泵工作在500～1 100 r/m in區(qū)間內(nèi)均具有自動(dòng)提前的特性，相對(duì)優(yōu)化前的轉(zhuǎn)速應(yīng)用范圍增大.最大相對(duì)噴油提前量能達(dá)到1.69°cam，是優(yōu)化前的2.2倍.因此可以看出頂隙柱塞結(jié)構(gòu)對(duì)油泵的提前特性有重要的影響，合理的柱塞結(jié)構(gòu)能夠使得油泵隨轉(zhuǎn)速升高而噴油自動(dòng)提前的功能增強(qiáng)，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性明顯改善，試驗(yàn)證明優(yōu)化后比優(yōu)化前的平均比油耗低3.1%左右，轉(zhuǎn)速高于1500 r/min后，平均比油耗低3.6%.

3 自由加速煙度特性

自由加速過程在車輛實(shí)際行駛過程中并不存在，但是我國(guó)對(duì)自由加速煙度的排放卻有很嚴(yán)格的要求.它的測(cè)試方法是將柴油機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，然后突然加大油門，使得柴油機(jī)達(dá)到最大空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，測(cè)量該過程煙度的排放，每個(gè)測(cè)試過程共測(cè)量6次，用后4次測(cè)量值的算術(shù)平均值作為其測(cè)量結(jié)果.文獻(xiàn) [12]指出自由加速煙度反映的是低速煙度的排放性能.現(xiàn)分別將兩種油泵與柴油機(jī)匹配，在臺(tái)架上進(jìn)行多次試驗(yàn)，不透光煙度計(jì)采用Bosch BEA150，測(cè)試結(jié)果表明，頂隙柱塞泵自由加速煙度為2.5～3.5 Bosch，平頂柱塞泵為1.5～2.5 Bosch.可見，頂隙柱塞泵對(duì)于滿足排放要求（限值要求不高于3.0Bosch）有一定的難度，平頂柱塞泵則能滿足低速排放要求.煙度排放和噴油量變化是密切相關(guān)的，頂隙柱塞泵自由加速煙度排放較高與怠速下突然加大油門過程中的噴油量增加量有關(guān)，因?yàn)榈退傧逻^多噴入燃油將導(dǎo)致高的煙度排放.為了驗(yàn)證這種推斷，下面利用數(shù)值模擬的方法找出兩種油泵的噴油量變化與油泵操縱手柄（相當(dāng)于油門）行程之間的關(guān)系，同時(shí)尋求有效的措施改善頂隙柱塞泵的自由加速煙度排放.

假定柴油機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)油泵的轉(zhuǎn)速在300～450 r/m in之間，當(dāng)突然加大油門瞬間，可以認(rèn)為油泵的轉(zhuǎn)速來不及發(fā)生變化，并且通過有效行程的改變來反映操縱手柄行程或油門位置的變化.模擬結(jié)果如表3所示.可見，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)油泵分別以轉(zhuǎn)速300 r/m in、350 r/m in、400 r/m in、450 r/m in運(yùn)轉(zhuǎn)，有效行程從3.5mm變化到5mm時(shí)，頂隙泵的噴油量的增加量比平頂柱塞泵要大.而且轉(zhuǎn)速越低其值越大，比如油泵轉(zhuǎn)速300 r/min時(shí)，頂隙柱塞泵噴油量的增加值比平頂柱塞泵高5.51%，450 r/m in時(shí)則為1.57%.結(jié)果實(shí)則反應(yīng)了由于平頂柱塞與頂隙柱塞（原數(shù)據(jù)）結(jié)構(gòu)上的差異，導(dǎo)致自由加速行程下兩種油泵在低速時(shí)噴油能力的不同.相比而言頂隙柱塞泵在低速時(shí)的各個(gè)轉(zhuǎn)速下噴油能力更強(qiáng)，但是這時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)越弱，燃油霧化困難，噴油量的增加導(dǎo)致碳煙排放增多，因此配有頂隙柱塞泵的柴油機(jī)自由加速煙度排放高.要改善它的低速排放性能必須優(yōu)化低速的供油與噴油特性來實(shí)現(xiàn).

通過調(diào)整頂隙柱塞的結(jié)構(gòu)，可加強(qiáng)在低速段的節(jié)流作用和降低低速時(shí)油量的變化，例如當(dāng)采用頂隙高度、頂隙深度和頂隙傾角分別為1.5mm、0.075mm和8.5°（自由加速煙度優(yōu)化后頂隙柱塞泵參數(shù)），相對(duì)原數(shù)據(jù)的噴油泵而言，在計(jì)算的范圍內(nèi)平均的噴油量的增加量減少2.68%，尤其在300 r/m in時(shí)減少了5.51%，低速性能得到改善，數(shù)據(jù)在也在表3中列出.

圖7可以看出，優(yōu)化后頂隙柱塞的噴油提前范圍出現(xiàn)了縮小的趨勢(shì)，具有噴油提前的轉(zhuǎn)速范圍在500至800 r/min之間，比原頂隙柱塞的噴油提前的轉(zhuǎn)速范圍縮小了200 r/m in，表明油泵轉(zhuǎn)速高于800 r/min（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r/m in）時(shí)，噴油開始遲后，這將會(huì)導(dǎo)致燃燒始點(diǎn)遲后，碳煙排放會(huì)增大，高速經(jīng)濟(jì)性能惡化.由此可見，低速性能和高速性能不能同時(shí)兼顧，頂隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)要求折中確定.

表3 噴油量變化值Tab.3 The variation of fuel injection

圖7 優(yōu)化后的噴油始點(diǎn)隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系Fig.7 Startof injection vary w ith the speed change afteroptim ization

4 結(jié)論

1）模擬了頂隙柱塞泵與平頂柱塞泵的供油特性與噴油特性，兩種噴油泵均隨著轉(zhuǎn)速升高而供油提前，但頂隙柱塞泵在各轉(zhuǎn)速下的供油提前量都比平頂柱塞泵大，使得頂隙柱塞泵噴油提前特性好，故采用頂隙柱塞泵的比油耗總體上要優(yōu)于采用平頂柱塞泵，平均比油耗低1.4%左右.

2）優(yōu)化頂隙的結(jié)構(gòu)能夠改善油泵的噴油特性，優(yōu)化后噴油提前量是原數(shù)據(jù)的2.2倍，噴油提前的轉(zhuǎn)速范圍增大，經(jīng)濟(jì)性比優(yōu)化前更好，平均比油耗低3.1%左右，轉(zhuǎn)速高于1 500 r/m in后，平均比油耗低3.6%.

3）通過模擬對(duì)比了頂隙柱塞泵與平頂柱塞泵低速時(shí)噴油量增量，頂隙柱塞泵在低速時(shí)的各個(gè)轉(zhuǎn)速下噴油能力比平頂柱塞泵更強(qiáng).因此匹有頂隙柱塞泵的柴油機(jī)自由加速煙度較高.

4）對(duì)頂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，可以降低自由加速煙度排放，但高速階段碳煙排放會(huì)增多.這說明了頂隙柱塞泵作為一種機(jī)械泵，頂隙結(jié)構(gòu)確定后，低速與高速的碳煙排放性能很難同時(shí)兼顧.

[1]孫之郁.排放法規(guī)步步緊逼油泵油嘴急需升級(jí) [N].中國(guó)機(jī)電日?qǐng)?bào)，2002-07-25（第1版）.

[2]鄧東密，鄧萍.柴油機(jī)噴油系統(tǒng) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：16-18.

[3]蔡智志.淺談提前器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響 [J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2000（3）：19，54.

[4]李偉軍.噴油定時(shí)對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放的影響 [J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2004（2）：42-45.

[5]蘇石川，張多鵬，曾緯.基于CFD的增壓柴油機(jī)不同噴油提前角的排放影響分析 [J].內(nèi)燃機(jī)工程，2008，29（1）：38-42.

[6]鄧東密.提前槽柱塞取代提前器的可行性 [J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2006（4）：40-42.

[7]徐元利，吳峰，樊巨廷，等.KV495ZQ增壓柴油機(jī)的研制 [J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2001（3）：32-34.

[8]譚四喜，張宗杰，徐波，等.頂隙柱塞的研究 [J].內(nèi)燃機(jī)工程，2005，26（6）：13-17.

[9]黃見.P7100型頂隙柱塞噴油泵的應(yīng)用研究 [D].上海：上海交通大學(xué)，2006：39-41.

[10]Ma Shuaiying，Zheng Zunqing，Liu Haifeng，etal. Experimental investigation of the effectsof diesel injection strategy on gasoline/dieseldualfuel combustion[J]. Applied Energy，2013，109：202-212.

[11]Noboru Hikosaka.A view of the futureof automotive dieselengines[C]//SAEPaper972682，1997.

[12]王仲芝，鄧碧偉.論柴油車自由加速煙度排放 [J].汽車技術(shù)，2004（6）：4-7.