電控單體泵預(yù)噴射技術(shù)的仿真研究*

李繼鵬，劉波瀾，李家倫，崔 濤，張付軍

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

前言

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，對柴油機(jī)氮氧化物和碳煙排放限值有更高的要求。高壓噴射技術(shù)可有效降低柴油機(jī)的碳煙排放，預(yù)噴射技術(shù)可降低柴油機(jī)氮氧化物和燃燒噪聲，兩種技術(shù)的結(jié)合使用是滿足嚴(yán)格排放法規(guī)的主要技術(shù)路線。

預(yù)噴射對柴油機(jī)排放的影響主要通過縮短主噴燃油滯燃期，減小預(yù)混合燃燒比例，從而改善柴油機(jī)的整個燃燒過程來實現(xiàn)。在主噴射前，預(yù)噴燃油的冷焰反應(yīng)提高了主噴燃油噴入氣缸時的缸內(nèi)溫度，當(dāng)主噴燃油噴到活化的氣體氛圍中時，冷焰效應(yīng)促進(jìn)燃燒，縮短了主噴燃油的滯燃期，使得在滯燃期內(nèi)形成的預(yù)混合氣減少，從而降低了預(yù)混合燃燒的比例。預(yù)混合燃燒不受燃油霧化速度限制，燃燒反應(yīng)劇烈，缸內(nèi)溫度升高率和壓力升高率較大，預(yù)噴射通過降低預(yù)混合燃燒的比例降低了缸內(nèi)溫度升高率和壓力升高率，從而抑制NOx的生成并減小燃燒噪聲。

電控單體泵和高壓共軌均屬于時間控制式燃油噴射系統(tǒng)，可以實現(xiàn)燃油的高壓噴射，最高噴射壓力高于200MPa，對降低碳煙排放有利。預(yù)噴射在高壓共軌系統(tǒng)上應(yīng)用已經(jīng)是一項十分成熟的技術(shù)[1-3]。電控單體泵采用高速電磁閥驅(qū)動，能實現(xiàn)噴油正時和噴油量精確靈活控制，但在電控單體泵上進(jìn)行預(yù)噴射的研究不多[4]。

本文中在分析單體泵預(yù)噴射可行性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AMESim建立電控單體泵仿真模型，對單體泵預(yù)噴射對主噴的影響和轉(zhuǎn)速對預(yù)噴射過程的影響進(jìn)行仿真研究。

1 電控單體泵預(yù)噴射可行性分析

單體泵系統(tǒng)與共軌系統(tǒng)最大的區(qū)別在于：共軌系統(tǒng)的燃油壓力通過高壓輸油泵建立并存儲在共軌管中，油壓波動很小，基本可以忽略；電控單體泵系統(tǒng)的燃油壓力通過柱塞壓縮柱塞腔內(nèi)的燃油產(chǎn)生，柱塞在凸輪的驅(qū)動下工作，每循環(huán)只在特定區(qū)間產(chǎn)生高壓燃油。正是由于電控單體泵脈動式供油的特點導(dǎo)致其只能在凸輪有效工作段噴油，可噴油的角度范圍有限，因此在電控單體泵上應(yīng)用預(yù)噴技術(shù)難度較大。但同樣具有脈動式供油特點的泵噴嘴系統(tǒng)和分配泵系統(tǒng)可實現(xiàn)預(yù)噴射，并且在商業(yè)化的產(chǎn)品上有著廣泛應(yīng)用，如博世VP44分配泵系統(tǒng)和德爾福E3泵噴嘴系統(tǒng)上就應(yīng)用了預(yù)噴射技術(shù)[5]。

電控單體泵系統(tǒng)采用高速電磁閥控制燃油的噴射，其響應(yīng)速度與共軌系統(tǒng)的噴油器電磁閥響應(yīng)速度相當(dāng)；電控單體泵系統(tǒng)屬于短管系統(tǒng)，其壓力波動較小。從這兩個角度考慮，電控單體泵系統(tǒng)也能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)噴射。在不改動控制系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，只需在軟件程序中添加預(yù)噴射功能代碼，即可實現(xiàn)電控單體泵的預(yù)噴射。

2 電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)仿真校核

2.1 AMESim建模

電控單體泵系統(tǒng)由機(jī)械液力系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)兩大部分組成：機(jī)械液力系統(tǒng)由驅(qū)動凸輪軸、柱塞、柱塞彈簧、高壓油管、噴油器和低壓油路組成；電子控制系統(tǒng)由電子控制單元、傳感器、執(zhí)行器和線束等組成[6]。

根據(jù)電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建立AMESim模型，如圖1所示。該模型主要由凸輪、單體柱塞泵、高壓油管、電磁閥、控制器和噴油器組成。電控單體泵的噴油泵主要包括凸輪和柱塞泵，考慮到柱塞泵偶件的黏性摩擦和泄漏，添加了一個黏性摩擦及泄漏模型。電磁閥模塊可以簡單地視為由時間控制流通截面的理想原件，主要由信號源、電磁閥和旁通泄油閥組成。高壓油管模塊使用的是液力管，主要為了盡可能準(zhǔn)確地再現(xiàn)預(yù)噴射后燃油在油管內(nèi)的波動情況。噴油器模塊主要由針閥、噴嘴、壓力室、噴孔、缸內(nèi)邊界條件和針閥邊界條件組成。

在圖1的控制信號元件設(shè)置中給出如圖2所示的控制信號，當(dāng)信號為高時，電磁閥全開。圖2中所示的嘴端壓力在電磁閥通電時即開始建壓，當(dāng)電磁閥關(guān)閉時，壓力達(dá)到其峰值，之后開始下降。噴油器針閥是在嘴端壓力達(dá)到針閥開啟壓力(約28MPa)之后才開啟，當(dāng)嘴端壓力低于開啟壓力時開始關(guān)閉。

2.2 仿真與試驗結(jié)果對比

為了驗證仿真模型的正確性和參數(shù)設(shè)置的合理性，對兩種工況下的仿真與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。圖3和圖4分別為曲軸轉(zhuǎn)速1 200r/min，預(yù)噴脈寬11°CA，主預(yù)噴間隔角10°CA，噴射脈寬22°CA和曲軸轉(zhuǎn)速1 600r/min，噴射脈寬22°CA條件下的嘴端壓力和針閥升程仿真與試驗結(jié)果的對比。

從油壓曲線和針閥升程曲線的走向趨勢來看，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，各個特征點的位置和油壓的上升速度都基本與試驗結(jié)果相同。但是可以看到，仿真結(jié)果的油壓波動要比試驗結(jié)果的壓力波動小，并且壓力的峰值也比試驗結(jié)果稍大，分析認(rèn)為這是由于模型中的部分參數(shù)與實際值有偏差導(dǎo)致的。

3 電控單體泵預(yù)噴射仿真研究

3.1 預(yù)噴射對主噴射的影響

與共軌系統(tǒng)不同，電控單體泵系統(tǒng)的控制電磁閥與噴油器之間有一段高壓油管，一次噴射完成后會在油管內(nèi)形成壓力波動。對于單次噴射來說，由于相鄰兩次噴射的時間間隔較長，在進(jìn)行下一次噴射之前油管內(nèi)的壓力波動已經(jīng)衰減到很小，可忽略不計。加入預(yù)噴射后，預(yù)噴射與主噴射的時間間隔較小，預(yù)噴射在管內(nèi)形成的壓力波動會影響到主噴射。為了探索預(yù)噴射可能對主噴射造成的影響，進(jìn)行了如下的仿真研究：固定主噴射脈寬22°CA，曲軸轉(zhuǎn)速1 200r/min，主預(yù)噴間隔10°CA，預(yù)噴射脈寬分別為11°CA和15°CA，仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5中3條油壓曲線來看，油壓在針閥開啟處出現(xiàn)一個波谷，這是由于針閥開啟后高壓油迅速充滿噴油器各腔室，造成泄壓作用，隨后由于柱塞繼續(xù)上行，柱塞建壓速度比噴孔泄壓速度大，壓力繼續(xù)上升。對比圖中的3條油壓曲線可以看到，有預(yù)噴射和無預(yù)噴射的主噴射油壓在上升過程中都存在壓力波動。只有主噴射時，壓力波的第2個波谷值為48.2MPa，預(yù)噴11°CA時第2個波谷值為43.3MPa，預(yù)噴15°CA時第2個波谷值為42.3MPa?？梢?，無預(yù)噴射時的壓力波動明顯比有預(yù)噴射時的壓力波動小，預(yù)噴射加劇了主噴油壓的波動。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：預(yù)噴射在油管內(nèi)形成了壓力波，主噴油壓與該壓力波疊加，使主噴油壓波動變大。

對比圖6中針閥升程曲線可以看到，有預(yù)噴射時的主噴針閥升程和無預(yù)噴射時基本一致，預(yù)噴射對主噴射針閥基本沒有影響。這主要是因為預(yù)噴射雖然加劇了主噴油壓的波動，但是壓力波動的波谷值始終都大于噴油器針閥開啟壓力(28MPa)，因此預(yù)噴射對主噴射的影響不會體現(xiàn)在主噴射的針閥升程曲線上。

圖7為加入預(yù)噴射后的主噴噴油量仿真結(jié)果。由圖可見：加入預(yù)噴射后，主噴噴油量比無預(yù)噴射時的主噴噴油量要小，這是因為加入預(yù)噴射后由于壓力波動的影響，主噴的平均噴油壓力比無預(yù)噴時的主噴噴油壓力要小，因此如引入預(yù)噴射，應(yīng)重新標(biāo)定主噴脈寬MAP。

3.2 轉(zhuǎn)速對預(yù)噴射過程的影響

電控單體泵屬于脈動式供油系統(tǒng)，由柱塞壓縮柱塞腔內(nèi)的低壓燃油來建立高壓，柱塞的運(yùn)動速度是高壓建立過程的一個關(guān)鍵參數(shù)，該速度受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速影響，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高柱塞運(yùn)動速度越快。由預(yù)噴射對主噴射的影響仿真結(jié)果可知，預(yù)噴射在高壓油管內(nèi)形成的壓力波動會影響到主噴油壓，加劇了主噴油壓的波動。

仿真中分別選取1 200和1 600r/min兩種轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比研究。在1 200r/min時，設(shè)定預(yù)噴脈寬11°CA，主預(yù)噴間隔10°CA，主噴脈寬22°CA；在1 600r/min時，設(shè)定預(yù)噴脈寬11°CA，主預(yù)噴間隔9°CA，主噴脈寬22°CA。仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖可見：在1 200r/min時的主噴油壓波動較大，其第2個波谷的油壓值為43.2MPa；在1 600r/min時的主噴油壓比1 200r/min時波動小，其第2個波谷的油壓值為50.4MPa，并且后面的幾個波谷的油壓值也要比1 200r/min時高。結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的升高，預(yù)噴射在管內(nèi)形成的壓力波動對主噴射的影響減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨曲軸轉(zhuǎn)速升高，柱塞上升速度也快，柱塞腔內(nèi)的燃油增壓速度也快，導(dǎo)致最終的嘴端壓力變大，相對來說壓力波動的變化較小。

4 結(jié)論

電控單體泵在凸輪型線有效段上能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)噴射；電控單體泵引入預(yù)噴射后，會在油管內(nèi)形成油壓波動，且波動隨預(yù)噴油量的增多而加??；隨著電控單體泵預(yù)噴量加大，主噴油壓波動加劇，平均主噴油壓變小，相同噴油脈寬下主噴油量減少；隨著轉(zhuǎn)速的升高，預(yù)噴射在管內(nèi)形成的壓力波動對主噴射的影響減小。

[1] Nehmer D A, Reitz R D. Measurement of the Effect of Injection Rate and Split Injection on Diesel Engine Soot and NOxEmission[C]. SAE Paper 940668.

[2] Trueba A. Pilot Injection Timing Effect on the Main Injection Development and Combustion in a DI Diesel Engine[C]. SAE Paper 2002-01-0501.

[3] 楊林,卓斌,肖文雍,等.高壓共軌電控柴油機(jī)燃油預(yù)噴射控制研究[J].柴油機(jī),2004(3):1-4,24.

[4] 李啟發(fā),周明,張科勛,等.預(yù)噴射控制算法在電控單體泵柴油機(jī)上的應(yīng)用[J].清華大學(xué)學(xué)報,2006,46(11):1900-1903.

[5] Charlton Stephen J. Developing Diesel Engines to Meet Ultra-low Emission Standards[C]. SAE Paper 2005-01-3628.

[6] 仇滔,劉興華.電控單體泵供油系統(tǒng)仿真研究[J].車用發(fā)動機(jī),2005,4(2):23-25.