船用電控單體泵噴油系統(tǒng)性能試驗研究

趙文圣，杜德芳，歐陽斌，范立云

1．哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

2．大眾汽車自動變速器（大連）有限公司生產(chǎn)部，遼寧大連 116600

船用電控單體泵噴油系統(tǒng)性能試驗研究

趙文圣1，杜德芳2，歐陽斌1，范立云1

1．哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

2．大眾汽車自動變速器（大連）有限公司生產(chǎn)部，遼寧大連 116600

為研究適用于船用柴油機的電控單體泵系統(tǒng)的燃油噴射特性，進行了全工況范圍內(nèi)的油泵試驗臺試驗。通過對比分析試驗數(shù)據(jù)，得出了船用電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)的性能機理，包括不同工況下的泵端壓力，嘴端壓力，循環(huán)噴油量和液力延遲特性，一定程度上為電控單體泵系統(tǒng)的設(shè)計提供理論支撐，而且對其匹配不同發(fā)動機提供了有價值的參考。

內(nèi)燃機；船用柴油機；電控單體泵；燃油系統(tǒng)；噴射特性

隨著能源短缺和環(huán)境危機日益加劇，船舶柴油機排放法規(guī)日趨嚴(yán)格。采用電控燃油噴射技術(shù)，提高柴油機燃油噴射壓力及精度，進一步優(yōu)化油、氣比例以保證充分燃燒是降低柴油機排放的有效途徑。電控單體泵噴油系統(tǒng)不僅具有較高的燃油噴射壓力和相對簡單的結(jié)構(gòu)，而且噴油量和噴油正時可靈活控制，還可以通過優(yōu)化凸輪型線實現(xiàn)理想的噴油規(guī)律來降低噪聲和氮氧化物［1-3］，因而成為降低柴油機排放的理想選擇之一。目前國內(nèi)僅對于應(yīng)用于車用柴油機的電控單體泵噴油系統(tǒng)做了一些研究，未分析應(yīng)用于船用柴油機的電控單體泵噴油系統(tǒng)的燃油噴射特性，由于船用柴油機較車用柴油機而言，發(fā)動機轉(zhuǎn)速，循環(huán)噴油量等有較大差別，導(dǎo)致其燃油噴射特性也有較大差別。因此，本文在油泵試驗臺上進行了船用電控單體泵系統(tǒng)全工況范圍內(nèi)的噴射特性試驗，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了該系統(tǒng)的燃油噴射特性，為其匹配不同船用柴油機提供參考。

1 系統(tǒng)組成和原理

船用電控單體泵噴油系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括電子控制系統(tǒng)和機械液力系統(tǒng)兩大部分：前者由電控單元ECU、傳感器、電磁執(zhí)行器等構(gòu)成，后者由凸輪軸、柱塞、柱塞彈簧、高壓油管、噴油器以及低壓油路構(gòu)成［4-6］。這兩者通過兩位兩通的常開式高速電磁閥連接，取代了傳統(tǒng)機械泵中復(fù)雜的控制執(zhí)行機構(gòu)，噴油泵在此系統(tǒng)中只承擔(dān)供油加壓功能，因此油泵結(jié)構(gòu)得到簡化。供油始點和供油終點由電磁閥啟閉時刻來控制，實現(xiàn)了對燃油噴射過程的直接數(shù)字控制［7-8］。同時可利用軟件實現(xiàn)對各缸噴油一致性校準(zhǔn)，因而可對每缸的噴油量和噴油定時進行精確、靈活的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對各缸噴油規(guī)律的柔性控制，從而達到改善燃燒質(zhì)量，降低顆粒、噪聲和排放的效果。由于采用高速電磁閥控制噴油，其噴射壓力、噴油規(guī)律和液力延遲等特性與機械泵有著明顯的不同，研究其噴油系統(tǒng)性能不僅對匹配不同柴油機有指導(dǎo)作用，而且和控制系統(tǒng)中應(yīng)用層柴油機管理策略的制定、標(biāo)定系統(tǒng)的柴油機標(biāo)定參數(shù)的設(shè)定等密切相關(guān)［9］。

圖1 電控單體泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗研究

2．1 試驗裝置

試驗研究在油泵試驗臺上進行，試驗裝置見圖2。試驗所采用的電控單體泵系統(tǒng)是針對船用柴油機設(shè)計開發(fā)的。數(shù)據(jù)的采集和存儲采用橫河DL750示波記錄儀，泵端壓力和嘴端壓力的測量采用Kis-tler 4067壓力傳感器，噴油規(guī)律的測量采用 EFS EMI2單次噴射儀。

圖2 電控單體泵燃油噴射特性試驗裝置

試驗過程中，轉(zhuǎn)速可通過試驗臺調(diào)整，噴油脈寬等參數(shù)的調(diào)整可通過上位機標(biāo)定軟件進行在線調(diào)整，以探究不同工況下的電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)的噴射壓力、循環(huán)噴油量和液力延遲特性。油泵試驗臺基本參數(shù)范圍見表1。

表1 油泵試驗臺基本參數(shù)

2．2 噴射壓力特性

噴射壓力是影響柴油機燃油噴射系統(tǒng)的一個重要因素，分析噴射壓力可以從中發(fā)現(xiàn)燃油壓力的建立過程及其對噴油規(guī)律的影響。

圖3是凸輪轉(zhuǎn)速為750 r／min，噴油脈寬為5°凸輪轉(zhuǎn)角時的泵端壓力和嘴端壓力變化曲線。從圖中可以看出，從泵端最大壓力的建立到嘴端壓力最大的建立存在延遲，而且嘴端的最大壓力大于泵端的最大壓力，這是由于高壓油路的壓力波疊加效應(yīng)造成的。另外從圖中可以看出，在35°凸輪轉(zhuǎn)角附近泵端壓力曲線有短時間的回調(diào)，這是因為控制信號控制噴油結(jié)束，單體泵電磁閥關(guān)閉，出油閥落座，瞬間使泄油截面積減小，導(dǎo)致泵端壓力瞬間上升。

圖3 噴射壓力變化曲線

（a）500 r／min泵端壓力

（b）500 r／min嘴端壓力

圖4 典型工況下噴射壓力隨噴油脈寬變化曲線

圖4為2種典型工況下，噴射壓力隨噴油脈寬變化曲線。從圖中可以看出，相同凸輪轉(zhuǎn)速下，隨噴油脈寬的增加，泵端壓力和嘴端壓力升高。分析原因為：相同的凸輪轉(zhuǎn)速下，隨噴油脈寬增加，絕對噴油時間增長，供油時間也增長，使得進入高壓油管的燃油量增加，進而引起噴油壓力升高。

圖5為試驗測量的噴射壓力特性曲線圖。

圖5 噴射壓力特性

從圖中可以看出，小噴油脈寬時，泵端壓力隨轉(zhuǎn)速增加略有上升，而嘴端壓力受轉(zhuǎn)速的影響不明顯；大噴油脈寬時，相同噴油脈寬下，噴油壓力隨著轉(zhuǎn)速的增加而升高。分析原因為：噴射壓力是電控單體泵系統(tǒng)中燃油壓力波疊加的效果，反映了液力系統(tǒng)的噴射特性，它是轉(zhuǎn)速（供油速率）和噴油時間的函數(shù)。在相同脈寬下，小噴油脈寬時，雖然高轉(zhuǎn)速下供油速率高，但高轉(zhuǎn)速下的噴油時間長度和低轉(zhuǎn)速下相差不大，高供油速率的作用效果不明顯，兩者的綜合影響下，表現(xiàn)為泵端壓力隨轉(zhuǎn)速增加略有上升，壓力波在經(jīng)過高壓油管傳到嘴端時，其疊加效果更加不明顯，因而小噴油脈寬下轉(zhuǎn)速對嘴端壓力影響更?。淮髧娪兔}寬時，雖然高轉(zhuǎn)速下絕對噴油時間較短，而且與低轉(zhuǎn)速情況下相差較大，但高供油速率作用時間也增長，在上述因素綜合作用下，表現(xiàn)出高轉(zhuǎn)速噴油壓力升高，由此可知當(dāng)大噴油脈寬情況時，供油速率在噴油壓力的建立過程中起決定性作用。

2．3 循環(huán)噴油量特性

循環(huán)噴油量特性如圖6所示。

圖6 循環(huán)噴油量特性

由圖6（a）可知，相同轉(zhuǎn)速下，循環(huán)噴油量隨著噴油脈寬的增大而增大；相同噴油脈寬下，小噴油脈寬時，循環(huán)噴油量隨轉(zhuǎn)速變化不明顯，大噴油脈寬時，循環(huán)噴油量隨著轉(zhuǎn)速的升高而減小。分析原因為：循環(huán)噴油量與噴射壓力、噴油時間長短有關(guān)。小噴油脈寬時，轉(zhuǎn)速對噴油時間和噴射壓力的影響均不顯著，因此，此時轉(zhuǎn)速對循環(huán)噴油量影響很??；大噴油脈寬時，盡管相同脈寬下高轉(zhuǎn)速工況時燃油噴射壓力較高，噴油速率較大，進而循環(huán)噴油量較高，但低轉(zhuǎn)速時噴油時間顯著變長，噴油速率的時間積分更大，即循環(huán)噴油量更大，并且隨著噴油時間的增加噴射壓力會持續(xù)升高，進而使低轉(zhuǎn)速下循環(huán)噴油量增加較高轉(zhuǎn)速下更為明顯。綜上，循環(huán)噴油量受噴射壓力和噴油時間相互影響，并且在大噴油脈寬時噴油時間起的作用更為明顯，因此表現(xiàn)為隨著轉(zhuǎn)速的升高，循環(huán)噴油量降低。

圖6（b）為循環(huán)噴油量波動方差，其中均方差是通過連續(xù)采集30次循環(huán)噴油量而得到的。從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速和噴油脈寬的增加均方差有增加的趨勢，在高轉(zhuǎn)速小噴油脈寬對應(yīng)均方差也比較大，這是因為隨轉(zhuǎn)速和噴油脈寬增大，高壓油管內(nèi)燃油波動增大，從而導(dǎo)致均方差增加；高轉(zhuǎn)速小噴油脈寬時噴油量較小，而機械噴油器在小噴油量時線性度較差，因此導(dǎo)致均方差較大。另外，從圖6（b）中還可以看出，循環(huán)噴油量在高轉(zhuǎn)速時的波動不超過7 mm3，低轉(zhuǎn)速時只有2～3 mm3，循環(huán)噴油量的波動程度滿足柴油機油量特性要求。

典型工況下噴油速率隨噴油脈寬變化曲線如圖7所示。

圖7 典型工況下噴油速率隨噴油脈寬變化曲線

從圖7中可以看出，低轉(zhuǎn)速時噴油速率曲線較高轉(zhuǎn)速時斜率更大，且低轉(zhuǎn)速大噴油脈寬時表現(xiàn)出靴形噴油規(guī)律，而高轉(zhuǎn)速時表現(xiàn)出方型噴油規(guī)律。分析原因為：高轉(zhuǎn)速較低轉(zhuǎn)速時燃油溫度升高，且在低轉(zhuǎn)速大噴油脈寬下循環(huán)噴油量比高轉(zhuǎn)速大，所以表現(xiàn)出低轉(zhuǎn)速噴油速率特性曲線斜率較高轉(zhuǎn)速大。低轉(zhuǎn)速大噴油脈寬時表現(xiàn)出的靴形噴油規(guī)律有利于降低有害物排放和大扭矩范圍內(nèi)的燃燒噪聲，高轉(zhuǎn)速時表現(xiàn)出的方型噴油規(guī)律有利于降低額定點附近的油耗。

2．4 液力延遲特性

在電控單體泵系統(tǒng)中，液力延遲是燃油噴射系統(tǒng)的重要特征之一［10］，其隨發(fā)動機工況發(fā)生變化，影響噴油時刻和噴油量的準(zhǔn)確性。液力延遲定義為電磁閥閥桿落座的起始時刻至開始噴油所經(jīng)過的時間或轉(zhuǎn)角，即壓力波從電控單體泵出口經(jīng)高壓油管傳送至噴油器，建立并達到噴油器開啟壓力所經(jīng)歷的時間。電磁閥閥桿落座表現(xiàn)在控制電流波形上為波形出現(xiàn)折點（始點），見圖8（a）；開始噴油時刻見圖8（b）。

圖8 凸輪轉(zhuǎn)速750 r／min時液力延遲特性

從圖8中可以看出，同一凸輪轉(zhuǎn)速下，噴油脈寬對電磁閥閥桿落座的始點時刻和噴油器啟噴時刻基本無影響，即同一轉(zhuǎn)速下，噴油系統(tǒng)液力延遲時間基本相同。分析原因為：同一轉(zhuǎn)速，不同噴油脈寬時，噴油控制脈沖處于同一起始點，且同一轉(zhuǎn)速下，柱塞在供油時運動速度相同，即供油速率相同，嘴端壓力從殘壓到達噴油器啟噴壓力的時間也基本一致。因此噴油脈寬對液力延遲時間基本無影響。

表2為噴油脈寬為5°凸輪轉(zhuǎn)角時，不同凸輪轉(zhuǎn)速下，燃油噴射系統(tǒng)的液力延遲特性。從表中可以看出，在不同的凸輪轉(zhuǎn)速下，燃油噴射系統(tǒng)液力延遲時間隨著轉(zhuǎn)速上升有縮短的趨勢。1 000 r／min的液力延遲時間比500 r／min的延遲時間縮短0．27 ms左右。分析原因為：隨著凸輪轉(zhuǎn)速上升，從同樣的發(fā)火計算齒到達控制脈沖產(chǎn)生齒的時間縮短，從而導(dǎo)致始點時間提前，但同時柱塞供油速度增加，即供油速率增加，嘴端壓力從殘壓升至啟噴壓力時間縮短，啟噴時刻延遲減小，在兩方面的共同影響下，啟噴時刻較始點時刻延遲減小更多，因而表現(xiàn)為燃油噴射系統(tǒng)液力延遲時間隨著轉(zhuǎn)速上升產(chǎn)生縮短趨勢。

表2 燃油噴射系統(tǒng)液力延遲特性

3 結(jié)論

本文針對適用于船用柴油機的電控單體泵，研究了其燃油噴射系統(tǒng)在不同工況下的噴射壓力特性、循環(huán)噴油量特性和液力延遲特性，主要結(jié)論如下：

1）相同凸輪轉(zhuǎn)速下，伴隨噴油脈寬的增加，泵端壓力和嘴端壓力按固定規(guī)律升高，不同凸輪轉(zhuǎn)速下，相同脈寬的最高壓力和壓力變化速率均增大。這表明，泵端壓力與嘴端壓力變化是系統(tǒng)液力特性與機械特性耦合作用的結(jié)果，且凸輪型線決定泵端和嘴端的壓力上升規(guī)律。

2）相同凸輪轉(zhuǎn)速下，循環(huán)噴油量隨噴油脈寬呈近似線性上升變化，這有利于柴油機的轉(zhuǎn)速控制PID參數(shù)的標(biāo)定；而且隨凸輪轉(zhuǎn)速增加，循環(huán)噴油量變化斜率逐漸降低，低轉(zhuǎn)速時斜率變化較高轉(zhuǎn)速時更為明顯，這對柴油機油量限制脈譜及油量轉(zhuǎn)換脈譜的標(biāo)定具有指導(dǎo)意義。

3）噴油脈寬基本不影響燃油噴射系統(tǒng)液力延遲時間，系統(tǒng)液力延遲時間主要受轉(zhuǎn)速影響，并且隨著凸輪轉(zhuǎn)速上升有縮短的趨勢，這有利于簡化延遲補償脈譜的標(biāo)定工作。

［1］NISHIMURA T，SATOH K，TAKAHASHI S，et al．Effects of fuel injection rate on combustion and emission in a DI diesel engine［C］／／Future Transportation Technology Con-ference＆Exposition．Costa Mesa，USA，1998：23-26．

［2］FAN Liyun，LONG Wuqiang，ZHU Yuanxian，et al．A characteristic study of electronic in-line pump system for diesel engines［C］／／SAE World Congress＆ Exhibition．2008：1-16．

［3］尤麗華，孫曉琴，唐雄輝，等．電控組合泵噴油驅(qū)動電路設(shè)計及試驗分析［J］．內(nèi)燃機工程，2009，30（6）：54-57．

［4］范立云，隆武強，朱元憲，等．電控組合泵柴油機噴油系統(tǒng)的性能研究［J］．內(nèi)燃機學(xué)報，2007，25（5）：451-456．

［5］范立云，田丙奇，馬修真，等．電控單體泵全工況噴油量波動影響參數(shù)量化分析［J］．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2012，33（1）：72-79．

［6］范立云，李清，馬修真，等．電控單體泵燃油噴射系統(tǒng)噴油壓力特性研究［J］．內(nèi)燃機工程，2013，34（6）：81-86．

［7］趙長祿，譚建偉，張付軍，等．電控單體泵式（EUP）柴油機噴油系統(tǒng)的研究［J］．內(nèi)燃機工程，2004，25（2）：79-83．

［8］范立云，田丙奇，馬修真，等．電控單體泵噴射特性關(guān)鍵影響因素研究［J］．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42（9）：14-20．

［9］李進，張科勛．電控單體泵系統(tǒng)的噴射控制算法［J］．清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，45（11）：526-529．

［10］吳長水，龔元明．電控組合泵燃油噴射特性仿真與試驗［J］．車用發(fā)動機，2011（2）：64-67．

Experimental study on fuel injection characteristics of electronic unit pump system for marine diesel engines

ZHAO Wensheng1，DU Defang2，OUYANG Bin1，F(xiàn)AN Liyun1
1．College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China
2．Volkswagen Automatic Transmission Dalian Co．，Ltd．Development Zone，Dalian 116600，China

To research the fuel injection characteristics of electronic unit pump（EUP）system for marine diesel en-gines，experiments on all working conditions were conducted on the pump bench．The performance and mechanism of EUP were concluded by analyzing the experimental data，including the characteristic curves of pump pressure，injector pressure，cyclic fuel injection quantity and hydraulic delay under different work conditions．To some de-gree，this study can provide theoretical support for the design of the EUP system，and offer valuable advice to match different engines．

IC engine；marine diesel engine；EUP；fuel injection system；injection characteristics

TK427

A

1009-671X（2014）03-0064-05

10．3969／j．issn．1009-671X．201306007

http：／／www．cnki．net／kcms／doi／10．3969／j．issn．1009-671X．201306007．html

2013-06-04．

日期：2014-06-05．

國家自然科學(xué)基金資助項目（51279037）；中央高?；?/p>

科研業(yè)務(wù)費專項基金資助項目（HEUCFZ13）；黑龍江省博士后科研啟動金資助項目（LBH-Q12126）．

趙文圣（1988-），男，博士研究生；

范立云（1981-），男，副教授，博士．

趙文圣，E-mail：zws88422＠126．com．