電控單體泵小循環(huán)噴油量的關(guān)鍵影響因素研究

袁志國(guó)，范立云，白云，陳超，馬修真

(哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

電控單體泵系統(tǒng)是一種滿足現(xiàn)代柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放法規(guī)的燃油噴射系統(tǒng)［1-3］。其在低負(fù)荷時(shí)，由于噴油脈寬較小，造成噴油系統(tǒng)小循環(huán)噴油量非線性程度加劇，各種特性參數(shù)變化引起小循環(huán)噴油量的波動(dòng)嚴(yán)重影響了柴油機(jī)在部分工況點(diǎn)的工作穩(wěn)定性［4-5］。本文利用AMESim軟件建立系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)數(shù)值模擬得到不同特性參數(shù)變化在額定工況下引起的小循環(huán)噴油量波動(dòng)量化百分比指標(biāo)，并結(jié)合中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行各種特性參數(shù)與小循環(huán)噴油量之間的相關(guān)性分析。研究對(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)影響顯著的主要特性參數(shù)分別在非交互及交互作用下各個(gè)參數(shù)對(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)的影響規(guī)律，從而為降低電控單體泵低負(fù)荷時(shí)小循環(huán)噴油量波動(dòng)和提高電控單體泵性能的穩(wěn)定性提供重要的指導(dǎo)作用。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

電控單體泵系統(tǒng)屬于時(shí)間控制的壓力脈動(dòng)式電控燃油噴射系統(tǒng)［6-7］，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 電控單體泵結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic of electronic unit pump

電控單體泵系統(tǒng)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(dān)對(duì)燃油的壓縮作用，電磁閥部分則控制噴油定時(shí)和噴油量，當(dāng)電磁閥通電閉合時(shí)，閥桿關(guān)閉密封錐面，切斷燃油回路，泵腔內(nèi)建立起燃油噴射所需的高壓。當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，密封錐面打開(kāi)，高壓燃油泄壓，噴油過(guò)程結(jié)束。利用高速電磁閥的快速響應(yīng)特性能夠?qū)崿F(xiàn)噴油過(guò)程的柔性控制，改變了傳統(tǒng)噴油泵復(fù)雜的機(jī)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(tǒng)AMESim仿真模型。為驗(yàn)證仿真模型的可靠性，控制循環(huán)噴油量為120 mm3，分別在500、800和1 100 r/min 3個(gè)典型的凸輪轉(zhuǎn)速下，將試驗(yàn)和仿真所得的噴油壓力進(jìn)行對(duì)比分析。圖3為典型工況的噴油壓力對(duì)比曲線圖，由圖3可知，仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合度很高，因此通過(guò)該仿真模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電控單體泵系統(tǒng)的小循環(huán)噴油量波動(dòng)特性。

電控單體泵系統(tǒng)試驗(yàn)和仿真模型的基本技術(shù)參數(shù):柱塞直徑為11 mm，高壓油管長(zhǎng)度為0.56 m，高壓油管內(nèi)徑為 0.22 mm，電磁閥桿最大升程為0.18 mm，噴孔數(shù)目×噴孔直徑為 7×0.18 mm。

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

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

3 小循環(huán)噴油量波動(dòng)量化分析

電控單體泵是一種集電、磁、機(jī)、液場(chǎng)耦合在一起的復(fù)雜系統(tǒng)，在研究各種特性參數(shù)對(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)的影響時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成將特性參數(shù)分為4類(lèi):低壓供油特性參數(shù)(低壓供油壓力)、柱塞特性參數(shù)(凸輪型線速率和柱塞配合間隙)、閥桿特性參數(shù)(閥桿升程、銜鐵殘余氣隙和閥桿配合間隙)、噴油器特性參數(shù)(針閥升程、噴油器流量系數(shù)和噴油器開(kāi)啟壓力)。通過(guò)仿真計(jì)算得出不同特性參數(shù)及各個(gè)部件特性參數(shù)變化在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)影響的量化百分比指標(biāo)，分別如圖4、5所示。

由圖4中可見(jiàn)，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)各種特性參數(shù)中凸輪型線速率和噴油器開(kāi)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(zhuǎn)速的增加，2種特性參數(shù)所占量化百分比均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。原因在于低速時(shí)，凸輪型線速率作用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，故此時(shí)小循環(huán)噴油量波動(dòng)的量化百分比最大，而噴油器開(kāi)啟壓力決定了針閥的開(kāi)啟時(shí)間，在低速時(shí)由于系統(tǒng)建壓速度較慢造成噴油器開(kāi)啟壓力對(duì)噴油過(guò)程的影響更突出，同時(shí)由于在小脈寬時(shí)，針閥開(kāi)啟時(shí)間占噴油過(guò)程的時(shí)間比例增大且針閥在此時(shí)處于浮動(dòng)狀態(tài)，開(kāi)啟壓力變化會(huì)造成針閥流通截面產(chǎn)生差異，兩者共同作用使得在低速、小脈寬時(shí)噴油器開(kāi)啟壓力對(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)的影響加劇，其所占百分比在凸輪轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)達(dá)到49.8%。其余各特性參數(shù)對(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)的影響隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律不明顯。噴油器流量系數(shù)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(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)幾乎沒(méi)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(shù)對(duì)應(yīng)的小循環(huán)噴油量波動(dòng)量化百分比可見(jiàn):在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)影響小循環(huán)噴油量波動(dòng)的各部件參數(shù)中，噴油器特性參數(shù)所占量化百分比最大，為52.4%～35.8%;其次為柱塞特性參數(shù)，所占量化百分比為20.8%～34.8%。因此，控制噴油器特性參數(shù)和柱塞特性參數(shù)的性能一致性對(duì)提高電控單體泵低負(fù)荷小循環(huán)噴油量的穩(wěn)定性有十分重要的意義。閥桿特性參數(shù)和低壓供油特性參數(shù)所占量化百分比分別為 6.6%～23.2%、0～20.2%。在低速時(shí)低壓供油特性參數(shù)對(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)幾乎沒(méi)有影響，而隨轉(zhuǎn)速增大低壓供油特性參數(shù)所占量化百分比相應(yīng)增加，原因?yàn)榈蛪汗┯蛪毫τ绊懴到y(tǒng)的吸油充分程度，低轉(zhuǎn)速下低壓供油壓力的變化會(huì)導(dǎo)致吸油的壓差略微減小，但由于有效吸油時(shí)間很長(zhǎng)，系統(tǒng)吸油充分，不會(huì)引起小循環(huán)噴油量波動(dòng)。而隨著轉(zhuǎn)速增加，系統(tǒng)的有效吸油時(shí)間明顯的縮短，吸油充分程度惡化。

圖4 不同特性參數(shù)對(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)的百分比Fig.4 Percentage of minor cycle fuel injection quantity fluctuation at different characteristic parameters

圖5 各個(gè)部件特性參數(shù)對(duì)小循環(huán)噴油量的波動(dòng)百分比Fig.5 Percentage of minor cycle fuel injection quantity fluctuation at each part characteristic parameters

4 小循環(huán)噴油量的相關(guān)性分析

以上小循環(huán)噴油量波動(dòng)的量化研究中得到了單一參數(shù)變化對(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)的影響程度，而沒(méi)有分析出同一工況下不同參數(shù)之間復(fù)雜的交互作用對(duì)小循環(huán)噴油量的影響規(guī)律。圖6為結(jié)合響應(yīng)面中的面中央合成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，得出的不考慮交互作用下的各特性參數(shù)與小循環(huán)噴油量的相關(guān)性關(guān)系，其中的負(fù)相關(guān)系數(shù)表示影響參數(shù)增加，小循環(huán)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(kāi)啟壓力與小循環(huán)噴油量呈負(fù)相關(guān)，而凸輪型線速率、噴油器流量系數(shù)與小循環(huán)噴油量呈正相關(guān)，其他特性參數(shù)和小循環(huán)噴油量的相關(guān)性呈現(xiàn)多元化。在500、900、1 300 r/min 3種凸輪轉(zhuǎn)速下噴油器開(kāi)啟壓力與小循環(huán)噴油量的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大，且隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小;凸輪型線速率與小循環(huán)噴油量的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值次之，隨著轉(zhuǎn)速變化很小，變化最大為0.05;低壓供油壓力與小循環(huán)噴油量的相關(guān)系數(shù)在500 r/min凸輪轉(zhuǎn)速時(shí)為0，隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高;閥桿升程與小循環(huán)噴油量的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值隨轉(zhuǎn)速增加而增大，相關(guān)系數(shù)由-0.11變化到-0.34;銜鐵殘余氣隙、噴油器流量系數(shù)與小循環(huán)噴油量的相關(guān)系數(shù)隨轉(zhuǎn)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(huán)噴油量的相關(guān)系數(shù)較小，且隨著轉(zhuǎn)速升高變化規(guī)律不明顯。

圖7為考慮交互作用下的各種因素與小循環(huán)噴油量的相關(guān)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(shù)與自身的交互作用因素和不同參數(shù)間的交互作用因素。由圖可得，單因素對(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)的影響起主導(dǎo)作用，在二次因素中，各參數(shù)與自身的交互作用因素和不同參數(shù)間的交互作用因素與小循環(huán)噴油量的相關(guān)性系數(shù)較小。在8～14參數(shù)自身的交互作用因素中，因素11、12在低速時(shí)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較大，且隨著轉(zhuǎn)速升高有略微減小的趨勢(shì)。在15～35不同參數(shù)間的交互作用因素中，因素15、16、19、26、28、31與小循環(huán)噴油量的相關(guān)性程度高，因素31與小循環(huán)噴油量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速增加呈減小趨勢(shì)變化，在500 r/min凸輪轉(zhuǎn)速時(shí)為0.06。隨著轉(zhuǎn)速變化，因素15與小循環(huán)噴油量的負(fù)相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值逐漸增加。因素16、19、26、28與小循環(huán)噴油量的相關(guān)系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)。由此可知，電控單體泵系統(tǒng)的小循環(huán)噴油量穩(wěn)定性是由單一特性參數(shù)作用及不同特性參數(shù)之間的交互作用共同影響決定的，且在全工況范圍內(nèi)變化規(guī)律異常復(fù)雜。

圖6 非交互作用下各個(gè)特性參數(shù)與小循環(huán)噴油量的相關(guān)系數(shù)Fig.6 Correlation coefficients of each factor with minor cycle fuel injection at non-interaction condition

圖7 各個(gè)特性參數(shù)在交互作用下與小循環(huán)噴油量的相關(guān)性系數(shù)Fig.7 Correlation coefficients of each factor with minor cycle fuel injection quantity at interaction condition

5 結(jié)論

1)不同凸輪轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，噴油器特性參數(shù)對(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)的影響程度最大，其量化百分比為35.8%～60.8%，且噴油器開(kāi)啟壓力及噴油器流量系數(shù)是噴油器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù);柱塞特性參數(shù)影響20.3%～34.8%，低壓供油特性參數(shù)影響為 0～20.2%，閥桿特性參數(shù)影響為 6.6%～23.2%。

2)轉(zhuǎn)速越高，低壓供油壓力對(duì)小循環(huán)噴油量波動(dòng)的影響程度越顯著，在高轉(zhuǎn)速下，適當(dāng)?shù)靥岣叩蛪汗┯蛪毫δ軌蚋纳乒┯头€(wěn)定性，進(jìn)而減小循環(huán)噴油量波動(dòng)。

3)全工況范圍內(nèi)，單一特性參數(shù)變化對(duì)小循環(huán)噴油量穩(wěn)定性的影響大于特性參數(shù)之間的交互作用對(duì)小循環(huán)噴油量穩(wěn)定性的影響。其中在低轉(zhuǎn)速工況下噴油器開(kāi)啟壓力對(duì)小循環(huán)噴油量的穩(wěn)定性影響顯著。

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