摘要：电控组合泵是集机械、液力和电磁于一体的产品,是一种满足柴油机排放和经济性的新型电控单体泵喷油系统。通过对其系统进行数值模拟和试验研究的对比,得出建立的AMESim仿真模型能够准确预测系统各工况的喷射特性参数。对不同工况泵端压力、嘴端压力和喷油量的试验数据对比分析得出电控组合泵喷油系统的性能机理:包括喷油定时特性MAP、喷油量特性MAP、喷射压力特性MAP。并且在玉柴4110车用柴油发动机上匹配欧Ⅲ十三点工况排放结果:NOx 为4. 74 g/ ( kW·h) , PM为0. 085 g/ ( kW·h) ,使之通过欧Ⅲ排放法规。
关键词：电控组合泵;单体泵;喷油系统;柴油机;AMESim
引言
为了适应日益严格的柴油发动机排放法规要求,成都威特电喷有限公司成功开发了电控组合泵燃油喷射系统。与传统的机械式喷油系统相比,电控组合泵是一种时间控制的脉动式电控柴油喷射系统,其喷油定时和喷油量都由电磁阀控制,与共轨式燃油喷射系统相比,电控组合泵不能满足多次喷射[ 1—3 ]的要求,但可以通过优化凸轮型线实现理想的喷油规律[ 4—5 ]来降低噪声和NOx ,对燃油品质的要求比共轨系统低,并且通过对液压系统和电磁阀方面详细的优化,具有喷油定时和喷油量电控柔性调节的优点;并且可以使市场上正在使用的柴油发动机在改动很小的情况下直接进行匹配,使柴油发动机满足欧Ⅲ排放法规。本文结合电控组合泵油泵试验台试验结果和在玉柴4110车用柴油机上的匹配结果,详细分析了该电控组合泵喷油系统的喷射特性。
1 系统组成和工作原理
电控组合泵系统的结构示意图见图1。它包括电控系统和机械液力系统两部分:电控系统主要包括控制单元、传感器等部分;机械液力系统则由电控组合泵、高压油管、喷油器和低压系统所组成,这两部分之间通过控制单元发出控制信号控制图2中的电磁铁,进而对衔铁产生吸力,使控制阀杆关闭建立电控组合泵供油所需的高压,取代传统喷油泵中复杂的控制执行机构,实现对喷油过程的数字控制。喷油量和喷油定时通过控制阀杆的关闭时间长短和关闭时刻来调节,油泵柱塞只起供油加压作用,不再承担供油调节功能,因而油泵的结构得到简化。由于电磁铁通电控制阀杆的关闭,控制电流、阀杆升程、泵端压力、嘴端压力和喷油规律的时序与机械泵的时序有很大的区别,所以电控组合泵有不同于机械泵的供油规律,研究其供油性能不仅对匹配不同柴油发动机有指导作用,而且和控制系统中发动机管理程序、喷射程序、发动机标定系统的标定参数等紧密联系[ 6 ] 。
2 喷射系统的数值模拟
2. 1 模型的建立
电控组合泵系统是集电场、磁场、机械运动和流场于一体的复杂系统[ 7 ] ,四者之间的相互作用关系如图3所示。每个场通过各自的控制方程及相互作用的变量耦合在一起,通过油管内的波动方程,每个场的参数都会对最终的喷射特性直接或间接的起作用。因此,可以通过电磁场耦合方程、机械运动方程、流场特性方程和高压油管波动等方程求解喷油系统的各种特性参数[ 8 ] 。
图3 各种场的相互作用关系
2. 1. 1 电磁场耦合方程
式中: U为线圈两端电压; i是电磁铁驱动电流,通过软件进行脉宽调制闭环控制; R 为线圈电阻;λ为线圈磁链值,等于线圈电感和电流的乘积, R 和λ与电磁铁的结构参数有关。
2. 1. 2 阀杆机械运动方程
式中: m 为运动件质量,包括阀杆、衔铁和小弹簧等零件; xl 为阀杆位移; Fmag为作用在衔铁上的电磁力; Ff为考虑到流场影响受到的力; k为弹簧刚度; x0 为弹簧预变形量; t为时间。
2. 1. 3 流场特性方程
由于衔铁形状比较复杂,通过流场特性近似方程求解的精度不高,建议用CFD计算Ff。
2. 1. 4 油管内的波动方程
式中:ρ为燃油密度; p为压力; u为燃油速度; k为黏性阻力系数; a为油管压力波传播速度,简称声速。
通过以上方程,再结合柱塞腔连续方程、喷油器针阀运动方程、初始条件和边界条件等就可以求解电控组合泵喷射特性各种参数,考虑到整个系统的求解精度,本文在AMESim软件中建立模型进行求解。模型如图4所示。
图4 电控组合泵AMES im仿真模型
2. 2模型的验证
图5、图6是在凸轮转速为900 r /min,循环喷油量为150 mm3 时,在相同的控制电流下,泵端压力、嘴端压力和喷油规律试验和仿真数据对比波形。可见,仿真模型能够准确地预测电控组合泵喷油系统泵端压力、嘴端压力和喷油规律时间历程。
图7是泵端压力、嘴端压力和喷油规律实测和计算的时序关系,可见此模型不但对单一参数有准确的时间历程预测,而且对泵端压力、嘴端压力和喷油规律的时序关系也能准确的预测,可以为标定系统和电磁铁驱动系统提供有意义的参数。
为了进一步验证模型的准确性,图8是在不同凸轮转速下,在满足试验和仿真相同循环喷油量(某种机型外特性下循环喷油量)的前提下,泵端压力和嘴端压力的试验和仿真结果,得出在任何转速下泵端压力和嘴端压力都能得到很好的预测,最大偏差为7%。通过预测不同工况泵端压力、嘴端压力和喷油持续期可以为匹配不同发动机的燃油喷射系统提供理论指导作用。
图8 不同转速的实测和计算压力对比
3 试验研究
3. 1 喷油定时特性
图9是在喷油脉宽为5°CaA,不同凸轮转速情况下喷油提前角对喷射特性参数的影响。可见,喷油定时在19～29°CaA内变化对泵端压力、嘴端压力和循环喷油量基本没有影响,这是因为采用凸轮型线等速工作段,在此喷油定时范围内,喷油压力在等速段内建立;喷油定时在13～19°CaA内喷射特性参数呈现一致下降的趋势,这是因为喷油压力建立过程超出了等速段范围。因此,保证压力建立过程在凸轮型线等速工作段范围内,在相同转速情况下,循环喷油量的调节与定时无关,油量和喷油脉宽的对应关系简单,进而使标定工作简单。
(a)
3. 2循环喷油量特性
图10为试验得到的喷油定时为25°CaA下的油量、转速和喷油脉宽(喷油脉宽从3～10°CaA)对应关系特性曲线图。喷油脉宽较小时,转速对循环喷油量影响很小,喷油脉宽较大时,相同脉宽下,随着转速的升高循环喷油量下降。分析原因为:对于硬件配置相同的燃油喷射系统,某个工况的循环喷油量与喷射压力、喷油时间长短有关。喷射压力和喷油系统的液力特性有关,相同喷油脉宽的情况下,随着转速的增加基本上呈现升高的趋势(图11) ;喷油时间长短和控制脉宽有关系,相同喷油脉宽条件下,随着转速的增加而变短。在相同喷油脉宽的条件下,高转速的压力比低转速大,但喷油时间比低转速短,所以循环喷油量在这两个参数相互影响下,随着转速和喷油脉宽的变化会表现出不同的喷射特性。在小喷油脉宽的情况下,例如喷油脉宽为3°CaA时,转速500 r/min凸轮转速喷油时间比转速1 300 r/min凸轮转速喷油时间长0. 62 ms,当喷油脉宽变为10°CaA时,这两个转速的喷油时间差为2. 07 ms。所以在小喷油脉宽下转速对喷油时间长度影响不显著,并且此时转速对喷油压力影响也不显著,因此小喷油脉宽下,转速对循环喷油量影响不显著。大喷油脉宽时,尽管相同喷油脉宽下高转速喷射压力高,会增加喷油速率,进而增加循环喷油量,但低速时由于喷油时间显著变长,循环喷油量增加,并且喷射压力会随着喷油时间的增加而升高,进而循环喷油量进一步增加,因此在喷射压力和喷油时间的相互影响下,喷油时间在大喷油脉宽起决定性作用,循环喷油量随转速升高而降低。另一方面,由于高转速时燃油温度升高,使高转速时油量速度特性曲线比较平缓,而低速油量速度特性曲线斜率比较大。
3. 4 发动机匹配
图12为满足玉柴4110机型的电控组合泵燃油喷射系统在整个工况平面的等泵端压力特性曲线。可见,在整个工况平面内都有很高的喷射压力,最高泵端喷油压力130～140MPa出现在大转矩点到标定点的外特性工况。通过合理优化燃烧系统,对发动机进行匹配标定,最终玉柴4110发动机欧Ⅲ十三点工况排放结果:NOx 为4. 74 g/ ( kW·h) , PM为0. 085 g/ ( kW·h) ,通过欧Ⅲ排放法规。
图12 等泵端压力特性MAP
4结论
(1) AMESim模型能够准确的预测电控组合泵喷油系统的喷射特性参数,为发动机匹配、标定系统和发动机管理程序提供指导性的作用。
( 2) 通过电控组合泵喷射特性参数的研究得出电控组合泵的喷油定时特性MAP、喷油量特性MAP、喷射压力特性MAP,各种特性参数之间的关系是波动方程在各种边界条件下随着时间的变化综合表现出来的结果。
(3) 通过在玉柴4110发动机上成功的匹配,说明电控组合泵能够使柴油发动机达到欧Ⅲ排放法规的要求。
参考文献:
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(11) : 1 526—1 529.
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