電控單體泵預噴射技術的仿真研究*

李繼鵬，劉波瀾，李家倫，崔 濤，張付軍

(北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

前言

隨著排放法規的日益嚴格，對柴油機氮氧化物和碳煙排放限值有更高的要求。高壓噴射技術可有效降低柴油機的碳煙排放，預噴射技術可降低柴油機氮氧化物和燃燒噪聲，兩種技術的結合使用是滿足嚴格排放法規的主要技術路線。

預噴射對柴油機排放的影響主要通過縮短主噴燃油滯燃期，減小預混合燃燒比例，從而改善柴油機的整個燃燒過程來實現。在主噴射前，預噴燃油的冷焰反應提高了主噴燃油噴入氣缸時的缸內溫度，當主噴燃油噴到活化的氣體氛圍中時，冷焰效應促進燃燒，縮短了主噴燃油的滯燃期，使得在滯燃期內形成的預混合氣減少，從而降低了預混合燃燒的比例。預混合燃燒不受燃油霧化速度限制，燃燒反應劇烈，缸內溫度升高率和壓力升高率較大，預噴射通過降低預混合燃燒的比例降低了缸內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，可以實現燃油的高壓噴射，最高噴射壓力高于200MPa，對降低碳煙排放有利。預噴射在高壓共軌系統上應用已經是一項十分成熟的技術[1-3]。電控單體泵采用高速電磁閥驅動，能實現噴油正時和噴油量精確靈活控制，但在電控單體泵上進行預噴射的研究不多[4]。

本文中在分析單體泵預噴射可行性的基礎上，應用AMESim建立電控單體泵仿真模型，對單體泵預噴射對主噴的影響和轉速對預噴射過程的影響進行仿真研究。

1 電控單體泵預噴射可行性分析

單體泵系統與共軌系統最大的區別在于：共軌系統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；電控單體泵系統的燃油壓力通過柱塞壓縮柱塞腔內的燃油產生，柱塞在凸輪的驅動下工作，每循環只在特定區間產生高壓燃油。正是由于電控單體泵脈動式供油的特點導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用預噴技術難度較大。但同樣具有脈動式供油特點的泵噴嘴系統和分配泵系統可實現預噴射，并且在商業化的產品上有著廣泛應用，如博世VP44分配泵系統和德爾福E3泵噴嘴系統上就應用了預噴射技術[5]。

電控單體泵系統采用高速電磁閥控制燃油的噴射，其響應速度與共軌系統的噴油器電磁閥響應速度相當；電控單體泵系統屬于短管系統，其壓力波動較小。從這兩個角度考慮，電控單體泵系統也能夠實現預噴射。在不改動控制系統硬件的基礎上，只需在軟件程序中添加預噴射功能代碼，即可實現電控單體泵的預噴射。

2 電控單體泵燃油噴射系統仿真校核

2.1 AMESim建模

電控單體泵系統由機械液力系統和電子控制系統兩大部分組成：機械液力系統由驅動凸輪軸、柱塞、柱塞彈簧、高壓油管、噴油器和低壓油路組成；電子控制系統由電子控制單元、傳感器、執行器和線束等組成[6]。

根據電控單體泵燃油噴射系統的結構建立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，主要為了盡可能準確地再現預噴射后燃油在油管內的波動情況。噴油器模塊主要由針閥、噴嘴、壓力室、噴孔、缸內邊界條件和針閥邊界條件組成。

在圖1的控制信號元件設置中給出如圖2所示的控制信號，當信號為高時，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，當電磁閥關閉時，壓力達到其峰值，之后開始下降。噴油器針閥是在嘴端壓力達到針閥開啟壓力(約28MPa)之后才開啟，當嘴端壓力低于開啟壓力時開始關閉。

2.2 仿真與試驗結果對比

為了驗證仿真模型的正確性和參數設置的合理性，對兩種工況下的仿真與試驗結果進行對比分析。圖3和圖4分別為曲軸轉速1 200r/min，預噴脈寬11°CA，主預噴間隔角10°CA，噴射脈寬22°CA和曲軸轉速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，仿真結果與試驗數據吻合較好，各個特征點的位置和油壓的上升速度都基本與試驗結果相同。但是可以看到，仿真結果的油壓波動要比試驗結果的壓力波動小，并且壓力的峰值也比試驗結果稍大，分析認為這是由于模型中的部分參數與實際值有偏差導致的。

3 電控單體泵預噴射仿真研究

3.1 預噴射對主噴射的影響

與共軌系統不同，電控單體泵系統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，在進行下一次噴射之前油管內的壓力波動已經衰減到很小，可忽略不計。加入預噴射后，預噴射與主噴射的時間間隔較小，預噴射在管內形成的壓力波動會影響到主噴射。為了探索預噴射可能對主噴射造成的影響，進行了如下的仿真研究：固定主噴射脈寬22°CA，曲軸轉速1 200r/min，主預噴間隔10°CA，預噴射脈寬分別為11°CA和15°CA，仿真結果如圖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，隨后由于柱塞繼續上行，柱塞建壓速度比噴孔泄壓速度大，壓力繼續上升。對比圖中的3條油壓曲線可以看到，有預噴射和無預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，預噴11°CA時第2個波谷值為43.3MPa，預噴15°CA時第2個波谷值為42.3MPa。可見，無預噴射時的壓力波動明顯比有預噴射時的壓力波動小，預噴射加劇了主噴油壓的波動。產生這種現象的原因是：預噴射在油管內形成了壓力波，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，有預噴射時的主噴針閥升程和無預噴射時基本一致，預噴射對主噴射針閥基本沒有影響。這主要是因為預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)，因此預噴射對主噴射的影響不會體現在主噴射的針閥升程曲線上。

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

3.2 轉速對預噴射過程的影響

電控單體泵屬于脈動式供油系統，由柱塞壓縮柱塞腔內的低壓燃油來建立高壓，柱塞的運動速度是高壓建立過程的一個關鍵參數，該速度受發動機轉速影響，發動機轉速越高柱塞運動速度越快。由預噴射對主噴射的影響仿真結果可知，預噴射在高壓油管內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兩種轉速進行對比研究。在1 200r/min時，設定預噴脈寬11°CA，主預噴間隔10°CA，主噴脈寬22°CA；在1 600r/min時，設定預噴脈寬11°CA，主預噴間隔9°CA，主噴脈寬22°CA。仿真結果如圖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。結果表明：隨著轉速的升高，預噴射在管內形成的壓力波動對主噴射的影響減小。產生這種現象的原因是隨曲軸轉速升高，柱塞上升速度也快，柱塞腔內的燃油增壓速度也快，導致最終的嘴端壓力變大，相對來說壓力波動的變化較小。

4 結論

電控單體泵在凸輪型線有效段上能夠實現預噴射；電控單體泵引入預噴射后，會在油管內形成油壓波動，且波動隨預噴油量的增多而加劇；隨著電控單體泵預噴量加大，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；隨著轉速的升高，預噴射在管內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燃油預噴射控制研究[J].柴油機,2004(3):1-4,24.

[4] 李啟發,周明,張科勛,等.預噴射控制算法在電控單體泵柴油機上的應用[J].清華大學學報,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仿真研究[J].車用發動機,2005,4(2):23-25.