范立云+陈超+王作群+宋恩哲+扈爽+张建宇
摘 要：在AMESim环境下建立双阀电控单体泵系统的仿真模型，通过实验对比验证模型的准确性。研究压力峰值、喷油量及平均喷油速率等在低转速范围内随控制角度差和转速的变化规律，并探索双阀系统的三次喷射特性。试验结果表明，在低转速下，增加控制角度差能明显改善喷油特性，控制角度差小于4°（一定角度）时，喷油压力、平均喷油速率等随控制角度差的增加变化不明显，而喷油量增量随控制角度差的增加变化相对稳定。采用变速率凸轮型线能有效降低后喷射的喷射压力，有利于灵活控制后喷射的喷油量。
关键词：柴油机；双阀；单体泵；控制角度差；三次喷射
中图分类号：TK422 文献标识码：A
Research the Injection Characteristics of Dual-Valve Electronic Unit Pump System
Fan Liyun， Chen Chao， Wang Zuoqun， Song Enzhe， Hu Shuang， Zhang Jianyu
（School of Power and Energy Engineering Harbin Engineering University， Harbin 150001， Heilongjiang，China）
Abstract： Establishing the double-valve electronically controlled fuel injection system simulation model in the AMESim environment， verifing accuracy of the mode by comparing with experiments. During the low speed range， studing the variating regulation of the peak pressure， the fuel injection quantity and average injection rate for control angle difference， and exploring the three injection characteristics of double valve system. It obtains that at low speeds， increasing the angle difference can significantly improve the control injection characteristics， when the control angle difference is smaller than 4°（a certain angle）， the injection pressure， average injection rate and so on do not change significantly With the control of the average angle deviation increasing， but the fuel injection quantity increments is relatively poor stability with increasing of the control angle change. Using the variable cam profile speed can effectively reduce the injection pressure of the post-injection， it is conducive to flexible control of post-injection fuel injection quantity.
Key words： diesel； dual-valve； unit pump； controlling the angle difference； three injection
随着环境问题的日益加剧，减少排气污染已经成为柴油机的重点研究方向之一[1，5]。将电控单体泵与电控喷油器相结合的电控双阀燃油喷射系统具有喷射压力高、喷油规律和喷油量灵活可控等优点，是满足柴油机排放要求的新型燃油系统之一[6，9]。实现全工况范围内的高压喷射和多次喷射对改善柴油机的燃烧过程和整体性能至关重要，与电控单体泵相似，双阀燃油系统也属于压力脉动式的燃油系统，喷油压力受转速的影响非常显著，尤其是在低转速时，喷油压力低导致燃油的雾化质量差，排放性能降低[10，13]。
通过改变双阀燃油系统供油和喷油之间的时间间隔（控制角度差）可以在低转速时提高喷射压力，从而改善柴油机的整体性能[14-15]。本文主要研究喷射特性（喷射压力、启喷压力、喷油量、平均喷油速率）在低转速时随转速和控制角度差的变化规律，并对双阀燃油系统的三次喷射特性进行研究，从而为双阀燃油系统在低速时实现高压喷射提供理论支撑。
1 双阀电控燃油系统的结构组成和原理
双阀电控燃油系统的结构组成如图1所示，其主要由电控单体泵、溢流阀（Spill Control Valve，SCV）、针阀控制阀（Needle Control Valve，NCV）和电控喷油器四部分组成。喷油过程是通过电控单体泵端的SCV阀和电控喷油器上的NCV阀协同控制实现的[7]。
图1 双阀电控单体泵系统的结构图
表1 双阀电控单体泵系统的不同控制模式
SCV NCV
开启 关闭
开启 无喷射 无喷射
关闭 正常喷射 高压蓄压
由SCV和NCV协同控制的喷射过程见表1。当SCV处于开启状态时，无论NCV开启或者关闭，系统内无高压燃油，均无法实现喷射。当NCV一直处于开启状态，若SCV处于关闭状态时，燃油系统实现正常喷射，此时的喷射状态和单体泵的喷射状态类似，此模式为SCV控制模式。当SCV一直处于通电关闭状态，而NCV也处于关闭状态，此时无法实现喷射，高压燃油在封闭系统内不断地被压缩，实现蓄压过程，直到NCV通电打开，针阀背面的高压燃油泄流并实现喷油，此模式为NCV控制模式。SCV主要控制供油过程，NCV主要控制喷油过程，SCV和NCV动作的时间间隔决定了针阀的开启压力（Needle Open Pressure， NOP）和平均喷射压力[8]。NCV控制模式下可以实现燃油的高压蓄油，提高燃油的喷射压力，因此，本文旨在NCV控制模式下研究喷油特性的变化规律。
2系统的仿真模型验证
2.1 仿真模型的建立
双阀电控单体泵系统主要由电子控制部分和机械液力部分组成。电子控制部分主要是对SCV和NCV进行控制。本文在AMESim环境下建立的双阀系统仿真模型如图2所示，其中电子控制单元（Electronic Control Unit. ECU）模块用于模拟双阀系统的输出电流信号；电控单体泵模块分为柱塞加压部分和SCV控制部分，用于模拟电控单体泵的供油过程；电控喷油器模块分为NCV部分和针阀组件部分，用于模拟电控喷油器的喷油过程。燃油系统中对喷油过程有影响的阀杆、弹簧等运动件质量采用集中质量模块处理。
图2 双阀电控单体泵系统的仿真模型
图3 ECU的输出电流信号
图4 电磁阀的电磁力MAP图
图3所示为ECU模块输出的SCV和NCV的控制电流图，其中θ为两个电磁阀之间的通电时刻的角度差，本文将θ定义为控制角度差。图4所示为在Maxwell软件中通过计算不同控制电流与衔铁残余气隙而得出的两个电磁阀的电磁力MAP曲线图。
2.2 仿真模型的验证
图5 喷油泵实验台
电控单体泵系统试验和仿真模型的基本技术参数如见表2。
表2 电控单体泵系统的基本参数
参数 设置值
柱塞直径D/mm 11
高压油管长度L/m 0.56
高压油管内径d/mm 0.22
电磁阀杆最大升程Hs/mm 0.18
喷油器弹簧预紧力Fs/N 240
喷孔数目×喷孔直径N×Dn/mm 7×0.18
在油泵实验台上对系统的仿真模型进行标定和验证，控制每循环的喷油量为120mm?，分别在500r/min、800r/min和1100r/min三个凸轮转速下测试喷油器的嘴端压力，并在相同的循环喷油量条件下，利用仿真模型计算喷嘴端压力。实验测得喷油器嘴端压力与仿真结果的对比曲线如图6所示。由图6可知喷油压力的仿真值与实测值吻合程度很高，喷油器嘴端压力最大误差为5.01%，从而说明利用仿真模型计算能够准确预测双阀系统的喷油特性。图5为油泵实验台。
（a） 500r/min
（b） 800r/min
（c） 1100r/min
图6 不同凸轮转速下嘴端压力对比曲线
3 控制角度差对喷射特性的影响研究
电控双阀燃油喷射系统采用两个不同的高速电磁阀协同控制燃油的喷射过程，SCV的通电时刻决定了双阀燃油系统的供油开始时刻，而NCV的通电时刻决定了燃油系统的喷油开始时刻，两个电磁阀之间的动作时间差（即控制角度差θ）决定针阀的开启压力和平均喷射压力。在低转速下，通过改变控制角度差来实现高压喷射可以使燃油系统更好地匹配柴油机，以下将深入研究控制角度差对喷射特性的影响规律。
3.1 压力峰值的变化规律
图7（a）可知，随着凸轮转速和控制角度差的增加，压力峰值总体上呈增加的趋势变化。在低转速，控制角度差较小时，压力峰值随控制角度差的增加变化很小，控制角度差从0°增加到4°时，峰值压力仅增加1.5%。控制角度差大于4°时，压力峰值随控制角度差的变化幅度更加明显，转速为150r/min，控制角度差从0°变化到10°时，压力峰值增加了101.8%，控制角度差很小时，压力峰值在高转速随转速变化增加幅度甚微。由图7（b）可知，在低转速下，压力峰值增量随控制角度差的增加呈现先增加后减小的变化趋势；其它工况下，压力峰值增量随转速和控制角度差的变化规律很复杂。
双阀燃油喷射系统的柱塞腔、高压油管及喷油器可视为恒定容积腔，燃油压力同时受到容积腔内燃油量、加压速率和加压时间的影响。凸轮转速决定了容积腔内的燃油量和加压速率，而控制角度差影响燃油的加压时间，进而决定燃油的受压缩程度。低转速时，容积腔内燃油的加压速率小，当NCV打开并开始喷油时，燃油压力主要受柱塞的压油速率及喷油速率的影响，与控制角度差无关，控制角度差很小相当于燃油在没喷射之前的加压时间很短，燃油压力低，而低转速时的压油速率略微大于喷油速率导致压力峰值很小。在高转速，燃油的加压速率明显大于喷油速率，在未喷射之前，燃油的加压时间随控制角度差的增加而增长，喷油压力明显升高，加压速率和加压时间的共同作用下，使得压力峰值在高转速时随控制角度差的增加特别明显。
（a）
（b）
图7 控制角度差对压力峰值的影响规律
3.2 启喷压力的变化规律
图8（a）可知，当控制角度差在0°到4°之间变化时，启喷压力随控制角度差的增加变化很小，随着转速的增加，启喷压力呈先增加后减小再增加的趋势变化，在350r/min时，启喷压力出现极大值。控制角度差在5°到10°变化时，启喷压力随控制角度差的增加而增大，随转速的变化规律不明显。图8（b）可知，控制角度差很小时，启喷压力增量随转速和控制角度差的增加几乎不变，高转速时，启喷压力增量的最大值所对应的控制角度差随着转速的增加而增大。
原因是双阀燃油喷射系统的启喷压力为喷油器弹簧预紧力和控制腔内燃油所产生的作用力之和，低转速时，燃油压力很小，启喷压力主要是喷油器弹簧预紧力起作用。随着转速的增加，燃油压力逐渐增大，转速为350r/min时，在燃油压力和弹簧预紧力的共同作用下，启喷压力出现极大值。燃油压力随着控制角度差和凸轮转速的增大而增加，当燃油压力增加到一定值时，启喷压力受燃油压力的影响远大于弹簧预紧力。
（a）
（b）
图8 控制角度差对启喷压力的影响规律
3.3 喷油量变化规律
图9（a）可知，控制角度差较大时，随着凸轮转速的增加，喷油量呈减小的变化趋势；当控制角度差在0°到4°之间变化时，喷油量随转速表现出先减小后增加的变化规律；任意转速下，喷油量随着控制角度差的增加逐渐增加，控制角度差每增加1°，喷油量增加6.18%～29.89%。由图9（b）可知，喷油量增量随着控制角度差和转速的增加而略微减小，在低转速时，喷油量增量随着控制角度差的增加波动较大。
原因是喷油脉宽保持不变，凸轮转速增加引起吸油和喷油时间同时减小，控制角度差很小时，燃油的受压缩时间很短，随着转速的增加，喷油压力的增加幅度很小，而喷油时间随转速变化减小明显，因此喷油量随转速的增加减小幅度较大；当控制角度差继续增大时，燃油的加压时间明显增长，燃油压力显著提高，相同转速下，喷油持续时间几乎不变，循环喷油量主要决定于喷油压力。控制角度差较大时，喷油压力随控制角度差的增加远大于随转速的变化，转速增加更多体现在喷油持续时间减小，因此在高转速，控制角度差很大时，喷油量与控制角度差和转速表现出很好的线性关系。
（a）
（b）
图9 控制角度差对喷油量的影响规律
3.4 平均喷油速率的变化规律
本文定义的平均喷油速率时每循环的喷油量与喷油持续时间的比值。
图10（a）可知，在高转速时，随着控制角度差的增加，平均喷油速率逐渐增加，控制角度差在0°到4°之间变化时，平均喷油速率随控制角度差的增加变化很小；仅增加2.5%～13.2%；当控制角度差大于4°时，平均喷油速率明显增加。转速为150r/min时，随着控制角度差的增加，平均喷油速率先减小后逐渐增加，当控制角度差较小时，平均喷油速率与启喷压力表现出同样的变化规律。图10（b）可知，控制角度差在7°到10°之间变化时，平均喷油速率增量随转速和控制角度差的变化趋于稳定。
原因是平均喷油速率与循环喷油量和喷油持续时间有关，随着控制角度差和转速的增加，喷油量表现出很好的线性变化关系，尤其是在高转速，控制角度差较大时线性关系更加突出。而在相同转速下，随着控制角度差的增加，燃油压力逐渐增加直接导致针阀的实际开启时刻提前，而针阀的关闭时刻几乎保持不变，喷油持续时间对燃油压力的变化非常敏感，但控制角度差变化对喷油持续时间影响很小，因而平均喷油速率主要受喷油量的影响。控制角度差很小时，燃油压缩时间短导致喷油压力随转速变化波动很大，一方面转速增加会导致喷油时间减小，另一方面压力增加会引起喷油时刻提前，二者的共同作用导致喷油持续时间变化异常，平均喷油速率在喷油量和喷油持续时间的共同影响下表现出复杂的变化规律。
（a）
（b）
图10 控制角度差对平均喷油速率的影响规律
4 三次喷射特性研究
实现多次喷射是提高柴油机燃烧效率，改善排放的有效措施之一，双阀电控单体泵系统通过两个电磁阀之间的协同作用，可以实现多次喷射。但是由于NCV模式具有高压蓄压的作用，后喷中的喷油压力高导致后喷的喷油规律难以控制，采用变速凸轮型线可以改变后喷的喷油压力，从而灵活控制喷油量。因此本文主要针对NCV控制模式下的三次喷射特性进行研究。
NCV控制模式下的三次喷射是指在某一时刻给SCV的线圈通电，SCV闭合并开始向高压油管内供入高压燃油，当喷油时刻到达，NCV的线圈开始通电，针阀打开实现预喷射，NCV的线圈断电关闭，预喷射过程结束，NCV连续三次通断电动作实现预喷射、主喷射和后喷射过程，在喷油过程中，SCV始终保持通电关闭状态，当喷油过程结束时，两个电磁阀同时断电完成一个循环的喷油过程。
图11为凸轮型线速率和喷油压力的变化曲线图。由图11可知，双阀燃油系统的供油凸轮采用变速率凸轮型线，在供油过程中，首先采用等速率凸轮型线驱动柱塞向上运动使燃油迅速加压，当主喷射过程即将结束时，凸轮型线速率逐渐减小，降低柱塞的运动速度，进而使得燃油的加压速率降低，在后喷射过程中，凸轮仍采用减速型线驱动柱塞运动，通过适当的控制燃油压力来控制后喷射过程中的喷油量。
当针阀第1次打开时，实现预喷射过程，由于喷油速率很小，喷油压力不会发生明显变化；针阀第2次开启实现主喷射时，喷油压力略微下降，但由于采用匀速凸轮型线驱动柱塞运动，燃油压力迅速上升并达到最大值，凸轮型线速率减小，燃油压力开始下降。此后，NCV关闭，主喷射过程结束，而单体泵仍继续向高压油管供入燃油，喷油压力再次上升，NCV阀第3次打开，完成后喷射过程。
图11 凸轮型线速率和喷油压力曲线
图12为三次喷射过程的针阀升程和喷油速率变化曲线。预喷射过程中，由于喷射压力低，且喷油过程时间很短，针阀并未完全开启，因此预喷射过程的喷油量很小。主喷射过程中，燃油压力不断升高，针阀完全开启并维持在最大升程，实现靴型的喷油规律，由于SCV始终保持闭合状态，供油过程一直持续，燃油压力不断升高，采用减速凸轮型线可以降低燃油压力的上升速率，但是后喷射过程中燃油压力始终很高，适当的控制针阀升程以及减小喷油持续时间可良好的控制后喷射的喷油量。
图12 针阀升程和喷油速率曲线
5 结论
（1）在低转速下，增加控制角度差可以提高启喷压力、压力峰值及平均喷油速率等，控制角度差小于4°（一定角度）时，启喷压力、平均喷油速率等随控制角度差和转速的增加变化很小，控制角度差大于4°（一定角度）时，在低转速下，改变控制角度差可以明显改善喷油特性。
（2）采用变速率凸轮型线可以降低后喷过程的喷油压力，从而良好地实现三次喷射特性，预喷射过程采用等速率凸轮型线可以迅速提高喷射压力，主喷射后段及后喷射过程采用减速凸轮型线能有效降低后喷射的喷射压力，并通过适当的控制针阀升程以及减小喷油持续时间可灵活地控制后喷射的喷油量。
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作者简介：
责任作者：陈超（1989—），男，陕西咸阳人。工学硕士，主要从事柴油机电控燃油喷射技术研究。
TEL：13009709875， E-mail： chenchaoyjj@163.com。
通信作者：范立云（1981—），男，黑龙江哈尔滨人。教授，工学博士，主要从事柴油机电控燃油喷射技术研究。
TEL：15124588186， E-mail： fanly_01@163.com。
