柴油機頂隙柱塞泵特性模擬及試驗研究

張杰忠，鄭清平，李 博，馬春燕

（河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401）

0 引言

傳統的直列平頂柱塞泵上都會有一個機械式的提前器，根據發動機轉速調整噴油時刻.但是增加提前器后會使油泵尺寸加大，安裝部件增多，發動機重量增加，成本上升，而且不能達到精確調節的目的[1-3].為了取代提前器的作用，頂隙噴油泵應運而生，它不需要改變直列泵的大體結構尺寸，僅將柱塞頂部由平頂加工成圈槽型或螺旋型，能夠達到轉速增加而噴油提前的目的，從而可以取消提前器.這種改變既可以滿足發動機的工作要求，同時取消了提前器，減少了噴油泵的故障率并節約了成本.現代柴油機以降低排放為主要任務，噴油始點要求的較晚，加上渦輪增壓技術的使用對噴油動態提前范圍要求降低，這為頂隙柱塞泵的使用創造了條件[4-11].

本文利用Hydsim軟件對頂隙柱塞泵和平頂柱塞泵的供油特性和噴油特性進行模擬對比，并針對噴油特性優化結構參數.此外，試驗測試頂隙柱塞泵和平頂柱塞泵供油特性，以驗證模擬計算結果.通過整機試驗研究對比兩種油泵的油耗和自由加速煙度，并且采用數值模擬的方法分析和解釋兩種泵在油耗和自由加速煙度方面存在差異的原因，并進行相應的優化計算.

1 數值計算模型

1.1 數值計算條件

以匹配一臺四缸增壓柴油機的供油系統為原型，主要結構參數如表1所示.按照實際噴油泵和噴油器結構中主要元件的結構和組成，將整個系統分解為凸輪、柱塞、柱塞腔、出油閥、等壓閥、出油閥腔容積、高壓油管、針閥體以及噴嘴等，并根據實際連接情況采用機械連接和液力連接的方法，將這些單元連接起來構成了整個燃油系統的計算模型，如圖1所示.頂隙柱塞泵與平頂柱塞泵模型的不同在于封閉進回油孔的柱塞頭部結構的差別，柱塞頭部與柱塞采用特殊連接的方式.本次頂隙柱塞頭部采用螺旋槽型，圖2給出了結構示意圖.

表1 燃油系統主要結構參數Tab.1 Main structure parametersof fuel injection system

圖1 Hydsim計算模型Fig.1 Hydsim calculationmodel

圖2 頂隙柱塞結構Fig.2 The structureof top clearance plunger

1.2 理論基礎

該燃油系統的計算模型的理論基礎是流體動力學和多質量系統的波動理論，采用的幾個主要控制方程如下.

連續性方程

動量方程

能量方程

其中： 為沿流動方向的速度； 為時間； 表示流動方向； 為壓力； 為流體密度； 為質量力； 為油管內徑， 為聲速.

油嘴壓力室內的流動連續性方程為

其中： 為盛油槽流入噴嘴壓力室的流量； 為壓力室噴入汽缸內的燃油流量； 是壓力室內的集中容積； 是柴油彈性模量.

1.3 模型驗證

在EFS油泵試驗臺上對配有頂隙柱塞和平頂柱塞的噴油泵的泵端壓力進行測量，通過對比兩種油泵在各個轉速下泵端壓力的模擬值與實測值對計算模型進行驗證，驗證結果如圖3所示.頂隙柱塞泵平均誤差3.28%，平頂柱塞泵平均誤差3.67%.由此可見，所搭建的供油系統的計算模型是合理的.

圖3 模型驗證Fig.3 Modelvalidation

2 供油特性與噴油特性

對柱塞泵而言，由于液力節流效應，轉速越高，供油會相應提前.圖4為平頂柱塞泵和頂隙柱塞泵相對500 r/min下供油特性與噴油特性的模擬結果對比，正值代表遲后，負值為提前.可以看出，兩種噴油泵均隨著轉速的升高而供油提前.平頂柱塞泵在油泵轉速為500～700 r/m in時供油始點稍有遲后，遲后約0.13°cam，這是由于在低速時該平頂柱塞的節流作用較小，柱塞腔內的燃油在高壓作用下會出現泵端泄露.

這種泄露現象一般在低速段較為嚴重，在高速段泄露較少.頂隙柱塞泵在油泵轉速為500～600 r/min時同樣因為泄露的緣故供油始點變化不大.總體而言，兩種油泵的供油始點均是隨轉速升高而提前的，且頂隙柱塞泵在各轉速下的供油提前量都比平頂柱塞泵大，頂隙柱塞泵1 250 r/m in時的供油始點比500 r/min時提前2.65°cam，而平頂柱塞泵供油提前量僅為0.66°cam，這種供油提前量差異導致了兩者在噴油特性上的差異.由于平頂柱塞泵只有微弱供油提前量，燃油經過高壓油管后，使平頂柱塞泵的噴油始點滯后，且噴油遲后角隨著轉速的升高而增大，最大滯后約3.3°cam，.因此，平頂柱塞泵如果不采用提前器，燃燒始點會嚴重遲后，很難達到配機要求.而頂隙柱塞泵由于有良好的供油提前特性，在600～1 000 r/m in內可獲得一定的噴油提前，提前量為0.78°cam，但當油泵轉速高于1 000 r/m in時，雖然燃油的聲速推進性質在管長一定時使噴油相對供油遲后以時間計量基本不變，但以角度計量的噴油遲后角卻與油泵轉速成正比，轉速越高遲后角越大，在該結構下頂隙柱塞泵的供油提前特性還不足以完全抵消這種噴油遲后，所以噴油始點隨轉速增加開始遲后，但是遲后量遠小于平頂柱塞泵.可以看出該頂隙柱塞泵只在一定轉速范圍內具有噴油自動提前的功能.

圖4 供油特性與噴油特性Fig.4 The characteristicsof fuelSupply and injection

通過整機試驗對比發現，柴油機采用該結構的頂隙柱塞泵的比油耗總體上要優于采用平頂柱塞泵，平均比油耗（BSFC:Brake Specific Fuel Consumption）要低1.4%左右，尤其是發動機轉速為1 200～2000 r/min時油耗得到顯著改善（圖5）.這種差異主要是因為頂隙柱塞泵相對而言在整個轉速范圍有較好的噴油提前特性，使得燃燒效率提高.

圖5 比油耗對比Fig.5 The comparison of BSFC

圖6 優化后的噴油始點隨轉速變化關系Fig.6 Startof injection vary w ith the speed changeafteroptim ization

這種結構下的頂隙柱塞泵雖然具有噴油提前特性，但是能夠應用的轉速范圍較小，提前量不大，因此可對原頂隙結構進行優化以改善噴油提前特性.優化后頂隙高度、頂隙深度和頂隙傾角分別為2mm、0.1mm和8.5°，優化后的相對噴油始點如圖6.可見油泵工作在500～1 100 r/m in區間內均具有自動提前的特性，相對優化前的轉速應用范圍增大.最大相對噴油提前量能達到1.69°cam，是優化前的2.2倍.因此可以看出頂隙柱塞結構對油泵的提前特性有重要的影響，合理的柱塞結構能夠使得油泵隨轉速升高而噴油自動提前的功能增強，相應的經濟性明顯改善，試驗證明優化后比優化前的平均比油耗低3.1%左右，轉速高于1500 r/min后，平均比油耗低3.6%.

3 自由加速煙度特性

自由加速過程在車輛實際行駛過程中并不存在，但是我國對自由加速煙度的排放卻有很嚴格的要求.它的測試方法是將柴油機怠速運轉，然后突然加大油門，使得柴油機達到最大空轉轉速，測量該過程煙度的排放，每個測試過程共測量6次，用后4次測量值的算術平均值作為其測量結果.文獻 [12]指出自由加速煙度反映的是低速煙度的排放性能.現分別將兩種油泵與柴油機匹配，在臺架上進行多次試驗，不透光煙度計采用Bosch BEA150，測試結果表明，頂隙柱塞泵自由加速煙度為2.5～3.5 Bosch，平頂柱塞泵為1.5～2.5 Bosch.可見，頂隙柱塞泵對于滿足排放要求（限值要求不高于3.0Bosch）有一定的難度，平頂柱塞泵則能滿足低速排放要求.煙度排放和噴油量變化是密切相關的，頂隙柱塞泵自由加速煙度排放較高與怠速下突然加大油門過程中的噴油量增加量有關，因為低速下過多噴入燃油將導致高的煙度排放.為了驗證這種推斷，下面利用數值模擬的方法找出兩種油泵的噴油量變化與油泵操縱手柄（相當于油門）行程之間的關系，同時尋求有效的措施改善頂隙柱塞泵的自由加速煙度排放.

假定柴油機低速運轉時油泵的轉速在300～450 r/m in之間，當突然加大油門瞬間，可以認為油泵的轉速來不及發生變化，并且通過有效行程的改變來反映操縱手柄行程或油門位置的變化.模擬結果如表3所示.可見，當發動機油泵分別以轉速300 r/m in、350 r/m in、400 r/m in、450 r/m in運轉，有效行程從3.5mm變化到5mm時，頂隙泵的噴油量的增加量比平頂柱塞泵要大.而且轉速越低其值越大，比如油泵轉速300 r/min時，頂隙柱塞泵噴油量的增加值比平頂柱塞泵高5.51%，450 r/m in時則為1.57%.結果實則反應了由于平頂柱塞與頂隙柱塞（原數據）結構上的差異，導致自由加速行程下兩種油泵在低速時噴油能力的不同.相比而言頂隙柱塞泵在低速時的各個轉速下噴油能力更強，但是這時由于發動機轉速越低，缸內氣流運動越弱，燃油霧化困難，噴油量的增加導致碳煙排放增多，因此配有頂隙柱塞泵的柴油機自由加速煙度排放高.要改善它的低速排放性能必須優化低速的供油與噴油特性來實現.

通過調整頂隙柱塞的結構，可加強在低速段的節流作用和降低低速時油量的變化，例如當采用頂隙高度、頂隙深度和頂隙傾角分別為1.5mm、0.075mm和8.5°（自由加速煙度優化后頂隙柱塞泵參數），相對原數據的噴油泵而言，在計算的范圍內平均的噴油量的增加量減少2.68%，尤其在300 r/m in時減少了5.51%，低速性能得到改善，數據在也在表3中列出.

圖7可以看出，優化后頂隙柱塞的噴油提前范圍出現了縮小的趨勢，具有噴油提前的轉速范圍在500至800 r/min之間，比原頂隙柱塞的噴油提前的轉速范圍縮小了200 r/m in，表明油泵轉速高于800 r/min（發動機轉速1 600 r/m in）時，噴油開始遲后，這將會導致燃燒始點遲后，碳煙排放會增大，高速經濟性能惡化.由此可見，低速性能和高速性能不能同時兼顧，頂隙結構設計應該根據設計要求折中確定.

表3 噴油量變化值Tab.3 The variation of fuel injection

圖7 優化后的噴油始點隨轉速變化關系Fig.7 Startof injection vary w ith the speed change afteroptim ization

4 結論

1）模擬了頂隙柱塞泵與平頂柱塞泵的供油特性與噴油特性，兩種噴油泵均隨著轉速升高而供油提前，但頂隙柱塞泵在各轉速下的供油提前量都比平頂柱塞泵大，使得頂隙柱塞泵噴油提前特性好，故采用頂隙柱塞泵的比油耗總體上要優于采用平頂柱塞泵，平均比油耗低1.4%左右.

2）優化頂隙的結構能夠改善油泵的噴油特性，優化后噴油提前量是原數據的2.2倍，噴油提前的轉速范圍增大，經濟性比優化前更好，平均比油耗低3.1%左右，轉速高于1 500 r/m in后，平均比油耗低3.6%.

3）通過模擬對比了頂隙柱塞泵與平頂柱塞泵低速時噴油量增量，頂隙柱塞泵在低速時的各個轉速下噴油能力比平頂柱塞泵更強.因此匹有頂隙柱塞泵的柴油機自由加速煙度較高.

4）對頂隙結構進行了優化，可以降低自由加速煙度排放，但高速階段碳煙排放會增多.這說明了頂隙柱塞泵作為一種機械泵，頂隙結構確定后，低速與高速的碳煙排放性能很難同時兼顧.

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