李继鹏，刘波澜，李家伦，崔 涛，张付军

(北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

前言

随着排放法规的日益严格，对柴油机氮氧化物和碳烟排放限值有更高的要求。高压喷射技术可有效降低柴油机的碳烟排放，预喷射技术可降低柴油机氮氧化物和燃烧噪声，两种技术的结合使用是满足严格排放法规的主要技术路线。

预喷射对柴油机排放的影响主要通过缩短主喷燃油滞燃期，减小预混合燃烧比例，从而改善柴油机的整个燃烧过程来实现。在主喷射前，预喷燃油的冷焰反应提高了主喷燃油喷入气缸时的缸内温度，当主喷燃油喷到活化的气体氛围中时，冷焰效应促进燃烧，缩短了主喷燃油的滞燃期，使得在滞燃期内形成的预混合气减少，从而降低了预混合燃烧的比例。预混合燃烧不受燃油雾化速度限制，燃烧反应剧烈，缸内温度升高率和压力升高率较大，预喷射通过降低预混合燃烧的比例降低了缸内温度升高率和压力升高率，从而抑制NOx的生成并减小燃烧噪声。

电控单体泵和高压共轨均属于时间控制式燃油喷射系统，可以实现燃油的高压喷射，最高喷射压力高于200MPa，对降低碳烟排放有利。预喷射在高压共轨系统上应用已经是一项十分成熟的技术[1-3]。电控单体泵采用高速电磁阀驱动，能实现喷油正时和喷油量精确灵活控制，但在电控单体泵上进行预喷射的研究不多[4]。

本文中在分析单体泵预喷射可行性的基础上，应用AMESim建立电控单体泵仿真模型，对单体泵预喷射对主喷的影响和转速对预喷射过程的影响进行仿真研究。

1 电控单体泵预喷射可行性分析

单体泵系统与共轨系统最大的区别在于：共轨系统的燃油压力通过高压输油泵建立并存储在共轨管中，油压波动很小，基本可以忽略；电控单体泵系统的燃油压力通过柱塞压缩柱塞腔内的燃油产生，柱塞在凸轮的驱动下工作，每循环只在特定区间产生高压燃油。正是由于电控单体泵脉动式供油的特点导致其只能在凸轮有效工作段喷油，可喷油的角度范围有限，因此在电控单体泵上应用预喷技术难度较大。但同样具有脉动式供油特点的泵喷嘴系统和分配泵系统可实现预喷射，并且在商业化的产品上有着广泛应用，如博世VP44分配泵系统和德尔福E3泵喷嘴系统上就应用了预喷射技术[5]。

电控单体泵系统采用高速电磁阀控制燃油的喷射，其响应速度与共轨系统的喷油器电磁阀响应速度相当；电控单体泵系统属于短管系统，其压力波动较小。从这两个角度考虑，电控单体泵系统也能够实现预喷射。在不改动控制系统硬件的基础上，只需在软件程序中添加预喷射功能代码，即可实现电控单体泵的预喷射。

2 电控单体泵燃油喷射系统仿真校核

2.1 AMESim建模

电控单体泵系统由机械液力系统和电子控制系统两大部分组成：机械液力系统由驱动凸轮轴、柱塞、柱塞弹簧、高压油管、喷油器和低压油路组成；电子控制系统由电子控制单元、传感器、执行器和线束等组成[6]。

根据电控单体泵燃油喷射系统的结构建立AMESim模型，如图1所示。该模型主要由凸轮、单体柱塞泵、高压油管、电磁阀、控制器和喷油器组成。电控单体泵的喷油泵主要包括凸轮和柱塞泵，考虑到柱塞泵偶件的黏性摩擦和泄漏，添加了一个黏性摩擦及泄漏模型。电磁阀模块可以简单地视为由时间控制流通截面的理想原件，主要由信号源、电磁阀和旁通泄油阀组成。高压油管模块使用的是液力管，主要为了尽可能准确地再现预喷射后燃油在油管内的波动情况。喷油器模块主要由针阀、喷嘴、压力室、喷孔、缸内边界条件和针阀边界条件组成。

在图1的控制信号元件设置中给出如图2所示的控制信号，当信号为高时，电磁阀全开。图2中所示的嘴端压力在电磁阀通电时即开始建压，当电磁阀关闭时，压力达到其峰值，之后开始下降。喷油器针阀是在嘴端压力达到针阀开启压力(约28MPa)之后才开启，当嘴端压力低于开启压力时开始关闭。

2.2 仿真与试验结果对比

为了验证仿真模型的正确性和参数设置的合理性，对两种工况下的仿真与试验结果进行对比分析。图3和图4分别为曲轴转速1 200r/min，预喷脉宽11°CA，主预喷间隔角10°CA，喷射脉宽22°CA和曲轴转速1 600r/min，喷射脉宽22°CA条件下的嘴端压力和针阀升程仿真与试验结果的对比。

从油压曲线和针阀升程曲线的走向趋势来看，仿真结果与试验数据吻合较好，各个特征点的位置和油压的上升速度都基本与试验结果相同。但是可以看到，仿真结果的油压波动要比试验结果的压力波动小，并且压力的峰值也比试验结果稍大，分析认为这是由于模型中的部分参数与实际值有偏差导致的。

3 电控单体泵预喷射仿真研究

3.1 预喷射对主喷射的影响

与共轨系统不同，电控单体泵系统的控制电磁阀与喷油器之间有一段高压油管，一次喷射完成后会在油管内形成压力波动。对于单次喷射来说，由于相邻两次喷射的时间间隔较长，在进行下一次喷射之前油管内的压力波动已经衰减到很小，可忽略不计。加入预喷射后，预喷射与主喷射的时间间隔较小，预喷射在管内形成的压力波动会影响到主喷射。为了探索预喷射可能对主喷射造成的影响，进行了如下的仿真研究：固定主喷射脉宽22°CA，曲轴转速1 200r/min，主预喷间隔10°CA，预喷射脉宽分别为11°CA和15°CA，仿真结果如图5所示。

从图5中3条油压曲线来看，油压在针阀开启处出现一个波谷，这是由于针阀开启后高压油迅速充满喷油器各腔室，造成泄压作用，随后由于柱塞继续上行，柱塞建压速度比喷孔泄压速度大，压力继续上升。对比图中的3条油压曲线可以看到，有预喷射和无预喷射的主喷射油压在上升过程中都存在压力波动。只有主喷射时，压力波的第2个波谷值为48.2MPa，预喷11°CA时第2个波谷值为43.3MPa，预喷15°CA时第2个波谷值为42.3MPa。可见，无预喷射时的压力波动明显比有预喷射时的压力波动小，预喷射加剧了主喷油压的波动。产生这种现象的原因是：预喷射在油管内形成了压力波，主喷油压与该压力波叠加，使主喷油压波动变大。

对比图6中针阀升程曲线可以看到，有预喷射时的主喷针阀升程和无预喷射时基本一致，预喷射对主喷射针阀基本没有影响。这主要是因为预喷射虽然加剧了主喷油压的波动，但是压力波动的波谷值始终都大于喷油器针阀开启压力(28MPa)，因此预喷射对主喷射的影响不会体现在主喷射的针阀升程曲线上。

图7为加入预喷射后的主喷喷油量仿真结果。由图可见：加入预喷射后，主喷喷油量比无预喷射时的主喷喷油量要小，这是因为加入预喷射后由于压力波动的影响，主喷的平均喷油压力比无预喷时的主喷喷油压力要小，因此如引入预喷射，应重新标定主喷脉宽MAP。

3.2 转速对预喷射过程的影响

电控单体泵属于脉动式供油系统，由柱塞压缩柱塞腔内的低压燃油来建立高压，柱塞的运动速度是高压建立过程的一个关键参数，该速度受发动机转速影响，发动机转速越高柱塞运动速度越快。由预喷射对主喷射的影响仿真结果可知，预喷射在高压油管内形成的压力波动会影响到主喷油压，加剧了主喷油压的波动。

仿真中分别选取1 200和1 600r/min两种转速进行对比研究。在1 200r/min时，设定预喷脉宽11°CA，主预喷间隔10°CA，主喷脉宽22°CA；在1 600r/min时，设定预喷脉宽11°CA，主预喷间隔9°CA，主喷脉宽22°CA。仿真结果如图8所示。

由图可见：在1 200r/min时的主喷油压波动较大，其第2个波谷的油压值为43.2MPa；在1 600r/min时的主喷油压比1 200r/min时波动小，其第2个波谷的油压值为50.4MPa，并且后面的几个波谷的油压值也要比1 200r/min时高。结果表明：随着转速的升高，预喷射在管内形成的压力波动对主喷射的影响减小。产生这种现象的原因是随曲轴转速升高，柱塞上升速度也快，柱塞腔内的燃油增压速度也快，导致最终的嘴端压力变大，相对来说压力波动的变化较小。

4 结论

电控单体泵在凸轮型线有效段上能够实现预喷射；电控单体泵引入预喷射后，会在油管内形成油压波动，且波动随预喷油量的增多而加剧；随着电控单体泵预喷量加大，主喷油压波动加剧，平均主喷油压变小，相同喷油脉宽下主喷油量减少；随着转速的升高，预喷射在管内形成的压力波动对主喷射的影响减小。

[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] 杨林,卓斌,肖文雍,等.高压共轨电控柴油机燃油预喷射控制研究[J].柴油机,2004(3):1-4,24.

[4] 李启发,周明,张科勋,等.预喷射控制算法在电控单体泵柴油机上的应用[J].清华大学学报,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,刘兴华.电控单体泵供油系统仿真研究[J].车用发动机,2005,4(2):23-25.