柴油机顶隙柱塞泵特性模拟及试验研究

张杰忠，郑清平，李 博，马春燕

（河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401）

0 引言

传统的直列平顶柱塞泵上都会有一个机械式的提前器，根据发动机转速调整喷油时刻.但是增加提前器后会使油泵尺寸加大，安装部件增多，发动机重量增加，成本上升，而且不能达到精确调节的目的[1-3].为了取代提前器的作用，顶隙喷油泵应运而生，它不需要改变直列泵的大体结构尺寸，仅将柱塞顶部由平顶加工成圈槽型或螺旋型，能够达到转速增加而喷油提前的目的，从而可以取消提前器.这种改变既可以满足发动机的工作要求，同时取消了提前器，减少了喷油泵的故障率并节约了成本.现代柴油机以降低排放为主要任务，喷油始点要求的较晚，加上涡轮增压技术的使用对喷油动态提前范围要求降低，这为顶隙柱塞泵的使用创造了条件[4-11].

本文利用Hydsim软件对顶隙柱塞泵和平顶柱塞泵的供油特性和喷油特性进行模拟对比，并针对喷油特性优化结构参数.此外，试验测试顶隙柱塞泵和平顶柱塞泵供油特性，以验证模拟计算结果.通过整机试验研究对比两种油泵的油耗和自由加速烟度，并且采用数值模拟的方法分析和解释两种泵在油耗和自由加速烟度方面存在差异的原因，并进行相应的优化计算.

1 数值计算模型

1.1 数值计算条件

以匹配一台四缸增压柴油机的供油系统为原型，主要结构参数如表1所示.按照实际喷油泵和喷油器结构中主要元件的结构和组成，将整个系统分解为凸轮、柱塞、柱塞腔、出油阀、等压阀、出油阀腔容积、高压油管、针阀体以及喷嘴等，并根据实际连接情况采用机械连接和液力连接的方法，将这些单元连接起来构成了整个燃油系统的计算模型，如图1所示.顶隙柱塞泵与平顶柱塞泵模型的不同在于封闭进回油孔的柱塞头部结构的差别，柱塞头部与柱塞采用特殊连接的方式.本次顶隙柱塞头部采用螺旋槽型，图2给出了结构示意图.

表1 燃油系统主要结构参数Tab.1 Main structure parametersof fuel injection system

图1 Hydsim计算模型Fig.1 Hydsim calculationmodel

图2 顶隙柱塞结构Fig.2 The structureof top clearance plunger

1.2 理论基础

该燃油系统的计算模型的理论基础是流体动力学和多质量系统的波动理论，采用的几个主要控制方程如下.

连续性方程

动量方程

能量方程

其中： 为沿流动方向的速度； 为时间； 表示流动方向； 为压力； 为流体密度； 为质量力； 为油管内径， 为声速.

油嘴压力室内的流动连续性方程为

其中： 为盛油槽流入喷嘴压力室的流量； 为压力室喷入汽缸内的燃油流量； 是压力室内的集中容积； 是柴油弹性模量.

1.3 模型验证

在EFS油泵试验台上对配有顶隙柱塞和平顶柱塞的喷油泵的泵端压力进行测量，通过对比两种油泵在各个转速下泵端压力的模拟值与实测值对计算模型进行验证，验证结果如图3所示.顶隙柱塞泵平均误差3.28%，平顶柱塞泵平均误差3.67%.由此可见，所搭建的供油系统的计算模型是合理的.

图3 模型验证Fig.3 Modelvalidation

2 供油特性与喷油特性

对柱塞泵而言，由于液力节流效应，转速越高，供油会相应提前.图4为平顶柱塞泵和顶隙柱塞泵相对500 r/min下供油特性与喷油特性的模拟结果对比，正值代表迟后，负值为提前.可以看出，两种喷油泵均随着转速的升高而供油提前.平顶柱塞泵在油泵转速为500～700 r/m in时供油始点稍有迟后，迟后约0.13°cam，这是由于在低速时该平顶柱塞的节流作用较小，柱塞腔内的燃油在高压作用下会出现泵端泄露.

这种泄露现象一般在低速段较为严重，在高速段泄露较少.顶隙柱塞泵在油泵转速为500～600 r/min时同样因为泄露的缘故供油始点变化不大.总体而言，两种油泵的供油始点均是随转速升高而提前的，且顶隙柱塞泵在各转速下的供油提前量都比平顶柱塞泵大，顶隙柱塞泵1 250 r/m in时的供油始点比500 r/min时提前2.65°cam，而平顶柱塞泵供油提前量仅为0.66°cam，这种供油提前量差异导致了两者在喷油特性上的差异.由于平顶柱塞泵只有微弱供油提前量，燃油经过高压油管后，使平顶柱塞泵的喷油始点滞后，且喷油迟后角随着转速的升高而增大，最大滞后约3.3°cam，.因此，平顶柱塞泵如果不采用提前器，燃烧始点会严重迟后，很难达到配机要求.而顶隙柱塞泵由于有良好的供油提前特性，在600～1 000 r/m in内可获得一定的喷油提前，提前量为0.78°cam，但当油泵转速高于1 000 r/m in时，虽然燃油的声速推进性质在管长一定时使喷油相对供油迟后以时间计量基本不变，但以角度计量的喷油迟后角却与油泵转速成正比，转速越高迟后角越大，在该结构下顶隙柱塞泵的供油提前特性还不足以完全抵消这种喷油迟后，所以喷油始点随转速增加开始迟后，但是迟后量远小于平顶柱塞泵.可以看出该顶隙柱塞泵只在一定转速范围内具有喷油自动提前的功能.

图4 供油特性与喷油特性Fig.4 The characteristicsof fuelSupply and injection

通过整机试验对比发现，柴油机采用该结构的顶隙柱塞泵的比油耗总体上要优于采用平顶柱塞泵，平均比油耗（BSFC:Brake Specific Fuel Consumption）要低1.4%左右，尤其是发动机转速为1 200～2000 r/min时油耗得到显著改善（图5）.这种差异主要是因为顶隙柱塞泵相对而言在整个转速范围有较好的喷油提前特性，使得燃烧效率提高.

图5 比油耗对比Fig.5 The comparison of BSFC

图6 优化后的喷油始点随转速变化关系Fig.6 Startof injection vary w ith the speed changeafteroptim ization

这种结构下的顶隙柱塞泵虽然具有喷油提前特性，但是能够应用的转速范围较小，提前量不大，因此可对原顶隙结构进行优化以改善喷油提前特性.优化后顶隙高度、顶隙深度和顶隙倾角分别为2mm、0.1mm和8.5°，优化后的相对喷油始点如图6.可见油泵工作在500～1 100 r/m in区间内均具有自动提前的特性，相对优化前的转速应用范围增大.最大相对喷油提前量能达到1.69°cam，是优化前的2.2倍.因此可以看出顶隙柱塞结构对油泵的提前特性有重要的影响，合理的柱塞结构能够使得油泵随转速升高而喷油自动提前的功能增强，相应的经济性明显改善，试验证明优化后比优化前的平均比油耗低3.1%左右，转速高于1500 r/min后，平均比油耗低3.6%.

3 自由加速烟度特性

自由加速过程在车辆实际行驶过程中并不存在，但是我国对自由加速烟度的排放却有很严格的要求.它的测试方法是将柴油机怠速运转，然后突然加大油门，使得柴油机达到最大空转转速，测量该过程烟度的排放，每个测试过程共测量6次，用后4次测量值的算术平均值作为其测量结果.文献 [12]指出自由加速烟度反映的是低速烟度的排放性能.现分别将两种油泵与柴油机匹配，在台架上进行多次试验，不透光烟度计采用Bosch BEA150，测试结果表明，顶隙柱塞泵自由加速烟度为2.5～3.5 Bosch，平顶柱塞泵为1.5～2.5 Bosch.可见，顶隙柱塞泵对于满足排放要求（限值要求不高于3.0Bosch）有一定的难度，平顶柱塞泵则能满足低速排放要求.烟度排放和喷油量变化是密切相关的，顶隙柱塞泵自由加速烟度排放较高与怠速下突然加大油门过程中的喷油量增加量有关，因为低速下过多喷入燃油将导致高的烟度排放.为了验证这种推断，下面利用数值模拟的方法找出两种油泵的喷油量变化与油泵操纵手柄（相当于油门）行程之间的关系，同时寻求有效的措施改善顶隙柱塞泵的自由加速烟度排放.

假定柴油机低速运转时油泵的转速在300～450 r/m in之间，当突然加大油门瞬间，可以认为油泵的转速来不及发生变化，并且通过有效行程的改变来反映操纵手柄行程或油门位置的变化.模拟结果如表3所示.可见，当发动机油泵分别以转速300 r/m in、350 r/m in、400 r/m in、450 r/m in运转，有效行程从3.5mm变化到5mm时，顶隙泵的喷油量的增加量比平顶柱塞泵要大.而且转速越低其值越大，比如油泵转速300 r/min时，顶隙柱塞泵喷油量的增加值比平顶柱塞泵高5.51%，450 r/m in时则为1.57%.结果实则反应了由于平顶柱塞与顶隙柱塞（原数据）结构上的差异，导致自由加速行程下两种油泵在低速时喷油能力的不同.相比而言顶隙柱塞泵在低速时的各个转速下喷油能力更强，但是这时由于发动机转速越低，缸内气流运动越弱，燃油雾化困难，喷油量的增加导致碳烟排放增多，因此配有顶隙柱塞泵的柴油机自由加速烟度排放高.要改善它的低速排放性能必须优化低速的供油与喷油特性来实现.

通过调整顶隙柱塞的结构，可加强在低速段的节流作用和降低低速时油量的变化，例如当采用顶隙高度、顶隙深度和顶隙倾角分别为1.5mm、0.075mm和8.5°（自由加速烟度优化后顶隙柱塞泵参数），相对原数据的喷油泵而言，在计算的范围内平均的喷油量的增加量减少2.68%，尤其在300 r/m in时减少了5.51%，低速性能得到改善，数据在也在表3中列出.

图7可以看出，优化后顶隙柱塞的喷油提前范围出现了缩小的趋势，具有喷油提前的转速范围在500至800 r/min之间，比原顶隙柱塞的喷油提前的转速范围缩小了200 r/m in，表明油泵转速高于800 r/min（发动机转速1 600 r/m in）时，喷油开始迟后，这将会导致燃烧始点迟后，碳烟排放会增大，高速经济性能恶化.由此可见，低速性能和高速性能不能同时兼顾，顶隙结构设计应该根据设计要求折中确定.

表3 喷油量变化值Tab.3 The variation of fuel injection

图7 优化后的喷油始点随转速变化关系Fig.7 Startof injection vary w ith the speed change afteroptim ization

4 结论

1）模拟了顶隙柱塞泵与平顶柱塞泵的供油特性与喷油特性，两种喷油泵均随着转速升高而供油提前，但顶隙柱塞泵在各转速下的供油提前量都比平顶柱塞泵大，使得顶隙柱塞泵喷油提前特性好，故采用顶隙柱塞泵的比油耗总体上要优于采用平顶柱塞泵，平均比油耗低1.4%左右.

2）优化顶隙的结构能够改善油泵的喷油特性，优化后喷油提前量是原数据的2.2倍，喷油提前的转速范围增大，经济性比优化前更好，平均比油耗低3.1%左右，转速高于1 500 r/m in后，平均比油耗低3.6%.

3）通过模拟对比了顶隙柱塞泵与平顶柱塞泵低速时喷油量增量，顶隙柱塞泵在低速时的各个转速下喷油能力比平顶柱塞泵更强.因此匹有顶隙柱塞泵的柴油机自由加速烟度较高.

4）对顶隙结构进行了优化，可以降低自由加速烟度排放，但高速阶段碳烟排放会增多.这说明了顶隙柱塞泵作为一种机械泵，顶隙结构确定后，低速与高速的碳烟排放性能很难同时兼顾.

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