范立云，董曉露，白云，馬修真，宋恩哲

(哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

高壓共軌系統(tǒng)高壓油泵容積效率研究

范立云，董曉露，白云，馬修真，宋恩哲

(哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

高壓油泵的容積效率決定了其供油能力，為了研究高壓油泵容積效率的影響因素，提高高壓共軌系統(tǒng)工作壓力，利用AMESim液力仿真軟件建立高壓油泵的仿真模型?；诜抡婺Ｐ驮谌r范圍內(nèi)研究高壓油泵容積效率影響機(jī)理，在典型工況下研究參數(shù)對(duì)容積效率的影響規(guī)律，利用相關(guān)性分析研究了高壓油泵參數(shù)在有、無交互作用下與高壓油泵容積效率的相關(guān)性變化規(guī)律。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，研究結(jié)果表明：控制信號(hào)占空比對(duì)容積效率的影響存在飽和區(qū)，在占空比飽和區(qū)內(nèi)高壓油泵的容積效率不受占空比影響；不考慮交互作用下影響容積效率的關(guān)鍵參數(shù)主要包括柱塞余隙容積、柱塞直徑與升程、凸輪供油角及燃油溫度等，考慮參數(shù)間交互作用下參數(shù)自身交互作用和柱塞參數(shù)間交互作用產(chǎn)生的二次因子與容積效率的相關(guān)性最顯著。因此優(yōu)化柱塞結(jié)構(gòu)，在保證理論供油量前提下進(jìn)行柱塞直徑、升程及余隙容積之間的解耦，能顯著提高高壓油泵容積效率。

柴油機(jī)； 高壓共軌； 高壓油泵； 容積效率； 影響因素； 相關(guān)性分析

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)在提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和降低排放方面起著重要作用，是使得柴油機(jī)滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)及推動(dòng)柴油機(jī)向低油耗、低排放方向發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。隨著高壓共軌系統(tǒng)噴油壓力的不斷提高，高壓油泵的泄漏成為制約其供油壓力的關(guān)鍵，因此，作為高壓共軌燃油系統(tǒng)的供油部件，提高高壓油泵柱塞偶件間密封性，減小燃油泄漏，研究高壓油泵在全工況范圍內(nèi)的容積效率有助于發(fā)展系統(tǒng)軌壓控制的前饋策略，提高發(fā)動(dòng)機(jī)瞬變工況下對(duì)體積控制閥(volumetric control valve,VCV)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制。應(yīng)用高壓油泵容積效率的可靠數(shù)據(jù)有助于選擇與噴油器高效匹配的油泵排量，從而減少系統(tǒng)功率損失，提高高壓油泵的容積效率不僅可以提高油泵的供油能力，還可以提高系統(tǒng)效率[3-5]。因此，研究高壓油泵參數(shù)對(duì)容積效率的影響規(guī)律對(duì)提高共軌系統(tǒng)供油壓力以及指導(dǎo)高壓油泵優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要理論意義。

1 高壓油泵結(jié)構(gòu)及原理

本文研究的高壓油泵為軸向雙柱塞泵，主要由凸輪驅(qū)動(dòng)組件、柱塞加壓組件、VCV閥組件和進(jìn)油閥、出油閥組件構(gòu)成，圖1所示為泵體結(jié)構(gòu)，圖2所示為VCV閥組件。

1.凸輪，2.供油柱塞，3.柱塞彈簧，4.泵體，5.進(jìn)油閥，6.出油閥圖1 高壓油泵泵體部分Fig.1 Pump body of high pressure pump

高壓共軌系統(tǒng)對(duì)軌壓的控制主要是通過調(diào)節(jié)VCV閥量油孔開度控制高壓油泵的供油量來實(shí)現(xiàn)的。如圖3所示為高壓油泵工作原理圖，當(dāng)供油柱塞下行時(shí)柱塞腔壓力降低，低壓油路燃油在壓力差的作用下經(jīng)過VCV閥進(jìn)入柱塞腔，此時(shí)進(jìn)油閥開啟，出油閥關(guān)閉，柱塞吸油。當(dāng)供油柱塞上行時(shí)，柱塞腔壓力升高，此時(shí)進(jìn)油閥關(guān)閉，出油閥開啟，柱塞腔內(nèi)燃油供入共軌管，柱塞供油。

2 系統(tǒng)仿真模型的建立與驗(yàn)證

根據(jù)高壓油泵結(jié)構(gòu)及原理，利用AMESim仿真平臺(tái)建立如圖4所示的高壓油泵仿真模型，模型主要包括輸油泵、VCV閥、溢流閥、阻尼孔、凸輪柱塞組件、進(jìn)油閥和出油閥。模型中柱塞偶件間間隙、初始接觸長(zhǎng)度和最大接觸長(zhǎng)度分別為0.006、10和20 mm。為保證仿真模型的準(zhǔn)確性，使其能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高壓油泵的供油特性，利用在如圖5所示的高壓油泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定和驗(yàn)證。

1.插線座，2.動(dòng)鐵芯，3.靜鐵芯，4.量油閥彈簧，5.出油孔，6.量油孔，7.進(jìn)油孔，8.線圈圖2 高壓油泵VCV閥部分Fig.2 VCV components of high pressure pump

圖3 高壓油泵原理圖Fig.3 Schematic diagram of high pressure fuel supply pump

圖6為典型工況下高壓油泵循環(huán)供油量的試驗(yàn)測(cè)量值與仿真計(jì)算值的對(duì)比曲線。由圖6可知，高壓油泵仿真模型能夠?qū)崿F(xiàn)在全工況范圍內(nèi)對(duì)高壓油泵供油特性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，僅在高轉(zhuǎn)速和高壓低轉(zhuǎn)速工況區(qū)域，仿真值略高于測(cè)量值。這是由于在高轉(zhuǎn)速時(shí)試驗(yàn)過程中燃油溫度升高散熱時(shí)間較短，燃油粘度下降，柱塞偶件間燃油泄漏量增加，而仿真計(jì)算中泄漏模型僅考慮了壓力對(duì)燃油粘度的影響，柱塞偶件間燃油泄漏量較小。此外，在高壓低轉(zhuǎn)速時(shí)輸油泵輸油效率因燃油泄流時(shí)間增加而下降，導(dǎo)致試驗(yàn)測(cè)得的供油量降低，而仿真模型中采用線性輸油泵模型，輸油量?jī)H由轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。在試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，循環(huán)供油量的仿真計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值的最大相對(duì)誤差不超過7%，能夠滿足對(duì)高壓油泵容積效率進(jìn)行仿真分析的精度要求。

圖4 高壓油泵仿真模型Fig.4 Simulation model of high pressure pump

圖5 高壓油泵實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 High pressure pump test bench

3 全工況下高壓油泵的容積效率

理論上高壓油泵的輸出流量等于柱塞體積排量，但是由于柱塞副的泄漏、燃油的可壓縮性等原因，高壓油泵的實(shí)際輸出流量小于理論輸出流量，高壓油泵的實(shí)際輸出流量與理論輸出流量的比為高壓油泵的容積效率。為研究高壓油泵容積效率在不同負(fù)荷下的變化規(guī)律，對(duì)高壓油泵在不同控制信號(hào)占空比下的容積效率進(jìn)行了研究，得到如圖7所示容積效率曲線。由圖可見當(dāng)占空比小于30%時(shí)，容積效率基本不隨占空比變化；當(dāng)占空比繼續(xù)增加，容積效率與占空比呈正比關(guān)系逐漸增大；當(dāng)占空比達(dá)到一定值后，容積效率不再隨著占空比變化。這是由于當(dāng)占空比較低時(shí)，比例電磁閥未開啟，高壓油泵主要從阻尼節(jié)流孔吸油，循環(huán)供油量取決于阻尼節(jié)流孔直徑，此時(shí)容積效率不受占空比影響。隨著占空比增加，比例電磁閥打開，循環(huán)供油量取決于比例電磁閥開度，容積效率隨著占空比增加呈上升趨勢(shì)；當(dāng)占空比達(dá)到一定值時(shí)，比例電磁閥完全開啟，循環(huán)供油量達(dá)到最大并取決于柱塞吸油速率，此時(shí)容積效率也達(dá)到最大值并不再受占空比影響，也稱為達(dá)到占空比的飽和區(qū)。本文主要對(duì)高壓油泵在占空比飽和區(qū)的最大容積效率進(jìn)行研究。

為了研究高壓油泵容積效率在全工況范圍的影響機(jī)理，對(duì)不同軌壓和不同凸輪軸轉(zhuǎn)速下的容積效率進(jìn)行了研究，得到如圖8所示容積效率變化規(guī)律。由圖可見高壓油泵的容積效率隨凸輪軸轉(zhuǎn)速的升高而增加，且在軌壓較低時(shí)容積效率受凸輪軸轉(zhuǎn)速的影響不明顯，而軌壓較高時(shí)容積效率隨凸輪軸轉(zhuǎn)速升高增加顯著。另外，容積效率隨軌壓的上升而降低，且在轉(zhuǎn)速較低時(shí)容積效率受軌壓的影響顯著。這是因?yàn)殡S著軌壓的增加柱塞偶件受到的液壓力增加，柱塞副間隙的燃油泄漏量增加從而導(dǎo)致油泵容積效率降低。而在軌壓一定時(shí)，油泵供油效率主要由泄漏時(shí)間決定，在低凸輪軸轉(zhuǎn)速下柱塞供油時(shí)間長(zhǎng)，燃油泄流量大，所以在相同軌壓下油泵容積效率隨轉(zhuǎn)速的升高而增加。在高軌壓下燃油泄漏流率大，由凸輪軸轉(zhuǎn)速變化引起的供油時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)燃油泄漏量影響大，因此在高軌壓下轉(zhuǎn)速對(duì)油泵容積效率影響更明顯，而低軌壓下燃油泄漏流率小，所以凸輪軸轉(zhuǎn)速變化對(duì)油泵容積效率影響不明顯。

圖6 循環(huán)供油量仿真與測(cè)量值對(duì)比Fig.6 Comparison of simulated and measured cycle fuel supply quantity

圖7 不同轉(zhuǎn)速下高壓油泵容積效率隨占空比的變化Fig.7 Volumetric efficiency dependence on duty ratio at various camshaft speeds

圖8 全工況范圍內(nèi)高壓油泵容積效率Fig.8 Volumetric efficiency under overall operation conditions

4 高壓油泵參數(shù)對(duì)容積效率的影響

高壓油泵的泵油能力制約著共軌系統(tǒng)的最高噴射壓力，噴油壓力的提高不但直接影響柱塞副原始間隙的燃油泄漏，而且還會(huì)引起柱塞偶件變形，從而增大柱塞副的配合間隙導(dǎo)致燃油泄漏量增加，進(jìn)一步導(dǎo)致泵容積效率的降低、泵油能力的下降。研究表明系統(tǒng)的壓力生成能力不僅與密封間隙有關(guān)，同時(shí)也受系統(tǒng)的余隙容積、柱塞往復(fù)速度及排量容積等因素的影響[9]。因此，從提高供油能力的角度本文在保證高壓油泵理論供油量不變的前提下，研究高壓油泵參數(shù)對(duì)油泵容積效率的影響，參數(shù)取值見表1。

表1 主要參數(shù)

4.1 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)容積效率影響規(guī)律

4.1.1 柱塞余隙容積

柱塞余隙容積是指柱塞達(dá)到上止點(diǎn)時(shí)柱塞腔內(nèi)的容積，是為了防止柱塞碰撞變形和安裝出油閥而不可避免的容積。本文在占空比100%、軌壓120 MPa的不同凸輪軸轉(zhuǎn)速工況下對(duì)高壓油泵容積效率隨柱塞余隙容積的變化進(jìn)行了研究，變化規(guī)律如圖9所示?？梢姼邏河捅萌莘e效率隨余隙容積的增加而減小，且影響程度在高凸輪軸轉(zhuǎn)速下更加顯著。這是因?yàn)橛嘞度莘e影響柱塞的建壓過程，在柱塞到達(dá)上止點(diǎn)即供油結(jié)束時(shí)，隨著余隙容積的增加，柱塞腔壓力變化所引起的壓縮燃油變化量增加，所以供油量下降，從而導(dǎo)致容積效率減小。此外，隨著轉(zhuǎn)速增加，柱塞運(yùn)動(dòng)速度增加，導(dǎo)致柱塞腔內(nèi)燃油壓縮量增加，所以余隙容積對(duì)高壓油泵容積效率的影響程度在高凸輪軸轉(zhuǎn)速時(shí)更加顯著。

圖9 余隙容積對(duì)高壓油泵容積效率的影響Fig.9 Volumetric efficiency dependence on camshaft speed at distinct values of clearance volume

4.1.2 柱塞直徑與升程

柱塞的直徑與升程決定了高壓油泵的理論供油量，在確定高壓油泵理論供油量后可以適當(dāng)調(diào)整柱塞的直徑和升程以提高油泵的容積效率。為研究柱塞直徑和升程對(duì)高壓油泵容積效率的影響，分別研究了不同柱塞直徑和最大升程下高壓油泵的容積效率，如圖10(a)和圖10(b)所示?？梢婋S著柱塞直徑和升程的增加，容積效率均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，只有在極低轉(zhuǎn)速工況下，隨著柱塞直徑增大其容積效率反而降低。這是因?yàn)殡S著柱塞最大升程的增加，油泵排量增大且柱塞與柱塞套之間的接觸長(zhǎng)度增加，抑制了燃油泄漏，配合間隙內(nèi)燃油泄漏量減小，因此容積效率升高。而隨著柱塞直徑增加，盡管相同配合間隙下柱塞偶件間的泄漏面積增加，燃油泄漏量有所增加，但油泵排量增大引起容積效率提高更明顯，只有在極低轉(zhuǎn)速下泄漏時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致容積效率下降。本文在保證柱塞余隙容積相同且柱塞理論排量不變的情況下研究了柱塞直徑與升程對(duì)高壓油泵容積效率的影響，如圖10(c)所示。由圖可見細(xì)長(zhǎng)的柱塞容積效率高于短粗的柱塞，且柱塞長(zhǎng)徑比對(duì)容積效率的影響程度在低凸輪軸轉(zhuǎn)速下更加顯著，這是因?yàn)橹桃鹑莘e效率變化比柱塞直徑對(duì)容積效率的影響更顯著，另外低轉(zhuǎn)速下柱塞泄漏時(shí)間長(zhǎng)，因此柱塞直徑和升程對(duì)容積效率的影響程度在低凸輪軸轉(zhuǎn)速下更加顯著。

圖10 柱塞直徑與升程對(duì)高壓油泵容積效率的影響Fig.10 Volumetric efficiency dependence on camshaft speed at distinct values of plunger diameter and lift

4.1.3 凸輪型線

在共軌系統(tǒng)中由于共軌管的存在，將燃油系統(tǒng)的供油與噴油完全分離，噴油壓力和噴油定時(shí)不再受凸輪型線的影響，此時(shí)凸輪型線通過改變供油規(guī)律的方式對(duì)油泵容積效率產(chǎn)生影響。為研究凸輪型線對(duì)高壓油泵容積效率的影響規(guī)律，分析了不同凸輪供油角下容積效率的變化規(guī)律。如圖11(a)為凸輪升程相同，柱塞供油角度不同的三條凸輪型線，圖11(b)為三條不同凸輪型線所對(duì)應(yīng)的柱塞運(yùn)動(dòng)速度。

圖11 凸輪型線升程與速度Fig.11 Plunger lift and velocity of plunger at various fuel supply angle

圖12為占空比100%、軌壓120 MPa工況下不同凸輪型線對(duì)高壓油泵容積效率的影響，由圖12可見高壓油泵容積效率隨凸輪供油角度的增加而降低，且凸輪供油角度對(duì)容積效率的影響程度隨凸輪軸轉(zhuǎn)速的增加而減小。這是因?yàn)樵陔p作用凸輪中柱塞完成一次供、吸油凸輪轉(zhuǎn)過180°CA，隨著供油角度的增加，柱塞吸油角度減小，吸油時(shí)間變短但柱塞運(yùn)動(dòng)速度增加，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)油閥吸油流率呈現(xiàn)圖13(a)所示變化趨勢(shì)，隨著柱塞供油角度的增加，進(jìn)油閥流率的最大值增加，但進(jìn)油閥開啟時(shí)間滯后，關(guān)閉時(shí)間不變，進(jìn)油閥開啟持續(xù)時(shí)間縮短，因此柱塞吸油量隨供油角變化不明顯。另一方面，隨著柱塞供油角度的增加，柱塞供油時(shí)間長(zhǎng)，柱塞腔長(zhǎng)期維持高壓狀態(tài)，燃油泄漏量增加。進(jìn)而導(dǎo)致出油閥流率呈現(xiàn)圖13(b)所示變化趨勢(shì), 隨著柱塞供油角度的增加，出油閥流率的最大值減小明顯，盡管出油閥開啟和關(guān)閉時(shí)間都滯后，但其開啟持續(xù)時(shí)間稍有增加，總的來說出油量下降，所以隨著柱塞供油角度的增加高壓油泵容積效率減小。在低凸輪軸轉(zhuǎn)速下高壓油泵泄漏時(shí)間長(zhǎng)，柱塞泄漏量在時(shí)間上的積累效果更明顯，因此凸輪型線供油角度的變化在低轉(zhuǎn)速下對(duì)油泵容積效率影響更大。

圖12 不同凸輪供油角對(duì)高壓油泵容積效率的影響Fig.12 Volumetric efficiency dependence on camshaft speed at distinct values of fuel supply angle

圖13 不同凸輪型線對(duì)進(jìn)、出油閥流率的影響Fig.13 Flow rate of inlet valve and outlet valve at various fuel supply angle

4.1.4 進(jìn)油閥

在高壓油泵工作過程中，當(dāng)柱塞吸油時(shí)進(jìn)油閥開啟出油閥關(guān)閉，用來保證柱塞的正常吸油以及防止高壓油管中的燃油回流；當(dāng)柱塞壓油時(shí)出油閥開啟進(jìn)油閥關(guān)閉，用來保證高壓燃油的順利供應(yīng)以及防止柱塞腔內(nèi)的高壓燃油回流到低壓油路中?？梢娫诟邏河捅霉ぷ鬟^程中，進(jìn)油閥、出油閥的及時(shí)開啟和關(guān)閉是高壓油泵高效穩(wěn)定工作的前提。

如圖14所示為進(jìn)油閥彈簧預(yù)緊力對(duì)高壓油泵容積效率的影響，由圖可見在一定范圍內(nèi)彈簧預(yù)緊力變化對(duì)容積效率沒有明顯影響，但在低轉(zhuǎn)速下，進(jìn)油閥彈簧預(yù)緊力過大會(huì)導(dǎo)致容積效率降低，而在高轉(zhuǎn)速下預(yù)緊力過小也會(huì)導(dǎo)致容積效率降低。這是因?yàn)閺椈深A(yù)緊力太大時(shí)不利于進(jìn)油閥的開啟,尤其是低轉(zhuǎn)速下在進(jìn)油閥吸油過程中柱塞腔內(nèi)壓力下降緩慢，導(dǎo)致進(jìn)油量減少。而彈簧預(yù)緊力太小時(shí)，則進(jìn)油閥關(guān)閉動(dòng)作緩慢, 尤其高轉(zhuǎn)速下在柱塞供油行程時(shí)柱塞腔內(nèi)建壓迅速，從而造成回油量的增多。如圖15所示為進(jìn)油閥彈簧剛度對(duì)高壓油泵容積效率的影響，由圖可見進(jìn)油閥彈簧剛度對(duì)容積效率基本沒有影響，理論上進(jìn)油閥彈簧剛度對(duì)容積效率的影響應(yīng)與彈簧預(yù)緊力一致，但由于進(jìn)油閥開啟位移很小，所以影響并不明顯。

4.1.5 出油閥

如圖16和圖17所示分別為出油閥彈簧預(yù)緊力和剛度對(duì)容積效率的影響，可見出油閥參數(shù)對(duì)高壓油泵容積效率沒有明顯影響。因?yàn)槌鲇烷y連接柱塞腔與高壓油管，由于高壓油管內(nèi)的壓力很高，將出油球閥壓在閥座上，與高壓油管內(nèi)的燃油壓力相比，出油閥彈簧剛度和預(yù)緊力變化很小，難以對(duì)出油閥的動(dòng)作響應(yīng)和位移產(chǎn)生明顯影響，因此出油閥彈簧剛度和預(yù)緊力對(duì)高壓油泵容積效率沒有明顯影響。

圖14 進(jìn)油閥彈簧預(yù)緊力對(duì)容積效率的影響Fig.14 Volumetric efficiency dependence on inlet valve spring pre-tightening force at distinct values of camshaft speed

圖15 進(jìn)油閥彈簧剛度對(duì)容積效率的影響Fig.15 Volumetric efficiency dependence on camshaft speed at distinct values of inlet valve spring stiffness

圖16 出油閥彈簧預(yù)緊力對(duì)容積效率的影響Fig.16 Volumetric efficiency dependence on camshaft speed at distinct values of outlet valve spring pre-tightening force

4.1.6 燃油溫度

隨著高壓油泵供油壓力的提高，燃油可壓縮性對(duì)柱塞腔內(nèi)建壓過程的影響更加顯著，由于燃油的可壓縮性受到其粘度、密度和彈性模量等物性參數(shù)的影響，而燃油的物性參數(shù)又取決于其燃油種類、溫度和壓力等因素。油箱燃油溫度對(duì)高壓油泵容積效率的影響規(guī)律如圖18所示，由圖可見高壓油泵容積效率隨燃油溫度的升高而下降。一方面隨著燃油溫度的升高燃油的粘度、密度、彈性模量和音速都減小，在達(dá)到相同壓力的前提下，單位體積的燃油被壓縮所需要的壓縮能增加，導(dǎo)致余隙容積內(nèi)壓縮燃油量增加；另一方面，燃油被壓縮過程中部分液壓能轉(zhuǎn)化為熱能，隨著油箱燃油溫度的升高柱塞腔內(nèi)壓縮燃油的溫度相應(yīng)升高，導(dǎo)致柱塞粘度減小、燃油泄漏量增加，綜合考慮以上兩方面，溫度變化引起燃油泄漏更為顯著，因此容積效率隨溫度的升高而下降，但由于在低轉(zhuǎn)速下柱塞供油時(shí)間長(zhǎng)、泄漏量大，故燃油溫度對(duì)高壓油泵容積效率的影響在低轉(zhuǎn)速下更明顯。

圖17 出油閥彈簧剛度對(duì)容積效率的影響Fig.17 Volumetric efficiency dependence on camshaft speed at distinct values of outlet valve spring stiffness

圖18 燃油溫度對(duì)高壓油泵容積效率的影響Fig.18 Volumetric efficiency dependence on fuel temperature at distinct values of camshaft speed

4.2 容積效率影響參數(shù)相關(guān)性分析

4.2.1 無交互作用下參數(shù)對(duì)容積效率的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是通過計(jì)算相關(guān)性系數(shù)定量分析兩個(gè)變量之間相關(guān)性的一種分析方法[10]。本文采用CCF響應(yīng)面試驗(yàn)方法，分析了高壓油泵在高速(1 600 r/min)、中速(1 000 r/min)、低速(400 r/min)三種運(yùn)行工況下，柱塞余隙容積、柱塞直徑、柱塞升程、凸輪供油角、進(jìn)油閥彈簧預(yù)緊力、進(jìn)油閥彈簧剛度、出油閥彈簧預(yù)緊力、出油閥彈簧剛度、燃油溫度等9個(gè)特性參數(shù)對(duì)高壓油泵容積效率的影響相關(guān)性分析，如圖19所示。

1-余隙容積，2-柱塞直徑，3-柱塞升程，4-凸輪供油角，5-進(jìn)油閥彈簧預(yù)緊力，6-進(jìn)油閥彈簧剛度，7-出油閥彈簧預(yù)緊力，8-出油閥彈簧剛度，9-燃油溫度.圖19 無交互作用下特性參數(shù)與容積效率的相關(guān)系數(shù)Fig.19 Correlation of factors with volumetric efficiency under no interaction condition

可見在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)與容積效率相關(guān)系數(shù)大的參數(shù)主要集中在柱塞、凸輪以及燃油屬性等，而進(jìn)油閥和出油閥參數(shù)與容積效率相關(guān)系數(shù)較小。其中，余隙容積、凸輪供油角和燃油溫度與容積效率呈負(fù)相關(guān)，而柱塞直徑和升程與容積效率呈正相關(guān)，此外，柱塞升程與容積效率的相關(guān)性較柱塞直徑與容積效率的相關(guān)性更大，這也驗(yàn)證了前面在關(guān)鍵參數(shù)對(duì)容積效率的影響研究中，保證柱塞理論排量相同的情況下，由于柱塞升程對(duì)容積效率影響更為顯著，因此細(xì)長(zhǎng)的柱塞容積效率高于短粗的柱塞。由圖19還可見各參數(shù)與容積效率的相關(guān)性從大到小排列依次是柱塞升程、余隙容積、凸輪供油角、柱塞直徑、燃油溫度，且在高轉(zhuǎn)速下，余隙容積、柱塞直徑、柱塞升程與容積效率的相關(guān)性大，而凸輪供油角與容積效率的相關(guān)性在低轉(zhuǎn)速下較大。

4.2.2 交互作用下參數(shù)對(duì)容積效率的相關(guān)性分析

無交互作用下容積效率的相關(guān)性分析得出了影響高壓油泵容積效率顯著的主要因素，研究了各主要影響參數(shù)對(duì)容積效率的影響規(guī)律，為進(jìn)一步研究高壓油泵供油過程中各參數(shù)之間交互作用對(duì)容積效率的影響，除去對(duì)容積效率影響小的進(jìn)油閥、出油閥參數(shù)，研究柱塞余隙容積、柱塞直徑、柱塞升程、凸輪供油角以及燃油溫度等參數(shù)在交互作用下對(duì)高壓油泵容積效率的影響，如圖20所示為選取的5個(gè)參數(shù)在交互作用下產(chǎn)生的15個(gè)二次因子在高壓油泵高速(1 600 r/min)、中速(1 000 r/min)、低速(400 r/min)工況下與容積效率的相關(guān)性分析結(jié)果。

與容積效率相關(guān)性較明顯的二次因子為1、2、3、4、5、7、10、13、14、15，其中因子1、2、3、4、5分別是柱塞余隙容積、柱塞直徑、柱塞升程、凸輪供油角以及燃油溫度等5個(gè)參數(shù)自身交互作用產(chǎn)生的二次因子，參數(shù)自身交互作用產(chǎn)生的二次因子是影響容積效率的主要二次因子且與容積效率均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，且均在高轉(zhuǎn)速下相關(guān)系數(shù)更大，而中低速時(shí)相關(guān)系數(shù)基本沒有變化；其中二次因子2、3與容積效率的相關(guān)性和無交互作用下該參數(shù)的一次因子與容積效率的相關(guān)性相反，二次因子2、4、5的相關(guān)系數(shù)與相應(yīng)參數(shù)一次因子的相關(guān)系數(shù)處于同一量級(jí)甚至超過了一次因子的相關(guān)系數(shù)。這說明參數(shù)自身交互作用的二次因子與容積效率的相關(guān)性存在與參數(shù)本身一次因子與容積效率的相關(guān)性的變化規(guī)律不同的現(xiàn)象，增加了系統(tǒng)的非線性程度。

1.余隙容積&余隙容積，2.柱塞直徑&柱塞直徑，3.柱塞升程&柱塞升程，4.凸輪供油角&凸輪供油角，5.燃油溫度&燃油溫度，6.余隙容積&柱塞直徑，7.余隙容積&柱塞升程，8.余隙容積&凸輪供油角，9.余隙容積&燃油溫度，10.柱塞直徑&柱塞升程，11.柱塞直徑&凸輪供油角，12.柱塞直徑&燃油溫度，13.柱塞升程&凸輪供油角，14.柱塞升程&燃油溫度，15.凸輪供油角&燃油溫度.圖20 交互作用下二次因子與容積效率的相關(guān)系數(shù)Fig.20 Correlation of second order factors with volumetric efficiency under second order interaction condition

因子7、10、13、14、15為不同參數(shù)交互作用下的二次因子，其中因子7為柱塞余隙容積和柱塞直徑在交互作用下產(chǎn)生的二次因子，因子10為柱塞直徑和柱塞升程交互作用二次因子，因子13為柱塞升程和凸輪供油角交互作用二次因子，因子14為柱塞升程和燃油溫度交互作用二次因子，因子15為凸輪供油角和燃油溫度，二次因子10與容積效率相關(guān)系數(shù)在高轉(zhuǎn)速下很大且基本隨著轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)，而二次因子7、13、14、15與容積效率的相關(guān)系數(shù)隨轉(zhuǎn)速呈無規(guī)律變化，其中二次因子13與容積效率的相關(guān)系數(shù)甚至存在正負(fù)方向的變化，這說明高壓油泵參數(shù)間相互作用的二次因子與容積效率為非線性關(guān)系，當(dāng)油泵處于低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)，上述二次因子對(duì)容積效率有明顯影響，引起循環(huán)供油量波動(dòng)，加劇了高壓油泵供油特性的非線性程度，導(dǎo)致油泵工作穩(wěn)定性和可控性變差。在不同參數(shù)之間的交互作用中，柱塞相關(guān)參數(shù)間的耦合作用最顯著，因此優(yōu)化柱塞結(jié)構(gòu)，在保證理論供油量前提下進(jìn)行柱塞直徑、升程及余隙容積之間的解耦，是提高高壓油泵容積效率的重要手段之一。

5 結(jié)論

1)建立了高壓油泵仿真模型，并在高壓油泵供油特性試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了供油特性試驗(yàn)，利用仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性。

2)控制信號(hào)占空比對(duì)容積效率的影響存在飽和區(qū)，當(dāng)占空比小于30%時(shí)，容積效率基本不隨占空比變化；在一定占空比范圍內(nèi)，容積效率與占空比呈正比關(guān)系逐漸增大；當(dāng)占空比達(dá)到一定值后，容積效率也達(dá)到最大值并不再受占空比影響。在占空比飽和區(qū)的全工況下，高壓油泵的容積效率隨軌壓的降低、凸輪軸轉(zhuǎn)速的增加而上升，且在低凸輪軸轉(zhuǎn)速下軌壓對(duì)容積效率影響更明顯。

3)高壓油泵的容積效率主要受柱塞余隙容積、柱塞直徑與升程、凸輪供油角、燃油溫度等參數(shù)的影響，進(jìn)油閥參數(shù)和出油閥參數(shù)在一定范圍內(nèi)對(duì)容積效率影響不明顯。容積效率隨著余隙容積和凸輪供油角的減小、柱塞直徑和升程的增加呈上升趨勢(shì)，且柱塞余隙容積對(duì)容積效率的影響在高凸輪軸轉(zhuǎn)速下更為顯著，而凸輪供油角以及柱塞長(zhǎng)徑比對(duì)容積效率的影響在低轉(zhuǎn)速時(shí)更加顯著。容積效率不僅受各參數(shù)本身的影響，還受到參數(shù)間交互作用二次因子的影響。

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本文引用格式：

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Volumetric efficiency of a high-pressure supply pump for high-pressure common rail systems

FAN Liyun, DONG Xiaolu, BAI Yun, MA Xiuzhen, SONG Enzhe

(College of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The volumetric efficiency of a high-pressure pump determines fuel supply performance. To study the influence parameters of volumetric efficiency for a high-pressure pump and increase the working pressure for high-pressure common rail systems, a numerical simulation model of a high-pressure pump was established on the AMESim platform. The accuracy of the simulation model was validated by comparing the simulated and experimental cycle fuel supply quantities. The influence mechanism of the volumetric efficiency was studied through the simulation model under overall operating conditions. The influence law of parameters on volumetric efficiency was studied under a typical operating condition. Correlation analysis was used to study the variation law of high-pressure pump parameters with volumetric efficiency under parameter interaction or without such interaction. Conclusions show that the influence of duty ratio on volumetric efficiency exists in a saturated zone in which volumetric efficiency is no longer affected by duty ratio. Parameters such as clearance volume, plunger diameter and lift, cam profile, and fuel temperature have a remarkable influence on volumetric efficiency when no interaction occurs between parameters. The second-order factors under itself interaction of parameter and the interaction of plunger parameters are the most remarkable influence factors when the interaction between parameters is considered. Thus, optimizing plunger parameters and decoupling plunger diameter, plunger lift, and clearance volume with the premise of a theoretical fuel supply can significantly improve the volumetric efficiency of high-pressure pumps.

diesel engine; high pressure common rail; high pressure pump; volumetric efficiency; influence factors; correlation analysis

2016-06-13.

日期：2017-04-26.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51279037，51379041); 教育部科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(113060A).

范立云(1981-), 男, 教授，博士生導(dǎo)師.

范立云，E-mail: fanly_01@163.com.

10.11990/jheu.201606035

TK422

A

1006-7043(2017)08-1254-09

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170426.1801.064.html