高壓共軌噴油系統(tǒng)液力特性的仿真研究

徐春龍

（中國北方發(fā)動機(jī)研究所，山西大同037036）

20世紀(jì)末以來，隨著世界各國對于內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)和排放指標(biāo)的逐步提高，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)上。在柴油機(jī)領(lǐng)域，電控燃油噴射技術(shù)飛速發(fā)展，特別是高壓共軌噴油系統(tǒng)正逐步成為未來柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的主流，被內(nèi)燃機(jī)行業(yè)公認(rèn)為二十世紀(jì)3大突破之一［1］。高壓共軌噴油系統(tǒng)燃油噴射特性主要受高壓共軌噴油系統(tǒng)液力特性——高壓燃油受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)約束和系統(tǒng)內(nèi)殘余壓力的影響而產(chǎn)生的流體動力學(xué)特征的變化規(guī)律即系統(tǒng)內(nèi)密度、壓力、體積流量的變化規(guī)律影響。

針對目前國內(nèi)外的研究情況，為高壓共軌噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)研究提供可靠依據(jù)，本文希望用準(zhǔn)確的仿真模型對高壓共軌噴油系統(tǒng)的液力過程進(jìn)行仿真，通過研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)液力特性的影響明確結(jié)構(gòu)對共軌系統(tǒng)燃油噴射特性的影響規(guī)律。本文參照某型高壓共軌系統(tǒng)建立了其液力過程的仿真模型。著重研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對于系統(tǒng)液力特性的影響，總結(jié)了結(jié)構(gòu)對高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)燃油噴射特性的影響規(guī)律。并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了主要的影響參數(shù)，提出了高壓共軌噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向。

1 基于Hydsim的高壓共軌噴油系統(tǒng)液力過程仿真模型建立

1.1 Hydsim軟件簡介

Hydsim是奧地利AVL公司開發(fā)的液壓和液力機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件，以一維流體動力學(xué)和多剛體動力學(xué)為基礎(chǔ)，用于各種內(nèi)燃機(jī)的高壓燃油噴射系統(tǒng)的模擬分析。Hydsim軟件的計(jì)算模型己進(jìn)行了模塊化處理，包含各種電控元件、液力和機(jī)械元件，按其類型和功能組合成功能組元，供油泵、調(diào)壓單元和噴油器的各個部分都可以在這些組元中找到相應(yīng)的元件，將這些元件按相應(yīng)的連接方式組合起來，就構(gòu)成了共軌噴射系統(tǒng)模擬計(jì)算的物理模型［2］。按結(jié)構(gòu)和功能的不同，Hydhm軟件有18個功能組元：邊界組、凸輪組、剛性質(zhì)量組、活塞組、容積組、油管組、彎曲管組、分流元件組、泵油元件組、泄漏組、控制元件組、閥組、節(jié)流元件組、電磁線圈組、壓電激勵組、流量孔組、噴油嘴組和針閥組。在每個組元中，還可以根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及功能上的差別選擇不同的元件。

利用Hydsim進(jìn)行模擬分析是一種有意義的輔助設(shè)計(jì)手段。研究試驗(yàn)結(jié)果表明用Hydsim對Denso的ECD－U2P等系統(tǒng)模擬計(jì)算的結(jié)果可取得與實(shí)測結(jié)果較好的一致性。這表明使用Hydsim軟件對高壓共軌噴油系統(tǒng)進(jìn)行模擬可以用于共軌系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)［3－4］。

1.2 系統(tǒng)建模

建立某高壓共軌噴油系統(tǒng)液力過程的仿真模型如圖1。

圖1 高壓共軌噴油系統(tǒng)液力過程仿真模型

模型由高壓油泵接口組件、共軌管組件、電控噴油器接口組件、電控噴油器入口高壓油路、電控噴油器噴嘴組件、電控噴油器控制腔組件、電控噴油器低壓回油油路組成，參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)表

2 高壓共軌噴油系統(tǒng)液力過程分析

供油壓力設(shè)定為150MPa進(jìn)行仿真，圖2（a）～（g）分別為噴嘴蓄壓腔壓力、控制腔壓力、針閥升程、控制腔瀉油速率、噴油規(guī)律、噴油量、共軌壓力波動曲線。

高壓共軌各段的壓力波動近似于正弦波動。各段的壓力波動各不相同，共軌第1段的壓力波動周期最長，共軌2至4段波動周期逐漸增大。共軌1段、4段壓力波動幅度較大，2段、3段壓力波動幅度較小。

噴油器電磁閥開啟后同時出現(xiàn)高壓燃油噴射及低壓回油，造成噴油器內(nèi)燃油減少，共軌內(nèi)燃油不斷流入噴油器控制腔及蓄壓腔。由于短時間內(nèi)噴油量相對蓄壓腔容積較小且燃油不斷流入，蓄壓腔壓力波動較小，在燃油噴射過程中可近似視為恒壓源，這是保證燃油快速噴射的重要原因之一。而控制腔體積較小，瀉油速率則接近噴油速率，燃油流入流出對控制腔內(nèi)壓力影響極大。因此，高壓共軌噴油系統(tǒng)主要是通過控制電磁閥的啟閉控制控制腔內(nèi)燃油量，實(shí)現(xiàn)蓄壓腔與控制腔壓力差的變化，最終影響針閥的啟閉，實(shí)現(xiàn)對燃油噴射的控制。

電磁閥打開后控制腔壓力開始快速下降至100 MPa以下。此時蓄壓腔壓力比控制腔壓力大很多，因此控制活塞開始上升，針閥抬起，控制腔容積變小，壓力有所上升但不影響針閥的抬起。1.6ms時控制腔壓力開始下降，可推測，此時控制活塞上升到了控制腔入口位置，控制腔停止進(jìn)油，與蓄壓腔的壓力差也進(jìn)一步加大，針閥抬起速度略有加快?？刂魄粔毫υ?.8ms左右達(dá)到最小值，與蓄壓腔的壓力差達(dá)到最大。電磁閥關(guān)閉后控制腔壓力開始重新建立，但蓄壓腔壓力始終高于控制腔壓力，因此針閥依然保持開啟。2.15ms后蓄壓腔與控制腔壓力差小于針閥預(yù)緊力，控制活塞開始下行，針閥開始落座，繼而使噴油率下降，噴油逐漸結(jié)束?？刂苹钊滦羞^程中由于控制腔容積的增大，壓力又一次下降。此時針閥完全落座后控制腔容積不再變化，內(nèi)部壓力開始上升至正常值。

圖2 高壓共軌噴油系統(tǒng)液力過程仿真結(jié)果

由圖2（e）可見，噴油持續(xù)期1.25ms。噴油規(guī)律與針閥升程曲線相似，差別在于當(dāng)針閥升程在其最大升程2／3以上時，噴油速率與針閥升程幾乎無關(guān)，這是因?yàn)楫?dāng)針閥上升至一定高度時噴嘴流通截面積大于噴孔流通面積，此時噴油速率主要受噴孔流通面積制約。由噴油量曲線可以發(fā)現(xiàn)，噴油速率上升及下降階段時間很短且噴油量較少，約占總噴油量的20%，燃油噴射集中、噴油量大。這符合對燃油噴射的需求，如果對電磁閥進(jìn)行合理控制則可實(shí)現(xiàn)理想的靴型燃油噴射。

3 噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃油噴射的影響

3.1 控制腔容積的影響

分別設(shè)置控制腔容積10、15、20、25、30mm3進(jìn)行仿真，得到了控制腔容積對共軌系統(tǒng)燃油噴射的影響如圖3。

圖3 噴油器控制腔容積的影響

控制腔容積越小，電磁閥開啟后控制腔內(nèi)壓力下降越快，電磁閥關(guān)閉后壓力重建也越快，又因?yàn)榭刂魄蝗莘e對蓄壓腔內(nèi)壓力幾乎沒有影響，因此控制腔容積越小噴油起始時刻及噴油結(jié)束時刻均提前，而噴油持續(xù)期基本不變?？梢?，較小的控制室容積可以提高系統(tǒng)的液力響應(yīng)速度。如何通過合理的設(shè)計(jì)減小噴油器控制腔的容積是噴油器設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問題之一。

3.2 控制腔進(jìn)出口孔徑的影響

控制腔進(jìn)口直徑din與控制腔出口直徑dout對控制腔燃油壓力有很大影響，進(jìn)而對燃油噴射過程產(chǎn)生影響。為研究控制腔進(jìn)出口孔徑對噴油系統(tǒng)的影響，分別設(shè)置控制腔進(jìn)口直徑分別為0.24、0.26、0.28mm，dout／din為1.1，得到了控制腔進(jìn)出口孔徑對共軌系統(tǒng)燃油噴射的影響如圖4。

圖4 噴油器控制腔進(jìn)出口孔徑的影響

控制腔進(jìn)出口孔徑對噴油規(guī)律及噴油量影響很大?？刂魄贿M(jìn)出口孔徑越大，噴油速率上升及下降越快，噴油持續(xù)期越短，對噴油速率最大值影響不大，但由于噴油持續(xù)期的減小噴油量也隨之減小。這是由于隨著控制腔進(jìn)出口孔徑越大，但孔徑比不變，因此電磁閥開啟后控制腔內(nèi)壓力變化情況基本相同，噴油起始點(diǎn)不變。但當(dāng)控制活塞上升將控制腔入口封閉后控制腔內(nèi)燃油流出速度增大，使噴油速率上升加快。而電磁閥關(guān)閉后由于燃油只進(jìn)不出，因此隨著控制腔進(jìn)出口孔徑的增大燃油流入速度增大，壓力重建更快，針閥落座提前，噴油持續(xù)期減小。但控制腔進(jìn)出口孔徑過大則會對控制腔的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，不利于小容積控制腔的設(shè)計(jì)。

3.3 控制腔進(jìn)出口孔徑比的影響

dout／din即控制腔出口孔徑與入口孔徑之比也對噴油特性有很大影響。為研究其影響，設(shè)控制腔進(jìn)口節(jié)流閥孔徑為0.24mm，dout／din分別設(shè)置為1.05，1.1，1.2，1.3，1.5，得到dout／din對共軌系統(tǒng)燃油噴射的影響。

圖5 dout／din的影響

dout／din越大則噴油起始點(diǎn)越早、噴油速率上升及下降越快、噴油持續(xù)期越長、噴油量越大。這是因?yàn)閐out／din越大，電磁閥開后控制腔瀉油速率就越大，控制腔壓力從電磁閥開啟時刻就以更快速下降，因此噴油提前，噴油速率上升加快且控制腔內(nèi)的燃油量更少；電磁閥關(guān)閉后控制腔入口孔徑不變而控制腔內(nèi)燃油量更少，因此控制腔壓力重建過程相對更慢，使噴油速率下降更遲，噴油持續(xù)期變長?？傮w而言，適當(dāng)增大dout／din有助于提高噴油量及液力響應(yīng)速度。

4 結(jié)論及展望

（1）高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)主要通過電磁閥的啟閉控制控制腔內(nèi)的燃油壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蓄壓腔及控制腔的壓力差，從而實(shí)現(xiàn)針閥的開啟，實(shí)現(xiàn)燃油噴射。

（2）高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響系統(tǒng)燃油噴射的主要因素，噴油器結(jié)構(gòu)對燃油噴射的影響主要是通過對系統(tǒng)液力特性的影響實(shí)現(xiàn)的。高壓共軌噴油器控制腔參數(shù)是影響系統(tǒng)燃油噴射特性的主要因素，包括控制腔容積、控制腔進(jìn)出口孔徑及控制腔進(jìn)出口孔徑比。

（3）控制腔容積主要影響噴油器液力響應(yīng)速度，控制腔進(jìn)出口孔徑對噴油器響應(yīng)速度也有影響，但對噴油規(guī)律影響更為主要。對噴油器控制腔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高液力響應(yīng)速度、優(yōu)化噴油規(guī)律。

［1］劉斌彬，等.柴油機(jī)電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)研究進(jìn)展［J］.山東內(nèi)燃機(jī)，2005，（06）：1－4.

［2］何建元.柴油機(jī)共軌式燃油系統(tǒng)及電控噴油器的仿真研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)，2007.

［3］張建新，等.高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油量特性影響的研究［J］.現(xiàn)代車用動力，2003，（1）：1－5.

［4］張明陽，等.高壓共軌噴油器設(shè)計(jì)參數(shù)的仿真研究［C］.SAE－C2008P108，2008.