基于GT－suite的柴油機共軌管結構研究①

丁官元， 謝春華， 宋艷慧

(湖北水利水電職業(yè)技術學院，湖北武漢430070)

0 引言

高壓共軌技術是未來柴油機燃油系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，其主要部件共軌管的作用是將高壓油泵提供的高壓燃油分配到各噴油器中，起到蓄壓器的作用，從而抑制高壓油泵供油和噴油而產生的壓力波動［1］.共軌壓力直接影響噴射壓力、循環(huán)噴油量和噴油速率等參數的變化，精確的控制共軌壓力能改善噴射特性，提高發(fā)動機的動力性［2］.因此，確定合適的共軌管結構，降低共軌壓力波動量尤為重要.本文分析共軌管容積及其相關影響因素，采用GT－Suite軟件建立4缸柴油機燃油共軌系統(tǒng)模型并計算分析，確定最優(yōu)共軌管的結構參數，提高共軌管的性能.

1 共軌管容積分析

1.1 共軌管容積與壓力建立時間的關系

在發(fā)動機啟動過程中，共軌管壓力升至目標壓力滿足下式［3］:

式中:N為所需供油次數;Pg為共軌管設定的目標軌壓，MPa;P0為發(fā)動機啟動前共軌管內的初始壓力，MPa;d P為供油泵每次供油的共軌管壓力升高值，MPa;E為燃油的彈性模量，MPa;Qp為油泵一次供油量，mm3/行程;V為共軌管容積，mm3.

又知油泵供油次數滿足下式:

式中:n為油泵轉速，r/min;t為軌壓建立時間，s.聯(lián)立式(1)～(2)有:

從式(3)中可知:共軌管容積與軌壓建立的時間、共軌管目標軌壓、共軌管初始軌壓、油泵轉速、燃油彈性模量、油泵一次供油量有關.

1.2 共軌管容積與壓力波動量的關系

假設燃油溫度不變，共軌管內的壓力變化滿足如下關系式［4］:

式中:d P為共軌管內的壓力波動量，MPa;d V為共軌管中燃油的體積變化，mm3;E為燃油的彈性模量，MPa;V為共軌管容積，mm3.

進入共軌管中的燃油，一部分經過噴油器噴射進入燃燒室，一部分由回油管回到油箱.假設噴油器的回油量是每循環(huán)噴油量的γ倍，則從共軌管流出的燃油量是每循環(huán)噴油量的(γ+1)倍，有:

式中:Vp為經高壓油泵出油閥每循環(huán)輸入共軌管的燃油量，mm3;Vb為標定工況下每循環(huán)供油量，mm3.

又知標定工況下每循環(huán)供油量滿足下式:

式中:N為發(fā)動機標定功率，kW;ge為發(fā)動機標定功率時的燃油消耗率，g/(kW·h);n為發(fā)動機轉速，r/min;Z為沖程;i為發(fā)動機噴油器數;ρ為燃油密度，kg /m3.

聯(lián)立式(4)～(6)，有:

從式(7)中可知，共軌管容積與噴油器數、沖程數、發(fā)動機轉速、功率、燃油消耗量，燃油密度、彈性模量及共軌管壓力波動量有關.

2 建立仿真模型

2.1 GT－Suite仿真模型

GT－Suite軟件是美國Gamma Technologies公司開發(fā)的汽車仿真分析系列軟件.其中，GT－fuel部分能通過搭建和設置元件參數直接對發(fā)動機燃油系統(tǒng)進行建模和仿真，如圖1所示.圖中以典型4缸4沖程柴油機共軌系統(tǒng)建立了高壓油泵、燃油濾清器、高壓油管、共軌管和噴油器的供油模型.

圖1 仿真模型圖

2.2 仿真參數設置

目前，柴油機高壓共軌系統(tǒng)最高共軌壓力一般在 1200 ～2000bar［5］，可以設定其中一個具體目標軌壓值.這里，燃油濾清器設置長度100mm，管徑50mm.高壓油管設置管長1500mm，管內徑5mm.共軌管長度受柴油機外形限制，一般在500mm以下，可根據仿真要求設定一個具體值.噴油器設置噴孔數目6，內徑0.2mm.

3 仿真試驗方法與內容

3.1 仿真試驗方法

共軌管的形狀會對軌壓波動產生一定影響，其容積具有消減高壓油泵供油壓力波動和噴油器噴油引起的壓力震蕩，但容積不能太大以保證共軌有足夠的響應速度跟隨柴油機工況的變化［6］.因此，可以選擇不同軌壓下典型的一組容積數據仿真，確定共軌管容積與軌壓建立時間以及共軌管容積與壓力波動量的關系，選擇最優(yōu)容積.再根據共軌管不同的容積，選擇不同長度和內徑值進行仿真，以確定長徑比與壓力波動量的關系，獲得最優(yōu)的長徑比，以確定共軌管在最小壓力波動量時的長度和內徑.

圖2 共軌管容積與時間關系圖

3.2 仿真試驗內容

根據柴油機高壓共軌系統(tǒng)共軌管的基本參數，選擇高壓油泵壓力分別為 1200bar，1400bar，1600bar，1800bar 和 2000bar，共軌管長分別為160mm，240mm，320mm 和 400mm，共軌管內徑分別為8mm，16mm，24mm和32mm，進行軟件仿真.

4 仿真結果與分析

4.1 共軌管容積與壓力建立時間的關系

運行GT－Suite，共軌管容積與時間仿真結果如圖2所示.圖中，共軌管內不同軌壓建立的時間隨最大軌壓和容積的增大而增大.在共軌管容積為20mL時，軌壓建立時間上升較快;在80mL時，軌壓建立時間趨緩;在 320mL以下時，軌壓在2000bar以下建立的時間控制在0.46s以內.

圖3 共軌管容積與軌壓壓力波動關系圖

4.2 共軌管容積與壓力波動量的關系

共軌管容積與壓力波動仿真結果如圖3所示.圖中，共軌管內不同軌壓下，壓力的波動量隨軌壓的增大而增大，隨容積的增大而減小.

圖4 共軌管長徑比與壓力波動關系圖

圖3 為共軌管容積與軌壓壓力波動的關系曲線.從圖3中可知，共軌管容積在低于20mL以內時，軌壓的波動量較大且急劇下降;在20mL～80m;之間時，壓力波動趨緩;在160mL以后，壓力波動低于15bar.綜合圖2和圖3曲線，最優(yōu)容積為21mL.

4.3 共軌管長徑比與壓力波動量的關系

4.3.1 共軌管長徑比與壓力波動量仿真結果

共軌管長徑比與壓力波動仿真結果如圖4所示.圖4中，在共軌管內不同目標軌壓條件下，壓力波動量與長徑比之間沒有較好的曲線關系，但壓力波動量會隨著軌壓的增加而增大，且長徑比在20以下時，壓力波動量低于30bar.

圖5 共軌管長徑比與軌壓適應度關系圖

由于ECU會根據柴油機工況的變化自動調節(jié)目標軌壓，因此，共軌管應滿足不同軌壓條件下壓力波動量具有良好的適應度要求.

4.3.2 共軌管長徑比與壓力適應度分析

適應度來自于遺傳算法(Genetic Algorithm，以下簡稱GA)，由美國密歇根大學J.H.Holland教授創(chuàng)立［7］.GA是一種模仿生物群體進化機制“物競天擇，適者生存”的隨機優(yōu)化算法，它有一個代表了問題可能潛在解集的種群，種群中的個體在選擇、交叉以及變異算子的作用下向更高的適應度進化以達到尋求問題最優(yōu)解的目標［8］.這里可以利用該算法建立共軌管壓力波動的適應度函數，以尋求最佳長徑比.

適應度函數的設計應滿足規(guī)范性、單值、連續(xù)、合理性、計算量簡單和通用性的要求［9］，由此建立共軌管軌壓適應度函數滿足如下:

圖5中，不同目標軌壓曲線在長徑比為18時軌壓適應度最大，即有最優(yōu)長徑比為18.

4.4 共軌管結構選擇

根據共軌管的最優(yōu)容積和長徑比，可確定并數據取整得到4缸柴油機共軌管內徑為11mm，管長為220 mm較為適宜.

5 結論

本文分析了柴油機共軌管容積與軌壓建立時間的關系及軌壓波動量的關系，基于GT－Suite建立了4缸柴油機共軌系統(tǒng)模型，結果顯示:

①共軌管容積與軌壓建立的時間、共軌管目標軌壓、共軌管初始軌壓、油泵轉速、燃油彈性模量、油泵一次供油量有關，且共軌管容積受噴油器數、沖程數、發(fā)動機轉速、功率、燃油消耗量，燃油密度、彈性模量及共軌管壓力波動量影響;

②GT－Suite能簡單方便的完成柴油機燃油共軌系統(tǒng)建模與仿真計算;

③通過仿真結果表明:在目標軌壓一定的條件下，共軌管容積隨軌壓建立時間的增大而增大，在不同目標軌壓條件下，軌壓越大，軌壓建立的時間越長;軌壓的波動量隨目標軌壓的增大而增大，隨容積的增大而減小，可據此選擇共軌管最優(yōu)容積;共軌管內壓力波動與長徑比沒有較好的曲線關系，但可以通過軌壓的適應度確定最優(yōu)長徑比;

④共軌管的結構能減小軌壓的波動量，設計前應做相應的仿真和計算，以便優(yōu)化共軌管結構，降低軌壓波動量.

［1］胡孝偉，錢志博，杜秀群.高壓共軌系統(tǒng)柱塞泵選型與共軌管路分析［J］.機床與液壓，2010，38(17):106 －108.

［2］王軍，張幽彤，仇滔，等.柴油機高壓共軌壓力控制的動態(tài)仿真與分析［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21(9):2492 －2495.

［3］丁士勇，林秀霞，趙奕磊，等.BF6M1015C柴油機高壓共軌系統(tǒng)中共軌管設計［J］.小型內燃機與摩托車，2011，40(5):47－51.

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