柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)環(huán)形縫隙流動(dòng)的粘溫特性

蘇海峰， 孫 茜， 曲莉娜， 馮國(guó)勝

(1.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 石家莊 050081；2.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度范圍很寬.柴油的物理性質(zhì)受溫度影響較大.柴油溫度會(huì)影響柴油的粘度、密度、彈性模量和聲速等特性，造成噴油器噴油特性和高壓油泵供油特性的改變，進(jìn)而影響燃油供給系統(tǒng)噴油量的精確控制，產(chǎn)生油量控制誤差.在環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)定的高溫和低溫適應(yīng)性標(biāo)定中，噴油溫度補(bǔ)償?shù)木_控制對(duì)改善柴油機(jī)的啟動(dòng)性能，增加循環(huán)噴油量的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，提高啟動(dòng)過(guò)程的振動(dòng)噪聲和排放性能，保證怠速過(guò)渡工況的轉(zhuǎn)速平順性特別重要[1-2].要完成高壓共軌系統(tǒng)ECU(電控單元)在各種苛刻環(huán)境下的調(diào)整適應(yīng)功能，需要掌握不種溫度下的噴油器和高壓泵的工作特性參數(shù)，以進(jìn)行噴油控制中的溫度補(bǔ)償.

柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)程完全分開(kāi).燃油壓力由高壓泵產(chǎn)生，其壓力大小由電磁壓力調(diào)節(jié)閥控制，不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量的影響，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)的所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)根據(jù)工作需要進(jìn)行連續(xù)壓力調(diào)節(jié)，以獲得需要的燃油壓力.電控噴油器工作時(shí)，電控單元作用于噴油器電磁閥上的脈沖信號(hào)控制燃油的噴射過(guò)程.噴油量的大小取決于燃油軌中的油壓、電磁閥開(kāi)啟時(shí)間的長(zhǎng)短及燃油的流動(dòng)特性.已有文獻(xiàn)對(duì)噴油器噴射過(guò)程的溫度特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究[3-5].本文通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)柴油在環(huán)形縫隙流動(dòng)的粘溫特性進(jìn)行研究，并總結(jié)分析高壓泵壓力調(diào)節(jié)的溫度特性.

1 燃油物理性質(zhì)的溫度特性

燃油的動(dòng)力粘度μ、燃油的密度ρ、燃油的體積彈性模量K、聲速a等參數(shù)隨著燃油溫度和壓力的變化而發(fā)生改變[6-7]，飽和蒸氣壓pr隨溫度而改變.試驗(yàn)用柴油在101.3 kPa，20 ℃時(shí)的密度為821 kg/m3；彈性模量K為1550 MPa；聲速a為1360 m/s；燃油的動(dòng)力粘度μ0=0.004 607 Pa·s；20 ℃時(shí)的飽和蒸氣壓pr=300 Pa.

液體粘度的大小取決于分子間距和分子引力，當(dāng)溫度升高或壓強(qiáng)降低時(shí)，液體膨脹，分子間距增大，分子引力減小，故粘度下降；反之，溫度降低或壓強(qiáng)升高時(shí)，液體粘度增大.

在溫度一定的情況下，燃油的密度隨壓力的升高而增加，壓力越高，增加的趨勢(shì)越小；在壓力一定的情況下，燃油的密度隨溫度的升高而減小.

溫度一定時(shí)，燃油的彈性模量隨壓力的升高而增大，且壓力越高，變化越迅速；壓力一定時(shí)，燃油的彈性模量隨溫度的升高而降低.

在研究高壓共軌系統(tǒng)的溫度特性時(shí)，選用BOSCH第二代電磁式高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)正常工況下的單次噴射試驗(yàn).油箱溫度控制在0～60 ℃，每間隔10 ℃進(jìn)行一組試驗(yàn).軌壓范圍40～130 MPa，間隔10 MPa.噴油脈寬范圍0.3～1.5 ms，間隔0.1 ms.圖1為電磁式噴油器結(jié)構(gòu)示意圖.

1-回油口；2-銜鐵；3-電磁線圈；4-控制球閥；5-進(jìn)油口；6-出油孔(Z孔)；7-控制腔；8-進(jìn)油孔(A孔)；9-液壓挺柱；10-進(jìn)油道；11-蓄壓腔； 12-針閥

圖1電磁式噴油器結(jié)構(gòu)圖

2 高壓共軌噴油器回油量的溫度特性

為研究不同溫度下柴油的動(dòng)力粘度的溫度特性，在進(jìn)行單次噴射試驗(yàn)的同時(shí)，也對(duì)各種工況下的回油量進(jìn)行了測(cè)量.利用脈寬為零，即不噴油狀態(tài)的回油數(shù)據(jù)，來(lái)計(jì)算和比較柴油在不同壓力、溫度下的動(dòng)力粘度.

2.1 噴油器回油特性試驗(yàn)

電控噴油器是高壓共軌電控噴油系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件之一.要實(shí)現(xiàn)理想的噴油特性，尤其是高壓噴射和超高壓噴射，必須研究噴油器精密偶件的泄漏問(wèn)題[7].回油量是噴油器運(yùn)動(dòng)件間隙的泄露量和控制腔泄油量的總和.高壓共軌噴油器的精密偶件主要有液壓挺柱、密封閥套、針閥、針閥座等，見(jiàn)圖1中件9和件12.與噴油量相比，回油量的影響因素比較簡(jiǎn)單.可近似認(rèn)為在運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)件的間隙不變，因此，噴油器運(yùn)動(dòng)件間隙的柴油泄露量除與壓力和粘度有關(guān)外，還與運(yùn)動(dòng)件的間隙有關(guān)，而與運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)升程無(wú)關(guān).控制腔的控制球閥的運(yùn)動(dòng)特性取決于ECU向噴油器發(fā)出的驅(qū)動(dòng)電流.試驗(yàn)和仿真均證明，控制球閥的運(yùn)動(dòng)速度較快，與針閥的運(yùn)動(dòng)相比，可以忽略開(kāi)啟延時(shí)和關(guān)閉延時(shí)造成的持續(xù)期的差別以及對(duì)最大升程的影響，認(rèn)為控制球閥的開(kāi)啟持續(xù)期等于噴油脈寬，控制球閥的升程一直保持在最大或關(guān)閉狀態(tài).軌壓一定時(shí)，控制腔泄油量除了與壓力和粘度有關(guān)外，只取決于噴油脈寬.

圖2顯示了單個(gè)噴油器的回油體積流量隨溫度的變化特性.

a 40 MPa時(shí)

b 70 MPa時(shí)

c 100 MPa時(shí)

d 130 MPa時(shí)

圖2中橫軸表示噴油脈寬(ET)；縱軸表示回油體積流量Qv，單位為mL/s.每個(gè)圖均顯示一種軌壓下4種溫度的回油體積流量的對(duì)比情況，每條曲線代表一種溫度下所有噴油脈寬的回油體積流量.單個(gè)噴油器的回油量由試驗(yàn)中的4個(gè)噴油器回油量總和經(jīng)過(guò)平均得到.可以看到，在一定軌壓下，回油量隨著噴油脈寬的增加而線性增大，這是由噴油脈寬增加、控制腔泄油量線性增大造成的.軌壓升高，回油量增大.因此，可以認(rèn)為，回油體積流量與軌壓、脈寬的關(guān)系和噴油器的噴油特性相似，即隨著軌壓和脈寬的增加而線性增大.

由圖2可知，雖然回油體積流量與軌壓和脈寬的關(guān)系與噴油器的噴油特性相似，但回油體積流量的溫度特性與噴油量的溫度特性有較大的差別.

可以看到，在所有的軌壓下，回油體積流量隨噴油脈寬的增加均線性增加；溫度增加，回油體積流量線性增加；不同溫度下的回油體積流量線基本平行，即溫度造成的回油量差別不隨脈寬增加而明顯變化；軌壓越高，回油體積流量越大，溫度造成的回油量差別就越明顯.這與單次噴射的溫度特性(壓力越低、脈寬越小，溫度對(duì)噴油量的影響越明顯)正好相反.

另外，在0～60 ℃時(shí)，回油體積流量隨著溫度增加一直線性增加.區(qū)別于單次噴射的溫度特性，在40～60 ℃時(shí)，噴油量基本不會(huì)隨溫度升高而變化.

2.2 噴油器環(huán)形縫隙柴油流動(dòng)的粘溫特性

由于直接測(cè)量高壓共軌系統(tǒng)內(nèi)高壓燃油的動(dòng)力粘度比較困難，本文通過(guò)噴油器不工作時(shí)的回油量，來(lái)研究高壓燃油的動(dòng)力粘度與軌壓、溫度的關(guān)系.

噴油器在高壓不噴油狀態(tài)下，控制腔關(guān)閉，控制腔的泄油量為零.回油量只與軌壓、溫度及噴油器運(yùn)動(dòng)件間隙有關(guān).噴油器在控制腔關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的回油量由噴油器內(nèi)運(yùn)動(dòng)偶件縫隙泄露形成，其內(nèi)回油屬于環(huán)形縫隙流動(dòng).由于噴油器運(yùn)動(dòng)偶件縫隙尺寸很小，在微米范圍，加之柴油的粘度較大，因此，噴油器運(yùn)動(dòng)偶件的縫隙流動(dòng)可看作層流.縫隙流動(dòng)的解法與圓管層流的解法相似.噴油器運(yùn)動(dòng)偶件的縫隙流動(dòng)由壓差流和剪切流組成.壓差流是由噴油器入口的高壓和噴油器回油口的低壓之間的壓力差造成的流動(dòng)，也稱(chēng)為哈根-伯肅葉(Hagen-Poiseuille)流；剪切流是由于噴油器運(yùn)動(dòng)偶件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的液體流動(dòng)，也稱(chēng)為庫(kù)埃特(Couette)流.

噴油器運(yùn)動(dòng)偶件的環(huán)形縫隙的壓差—剪切聯(lián)合流動(dòng)流量公式為：

(1)

在針閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，式(1)中右側(cè)第二部分的純剪切流流量存在，但由于針閥開(kāi)啟和關(guān)閉產(chǎn)生的純剪切流流量的方向相反，大小近似相等，因此，純剪切流流量在針閥啟閉過(guò)程的和為零.由于在針閥關(guān)閉時(shí)，不存在純剪切流流量，因此噴油器運(yùn)動(dòng)偶件的環(huán)形縫隙的壓差—剪切聯(lián)合流動(dòng)流量公式可簡(jiǎn)化為純壓差流流量公式：

(2)

從(2)式可解出高壓共軌系統(tǒng)柴油的動(dòng)力粘度μ：

(3)

由于偶件的縫隙δ不便于測(cè)量，各種溫度和壓力下的動(dòng)力粘度μ的絕對(duì)值難以計(jì)算得到，因此以100 MPa，40 ℃的動(dòng)力粘度μ100 MPa 40 ℃為基準(zhǔn)，計(jì)算各工況的相對(duì)動(dòng)力粘度.

(4)

式(4)中，Qv100 MPa 40 ℃為在100 MPa， 40 ℃時(shí)的回油量；p為當(dāng)前壓力，單位為MPa；Qv為當(dāng)前壓力下的回油量.

圖3為噴油脈寬為零即不噴油時(shí)噴油器的回油量,橫軸表示溫度；縱軸表示回油體積流量，單位為mL/s.圖4是根據(jù)公式(4)利用不噴油時(shí)噴油器的回油量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的各工況的相對(duì)動(dòng)力粘度，橫軸表示溫度，縱軸相對(duì)動(dòng)力粘度.

圖3 噴油脈寬為零時(shí)的回油量

圖4 各工況的相對(duì)動(dòng)力粘度

由圖4可知，各種工作軌壓下的相對(duì)動(dòng)力粘度隨溫度增加而下降，這種趨勢(shì)與文獻(xiàn)[7]中動(dòng)力粘度曲線的趨勢(shì)一致.

3 高壓共軌系統(tǒng)噴油壓力調(diào)節(jié)的溫度特性

高壓共軌系統(tǒng)的噴油壓力由高壓泵提供，并受ECU控制.高壓泵是共軌系統(tǒng)高壓部分和低壓部分之間的接口.低壓油泵將柴油從油箱中吸出，經(jīng)過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥提供給高壓油泵.壓力調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入高壓泵柱塞腔的燃油量，通過(guò)高壓泵泵油量的增減調(diào)節(jié)共軌壓力.高壓泵將高壓燃油送入高壓共軌系統(tǒng)，保持壓力.在高壓共軌系統(tǒng)上有壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃油壓力，并將這一信號(hào)傳遞給ECU，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的調(diào)節(jié)，控制高壓共軌系統(tǒng)內(nèi)的燃油壓力達(dá)到希望值.在高壓共軌系統(tǒng)中，由于軌壓閉環(huán)控制，因此可以通過(guò)控制占空比來(lái)調(diào)節(jié)高壓泵的壓力調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，從而改變供油量，補(bǔ)償溫度變化對(duì)泄漏油量的影響，實(shí)現(xiàn)高壓共軌系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定.設(shè)通過(guò)高速開(kāi)關(guān)閥的流量為Qp，則有：

Qp=kpQpmaxD.

(5)

式(5)中,D為占空比(PWM)；Qpmax為壓力調(diào)節(jié)閥的最大流量；kp為修正系數(shù).

圖5列出了試驗(yàn)工況下，高壓油泵的控制電壓在不同溫度、軌壓、噴油脈寬下的占空比的值，橫坐標(biāo)代表噴油脈寬ET，縱坐標(biāo)代表占空比PWM.圖中每條曲線代表一種溫度下的占空比曲線，每個(gè)圖均含有同一壓力下4種不同溫度的占空比曲線.

從圖5可以看出，在各種溫度、軌壓下，占空比隨著噴油脈寬增大而線性增加；溫度一定，脈寬一定，占空比隨軌壓增加而增大；軌壓一定，脈寬一定，占空比隨溫度增加而增大.這說(shuō)明溫度增加時(shí)，通過(guò)增加占空比，增大流入高壓泵柱塞腔的流量，可以補(bǔ)償高壓泵和噴油器的泄露油量.因此，高壓共軌系統(tǒng)高壓泵的供油壓力和供油量不會(huì)因溫度變化而產(chǎn)生不良影響，溫度對(duì)高壓共軌系統(tǒng)噴油量的影響是通過(guò)噴油器噴油特性以及管路內(nèi)壓力的變化而產(chǎn)生的.

a 40 MPa時(shí)

b 70 MPa時(shí)

c 100 MPa時(shí)

d 130 MPa時(shí)

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究和機(jī)理分析，總結(jié)溫度對(duì)柴油粘度特性、噴油器回油量，以及高壓泵控制占空比的影響，得到以下規(guī)律：

(1)噴油器回油體積流量隨噴油脈寬、溫度線性增加；軌壓越高，回油體積流量越大，溫度造成的環(huán)形縫隙回油量差別越明顯.

(2)溫度造成的回油體積流量差別不隨脈寬增加而明顯變化.各種工作軌壓下的環(huán)形縫隙流動(dòng)相對(duì)動(dòng)力粘度隨溫度增加而下降.

(3)溫度增加時(shí)，高壓共軌系統(tǒng)控制單元通過(guò)增加占空比，增大流入高壓泵柱塞腔的流量，可以補(bǔ)償高壓泵和噴油器的環(huán)形縫隙泄露油量.共軌系統(tǒng)高壓泵供油壓力和供油量不因溫度變化而產(chǎn)生不良影響.