高壓共軌系統(tǒng)不同溫度下噴油參數(shù)修正計(jì)算*

王 軍，張幽彤，金 毅，韓 樹

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系，北京 100072； 2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

前言

高壓共軌噴油系統(tǒng)由高壓油泵、共軌管、電控噴油器和電控單元組成，能夠柔性地調(diào)節(jié)噴油參數(shù)和實(shí)現(xiàn)多次噴射，已成為柴油機(jī)滿足新排放法規(guī)所必須的技術(shù)手段［1］。當(dāng)柴油機(jī)工作環(huán)境溫度變化較大時，燃油溫度的變化會影響到流動和噴射的狀況，低溫對柴油流動和霧化影響很大，高溫造成噴油壓力和噴油量下降；當(dāng)高壓燃油在共軌系統(tǒng)中流動時，摩擦發(fā)熱和節(jié)流發(fā)熱都會使燃油溫度升高，引起燃油的密度、壓力、可壓縮性和彈性模量等參數(shù)的變化，造成噴油量差異，影響柴油機(jī)動力性。高壓共軌噴油系統(tǒng)中的噴油量參數(shù)表（MAP）是在給定溫度下而生成的，當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時，就需要對噴油量表中的目標(biāo)噴油量進(jìn)行補(bǔ)償修正，以保證實(shí)際噴油量和目標(biāo)噴油量的一致性，因此研究燃油溫度與噴油量的關(guān)系顯得至關(guān)重要。目前國內(nèi)外關(guān)于燃油溫度的研究主要集中在溫度對噴油量的影響上，如蘇海峰等人研究了高壓共軌系統(tǒng)不同燃油溫度對多次噴射的影響，總結(jié)多次噴射的溫度特性［2］；聶枝根等人進(jìn)行了高壓共軌柴油機(jī)燃油狀態(tài)系統(tǒng)的研究［3］，說明高壓共軌噴油系統(tǒng)的初始油溫變化對噴油量的影響；Salvador等人建立一維電磁閥噴油器模型，研究燃油溫度對噴射過程的影響［4］，這些研究都是采用仿真模型計(jì)算，通過設(shè)定密度、壓力、可壓縮性和彈性模量等參數(shù)，獲得噴油量的變化，對不同溫度噴油量的補(bǔ)償修正研究較少，由于涉及到柴油機(jī)使用環(huán)境和共軌系統(tǒng)內(nèi)部的燃油溫度變化，噴油量溫度補(bǔ)償修正一直缺乏理論性的推導(dǎo)計(jì)算，作者根據(jù)流體力學(xué)的流動理論，計(jì)算燃油溫度變化對壓力增量和噴油量增量的影響，分析燃油溫度對燃油噴射量補(bǔ)償量的變化，對噴油參數(shù)的修正計(jì)算提供一種新途徑。

1 高壓燃油流動熱特征

在高壓共軌噴油系統(tǒng)中，高壓油泵只負(fù)責(zé)提供高壓燃油，共軌管穩(wěn)定燃油壓力，電控噴油器控制噴油參數(shù)，高壓燃油在不同部件的油道內(nèi)流動時，所處的管壁摩擦、截面積變化和自身被壓縮，高壓燃油的產(chǎn)熱和換熱各不相同。低壓燃油進(jìn)入高壓油泵柱塞腔后，受到柱塞壓縮，燃油體積變小，壓力升高，燃油溫度上升明顯，所以高壓泵內(nèi)燃油以壓縮產(chǎn)熱為主；高壓燃油在共軌管和高壓油管中流動時，與管壁之間因摩擦而產(chǎn)生一定的熱量，同時管壁與外界環(huán)境存在一定的熱交換，所以管內(nèi)流動燃油以摩擦產(chǎn)熱為主，并存在熱交換；燃油進(jìn)入噴油器之后，沿著油道進(jìn)入針閥腔后，經(jīng)過小噴孔高速噴出，油道的直徑劇變形成燃油的節(jié)流，節(jié)流產(chǎn)生一定的熱量，噴油器內(nèi)燃油以節(jié)流生熱為主。

燃油溫度是由燃油受熱量和接觸介質(zhì)換熱量共同決定的，受熱量是指燃油流動過程中產(chǎn)生的熱量，主要影響燃油溫度；接觸介質(zhì)的換熱是指燃油與管壁之間、管壁與大氣間的熱交換，消耗一部分產(chǎn)生的熱量。溫度的變化會帶來燃油物理參數(shù)的變化，如燃油體積彈性模量、燃油密度和燃油黏度等，燃油體積彈性模量、黏度直接影響燃油的壓縮程度和流動［5］。

2 流體計(jì)算模型

2.1 基準(zhǔn)溫度

對于高壓共軌噴油系統(tǒng)，噴油量是根據(jù)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速負(fù)荷直接查噴油量脈譜表來完成，噴油量脈譜通常是在某一工作環(huán)境溫度下通過試驗(yàn)獲得的。當(dāng)柴油機(jī)工作環(huán)境溫度變化較大時，必須考慮溫度變化對噴油量和噴油壓力的影響，噴油量的溫度補(bǔ)償首先確定一個燃油溫度作為基準(zhǔn)，確定噴油量的基準(zhǔn)脈譜，其次在不同溫度下確定目標(biāo)噴油量的增減，而基準(zhǔn)燃油溫度的選擇與柴油機(jī)工作環(huán)境和典型工況的頻度密切相關(guān)。

（1）工作環(huán)境的適宜溫度

柴油機(jī)工作環(huán)境溫度范圍在-30-40℃，大部分柴油機(jī)經(jīng)常在10-30℃的環(huán)境下運(yùn)行［6］，由于高壓泵入口燃油溫度升高幅度不超過10℃，初步確定燃油初始基準(zhǔn)溫度范圍為20，30，40℃。

（2）典型工況下的噴油量誤差

以柴油機(jī)典型工況（最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)工況、額定工況）所需的循環(huán)噴油量為計(jì)算參數(shù)［7］，計(jì)算初始基準(zhǔn)溫度的循環(huán)噴油量，以計(jì)算值與測試值之間的誤差為評價指標(biāo)，以誤差最小的噴油量所對應(yīng)的溫度為基準(zhǔn)溫度。

2.2 燃油密度

燃油密度 ρf隨壓力 p和溫度T的變化關(guān)系為［8］

式中：ρf0為基準(zhǔn)溫度下的柴油密度；pf0為基準(zhǔn)溫度下的柴油壓力；Tf0為基準(zhǔn)溫度；λT為某一溫度的熱膨脹系數(shù)，1／℃。

2.3 燃油壓力

燃油壓力大小取決于柴油黏度和可壓縮性，可壓縮性是用彈性模量倒數(shù)表示的，彈性模量K是指當(dāng)溫度不變時，單位體積的變化所對應(yīng)壓強(qiáng)的變化量，其大小為

式中：p為燃油壓力；V為燃油體積。

K值越大表示流體越不容易壓縮，若同時考慮溫度和壓力，則燃油在不同溫度和壓力下的體積彈性模量［9］為

燃油壓力大小與其彈性模量和密度直接相關(guān)。）

燃油體積彈性模量Kf隨溫度變化時，壓力變化增量為

式中：pj0為基準(zhǔn)溫度下的柴油壓力；Kf0為基準(zhǔn)溫度下柴油的彈性模量；Δpj為任一溫度下的柴油壓力增量；n為影響因子，修正對實(shí)際燃油噴射情況的影響程度，由于燃油的壓縮在密閉容器內(nèi)，n=0.5。

噴孔處燃油流速vf為

式中：Δpn為噴射壓力pj與氣缸壓力pc的壓力差；μ為流量系數(shù)；ρf為柴油密度。

有效壓力差Δpne是對燃油流過噴孔的累積的近似，可認(rèn)為從總的壓力差Δpn減去摩擦壓力降Δpv，摩擦壓力差為［10］

式中：Ln為噴孔長度；Dn為噴孔直徑；fv為摩擦因數(shù)；∑K為噴孔入口和出口損失系數(shù)總和。

噴孔處的雷諾數(shù)決定了噴孔中燃油流動狀態(tài)，其雷諾數(shù)為

對柴油機(jī)噴油系統(tǒng)來說，當(dāng)壓力差為140 MPa、噴孔直徑為0.18 mm、燃油溫度為25℃時，雷諾數(shù)為4 000，表明噴孔處燃油流動為管流狀態(tài)，因此摩擦因數(shù)和流量系數(shù)不隨溫度變化而變化。

有效噴射差的相對壓力值可簡化為［11］

這樣，壓力差和有效壓力差主要受燃油的彈性模量影響，即溫度的變化。

2.4 噴油率

噴孔的平均噴油率mf為

式中：An為噴孔流通面積；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

對于前述的微小變化的流量系數(shù)，噴油率相對變化可表述為

式中：ρf0為基準(zhǔn)溫度的柴油密度；Kf0為基準(zhǔn)溫度柴油的彈性模量；vf0為基準(zhǔn)溫度的燃油流速。

3 噴油參數(shù)修正計(jì)算

3.1 基準(zhǔn)溫度

循環(huán)噴油量計(jì)算條件：噴孔參數(shù)為8 mm×0.18 mm，額定工況的噴油壓力為140 MPa，噴油脈寬為1.5 ms；最大轉(zhuǎn)矩工況的噴油壓力為120 MPa，噴油脈寬為1.5 ms。

按式（12）計(jì)算不同燃油溫度下柴油機(jī)額定工況和最大轉(zhuǎn)矩工況的噴油量mp，與噴油量試驗(yàn)值對比如表1和表2所示。

式中t為噴油脈寬。

表1 額定工況下不同燃油溫度的噴油量誤差

發(fā)動機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在最大轉(zhuǎn)矩工況，少數(shù)運(yùn)行在額定工況下，結(jié)合表中數(shù)據(jù)對比分析，根據(jù)誤差最小的原則，選擇30℃作為基準(zhǔn)溫度。

表2 最大轉(zhuǎn)矩工況的不同燃油溫度噴油量誤差

3.2 噴油參數(shù)基準(zhǔn)脈譜

3.2.1 噴油壓力基準(zhǔn)脈譜

選擇30℃為共軌壓力基準(zhǔn)溫度，怠速共軌壓力為35 MPa，低速共軌壓力定為100 MPa，最大轉(zhuǎn)矩工況的共軌壓力為120 MPa，額定工況的共軌壓力為140 MPa。基準(zhǔn)溫度30℃的噴油壓力試驗(yàn)基準(zhǔn)脈譜如圖1所示。噴油壓力基礎(chǔ)目標(biāo)值分別為35，55，75，90，110，120和 140 MPa。

圖1 噴油壓力基準(zhǔn)脈譜

3.2.2 噴油量基準(zhǔn)脈譜

溫度對共軌系統(tǒng)噴油量的影響是通過噴油器噴油特性和管路內(nèi)壓力波動的變化產(chǎn)生的，基準(zhǔn)溫度30℃的噴油量試驗(yàn)基準(zhǔn)脈譜如圖2所示。

圖2 噴油量基準(zhǔn)脈譜

3.3 噴油參數(shù)修正

3.3.1 噴油壓力修正

高壓共軌噴油系統(tǒng)中的燃油溫度一般為0～100℃，燃油壓力范圍為35～140 MPa，選取溫度步長10℃，壓力步長10-20 MPa，選取若干燃油溫度和壓力值作為計(jì)算點(diǎn)，根據(jù)式（3）計(jì)算不同溫度、壓力下的柴油體積彈性模量，如圖3所示。從圖3中看出，當(dāng)溫度一定時，燃油的彈性模量隨著壓力的升高而增大，壓力越高，彈性模量增大越多；當(dāng)壓力一定時，燃油彈性模量隨溫度的升高而降低，在高壓力下，溫度變化80℃時，彈性模量減小0.2 GPa；低壓力下，溫度變化80℃時，彈性模量減小0.4 GPa。

圖3 燃油彈性模量與溫度的關(guān)系

當(dāng)燃油溫度為 0，10，20，30，40，50，60和 80℃時，計(jì)算噴油壓力的增量，不同溫度下噴油壓力修正增量脈譜如圖4所示。從圖4中看出，在低壓力基準(zhǔn)值段，溫度每升高10℃，壓力增量成比例增加，隨著溫度增量變大，壓力增量的幅度變大。在高壓力基準(zhǔn)值段，溫度每升高10℃，壓力增量變化減小，隨著溫度增量變大，壓力增量的幅度變小。

3.3.2 噴油量修正

根據(jù)燃油密度與溫度、壓力的關(guān)系式，計(jì)算燃油溫度0～80℃、噴油壓力55～145 MPa下的燃油密

在不同溫度下，燃油的彈性模量發(fā)生變化，當(dāng)燃油被壓縮時，壓力增量的變化通過式（9）計(jì)算，用彈性模量Kf表示為度，如圖5所示。

圖4 不同溫度噴油壓力修正增量脈譜

圖5 燃油密度與溫度的關(guān)系

當(dāng)燃油溫度為 0，10，20，30，40，50，60和 80℃，噴油脈寬為 0.5，1.0和 1.5 ms時，噴油壓力140 MPa的計(jì)算噴油量增量脈譜如圖6所示。由圖可見，當(dāng)噴油壓力為140 MPa時，在基準(zhǔn)噴油量數(shù)值基礎(chǔ)上，循環(huán)噴油量增量隨著溫度提高呈現(xiàn)下降趨勢，循環(huán)噴油量增量隨著溫度減小呈現(xiàn)增加趨勢；同一溫度下，隨著噴油脈寬的增加，循環(huán)噴油量補(bǔ)償量增加。

在不同溫度下，燃油的體積彈性模量和密度發(fā)生變化，平均噴油率的變化通過式（11）求得，用燃油體積彈性模量Kf和燃油密度ρf表示為

4 噴油量修正驗(yàn)證

圖6 140 MPa下不同溫度噴油量補(bǔ)償脈譜

在高壓共軌噴油系統(tǒng)試驗(yàn)臺架上進(jìn)行噴油量修正有效性的驗(yàn)證，測試用儀器有Agilent公司的電流傳感器1146A型，Kistler公司的壓力傳感器4067A，EFS公司的單次噴射儀8420。試驗(yàn)用高壓共軌系統(tǒng)部件有電控單元、Bosch公司的CP3高壓泵、共軌管、電裝公司的EI3A電控噴油器，在共軌壓力、燃油溫度和噴油脈寬相同的條件下，實(shí)測不同溫度的噴油量，在基準(zhǔn)溫度噴油量的基礎(chǔ)上，獲得不同溫度噴油量修正量。50和80℃燃油溫度的噴油量修正量對比如表3所示，從表中可看出，50℃燃油溫度的噴油量修正量計(jì)算值與測試值的相對誤差在14%以下，80℃燃油溫度的噴油量修正量計(jì)算值與預(yù)測值的相對誤差在9%以下。

表3 不同燃油溫度的噴油量修正量對比 mg

5 結(jié)論

本文中運(yùn)用流體傳熱計(jì)算方法，對不同溫度下的噴油量修正進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論。

（1）以使用環(huán)境溫度為參考，以柴油機(jī)典型工況下的噴油量誤差最小的原則為依據(jù)，確定了燃油的基準(zhǔn)溫度。

（2）噴油量和噴油壓力的修正量計(jì)算公式反映出壓力差主要受燃油的彈性模量的影響，平均噴油率的變化與燃油體積彈性模量和燃油密度相關(guān)。當(dāng)燃油溫度在0～80℃變化時，燃油的彈性模量隨溫度的升高而降低；在溫度一定時，燃油的密度隨壓力的升高而增加；在壓力一定時，燃油的密度隨溫度的升高減小。

（3）不同溫度下的噴油量的修正量變化趨勢為：同一壓力下，循環(huán)噴油量增量隨著溫度提高呈現(xiàn)下降趨勢；同一溫度下，隨著噴油脈寬的增加，循環(huán)噴油量補(bǔ)償量增加。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了噴油壓力和噴油量的修正方法是有效的。