高壓共軌柴油機噴油系統(tǒng)性能仿真研究

劉紅彬, 桂 勇, 駱清國, 孫大光, 張少亮

(陸軍裝甲兵學院 車輛工程系, 北京 100072)

高壓共軌噴油系統(tǒng)是針對柴油機對理想燃油噴射過程的要求而開發(fā)的新型噴射系統(tǒng).HPD(High Power Density)柴油機轉(zhuǎn)速范圍較大，柴油機在不同轉(zhuǎn)速工作時燃燒過程所對應(yīng)的絕對時間變化很大，而高壓共軌噴油系統(tǒng)以其高的噴射壓力、靈活可調(diào)的噴油速率能夠同時兼顧柴油機高低速性能要求，提高柴油機的功率密度.由于高壓共軌噴油系統(tǒng)的復雜性，其噴油規(guī)律的調(diào)整是一個非常精密的過程，微小的參數(shù)變化也可能引起噴油規(guī)律發(fā)生較大的改變.因此，文中對某型高壓共軌噴油系統(tǒng)進行仿真及試驗研究，為分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)下的噴油規(guī)律對HPD柴油機缸內(nèi)噴霧和燃燒過程的影響提供邊界.

1 高壓共軌噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

文中所研究的高壓共軌噴油系統(tǒng)如圖1所示，包括：燃油箱、低壓輸油泵、低壓油管、燃油濾清器、高壓油泵、高壓油管、共軌管、共軌壓力傳感器、限壓閥、電控噴油器、回油管及電控單元(ECU)等組成.

高壓共軌噴油系統(tǒng)的具體工作過程：燃油箱的燃油在低壓輸油泵的作用下經(jīng)過燃油濾清器進入高壓油泵的柱塞腔；高壓油泵的電磁閥通電，關(guān)閉柱塞腔的回油孔，柱塞腔內(nèi)燃油受壓，壓力升高，通過出油閥和高壓油管進入共軌管；共軌管中的燃油在ECU的控制下穩(wěn)定在一定的壓力后進入到各缸的電控噴油器中；ECU控制電控噴油器電磁閥的通電與斷電，進而控制噴油開始和噴油結(jié)束.

圖1 高壓共軌噴油系統(tǒng)

1.1 高壓油泵結(jié)構(gòu)分析

高壓共軌噴油系統(tǒng)高壓油泵采用三缸徑向柱塞泵，3個柱塞呈120°徑向布置.高壓油泵每轉(zhuǎn)之內(nèi)共發(fā)生3個壓油沖程，驅(qū)動扭矩的峰值較低，油泵負荷較為均勻.

高壓油泵主要包括柱塞偶件、供油切斷電磁閥、偏心凸輪、壓力調(diào)節(jié)閥、進油閥及出油閥等組成，如圖2所示.

圖2 高壓油泵

1.2 共軌管結(jié)構(gòu)分析

共軌管一般采用圓筒形結(jié)構(gòu)，文中高壓共軌系統(tǒng)共軌管的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.在柴油機工作過程中，共軌內(nèi)注滿了高壓燃油，利用柴油在高壓下的可壓縮性來保持存儲壓力，即使在燃油噴射過程中，共軌內(nèi)的壓力也保持近似恒定值.

圖3 共軌管

1.3 電控噴油器結(jié)構(gòu)分析

高壓共軌噴油系統(tǒng)電控噴油器是由噴油嘴、控制活塞、控制量孔(A和Z)及高速電磁閥組成[1-2]，高速電磁閥是高壓共軌噴油系統(tǒng)中重要的部件，其承擔著燃油的噴射控制功能，它的快速響應(yīng)特性是衡量其工作性能的一個重要指標[3].文中高壓共軌噴油系統(tǒng)電控噴油器的結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 電控噴油器結(jié)構(gòu)示意圖

電控噴油器是共軌式燃油噴射系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復雜的部件，它根據(jù)ECU發(fā)出的控制信號控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時、噴油量和噴油率噴入燃燒室，其具體工作過程如下.

在電磁閥不通電時，控制腔頂部的回油孔A關(guān)閉，高壓油軌中的燃油一路通過進油孔Z迅速進入控制腔，一路通過噴油器內(nèi)油道進入蓄壓腔，控制腔中高壓燃油作用在控制柱塞端面上的力及噴油嘴針閥彈簧的力大于針閥承壓面上的開啟力，從而使針閥處于關(guān)閉狀態(tài).

當電磁閥通電時，回油孔A打開，燃油從控制腔經(jīng)回油孔A回到油箱，控制腔的壓力迅速降低，遠小于噴油嘴蓄壓腔容積中的壓力，從而使針閥打開，開始噴油，燃油以近似于共軌壓力噴入燃燒室中.

當電磁閥關(guān)閉時，回油孔A再次被關(guān)閉，進油孔Z的進油又使控制腔中建立起與共軌中相同的壓力，從而使控制腔內(nèi)作用在柱塞端面上的力和針閥彈簧的力超過來自蓄壓腔的力，針閥關(guān)閉，針閥達到其下極限位置時，噴油結(jié)束.

2 高壓共軌噴油系統(tǒng)數(shù)學及仿真模型

采用GT-FUEL以燃油流動過程為基本流動模型建立了高壓共軌噴油系統(tǒng)仿真模型，為分析參數(shù)變化對噴油規(guī)律的影響打下基礎(chǔ).通過對高壓共軌噴油系統(tǒng)工作過程的分析建立了其物理模型，如圖5所示.

圖5 高壓共軌噴油系統(tǒng)物理模型

在對高壓油泵和共軌管建模時，對高壓油泵進行了簡化，采用一個穩(wěn)定的高壓油源進行代替；根據(jù)柴油機噴油器的個數(shù)和共軌管的長度和直徑，將共軌管簡化為幾個管道容積模型，忽略了共軌管上的壓力傳感器、壓力限制閥及流量限制器等.共軌管仿真模型如圖6所示.

圖6 共軌管仿真模型

根據(jù)電控噴油器的結(jié)構(gòu)及工作原理，分別建立了控制信號模塊、電磁閥控制模塊、控制腔及進、回油節(jié)流孔模塊、控制活塞和針閥運動件模塊、針閥彈簧模塊、噴嘴模塊、油量模塊等.單個電控噴油器的仿真模型如圖7所示.

圖7 電控噴油器仿真模型

3 高壓共軌噴油系統(tǒng)臺架試驗

3.1 試驗設(shè)備

高壓共軌噴油系統(tǒng)試驗平臺主要由噴油泵試驗臺、單次噴油量測試儀、高壓油軌、高壓共軌噴油系統(tǒng)遠程控制微機、示波器以及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成.試驗臺結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖8所示，實物圖如圖9所示，測量設(shè)備如表1所示.

圖8 高壓共軌噴油系統(tǒng)試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 高壓共軌噴油系統(tǒng)試驗臺

表1 測試設(shè)備

設(shè)備名稱設(shè)備型號生產(chǎn)廠商高壓共軌試驗臺EPS675Bosch高壓油泵CT 4.2Bosch單次油量測試儀8246EFS示波器DPO3034TektronixECUEU2B70所

法國EFS公司的EFS8246單次噴油量測試儀主要技術(shù)參數(shù)如表2所示[4-5].

表2 EFS8246單次噴射儀的主要技術(shù)參數(shù)

采用高壓共軌噴油系統(tǒng)試驗臺進行試驗，通過遠程控制微機分別改變共軌壓力及電磁閥通電時間，測量在不同軌壓、不同通電時間條件下，高壓共軌噴油系統(tǒng)的噴油量及噴油規(guī)律.

3.2 試驗結(jié)果分析

1)噴油量試驗結(jié)果分析

軌壓為150 MPa、120 MPa、100 MPa、80 MPa及50 MPa，通電時間分別為1 000 μs、900 μs、800 μs、700 μs及600 μs時，對高壓共軌噴油系統(tǒng)噴油量進行測量.通過試驗臺上的計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對噴孔數(shù)為10，噴孔直徑為0.24 mm的噴油器試驗結(jié)果進行記錄，試驗結(jié)果如圖10所示.

圖10 不同軌壓及不同通電時間時的噴油量

從圖10中的試驗結(jié)果可以看出：在不同軌壓下，隨著通電時間的增加，噴油量增加，軌壓比較大時，噴油量與通電時間的線性關(guān)系較強，基本成一條直線；軌壓較小時，針閥升起和關(guān)閉過程中蓄壓腔內(nèi)的油壓波動較大，噴油量與通電時間的線性關(guān)系相對減弱，有一定的波動.

2)噴油規(guī)律試驗結(jié)果分析

軌壓為150 MPa、120 MPa、100 MPa、80 MPa及50 MPa，各軌壓下通電時間分別為1 000 μs、900 μs、800 μs、700 μs及600 μs時，對高壓共軌噴油系統(tǒng)噴油規(guī)律進行測量.測量時總共記錄2 500個取樣點，兩個取樣點間隔2 μs.

150 MPa時噴油率實測曲線如圖11～13所示.

圖11 1 000 μs時噴油率曲線

圖12 800 μs時噴油率曲線

圖13 600 μs時噴油率曲線

從上述圖中可以看出：通電時間較長時，噴油持續(xù)期長，最高噴油速率持續(xù)時間增加，噴油規(guī)律曲線出現(xiàn)兩個波峰，燃油以近似共軌壓力噴入氣缸；通電時間較短時，噴油持續(xù)期短，最高噴油速率持續(xù)時間較短，噴油規(guī)律曲線只有一個波峰.這主要是因為：通電時間較長時，針閥開啟后，蓄壓腔中的壓力快速降低，噴射壓力降低，膨脹波從蓄壓腔向共軌管傳播，進而共軌管以壓縮波的形式向蓄壓腔傳播，向蓄壓腔中供油，蓄壓腔中壓力升高，噴射壓力增大，形成第一個波峰；當針閥落座時，由于針閥的壓油作用，使噴射壓力增大，形成第二個波峰.當通電時間較短時，共軌管中的壓縮波傳播到蓄壓腔時，針閥也開始關(guān)閉，因此，只有一個波峰.

4 仿真結(jié)果試驗驗證

4.1 噴油量仿真結(jié)果與試驗對比分析

不同軌壓，不同通電時間條件下，噴油量仿真結(jié)果與試驗對比如圖14～16所示.

圖14 軌壓150 MPa時噴油量對比

圖15 軌壓100 MPa時噴油量對比

圖16 軌壓50 MPa時噴油量對比

不同軌壓，不同通電時間條件下，試驗值和仿真值的誤差如表3所示.

表3 試驗值和仿真值誤差

從表3可以看出：噴油量的仿真值和試驗值誤差在8.1%以內(nèi)；軌壓較大時，仿真值與試驗值的

誤差較小，軌壓減小時，仿真值與試驗值的誤差增大；通電時間長時，誤差較小，通電時間短時，誤差較大.這主要是因為軌壓大，通電時間長時，噴油過程波動小，仿真值和試驗值的誤差較??；而軌壓小，通電時間短時，噴油過程波動大，仿真值和試驗值的誤差較大.

4.2 噴油規(guī)律仿真結(jié)果與試驗對比分析

軌壓為150 MPa，通電時間為1 000 μs時，噴油率仿真結(jié)果與試驗對比如圖17所示.軌壓為100 MPa，通電時間1 000 μs時，噴油率仿真結(jié)果與試驗對比如圖18所示.

圖17 150 MPa噴油率仿真與試驗對比

圖18 100 MPa噴油率仿真與試驗對比

從上述圖可以看出：仿真噴油規(guī)律曲線和試驗噴油規(guī)律曲線較為接近，仿真模型能夠準確的反映高壓共軌噴油系統(tǒng)的噴油規(guī)律.

5 結(jié) 論

采用GT-FUEL軟件建立了高壓共軌噴油系統(tǒng)仿真模型；進行了高壓共軌噴油系統(tǒng)臺架試驗，將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行了對比；通過對比分析看出，噴油量仿真計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的誤差小于8.1%，噴油規(guī)律的仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合.仿真模型的建立為之后分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)下的噴油規(guī)律對HPD柴油機缸內(nèi)噴霧和燃燒過程的影響提供了邊界.