高壓共軌系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)油壓波動(dòng)的影響

張熙燁，陳相安，李思哲，仲皓，張學(xué)敏

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，人們對(duì)柴油機(jī)燃燒性能、噴射噴油規(guī)律以及排放水平等方面的要求也越來越高[1]，高壓共軌系統(tǒng)(Common Rail System，CRS)因其具有優(yōu)化燃燒、可獨(dú)立控制噴油壓力、能有效降低排放和油耗的突出優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)前柴油機(jī)的主要研究方向[2-3]。

CRS主要由電控單元、高壓油泵、共軌管、電控噴油器等部分組成[4-5]，其中高壓油泵僅向共軌管供油維持共軌壓力，采用壓力-時(shí)間式燃油計(jì)量原理，用高速電磁閥控制噴射過程。但噴油器針閥受外力作用驅(qū)動(dòng)，其開啟回落在蓄壓腔和共軌管內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生壓力波，并隨著連接管路傳播擴(kuò)散，造成噴油壓力波動(dòng)，影響噴射精確性[6]。而壓力波動(dòng)會(huì)引起噴油量變化，壓力對(duì)噴油器內(nèi)部流動(dòng)狀況的影響直接影響噴油質(zhì)量及排放[7]。關(guān)于高壓共軌系統(tǒng)中的油壓波動(dòng)問題，一直以來在世界范圍內(nèi)都被廣泛研究。N.A.Henein等[8]采用噴油率試驗(yàn)臺(tái)及單缸柴油機(jī)研究了柴油機(jī)噴油的壓力波動(dòng)特性，指出隨共軌壓力提高實(shí)際噴油時(shí)間與信號(hào)指令之間的間隔會(huì)縮短，增加噴油時(shí)間，造成噴油量不準(zhǔn)確；G.M.Bianchi等[9]采用一維/三維耦合仿真的方法建立共軌系統(tǒng)噴油器模型，通過改變高壓泵噴油壓力，對(duì)不噴射、單次噴射、多次噴射情況下共軌管內(nèi)的壓力波動(dòng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)共軌控制腔內(nèi)壓力波動(dòng)的傳播和振蕩對(duì)多次噴射的油量有較大的影響，建議通過改變機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)降低波動(dòng)的影響。馬修真等[10]利用在AMESim仿真平臺(tái)建立高壓共軌系統(tǒng)數(shù)值仿真模型的方法，發(fā)現(xiàn)循環(huán)噴油量隨著參數(shù)變化而產(chǎn)生波動(dòng)，并指出在全工況平面內(nèi)，回油壓力、控制閥桿升程、進(jìn)油孔直徑、出油孔直徑、針閥升程和噴油器流動(dòng)系數(shù)為影響流量波動(dòng)的6個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，是高壓共軌噴油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的主要目標(biāo)。

為更好地分析高壓共軌系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)油壓波動(dòng)的影響，為后續(xù)柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)、模擬計(jì)算等提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持和邊界條件，本研究應(yīng)用AMESim仿真平臺(tái)對(duì)高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并通過試驗(yàn)對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)之上對(duì)CRS各參數(shù)對(duì)共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)的影響進(jìn)行研究，分析影響波動(dòng)的主要因素。

1 模型建立及試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 高壓共軌系統(tǒng)仿真模型的建立

本試驗(yàn)采用的CRS900高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)由高壓共軌噴射系統(tǒng)、380 V三相交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及油路系統(tǒng)組成。基于對(duì)高壓共軌系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)及對(duì)CRS900共軌試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際測(cè)量分析，應(yīng)用AMESim仿真平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)搭載的高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行完整的建模[11-13]，仿真模型見圖1。

圖1 高壓共軌系統(tǒng)仿真模型

模型定義了系統(tǒng)中油液的特性，包括密度、黏度、氣體溶解量等，此次仿真液體特性選用的是0號(hào)柴油，密度為0.84 kg/L，凝點(diǎn)為0 ℃，沸點(diǎn)為180～370 ℃。

1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在CRS系統(tǒng)中，高壓油泵轉(zhuǎn)速與整機(jī)轉(zhuǎn)速成固定比例關(guān)系。本研究中選取轉(zhuǎn)速比為1∶2，選取柴油機(jī)中間轉(zhuǎn)速1 600 r/min為試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，此時(shí)高壓油泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在800 r/min。試驗(yàn)中固定轉(zhuǎn)速在800 r/min，加載油壓，待轉(zhuǎn)速平穩(wěn)且油軌油壓基本穩(wěn)定時(shí)開始試驗(yàn)。

試驗(yàn)中分別測(cè)定了不同條件下的噴油量。首先設(shè)定油壓分別為40 MPa，60 MPa，80 MPa，100 MPa，分別記錄在不同噴油脈寬、固定噴油次數(shù)條件下的噴油量；然后設(shè)定固定噴油脈寬分別為0.6 ms，0.8 ms，1.0 ms，1.2 ms，調(diào)整噴油壓力，測(cè)量固定噴油次數(shù)條件下的噴油量。通過計(jì)算得出各工況下的單次循環(huán)噴油量，部分試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

由表1數(shù)據(jù)可見，各個(gè)軌壓下仿真噴油量與試驗(yàn)值之間的平均誤差小于5%，在允許范圍以內(nèi)，且可以看出所有工況條件下噴油量仿真值與試驗(yàn)值變化趨勢(shì)一致，該仿真模型與CRS900試驗(yàn)臺(tái)搭載的CRS系統(tǒng)噴油特性相近。由以上分析可得，該仿真模型與實(shí)際共軌系統(tǒng)相比具有較高吻合度、較好的準(zhǔn)確性和較好代表性，可以利用該仿真模型來進(jìn)一步模擬研究CRS900試驗(yàn)臺(tái)所搭載的CRS系統(tǒng)的特性。

表1 部分試驗(yàn)與仿真噴油量數(shù)據(jù)對(duì)比

2 仿真試驗(yàn)與分析

高壓共軌系統(tǒng)參數(shù)在生產(chǎn)裝配和使用過程中的變化會(huì)引起循環(huán)噴油量的波動(dòng)，從而造成噴油系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的下降。為此分別對(duì)噴油壓力、噴油脈寬、共軌管直徑3個(gè)主要高壓共軌系統(tǒng)參數(shù)值對(duì)共軌管內(nèi)油壓波動(dòng)的影響進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析各參數(shù)對(duì)油壓波動(dòng)的影響。

2.1 噴油壓力對(duì)油壓波動(dòng)的影響

圖2示出固定共軌管和高壓油管的長(zhǎng)度和直徑，脈寬1 ms，不同軌壓時(shí)共軌管內(nèi)的油壓波動(dòng)。噴油器從0 ms時(shí)刻開啟噴油，持續(xù)1.2 ms后落座。由圖2可知，共軌管內(nèi)的油壓波動(dòng)幅值隨著噴油壓力的增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。且隨著軌壓逐步增大，噴油器噴油后管內(nèi)油壓波動(dòng)頻率升高。

圖2 軌壓對(duì)壓力波動(dòng)的影響

由于在相同軌壓不同噴油脈寬條件下，不同脈寬對(duì)應(yīng)的壓力波動(dòng)隨時(shí)間的變化在針閥開始落座關(guān)閉前處于基本吻合的狀態(tài)，所以應(yīng)用此規(guī)律確定針閥開始關(guān)閉的點(diǎn)。

圖3至圖6示出4種軌壓下1.0 ms以及1.5 ms噴油脈寬所對(duì)應(yīng)的油壓波動(dòng)規(guī)律，且在圖中標(biāo)識(shí)出了兩種脈寬的壓力波動(dòng)分離點(diǎn)A，即為1.0 ms的脈寬對(duì)應(yīng)的噴油器針閥開始回位關(guān)閉的時(shí)刻。當(dāng)噴油器針閥開始落座時(shí)，噴油壓力開始回升，軌壓逐步升高，針閥抬起后，管內(nèi)壓力下降幅度也隨之升高，這是由于軌壓增大導(dǎo)致燃油噴射能力增大，相同噴油脈寬下噴出的燃油量隨軌壓升高而增大，且單位時(shí)間內(nèi)泄壓量較大，進(jìn)而增大了初次的油壓波動(dòng)幅度。隨后電磁信號(hào)斷開，針閥開始回位，此時(shí)共軌管內(nèi)油壓開始逐步回升。軌壓還影響著壓力波動(dòng)的頻率，軌壓升高，壓力波動(dòng)頻率同樣升高。

圖3 40 MPa軌壓下的油壓波動(dòng)

圖4 60 MPa軌壓下的油壓波動(dòng)

圖5 80 MPa軌壓下的油壓波動(dòng)

圖6 100 MPa軌壓下的油壓波動(dòng)

因此，從整體上看，壓力波動(dòng)幅度隨著軌壓增加而增大。

2.2 噴油脈寬對(duì)油壓波動(dòng)的影響

圖7示出噴油壓力為60 MPa，高壓油管長(zhǎng)度和直徑固定，不同噴油脈寬時(shí)的共軌管內(nèi)油壓幅值波動(dòng)隨時(shí)間的變化。在噴油脈寬從0.2 ms遞增至0.8 ms的過程中，壓力波動(dòng)幅值隨著脈寬的增加而增大。為了在圖中表述清晰，沒有將0.8 ms的波動(dòng)曲線繪出。在脈寬繼續(xù)從0.6 ms增大至1.0 ms的過程中，壓力波動(dòng)幅度隨噴油脈寬的增大呈現(xiàn)出與之前不同的變化趨勢(shì)，此時(shí)油壓波動(dòng)幅值隨脈寬的增大而減小，當(dāng)繼續(xù)增大脈寬，波動(dòng)幅值轉(zhuǎn)而增大。

圖7 60 MPa時(shí)脈寬對(duì)壓力波動(dòng)的影響

為了更清楚地說明噴油脈寬這一單一變量與油壓波動(dòng)之間的影響規(guī)律，仿真得出20 MPa和100 MPa兩種相差較大的噴油壓力下，噴油脈寬從0.8 ms連續(xù)變化至1.4 ms，步長(zhǎng)為0.2 ms時(shí)，油壓波動(dòng)隨時(shí)間的變化，結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 20 MPa時(shí)噴油脈寬對(duì)壓力波動(dòng)的影響

圖9 100 MPa時(shí)噴油脈寬對(duì)壓力波動(dòng)的影響

在20 MPa條件下，隨著脈寬從0.8 ms上升至1.4 ms，壓力波動(dòng)幅值隨之略微減小；而在100 MPa軌壓下，與圖7中60 MPa條件下的情況類似，波動(dòng)幅值隨著脈寬的連續(xù)增大先減小再增大。這主要是因?yàn)樵诓煌瑖娪兔}寬條件下，針閥開始關(guān)閉落座時(shí)間不同。針閥的開啟和關(guān)閉會(huì)造成噴油器內(nèi)蓄壓腔壓力周期性波動(dòng)，同樣也會(huì)引起共軌管內(nèi)的壓力產(chǎn)生波動(dòng)，但共軌管內(nèi)的壓力波動(dòng)相對(duì)蓄壓腔內(nèi)的油壓波動(dòng)存在滯后。即如果針閥開始關(guān)閉的時(shí)刻處在蓄壓腔壓力波動(dòng)幅值上升的階段，則會(huì)促進(jìn)共軌管內(nèi)的波動(dòng)；而如果針閥開始關(guān)閉時(shí)刻處于蓄壓腔壓力波動(dòng)幅值下降的階段，則會(huì)削弱共軌管內(nèi)的波動(dòng)，這也導(dǎo)致了在相同軌壓不同噴油脈寬條件下，油壓波動(dòng)幅值的變化呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。所以在100 MPa軌壓時(shí)，噴油脈寬從0.8 ms變化至1.4 ms過程中，由于噴油結(jié)束時(shí)間不同，油壓波動(dòng)幅值出現(xiàn)先減小再增大的情況。

2.3 共軌管直徑對(duì)油壓波動(dòng)的影響

高壓共軌系統(tǒng)中的共軌管直徑也會(huì)影響燃油波動(dòng)規(guī)律。對(duì)比不同管徑下油壓波動(dòng)的變化應(yīng)在共軌管容積不變的前提下進(jìn)行，否則會(huì)導(dǎo)致其他重要參數(shù)發(fā)生變動(dòng)，不利于對(duì)單一變量進(jìn)行研究。本節(jié)仿真是基于 CRS900 試驗(yàn)臺(tái)共軌部件的測(cè)量數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)共軌管直徑進(jìn)行單一變量研究。

實(shí)測(cè)CRS900試驗(yàn)臺(tái)共軌管內(nèi)管徑為16 mm，長(zhǎng)300 mm。表2列出仿真所選取的5種不同內(nèi)管徑，在保持容積不變的前提下所對(duì)應(yīng)的共軌管長(zhǎng)度。

表2 仿真共軌管內(nèi)管徑和長(zhǎng)度

圖10示出在60 MPa噴油壓力，1.0 ms脈寬下，不同共軌管內(nèi)直徑下管內(nèi)壓力波動(dòng)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。由圖10可知，隨著共軌管內(nèi)直徑增大，油壓脈動(dòng)幅值明顯減小，但由于噴油壓力和噴油脈寬是固定的，所以油壓波動(dòng)頻率基本保持不變。在噴油器剛剛關(guān)閉時(shí)，受到針閥落座壓力波影響，管內(nèi)產(chǎn)生水擊波動(dòng)現(xiàn)象，且初次振動(dòng)幅值最大。隨著噴油器關(guān)閉，共軌管內(nèi)油壓逐漸趨于平穩(wěn)，逐步收斂于設(shè)定的期望軌壓。在振幅隨時(shí)間遞減的過程中，大管徑所對(duì)應(yīng)的各個(gè)周期內(nèi)的振幅均小于小管徑對(duì)應(yīng)的振幅。綜合以上分析，選擇較大的共軌管直徑有助于減小內(nèi)部燃油波動(dòng)的影響，但是也并非管徑越大越好，管徑過大會(huì)影響管內(nèi)油壓的建立響應(yīng)時(shí)間。

圖10 共軌管直徑對(duì)壓力波動(dòng)的影響

3 基于R語言的油壓波動(dòng)影響因素分析

在數(shù)據(jù)的回歸分析中，如果樣本包含兩個(gè)或以上的自變量，就應(yīng)當(dāng)歸結(jié)為多元線性回歸問題。針對(duì)噴油壓力、噴油脈寬、共軌管直徑3個(gè)自變量與因變量的仿真數(shù)據(jù)，回歸分析計(jì)算量較大，分析較為繁雜，本研究借助R語言環(huán)境，將不同自變量對(duì)因變量的影響轉(zhuǎn)換為標(biāo)分進(jìn)行回歸分析。

建立多元線性回歸模型：

yi=b0+b1x1+b2x2+b3x3+μi。

(1)

通過cor()函數(shù)求得脈寬、軌壓和共軌管管徑與波動(dòng)幅度之間相關(guān)系數(shù)矩陣(見表3)。其中mk為脈寬，gy為軌壓，gj為共軌管管徑，volatility為波動(dòng)幅度。

表3 cor(data1)相關(guān)系數(shù)矩陣

由該相關(guān)系數(shù)矩陣可以看出，軌壓與波動(dòng)幅度相關(guān)性達(dá)到0.89，呈強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，共軌管管徑與波動(dòng)幅度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，這也與仿真結(jié)果一致。

圖11示出scatterplotMatrix函數(shù)輸出的在非對(duì)角線區(qū)域變量間的散點(diǎn)相關(guān)矩陣圖。矩陣圖由16副小圖組成，每一幅圖顯示了自變量之間兩兩對(duì)應(yīng)的關(guān)系。本研究關(guān)注3個(gè)自變量(脈寬、軌壓、管徑)與因變量油壓波動(dòng)幅度之間的關(guān)系，即第4列的圖形信息。從圖11可以看出，波動(dòng)幅度隨著軌壓增大而增大明顯，而隨著脈寬和共軌管管徑在仿真數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)變化幅度不明顯。

圖11 散點(diǎn)相關(guān)矩陣圖

在此基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用lm()函數(shù)擬合多元線性回歸模型，該函數(shù)輸出結(jié)果如下：

Call:

lm(formu1a～volati1ity～mk + gy + gj, data = data1)

Residua1s:

Min 1Q Median 3Q Max

-4.363 6 -0.542 5 -0.134 0 0.413 0 5.123 5

Coefficients:

Estimate Std.Error t value Pr(<|t|)

---

signif.codes: 0 '***' 0.001 '**' 0.01'*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1

Residua1 standard error: 1.24 on 56 degrees of freedom

Mu1tiple R-squared: 0.838 5, Adjusted R-squared: 0.829 9

F-statistic: 96.93 on 3 and 56 DF,p-value:<2.2e-16

>confint(fit)

在本例中，軌壓的回歸系數(shù)為0.12，表示控制脈寬和管徑不變時(shí)，軌壓上升1%，波動(dòng)幅度將會(huì)上升0.12%，它的系數(shù)在p<0.001的水平下顯著不為0。

結(jié)果表明，軌壓改變1%，波動(dòng)幅度就在95%的置信區(qū)間[0.11,0.14]中變化。

為了進(jìn)一步說明各個(gè)自變量對(duì)油壓波動(dòng)影響所占的權(quán)重大小，通過relweights()函數(shù)對(duì)樣本數(shù)據(jù)中各個(gè)預(yù)測(cè)變量的相對(duì)重要性進(jìn)行了進(jìn)一步的計(jì)算，結(jié)果見圖12。

圖12 預(yù)測(cè)變量相對(duì)重要性

由圖12可以看出，在噴油壓力、噴油脈寬和共軌管管徑3個(gè)影響因素中，軌壓即噴油壓力對(duì)油壓波動(dòng)幅值的影響權(quán)重高達(dá)80.74%，對(duì)油壓波動(dòng)的影響占據(jù)主導(dǎo)地位，而脈寬和管徑影響較小，分別占據(jù)10.96%和8.29%。

4 結(jié)論

a)保持共軌管直徑和脈寬不變，共軌管內(nèi)的油壓波動(dòng)幅值隨著噴油壓力的增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且隨著軌壓增大，噴油器噴油后油壓波動(dòng)頻率升高；

b)保持共軌管直徑和噴油壓力不變，不同的噴油脈寬對(duì)油壓波動(dòng)幅值的影響具有不確定性，即隨著脈寬增大，波動(dòng)幅值增量為正或負(fù)；

c)保持噴油壓力和脈寬不變，在保持容積不變的前提下改變共軌管直徑和長(zhǎng)度會(huì)對(duì)管內(nèi)油壓波動(dòng)造成影響，共軌管直徑增大油壓脈動(dòng)幅值明顯減小，但由于噴油壓力和噴油脈寬是固定的，所以油壓波動(dòng)頻率基本保持不變；

d)在噴油壓力、噴油脈寬和共軌管管徑3個(gè)影響因素中，軌壓即噴油壓力對(duì)油壓波動(dòng)幅值的影響權(quán)重高達(dá)80.74%，對(duì)油壓波動(dòng)的影響占據(jù)主導(dǎo)地位。