高壓共軌系統(tǒng)軌腔內(nèi)壓力波動(dòng)特性研究

聶 濤，劉振明，安士杰

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

1 引言

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)柴油機(jī)噴油定時(shí)、噴油脈寬和噴射次數(shù)的柔性控制，是當(dāng)前柴油機(jī)提高經(jīng)濟(jì)性、減少有害排放的主要手段之一[1-4]。對(duì)循環(huán)噴油量的柔性控制是高壓共軌系統(tǒng)改善柴油機(jī)性能的關(guān)鍵，而高壓共軌噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是共軌腔內(nèi)壓力波動(dòng)的重要影響因素之一[5，6]。

由于噴油器針閥在非常短的噴油持續(xù)期內(nèi)開啟和關(guān)閉，同時(shí)高壓油泵的泵油是周期性的，這將導(dǎo)致共軌管內(nèi)燃油壓力產(chǎn)生高頻波動(dòng)，而燃油壓力波動(dòng)過大將破壞多缸柴油機(jī)噴油一致性，進(jìn)而影響柴油機(jī)的性能。因此，深入研究共軌管內(nèi)的壓力波動(dòng)特性對(duì)于減小共軌管內(nèi)的壓力波動(dòng)，保證多缸柴油機(jī)各缸噴油一致性是十分必要的。

范立云等[7]針對(duì)高壓共軌噴油系統(tǒng)在噴油過程中壓力波動(dòng)引起多次噴射穩(wěn)定性下降的問題進(jìn)行了研究，研究的結(jié)果表明主噴油量波動(dòng)幅值隨噴射間隔時(shí)間增大而減小。蘇海峰等[8]使用電磁式共軌多次噴射系統(tǒng)，對(duì)水擊壓力波傳播現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究的結(jié)果表明前一次噴射會(huì)導(dǎo)致高壓油管內(nèi)燃油壓力產(chǎn)生波動(dòng)，從而影響后一次噴油量出現(xiàn)偏差。Henein等[9]指出共軌系統(tǒng)壓力波動(dòng)會(huì)影響噴油器針閥的運(yùn)動(dòng)以及燃油噴射。李丕茂等[10]通過試驗(yàn)研究得出壓力波動(dòng)幅度隨軌壓和噴油脈寬的變化不是單調(diào)的，同時(shí)通過仿真研究得出高壓油管內(nèi)燃油壓力波動(dòng)幅度隨噴油脈寬的增大呈現(xiàn)出周期性的變化規(guī)律，隨軌壓的增大大體上呈現(xiàn)出增大的趨勢，但是在局部上呈現(xiàn)出周期性的變化規(guī)律。劉學(xué)龍等[11]對(duì)高壓油管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)共軌系統(tǒng)的影響進(jìn)行了仿真研究，研究結(jié)果表明隨著高壓油管長度的變化，噴油器的噴油速率隨之改變。歐陽光耀等[12]對(duì)共軌腔容積對(duì)軌腔內(nèi)壓力波動(dòng)的影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明軌腔容積過大容易影響軌腔內(nèi)油壓的迅速建立，從而降低了柴油機(jī)的啟動(dòng)性能和變工況性能。

為了避免共軌腔容積過大以及高壓油管過長，某型柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的高壓燃油儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)由兩根共軌管和一根軌軌連接管(如圖1)組成。建立了該型柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的仿真模型，并通過將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性；同時(shí)仿真研究了由于噴油時(shí)序?qū)壡粌?nèi)的壓力波動(dòng)影響，并對(duì)噴油間隔時(shí)間、軌軌連接管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軌腔內(nèi)壓力波動(dòng)的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。

2 共軌系統(tǒng)模型

本文研究的共軌系統(tǒng)有兩根相同長度的共軌管，兩者之間由軌軌連接管連接(如圖1)，圖1中的A、B、C、D、E、F、G、H等六點(diǎn)為相對(duì)應(yīng)的高壓油管與共軌管連接點(diǎn)。共軌管內(nèi)壓力為1600bar，噴油器噴孔個(gè)數(shù)為10個(gè)，直徑為0.51mm，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示?；谠囼?yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)搭建的仿真模型見圖2和圖3。

圖1 共軌系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)簡圖

表1 高壓共軌系統(tǒng)主要參數(shù)

圖2 高壓共軌系統(tǒng)模型

圖3 噴油器模型

3 仿真模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

表2給出了不同工況條件下，共軌系統(tǒng)單個(gè)噴油器單次噴油量仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，從表中可以看出最大誤差為4.7%。表3給出了不同工況條件下，共軌系統(tǒng)噴油器噴油持續(xù)期仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，從表中可以看出最大誤差為4.7%。對(duì)比表2和表3可以發(fā)現(xiàn)，并不是噴油量仿真誤差小，噴油持續(xù)期的誤差就小，這主要是因?yàn)閲娪鸵?guī)律誤差不同造成的。

表2 單次噴油量仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表3 噴油持續(xù)期仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖4給出了在軌壓為1600bar，噴射脈寬為290ms時(shí)，噴油規(guī)律的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從圖中可以看出噴油規(guī)律吻合較好，同時(shí)通過積分求和得出單次噴油量仿真值與試驗(yàn)值誤差為2.5%。從上面的分析可以得出：本文建立的高壓共軌系統(tǒng)仿真模型具有很好的準(zhǔn)確性。

圖4 噴油規(guī)律的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 仿真結(jié)果與分析

為了研究該型高壓共軌系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)共軌腔內(nèi)壓力波動(dòng)的影響，仿真時(shí)的壓力源采用1600bar的恒壓源，噴油持續(xù)期為4ms，1#和2#噴油器噴油間隔為10ms～180ms，其余管路等均采用與實(shí)際共軌系統(tǒng)一致的結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真模擬工況如表4所示。

表4 仿真模擬工況

圖5給出了2#噴油器噴油時(shí)，A點(diǎn)、B點(diǎn)和F點(diǎn)處的壓力變化。從圖中可以看出，噴油器噴油后A點(diǎn)和B點(diǎn)壓力快速的下降到1568bar，并且二者的變化規(guī)律一致，這主要是由于軌腔內(nèi)的壓力波動(dòng)是以聲速在共軌腔內(nèi)進(jìn)行傳播，而A、B兩點(diǎn)間的距離相對(duì)較小(距離為0.438m)，因此導(dǎo)致兩點(diǎn)的壓力變化曲線出現(xiàn)重合的現(xiàn)象。同時(shí)噴油結(jié)束后，軌腔內(nèi)的壓力存在波動(dòng)，其波動(dòng)幅度隨著時(shí)間逐漸衰減；值得注意的是壓力波動(dòng)的峰值出現(xiàn)超過了恒壓源壓力1600bar的現(xiàn)象，這可能導(dǎo)致噴油器噴油量不一致，甚至出現(xiàn)二次噴射。因此應(yīng)該避免這種壓力大幅波動(dòng)現(xiàn)象的出現(xiàn)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要在于噴油器在關(guān)閉的瞬間出現(xiàn)水擊現(xiàn)象，它產(chǎn)生的水擊壓力波在高壓油管和共軌管內(nèi)傳播，從而使得即使噴油器停止噴油，共軌管內(nèi)的油壓仍會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，甚至出現(xiàn)共軌管內(nèi)壓力大于供油壓力的現(xiàn)象。從圖中還可以看出F點(diǎn)的壓力變化明顯區(qū)別于A點(diǎn)和B點(diǎn)，其壓力是在B點(diǎn)壓力開始下降后大約1.5ms后才開始下降的，同時(shí)不僅壓力最低值小于B點(diǎn)的最小壓力值1568bar，而且其壓力最大值大于1600bar。這主要是由于B點(diǎn)和F點(diǎn)距離較遠(yuǎn)(距離為1.562m)以及軌軌連接管與共軌管的直徑不相同導(dǎo)致的。

圖6給出了1#噴油器噴油以及1#和2#噴油器均噴油時(shí)(△t=10ms)，B點(diǎn)處的壓力變化對(duì)比。從圖中可以看出只有1#噴油時(shí)B點(diǎn)壓力波動(dòng)存在一個(gè)較大的波谷，壓力降到了1568bar，該值與2#噴油器噴油時(shí)B點(diǎn)最低壓力1568bar(如圖5)是相同的。而當(dāng)1#噴油器噴油10ms后2#噴油器再開始噴油時(shí)，B點(diǎn)的壓力首先在1#噴油器噴油時(shí)達(dá)到波谷1568bar，這與只有1#噴油器噴油時(shí)的壓力波動(dòng)一樣；但是當(dāng)2#噴油器開始噴油時(shí)，B點(diǎn)的壓力再次開始下降，壓力降低到1548bar，該壓力比僅2#噴油器噴油時(shí)B點(diǎn)最低壓力1568bar(如圖5)低了1.3%，很明顯由于1#噴油器的噴油導(dǎo)致2#噴油器噴油時(shí)B點(diǎn)的壓力變得更低了，而軌腔壓力是影響噴油器循環(huán)噴油量的重要因素，這將導(dǎo)致2#噴油器的循環(huán)噴油量發(fā)生改變，因此1#噴油器的噴油過程會(huì)對(duì)B點(diǎn)處的2#噴油器的循環(huán)噴油量的一致性產(chǎn)生不利影響。

圖6 B點(diǎn)壓力的變化(△t=10ms)

圖7給出了1#和2#噴油器不同噴油間隔時(shí)間時(shí)，B點(diǎn)處的壓力變化。從圖中可以看出隨著噴油間隔時(shí)間△t的增大，1#噴油器的噴油對(duì)B點(diǎn)的壓力波動(dòng)的影響不是單調(diào)的，而是隨著間隔時(shí)間△t的增加先增大后減小最后幾乎不變。這主要是因?yàn)楫?dāng)2#噴油器開始噴油時(shí)(△t=10ms)，B點(diǎn)壓力不是1600bar而是1585bar(如圖6)，從而導(dǎo)致噴油時(shí)B點(diǎn)壓力下降很多(如圖7中case 3，I區(qū))，最小壓力為1547bar；當(dāng)2#噴油器開始噴油時(shí)(△t=30ms)，在水擊效應(yīng)作用下B點(diǎn)壓力正好處于波峰狀態(tài)(如圖6中case 1，II區(qū))，即噴油時(shí)的B點(diǎn)壓力大于1600bar，因此2#噴油器噴油過程中的最小壓力出現(xiàn)增大，最小壓力為1576bar；而隨著△t的繼續(xù)增大，由于水擊效應(yīng)導(dǎo)致的噴油前共軌腔B點(diǎn)壓力增大的幅度越來越小(如圖8和圖9)，從而使得2#噴油器開始噴油后B點(diǎn)最小壓力逐漸減小直至最后幾乎不變。

圖7 噴射間隔時(shí)間不同時(shí)B點(diǎn)壓力變化

圖8 1#噴油器噴油對(duì)B點(diǎn)壓力的影響(△t=180ms)

圖9 局部放大圖

圖10給出了僅1#缸噴油時(shí)，軌腔不同位置處的壓力波動(dòng)情況。從圖中可以看出軌軌連接管前的A、B、C、D四處的壓力變化幾乎一致，而軌軌連接管后的E、F、G、H四處的壓力變化同樣幾乎一致；但是軌軌連接管前后的壓力波動(dòng)情況出現(xiàn)了較大的差別。原因是由于軌軌連接管的直徑小于共軌管直徑導(dǎo)致在連接處會(huì)出現(xiàn)較大的局部壓力損失并且出現(xiàn)較強(qiáng)的壓力波的反射現(xiàn)象。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)軌軌連接管后的壓力波動(dòng)需要更長的時(shí)間才能穩(wěn)定下來。

圖10 1#噴油器噴油時(shí)不同位置處的壓力變化(case 1)

圖11給出了僅1#噴油時(shí)，不同的軌軌連接管直徑對(duì)F點(diǎn)壓力波動(dòng)的影響。從圖中可以看出連接管直徑對(duì)于F點(diǎn)壓力波動(dòng)影響較大，最大波動(dòng)幅值達(dá)到了74bar，隨著連接管直徑的增大，壓力波動(dòng)的幅值先增大后減小。圖12給出了僅1#噴油器噴油時(shí)，不同的軌軌連接管直徑對(duì)C點(diǎn)壓力波動(dòng)的影響。從圖中可以看出，連接管直徑的改變對(duì)連接管前C處的壓力波動(dòng)影響有限，圖中最大波動(dòng)幅值為43bar。在連接管直徑為2mm時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)壓力波動(dòng)幅度最小，這是因?yàn)榇藭r(shí)連接管直徑小，導(dǎo)致軌腔內(nèi)油壓在此處產(chǎn)生較大的節(jié)流損失，從而導(dǎo)致F點(diǎn)波動(dòng)幅值??；但此處的壓力波反射得以增強(qiáng)，從而導(dǎo)致C點(diǎn)的壓力波動(dòng)幅度在此時(shí)達(dá)到最大(如圖12)。

圖11 不同軌軌連接管直徑時(shí)F點(diǎn)壓力變化(case 1)

圖12 不同軌軌連接管直徑時(shí)C點(diǎn)壓力變化(case 1)

圖13給出了僅1#噴油器噴油時(shí)，軌軌連接管長度變化的條件下F點(diǎn)的壓力變化情況。從圖中可以看出隨著連接管長度的增加F點(diǎn)壓力波動(dòng)幅度先增加后減小，這主要是因?yàn)檫B接管長度最小時(shí)(0.4m)，F(xiàn)點(diǎn)的壓力波動(dòng)受1#噴油器噴油的影響，而受到連接管與共軌管接口處的壓力反射影響相對(duì)減弱，因此此時(shí)的F點(diǎn)壓力波動(dòng)較小，而隨著連接管長度的增加，1#噴油器的噴油對(duì)F點(diǎn)的壓力波動(dòng)的影響減弱，而壓力反射的影響相對(duì)增強(qiáng)，在這個(gè)變化的過程中出現(xiàn)了在連接管長度為0.8m時(shí)F壓力波動(dòng)幅值最大，隨后隨著連接管長度的增大F點(diǎn)壓力波動(dòng)幅度逐漸減小。F點(diǎn)最大波動(dòng)幅度達(dá)到71bar。

圖13 不同軌軌連接管長度時(shí)F點(diǎn)壓力變化(case 1)

圖14給出了僅1#噴油器噴油時(shí)，連接管長度變化的條件下C點(diǎn)的壓力變化情況。從圖中可以看出隨著連接管長度的增加C點(diǎn)壓力波動(dòng)幅度增加，這主要是由于隨著連接管長度的增大導(dǎo)致連接管后的共軌管內(nèi)的燃油來不及流到C點(diǎn)，導(dǎo)致C點(diǎn)的壓力波動(dòng)幅值增大。比較圖13和圖14可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)F點(diǎn)壓力波動(dòng)幅值來說，C點(diǎn)的壓力波動(dòng)幅值是比較小的，這主要是由于連接管的直徑小于軌腔的直徑，增大了局部壓力損失。

圖14 不同軌軌連接管長度時(shí)C點(diǎn)壓力變化(case 1)

圖15給出了1#噴油器噴油且共軌管直徑不變時(shí)，B點(diǎn)壓力隨共軌管長度L的變化情況。從圖中可以看出隨著長度L的增大，共軌管內(nèi)的最大峰值壓力基本不變，而最小谷值壓力在緩慢上升，同時(shí)B點(diǎn)壓力波動(dòng)幅值逐漸減小，這主要是因?yàn)殡S著長度L的增加，共軌管內(nèi)的容積增大導(dǎo)致由于1#噴油器噴油導(dǎo)致共軌管內(nèi)的壓力降減小。

圖15 不同共軌管長度時(shí)，B點(diǎn)壓力變化(case 1)

圖16給出了1#噴油器噴油且共軌管長度L不變時(shí)，B點(diǎn)壓力隨著共軌管直徑D的變化情況。從圖中可以看出隨著直徑D的增大，最大峰值壓力在前期快速下降，而在后期下降緩慢；而最小谷值壓力隨著直徑D的增大出現(xiàn)較快的升高。而B點(diǎn)的壓力波動(dòng)幅值隨著直徑D的增大而減小，這主要是由于直徑D增大，導(dǎo)致共軌管的容積增大，從而減小了由于1#噴油器的噴油導(dǎo)致的共軌管內(nèi)的壓力降。

圖16 不同共軌管直徑時(shí)，B點(diǎn)壓力變化(case1)

5 總結(jié)

本文建立了某型柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型，并將仿真模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)基于此模型，對(duì)軌腔內(nèi)壓力波動(dòng)的原因進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：

1)噴油器的噴油會(huì)造成其相鄰缸對(duì)應(yīng)軌腔位置處壓力出現(xiàn)較大幅度的振蕩；并且軌軌連接管前后的壓力振蕩強(qiáng)度是不相同的，其振蕩的強(qiáng)度受到軌軌連接管結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響；

2)隨著噴油間隔時(shí)間△t的增大，相鄰氣缸間由于噴油所產(chǎn)生的軌腔內(nèi)壓力波動(dòng)的影響會(huì)得到減弱；

3)共軌管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)共軌腔內(nèi)的壓力波動(dòng)存在較大的影響，一般隨著軌腔容積的增大軌腔內(nèi)的壓力波動(dòng)幅度會(huì)減小。