超高壓共軌系統(tǒng)噴油特性隨增壓脈寬的影響

周 磊,楊 昆,趙建華,聶 濤

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

1 引言

高壓共軌系統(tǒng)能夠基于對(duì)共軌壓力的閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)供油和噴油過(guò)程的相對(duì)獨(dú)立[1-3],已成為柴油機(jī)節(jié)能減排發(fā)展的前沿技術(shù),更柔性可控的噴油規(guī)律則是高壓共軌系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中的發(fā)展方向[4,5]。然而,常規(guī)的共軌系統(tǒng)要求保持油壓不變,噴油規(guī)律呈矩形,無(wú)法實(shí)現(xiàn)噴油規(guī)律的靈活改變?；诖?海軍工程大學(xué)設(shè)計(jì)了增壓裝置,并將其加裝在常規(guī)高壓共軌系統(tǒng)的共軌管和噴油器之間,構(gòu)成超高壓共軌系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙電磁閥控制,分別用于控制增壓裝置和噴油器,通過(guò)調(diào)整增壓裝置和噴油器電磁閥的相對(duì)控制信號(hào)時(shí)序,能夠?qū)崿F(xiàn)柔性可控的噴油規(guī)律[6]。

眾所周知,想要提升柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和降低排放,就必須要改善燃燒過(guò)程,而燃燒過(guò)程與共軌噴射系統(tǒng)的噴油特性直接相關(guān)[7,8],國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞共軌系統(tǒng)的噴油特性進(jìn)行了相關(guān)研究,Dong Q等[9]對(duì)不同噴射壓力和噴嘴結(jié)構(gòu)下的高壓氣體噴射過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并且利用紋影成像方法研究了氣體射流的宏觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:提高噴射壓力并不能明顯提高噴嘴的穿透力,同時(shí),孔徑的增大不能直接改善引氣效果,也不能提高燃?xì)馍淞鞯钠骄?dāng)量比;蘇海峰等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究和仿真分析相結(jié)合的方法,開(kāi)展了控制參數(shù)對(duì)共軌噴油器噴油特性的影響研究,獲取了噴油速率和噴油持續(xù)期等隨軌壓和噴油脈寬的變化規(guī)律。范立云等[11]以電控單體泵為研究對(duì)象,分析了系統(tǒng)噴射特性隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律,結(jié)果表明:對(duì)噴射壓力、循環(huán)噴油量以及噴油持續(xù)期影響最為明顯的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為凸輪速度、噴油器流量以及柱塞直徑。但上述研究都只針對(duì)常規(guī)高壓共軌系統(tǒng),超高壓共軌系統(tǒng)能夠同時(shí)調(diào)整增壓裝置和噴油器控制參數(shù),增壓脈寬如何影響該系統(tǒng)的噴油特性還未系統(tǒng)解析和探明,故開(kāi)展超高壓共軌系統(tǒng)增壓特性隨增壓脈寬的影響研究,對(duì)實(shí)現(xiàn)燃油噴射的精確控制以及柴油機(jī)性能的整體提升具有重要意義。

基于此,為探明超高壓共軌系統(tǒng)噴油特性隨增壓脈寬的影響規(guī)律和成因機(jī)理,在介紹系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,建立了超高壓共軌系統(tǒng)的仿真模型,并利用性能試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性,分析了在不同共軌壓力下,增壓脈寬對(duì)超高壓共軌系統(tǒng)噴油特性的影響。

2 超高壓共軌系統(tǒng)模型建立及驗(yàn)證

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 增壓裝置

根據(jù)增壓裝置的工作原理,可將其分為液壓腔和運(yùn)動(dòng)件進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立。

1)液壓腔

增壓裝置的液壓腔主要包括控制室和增壓室,基于流體的可壓縮性方程、伯努利方程以及泄漏方程[12],對(duì)于控制室,其燃油連續(xù)性方程可表示為

(1)

其中:Vcon為控制室容積;Pc為控制室壓力;Q1為基壓室至控制室的油量;Q2為控制室至電磁閥室的油量;Q3為控制室泄油量;Scon為控制室截面積。

同理,對(duì)于增壓室,燃油連續(xù)性方程可表示為

(2)

其中:Vzy是增壓室容積;Pz是增壓壓力;Q4為基壓室到增壓室的油量;Q5是增壓室泄油量;Q6為增壓室到噴油器的油量;Az是增壓活塞小端面積;h為增壓活塞行程。

2)運(yùn)動(dòng)件

增壓裝置的運(yùn)動(dòng)件主要是指增壓活塞,其運(yùn)動(dòng)方程可表示為

(3)

其中:Ar為增壓活塞大端面積;Ac為控制室活塞面積;?為增壓活塞阻力系數(shù);m為增壓活塞質(zhì)量;k為復(fù)位彈簧剛度;y0為復(fù)位彈簧預(yù)壓縮量。

2.1.2 噴油器

噴油器數(shù)學(xué)模型也可分為液壓腔和運(yùn)動(dòng)件二大類(lèi),需要建立的方程主要包括控制室、壓力室內(nèi)燃油連續(xù)性方程、針閥運(yùn)動(dòng)方程等,由于其數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程與增壓裝置相似,故此處不再詳細(xì)說(shuō)明。

2.2 仿真模型

基于增壓裝置和噴油器的數(shù)學(xué)模型,建立的超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。模型主要由增壓裝置模型和噴油器模型兩大部分組成。其中,模塊23為高壓源,用于替代高壓油泵和共軌管,為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的共軌壓力;模塊8、9分別為閥芯帶環(huán)槽活塞和閥芯右側(cè)錐頭,這是兩位三通滑閥式電磁閥的重要部件;模塊12、14以及15分別為增壓裝置的基壓室、控制室以及增壓室;模塊28-31構(gòu)成了噴油器針閥組件;模塊34和36則分別為噴油器的控制室和壓力室。

圖1 超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型

2.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性,利用超高壓共軌系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)架,進(jìn)行了噴油速率的測(cè)試,試驗(yàn)臺(tái)架原理圖如圖2所示,主要由超高壓共軌系統(tǒng)、電控單元、噴油規(guī)律測(cè)試儀以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成,利用噴油規(guī)律測(cè)試儀可以測(cè)量出噴油速率,通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集噴油速率的測(cè)量結(jié)果。試驗(yàn)工況設(shè)置如下:共軌壓力為100MPa,增壓裝置電磁閥控制信號(hào)范圍為1.6-3ms,噴油器電磁閥控制信號(hào)范圍為1-2ms。仿真工況與試驗(yàn)工況保持一致。

圖2 超高壓共軌系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)架原理圖

噴油速率的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖如圖3所示,由圖可知,噴油速率的試驗(yàn)值和仿真值基本吻合,證明了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖3 噴油速率仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 小噴油脈寬條件下

當(dāng)噴油脈寬為0.8ms(噴油器電磁閥控制信號(hào)范圍為1-1.8ms),控制時(shí)差(增壓裝置電磁閥控制信號(hào)開(kāi)始時(shí)刻與噴油器電磁閥控制信號(hào)開(kāi)始時(shí)刻之差,下同)為0.5ms時(shí)(即增壓裝置電磁閥控制信號(hào)開(kāi)始時(shí)刻為1.5ms),在不同共軌壓力下,增壓脈寬對(duì)噴油速率的影響如圖4所示,由圖可知,隨著增壓脈寬的增加,噴油速率曲線形態(tài)近似于靴形,且保持不變。

圖4 增壓脈寬對(duì)噴油速率的影響

為解釋上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因,以共軌壓力為100MPa為例,作出了不同增壓脈寬下的噴油器壓力室壓力曲線(見(jiàn)圖5),由圖可知,當(dāng)噴油脈寬較小(0.8ms)時(shí),在不同的增壓脈寬下,整個(gè)噴油過(guò)程(從開(kāi)始噴油到噴油結(jié)束)均被包含在壓力室壓力從共軌壓力上升到最大增壓壓力的時(shí)間段內(nèi),由于這段時(shí)間,壓力室壓力的上升曲線趨勢(shì)保持不變,因此,噴油過(guò)程僅僅取決于噴油控制參數(shù),即當(dāng)噴油時(shí)刻、噴油脈寬等不變時(shí),噴油速率曲線形態(tài)保持不變,曲線形態(tài)近似于靴形則是在噴油的過(guò)程中由于增壓裝置的增壓作用使得噴油壓力升高造成的。

圖5 不同增壓脈寬下的噴油器壓力室壓力(共軌壓力為100MPa)

根據(jù)上述分析,作出了在不同共軌壓力下,增壓脈寬對(duì)噴油特性參數(shù)(噴油壓力、噴油量、噴油開(kāi)啟延遲、噴油關(guān)閉延遲以及噴油持續(xù)期)的影響如圖6所示,由圖可知,隨著增壓脈寬的增加,噴油特性參數(shù)均保持不變,只是隨著共軌壓力的變化而發(fā)生變化。

圖6 增壓脈寬對(duì)噴油特性參數(shù)的影響

3.2 大噴油脈寬條件下

當(dāng)噴油脈寬為2ms(噴油器電磁閥控制信號(hào)范圍為1-3ms),控制時(shí)差為0.5ms時(shí)(即增壓裝置電磁閥控制信號(hào)開(kāi)始時(shí)刻為1.5ms),在不同共軌壓力下,增壓脈寬對(duì)噴油速率的影響如圖7所示,由圖可知,隨著增壓脈寬的增大,噴油速率曲線形態(tài)在達(dá)到最大噴油速率前保持不變,而在達(dá)到最大噴油速率之后,噴油速率維持在最大值的時(shí)間延長(zhǎng),且基本保持穩(wěn)定,并出現(xiàn)了類(lèi)似于“倒靴形”的曲線形態(tài)。

圖7 增壓脈寬對(duì)噴油速率影響

為解釋上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因,以共軌壓力為100MPa為例,作出了不同增壓脈寬下噴油器壓力室壓力曲線(見(jiàn)圖8),由圖可知,當(dāng)噴油脈寬較大(2ms)時(shí),在不同的增壓脈寬下,整個(gè)噴油過(guò)程(從開(kāi)始噴油到噴油結(jié)束)均包含了壓力室壓力從共軌壓力開(kāi)始上升到恢復(fù)到共軌壓力的階段,由于噴油過(guò)程的前期,壓力室壓力的上升曲線趨勢(shì)保持不變,因此,噴油速率曲線形態(tài)保持不變。當(dāng)達(dá)到最大噴油速率之后,由于增壓脈寬的增大,使得壓力室壓力維持在最大值的時(shí)間延長(zhǎng)且基本保持穩(wěn)定,這就造成了噴油速率維持在最大值的時(shí)間延長(zhǎng)且基本保持穩(wěn)定。噴油速率出現(xiàn)了類(lèi)似于“倒靴形”的曲線形態(tài)則是由于在噴油還沒(méi)有結(jié)束時(shí),增壓裝置電磁閥控制信號(hào)的關(guān)閉使得增壓壓力迅速下降,并傳遞到噴油器壓力室中,使得壓力室壓力迅速下降,即噴油壓力迅速下降導(dǎo)致的。由于這種情況的發(fā)生,會(huì)極大的影響缸內(nèi)油氣混合,造成霧化不良和燃燒過(guò)程的惡化,因此應(yīng)避免這種情況的發(fā)生,這就要求噴油過(guò)程應(yīng)當(dāng)在增壓壓力開(kāi)始下降前完成。

圖8 不同增壓脈寬下的噴油器壓力室壓力(共軌壓力為100MPa)

4 結(jié)論

1)在小噴油脈寬條件下,隨著增壓脈寬的增加,噴油速率曲線形態(tài)近似于靴形,且保持不變。同時(shí),噴油特性參數(shù)隨增壓脈寬的改變均保持不變,只是隨著共軌壓力的變化而發(fā)生變化。

2)在大噴油脈寬條件下,隨著增壓脈寬的增加,噴油速率可能會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于“倒靴形”的曲線形態(tài),這是由于在噴油還沒(méi)有結(jié)束時(shí),增壓裝置電磁閥控制信號(hào)的關(guān)閉使得增壓壓力迅速下降導(dǎo)致的,為避免這種情況的發(fā)生,噴油過(guò)程應(yīng)當(dāng)在增壓壓力開(kāi)始下降前完成。