高壓共軌噴油系統液力特性的仿真研究

徐春龍

（中國北方發動機研究所，山西大同037036）

20世紀末以來，隨著世界各國對于內燃機性能指標和排放指標的逐步提高，越來越多的新技術應用在內燃機上。在柴油機領域，電控燃油噴射技術飛速發展，特別是高壓共軌噴油系統正逐步成為未來柴油機燃油噴射系統的主流，被內燃機行業公認為二十世紀3大突破之一［1］。高壓共軌噴油系統燃油噴射特性主要受高壓共軌噴油系統液力特性——高壓燃油受系統結構約束和系統內殘余壓力的影響而產生的流體動力學特征的變化規律即系統內密度、壓力、體積流量的變化規律影響。

針對目前國內外的研究情況，為高壓共軌噴油系統結構參數的改進研究提供可靠依據，本文希望用準確的仿真模型對高壓共軌噴油系統的液力過程進行仿真，通過研究結構參數對系統液力特性的影響明確結構對共軌系統燃油噴射特性的影響規律。本文參照某型高壓共軌系統建立了其液力過程的仿真模型。著重研究了結構參數對于系統液力特性的影響，總結了結構對高壓共軌燃油噴射系統燃油噴射特性的影響規律。并在此基礎上總結了主要的影響參數，提出了高壓共軌噴油系統結構的改進方向。

1 基于Hydsim的高壓共軌噴油系統液力過程仿真模型建立

1.1 Hydsim軟件簡介

Hydsim是奧地利AVL公司開發的液壓和液力機械系統動力學分析軟件，以一維流體動力學和多剛體動力學為基礎，用于各種內燃機的高壓燃油噴射系統的模擬分析。Hydsim軟件的計算模型己進行了模塊化處理，包含各種電控元件、液力和機械元件，按其類型和功能組合成功能組元，供油泵、調壓單元和噴油器的各個部分都可以在這些組元中找到相應的元件，將這些元件按相應的連接方式組合起來，就構成了共軌噴射系統模擬計算的物理模型［2］。按結構和功能的不同，Hydhm軟件有18個功能組元：邊界組、凸輪組、剛性質量組、活塞組、容積組、油管組、彎曲管組、分流元件組、泵油元件組、泄漏組、控制元件組、閥組、節流元件組、電磁線圈組、壓電激勵組、流量孔組、噴油嘴組和針閥組。在每個組元中，還可以根據不同的結構特點以及功能上的差別選擇不同的元件。

利用Hydsim進行模擬分析是一種有意義的輔助設計手段。研究試驗結果表明用Hydsim對Denso的ECD－U2P等系統模擬計算的結果可取得與實測結果較好的一致性。這表明使用Hydsim軟件對高壓共軌噴油系統進行模擬可以用于共軌系統的研究和設計［3－4］。

1.2 系統建模

建立某高壓共軌噴油系統液力過程的仿真模型如圖1。

圖1 高壓共軌噴油系統液力過程仿真模型

模型由高壓油泵接口組件、共軌管組件、電控噴油器接口組件、電控噴油器入口高壓油路、電控噴油器噴嘴組件、電控噴油器控制腔組件、電控噴油器低壓回油油路組成，參數見表1。

表1 模型參數表

2 高壓共軌噴油系統液力過程分析

供油壓力設定為150MPa進行仿真，圖2（a）～（g）分別為噴嘴蓄壓腔壓力、控制腔壓力、針閥升程、控制腔瀉油速率、噴油規律、噴油量、共軌壓力波動曲線。

高壓共軌各段的壓力波動近似于正弦波動。各段的壓力波動各不相同，共軌第1段的壓力波動周期最長，共軌2至4段波動周期逐漸增大。共軌1段、4段壓力波動幅度較大，2段、3段壓力波動幅度較小。

噴油器電磁閥開啟后同時出現高壓燃油噴射及低壓回油，造成噴油器內燃油減少，共軌內燃油不斷流入噴油器控制腔及蓄壓腔。由于短時間內噴油量相對蓄壓腔容積較小且燃油不斷流入，蓄壓腔壓力波動較小，在燃油噴射過程中可近似視為恒壓源，這是保證燃油快速噴射的重要原因之一。而控制腔體積較小，瀉油速率則接近噴油速率，燃油流入流出對控制腔內壓力影響極大。因此，高壓共軌噴油系統主要是通過控制電磁閥的啟閉控制控制腔內燃油量，實現蓄壓腔與控制腔壓力差的變化，最終影響針閥的啟閉，實現對燃油噴射的控制。

電磁閥打開后控制腔壓力開始快速下降至100 MPa以下。此時蓄壓腔壓力比控制腔壓力大很多，因此控制活塞開始上升，針閥抬起，控制腔容積變小，壓力有所上升但不影響針閥的抬起。1.6ms時控制腔壓力開始下降，可推測，此時控制活塞上升到了控制腔入口位置，控制腔停止進油，與蓄壓腔的壓力差也進一步加大，針閥抬起速度略有加快?？刂魄粔毫υ?.8ms左右達到最小值，與蓄壓腔的壓力差達到最大。電磁閥關閉后控制腔壓力開始重新建立，但蓄壓腔壓力始終高于控制腔壓力，因此針閥依然保持開啟。2.15ms后蓄壓腔與控制腔壓力差小于針閥預緊力，控制活塞開始下行，針閥開始落座，繼而使噴油率下降，噴油逐漸結束。控制活塞下行過程中由于控制腔容積的增大，壓力又一次下降。此時針閥完全落座后控制腔容積不再變化，內部壓力開始上升至正常值。

圖2 高壓共軌噴油系統液力過程仿真結果

由圖2（e）可見，噴油持續期1.25ms。噴油規律與針閥升程曲線相似，差別在于當針閥升程在其最大升程2／3以上時，噴油速率與針閥升程幾乎無關，這是因為當針閥上升至一定高度時噴嘴流通截面積大于噴孔流通面積，此時噴油速率主要受噴孔流通面積制約。由噴油量曲線可以發現，噴油速率上升及下降階段時間很短且噴油量較少，約占總噴油量的20%，燃油噴射集中、噴油量大。這符合對燃油噴射的需求，如果對電磁閥進行合理控制則可實現理想的靴型燃油噴射。

3 噴油器結構參數對燃油噴射的影響

3.1 控制腔容積的影響

分別設置控制腔容積10、15、20、25、30mm3進行仿真，得到了控制腔容積對共軌系統燃油噴射的影響如圖3。

圖3 噴油器控制腔容積的影響

控制腔容積越小，電磁閥開啟后控制腔內壓力下降越快，電磁閥關閉后壓力重建也越快，又因為控制腔容積對蓄壓腔內壓力幾乎沒有影響，因此控制腔容積越小噴油起始時刻及噴油結束時刻均提前，而噴油持續期基本不變?？梢?，較小的控制室容積可以提高系統的液力響應速度。如何通過合理的設計減小噴油器控制腔的容積是噴油器設計中需要考慮的重要問題之一。

3.2 控制腔進出口孔徑的影響

控制腔進口直徑din與控制腔出口直徑dout對控制腔燃油壓力有很大影響，進而對燃油噴射過程產生影響。為研究控制腔進出口孔徑對噴油系統的影響，分別設置控制腔進口直徑分別為0.24、0.26、0.28mm，dout／din為1.1，得到了控制腔進出口孔徑對共軌系統燃油噴射的影響如圖4。

圖4 噴油器控制腔進出口孔徑的影響

控制腔進出口孔徑對噴油規律及噴油量影響很大?？刂魄贿M出口孔徑越大，噴油速率上升及下降越快，噴油持續期越短，對噴油速率最大值影響不大，但由于噴油持續期的減小噴油量也隨之減小。這是由于隨著控制腔進出口孔徑越大，但孔徑比不變，因此電磁閥開啟后控制腔內壓力變化情況基本相同，噴油起始點不變。但當控制活塞上升將控制腔入口封閉后控制腔內燃油流出速度增大，使噴油速率上升加快。而電磁閥關閉后由于燃油只進不出，因此隨著控制腔進出口孔徑的增大燃油流入速度增大，壓力重建更快，針閥落座提前，噴油持續期減小。但控制腔進出口孔徑過大則會對控制腔的設計產生影響，不利于小容積控制腔的設計。

3.3 控制腔進出口孔徑比的影響

dout／din即控制腔出口孔徑與入口孔徑之比也對噴油特性有很大影響。為研究其影響，設控制腔進口節流閥孔徑為0.24mm，dout／din分別設置為1.05，1.1，1.2，1.3，1.5，得到dout／din對共軌系統燃油噴射的影響。

圖5 dout／din的影響

dout／din越大則噴油起始點越早、噴油速率上升及下降越快、噴油持續期越長、噴油量越大。這是因為dout／din越大，電磁閥開后控制腔瀉油速率就越大，控制腔壓力從電磁閥開啟時刻就以更快速下降，因此噴油提前，噴油速率上升加快且控制腔內的燃油量更少；電磁閥關閉后控制腔入口孔徑不變而控制腔內燃油量更少，因此控制腔壓力重建過程相對更慢，使噴油速率下降更遲，噴油持續期變長。總體而言，適當增大dout／din有助于提高噴油量及液力響應速度。

4 結論及展望

（1）高壓共軌燃油噴射系統主要通過電磁閥的啟閉控制控制腔內的燃油壓力，進而實現蓄壓腔及控制腔的壓力差，從而實現針閥的開啟，實現燃油噴射。

（2）高壓共軌噴油器結構參數是影響系統燃油噴射的主要因素，噴油器結構對燃油噴射的影響主要是通過對系統液力特性的影響實現的。高壓共軌噴油器控制腔參數是影響系統燃油噴射特性的主要因素，包括控制腔容積、控制腔進出口孔徑及控制腔進出口孔徑比。

（3）控制腔容積主要影響噴油器液力響應速度，控制腔進出口孔徑對噴油器響應速度也有影響，但對噴油規律影響更為主要。對噴油器控制腔進行優化設計，提高液力響應速度、優化噴油規律。

［1］劉斌彬，等.柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統研究進展［J］.山東內燃機，2005，（06）：1－4.

［2］何建元.柴油機共軌式燃油系統及電控噴油器的仿真研究［D］.哈爾濱工程大學，2007.

［3］張建新，等.高壓共軌噴油器結構參數對噴油量特性影響的研究［J］.現代車用動力，2003，（1）：1－5.

［4］張明陽，等.高壓共軌噴油器設計參數的仿真研究［C］.SAE－C2008P108，2008.