共軌系統(tǒng)壓力波動(dòng)和多次噴射油量偏差的抑制

孟育博，李丕茂，張幽彤，王志明

(1.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，濟(jì)南250100；2.北京理工大學(xué) 清潔車輛實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

0 引 言

為滿足更嚴(yán)格的排放法規(guī)，車用柴油機(jī)采用多次噴射控制策略。在多次噴射過程中，相鄰兩次噴射之間的時(shí)間間隔較短，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)會(huì)使燃油噴射量產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響理想噴油規(guī)律，從而導(dǎo)致柴油機(jī)性能變差[1]。

目前，針對(duì)燃油壓力波動(dòng)和燃油質(zhì)量偏差機(jī)理的研究較多。Catania等[2]的研究表明，高壓油管尺寸對(duì)噴油器入口壓力波動(dòng)影響較大。Bianchi等[3]通過研究得出長(zhǎng)度較短和直徑較大的高壓油管能夠?qū)θ加蛧娚滟|(zhì)量的壓力波動(dòng)進(jìn)行抑制。Henein等[4]認(rèn)為多次噴射中，前一次噴射引起的壓力波動(dòng)會(huì)對(duì)噴油器的開啟和關(guān)閉產(chǎn)生影響。Catania等[5]研究了不同噴油器相鄰兩次噴射之間的相互影響，結(jié)果表明，預(yù)噴引起的油路內(nèi)的壓力波動(dòng)會(huì)影響噴油器針閥的開啟和關(guān)閉。范立云等[6]通過研究預(yù)噴射對(duì)循環(huán)噴油量的影響，得出預(yù)噴射引起的壓力波與其反射波在盛油槽形成疊加波,疊加波的波動(dòng)形式是引起主噴油量隨著噴射間隔波動(dòng)并影響波動(dòng)的根本原因。吳建等[7]的研究表明，共軌管尺寸對(duì)壓力波動(dòng)及噴油量具有一定的影響。丁曉亮等[8]采用壓電噴油器對(duì)預(yù)主噴模式下的噴油量波動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出預(yù)噴產(chǎn)生的壓力波動(dòng)是導(dǎo)致主噴油量波動(dòng)的主要原因。

目前已采用多種措施對(duì)壓力波動(dòng)的抑制效果進(jìn)行研究，但尚未得到能夠顯著減小多次噴射噴油量偏差幅度的方法。Gupta等[9]提出利用壓電執(zhí)行器來抑制共軌管內(nèi)的壓力波動(dòng)。Catania等[10]采用在油泵和噴油器間添加小容腔來代替共軌腔，但是單次噴射的噴油量降低幅度較大。Chen等[11]設(shè)計(jì)了滑閥柱塞耦合部件來抑制高壓油泵高壓腔的壓力波動(dòng)，但是效果不佳。Baratta等[12]通過在共軌管出口添加阻尼孔來消除壓力波動(dòng)，但該方法會(huì)減小噴油器的單次噴油量。蘇海峰等[13]設(shè)計(jì)了復(fù)合H型濾波器對(duì)多次噴射中壓力波動(dòng)的抑制效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明，最大噴油量波動(dòng)率最多能降低30%。

本文設(shè)計(jì)了一款帶有阻尼孔和容腔的濾波器裝置，并通過試驗(yàn)匹配出較佳的結(jié)構(gòu)尺寸。然后，研究了在不同的共軌壓力、不同控制策略下濾波器對(duì)共軌系統(tǒng)壓力波動(dòng)的抑制效果。試驗(yàn)結(jié)果不僅能夠詳細(xì)地描述濾波器對(duì)共軌系統(tǒng)的影響，而且可以為共軌系統(tǒng)提供進(jìn)一步優(yōu)化的邊界條件。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，包括共軌燃油噴射系統(tǒng)、單次噴射儀、電流傳感器和壓力傳感器等設(shè)備。采用法國(guó)EFS公司的8150-3單次噴射儀(測(cè)量范圍為0～600 mm3，精度為滿量程的0.1%)測(cè)量噴油量和噴油率；采用Kistle公司的4067C3000型動(dòng)態(tài)壓力傳感器(測(cè)量量程為0～300 MPa，靈敏度為0.033 V/MPa)采集噴油器入口壓力信號(hào)；采用Agilent公司的1146A型電流傳感器(量程為0.1～100 A，帶寬為100 kHz)采集噴油器驅(qū)動(dòng)電流。

圖1 高壓油泵試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Platform of high pressure fuel pump

1.2 液力系統(tǒng)

液力系統(tǒng)包括噴油器、高壓油管A和液力濾波器，如圖2所示。圖中，K為高壓油管和噴油器入口處的一個(gè)很小的容積腔，燃油通過容腔K經(jīng)過管路I到達(dá)供油油路和控制油路的交匯容腔B，容腔B和控制腔J之間的油路稱為控制油路；D為控制腔進(jìn)油孔之前的一個(gè)環(huán)形容腔；C為聯(lián)接管路；容腔B和噴孔P之間的油路稱為噴油油路；點(diǎn)L為兩個(gè)直徑不同的管路E和F的交匯點(diǎn)；管路H為容腔G和噴孔P之間的環(huán)形管路。濾波器包括容腔O和S，阻尼孔W，節(jié)點(diǎn)U，管路T、M、N和R。濾波器在高壓油管和噴油器之間，噴油器打開后，容腔O快速、及時(shí)地向噴油器體內(nèi)補(bǔ)充燃油；阻尼孔添加在分支油路的交點(diǎn)U和容腔O之間，能夠使壓力波動(dòng)盡快衰減而不會(huì)減小單次噴油量。

圖2 加濾波器的液力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hydraulic system configuration diagram plus filter

2 濾波器結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)

2.1 濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)波動(dòng)產(chǎn)生的原因以及文獻(xiàn)[12，13]的研究成果，設(shè)計(jì)了帶有阻尼孔和容腔的濾波器，如圖3所示。濾波器一端與噴油器入口相連，另一端與高壓油管相連。同時(shí)由文獻(xiàn)[13]可知，容腔體積較大可以提高濾波效果，但會(huì)降低響應(yīng)速度，因此容腔體積選取不大于共軌管容腔的1/4。研究表明[5]：阻尼孔太小，單次噴射噴油量會(huì)大幅度較??；阻尼孔太大，濾波效果不明顯，因此選擇阻尼孔尺寸不超過高壓油管直徑。

圖3 液力濾波器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of filter

2.2 濾波器尺寸選擇

為了匹配得到較佳的濾波器結(jié)構(gòu)尺寸，采用均勻設(shè)計(jì)的方法獲得壓力波動(dòng)最小的濾波器尺寸。阻尼孔直徑h0、h1、h2、h3、h4分別為0、0.2、0.4、0.8、3 mm；容腔體積O1、O2、O3、O4、O5分別為0、1720、5590、12 790、28 000 mm3。

3 試驗(yàn)研究結(jié)果及分析

本文在高壓油管長(zhǎng)度為600 mm，直徑為1.8 mm條件下，研究了阻容式液力濾波器在不同共軌壓力和不同的噴射策略下的濾波效果。

3.1 濾波器結(jié)構(gòu)尺寸的試驗(yàn)匹配

在共軌壓力為100 MPa、容腔體積為28 000 mm3、噴油脈寬為1 ms的條件下進(jìn)行單次噴射試驗(yàn)，不同阻尼孔直徑下的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 噴油脈寬為1 ms時(shí)，不同阻尼孔直徑下的壓力波動(dòng)Fig.4 Pressure fluctuation under different damping hole diameter when pulse width is 1 ms

由圖4可以看出：隨著阻尼孔直徑的增大，壓力波動(dòng)的幅度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，這是阻尼孔的能量耗散作用造成的。濾波器阻尼孔直徑變大，使得壓力波動(dòng)的幅度降低，但同時(shí)使阻尼孔的能量耗散作用減小，所以在0～3 mm間存在使壓力波動(dòng)幅度最小的阻尼孔直徑。整體看來，阻尼孔直徑為0.4 mm時(shí)，壓力波動(dòng)幅度最小，所以選擇阻尼孔的直徑為0.4 mm。

在阻尼孔直徑為0.4 mm、共軌壓力為100 MPa、脈寬為1 ms下進(jìn)行單次噴射試驗(yàn)，不同容腔體積下的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 噴油脈寬為1 ms時(shí)，不同容腔體積下的壓力波動(dòng)Fig.5 Pressure fluctuation under different damping hole diameter when pulse width is 1 ms

由圖5可以看出：波動(dòng)的幅度隨著容腔體積增大而減小，但當(dāng)容腔體積大于1720 mm3時(shí)，容腔體積變化對(duì)壓力波動(dòng)的影響很小，這是由于容腔中的燃油在自身彈性作用下能對(duì)油路進(jìn)行燃油補(bǔ)充造成的。隨著容腔體積的增大，燃油補(bǔ)充速度也進(jìn)一步提高，但是當(dāng)容腔體積增大到1720 mm3時(shí)，補(bǔ)充速度變緩，因此對(duì)波動(dòng)幅度的抑制也隨著變緩，同時(shí)為了便于安裝，本文選擇1720 mm3作為容腔體積。

因此，選擇阻尼孔直徑為0.4 mm、容腔體積為1720 mm3作為波動(dòng)幅度最小的濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖6 噴油脈寬為0.4 ms時(shí)，單次噴射引起的壓力波動(dòng)Fig.6 Pressure fluctuation caused by single injection when injection pulse width is 0.4 ms

3.2 單次噴射下濾波器對(duì)壓力波動(dòng)幅度的影響

圖6(a)(b)(c)分別為單次噴射下，噴油脈寬為0.4 ms，共軌壓力為40、60和100 MPa情況下，加裝濾波器和未加裝濾波器的壓力波動(dòng)幅度的比較圖。

為了定量分析濾波器對(duì)壓力波動(dòng)的抑制效果，將圖6中加裝濾波器和不加裝濾波器情況下的最大壓力波動(dòng)量與最小壓力波動(dòng)量之差ΔP分別提取出來，如表1所示。

表1 不同共軌壓力下的ΔPTable 1 ΔP under different common rail pressure

由表1可以看出：在共軌壓力分別為40、60和100 MPa時(shí)，加裝濾波器時(shí)的ΔP分別為不加裝濾波器時(shí)的46%、47%和49%，即共軌壓力波動(dòng)分別減小54%、53%和51%。出現(xiàn)這種變化的原因是因?yàn)闉V波器的“削峰填谷”作用，使ΔP變小。后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果的原因分析均是如此，不再贅述。

3.3 多次噴射下濾波器對(duì)噴油量的影響

采用預(yù)主噴和主后噴的噴油模式研究了濾波器在不同控制策略下對(duì)噴油量的影響。

3.3.1 預(yù)主噴模式下濾波器對(duì)噴油量的影響

預(yù)噴能夠降低柴油機(jī)燃燒噪音，改善冷啟動(dòng)性能和排放性能[14,15]。一般情況下，預(yù)噴的噴油脈寬要小于主噴的噴油脈寬。同時(shí)，燃油質(zhì)量的波動(dòng)量隨著噴射脈寬的增大而減小[1]。Δt為兩次噴射時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。在試驗(yàn)中，設(shè)定預(yù)噴脈寬為0.4 ms，主噴脈寬為0.6 ms，并依次改變預(yù)主噴時(shí)間間隔Δt。圖7(a)(b)(c)分別是共軌壓力為40、60、100 MPa時(shí)，主噴油量隨預(yù)主噴時(shí)間間隔的變化規(guī)律。

圖7 預(yù)噴脈寬為0.4 ms時(shí)主噴油量的變化Fig.7 Fuel mass of main injection when injection pulse width of pilot injection is 0.4 ms

為了定量分析液力濾波器對(duì)預(yù)主噴模式下主噴油量偏差的抑制作用，在預(yù)主噴最小間隔時(shí)間為1.1 ms的情況下，將圖7中加裝濾波器和不加裝濾波器情況下的最大主噴油量和最小主噴油量之差Δmmax提取出來，如表2所示。

由表2可以看出，在共軌壓力為40、60和100 MPa時(shí)，加裝濾波器時(shí)的Δmmax分別為不加裝濾波器時(shí)的37.6%、32%和29%，即濾波器的添加使主噴油量波動(dòng)幅度分別減小了62.4%、68%和71%。

表2 Δt為1.1 ms時(shí)的ΔmmaxTable 2 Δmmax when Δt=1.1 ms

3.3.2 主后噴下濾波器對(duì)噴油量的影響

后噴能夠降低碳煙和氮氧化物，能夠有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放性能[16,17]。設(shè)定主噴射脈寬為1 ms，后噴射脈寬為0.6 ms，并依次改變主后噴時(shí)間間隔Δt。圖8(a)(b)(c)分別是共軌壓力為40、60、100 MPa時(shí)，后噴油量隨主后噴時(shí)間間隔的變化規(guī)律。

為了定量分析液力濾波器對(duì)主后噴模式下后噴油量偏差的抑制作用，在主后噴最小間隔時(shí)間為2.5 ms的情況下，將圖8中加裝濾波器和不加裝濾波器情況下的最大后噴油量和最小后噴油量之差Δmmax提取出來，如表3所示。

圖8 主噴脈寬為1 ms時(shí)后噴油量的變化Fig.8 Fuel mass of post injection when injection pulse width of main injection is 1 ms

表3 Δt為2.5 ms時(shí)的ΔmmaxTable 3 Δmmax when Δt=2.5 ms

由表3可以看出，在共軌壓力分別為40、60和100 MPa時(shí)，加裝濾波器時(shí)的Δmmax分別為不加裝濾波器時(shí)的14%、13.8%和13.7%，即濾波器的添加使后噴油量波動(dòng)幅度分別減小86%、86.2%和86.3%。

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)了帶有阻尼孔和容腔的濾波器模型，并通過均勻設(shè)計(jì)的方法得出濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸在阻尼孔直徑為0.4 mm、容腔體積為1720 mm3時(shí)壓力波動(dòng)幅度最小。

(2)在共軌壓力分別為40、60、100 MPa，脈寬為0.4 ms,單次噴射條件下,濾波器的加裝使共軌壓力波動(dòng)幅度分別減小54%、53%和51%。

(3)在共軌壓力分別為40、60和100 MPa，多次噴射條件下，濾波器的添加使預(yù)主噴模式下共軌系統(tǒng)主噴油量波動(dòng)幅度減小了62.4%～71%；主后噴模式下共軌系統(tǒng)后噴油量波動(dòng)幅度減小了86%～86.3%。

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