高壓共軌系統軌腔內壓力波動特性研究

聶 濤，劉振明，安士杰

(海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢 430033)

1 引言

高壓共軌燃油噴射系統能夠實現對柴油機噴油定時、噴油脈寬和噴射次數的柔性控制，是當前柴油機提高經濟性、減少有害排放的主要手段之一[1-4]。對循環噴油量的柔性控制是高壓共軌系統改善柴油機性能的關鍵，而高壓共軌噴射系統的結構參數是共軌腔內壓力波動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期內開啟和關閉，同時高壓油泵的泵油是周期性的，這將導致共軌管內燃油壓力產生高頻波動，而燃油壓力波動過大將破壞多缸柴油機噴油一致性，進而影響柴油機的性能。因此，深入研究共軌管內的壓力波動特性對于減小共軌管內的壓力波動，保證多缸柴油機各缸噴油一致性是十分必要的。

范立云等[7]針對高壓共軌噴油系統在噴油過程中壓力波動引起多次噴射穩定性下降的問題進行了研究，研究的結果表明主噴油量波動幅值隨噴射間隔時間增大而減小。蘇海峰等[8]使用電磁式共軌多次噴射系統，對水擊壓力波傳播現象進行了試驗研究，研究的結果表明前一次噴射會導致高壓油管內燃油壓力產生波動，從而影響后一次噴油量出現偏差。Henein等[9]指出共軌系統壓力波動會影響噴油器針閥的運動以及燃油噴射。李丕茂等[10]通過試驗研究得出壓力波動幅度隨軌壓和噴油脈寬的變化不是單調的，同時通過仿真研究得出高壓油管內燃油壓力波動幅度隨噴油脈寬的增大呈現出周期性的變化規律，隨軌壓的增大大體上呈現出增大的趨勢，但是在局部上呈現出周期性的變化規律。劉學龍等[11]對高壓油管結構參數對共軌系統的影響進行了仿真研究，研究結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]對共軌腔容積對軌腔內壓力波動的影響進行了研究，研究結果表明軌腔容積過大容易影響軌腔內油壓的迅速建立，從而降低了柴油機的啟動性能和變工況性能。

為了避免共軌腔容積過大以及高壓油管過長，某型柴油機高壓共軌系統的高壓燃油儲存結構由兩根共軌管和一根軌軌連接管(如圖1)組成。建立了該型柴油機高壓共軌系統的仿真模型，并通過將仿真結果與試驗數據進行比較，驗證了仿真模型的準確性；同時仿真研究了由于噴油時序對軌腔內的壓力波動影響，并對噴油間隔時間、軌軌連接管結構參數對軌腔內壓力波動的影響規律進行了研究。

2 共軌系統模型

本文研究的共軌系統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等六點為相對應的高壓油管與共軌管連接點。共軌管內壓力為1600bar，噴油器噴孔個數為10個，直徑為0.51mm，系統結構參數如表1所示。基于試驗臺結構參數搭建的仿真模型見圖2和圖3。

圖1 共軌系統試驗臺簡圖

表1 高壓共軌系統主要參數

圖2 高壓共軌系統模型

圖3 噴油器模型

3 仿真模型的試驗驗證

表2給出了不同工況條件下，共軌系統單個噴油器單次噴油量仿真結果與試驗結果的對比，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，共軌系統噴油器噴油持續期仿真結果與試驗結果的對比，從表中可以看出最大誤差為4.7%。對比表2和表3可以發現，并不是噴油量仿真誤差小，噴油持續期的誤差就小，這主要是因為噴油規律誤差不同造成的。

表2 單次噴油量仿真結果與試驗結果對比

表3 噴油持續期仿真結果與試驗結果對比

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

圖4 噴油規律的仿真結果與試驗結果對比

4 仿真結果與分析

為了研究該型高壓共軌系統關鍵結構參數對共軌腔內壓力波動的影響，仿真時的壓力源采用1600bar的恒壓源，噴油持續期為4ms，1#和2#噴油器噴油間隔為10ms～180ms，其余管路等均采用與實際共軌系統一致的結構參數，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，A點、B點和F點處的壓力變化。從圖中可以看出，噴油器噴油后A點和B點壓力快速的下降到1568bar，并且二者的變化規律一致，這主要是由于軌腔內的壓力波動是以聲速在共軌腔內進行傳播，而A、B兩點間的距離相對較小(距離為0.438m)，因此導致兩點的壓力變化曲線出現重合的現象。同時噴油結束后，軌腔內的壓力存在波動，其波動幅度隨著時間逐漸衰減；值得注意的是壓力波動的峰值出現超過了恒壓源壓力1600bar的現象，這可能導致噴油器噴油量不一致，甚至出現二次噴射。因此應該避免這種壓力大幅波動現象的出現。出現這種現象的原因主要在于噴油器在關閉的瞬間出現水擊現象，它產生的水擊壓力波在高壓油管和共軌管內傳播，從而使得即使噴油器停止噴油，共軌管內的油壓仍會出現較大幅度的波動，甚至出現共軌管內壓力大于供油壓力的現象。從圖中還可以看出F點的壓力變化明顯區別于A點和B點，其壓力是在B點壓力開始下降后大約1.5ms后才開始下降的，同時不僅壓力最低值小于B點的最小壓力值1568bar，而且其壓力最大值大于1600bar。這主要是由于B點和F點距離較遠(距離為1.562m)以及軌軌連接管與共軌管的直徑不相同導致的。

圖6給出了1#噴油器噴油以及1#和2#噴油器均噴油時(△t=10ms)，B點處的壓力變化對比。從圖中可以看出只有1#噴油時B點壓力波動存在一個較大的波谷，壓力降到了1568bar，該值與2#噴油器噴油時B點最低壓力1568bar(如圖5)是相同的。而當1#噴油器噴油10ms后2#噴油器再開始噴油時，B點的壓力首先在1#噴油器噴油時達到波谷1568bar，這與只有1#噴油器噴油時的壓力波動一樣；但是當2#噴油器開始噴油時，B點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B點最低壓力1568bar(如圖5)低了1.3%，很明顯由于1#噴油器的噴油導致2#噴油器噴油時B點的壓力變得更低了，而軌腔壓力是影響噴油器循環噴油量的重要因素，這將導致2#噴油器的循環噴油量發生改變，因此1#噴油器的噴油過程會對B點處的2#噴油器的循環噴油量的一致性產生不利影響。

圖6 B點壓力的變化(△t=10ms)

圖7給出了1#和2#噴油器不同噴油間隔時間時，B點處的壓力變化。從圖中可以看出隨著噴油間隔時間△t的增大，1#噴油器的噴油對B點的壓力波動的影響不是單調的，而是隨著間隔時間△t的增加先增大后減小最后幾乎不變。這主要是因為當2#噴油器開始噴油時(△t=10ms)，B點壓力不是1600bar而是1585bar(如圖6)，從而導致噴油時B點壓力下降很多(如圖7中case 3，I區)，最小壓力為1547bar；當2#噴油器開始噴油時(△t=30ms)，在水擊效應作用下B點壓力正好處于波峰狀態(如圖6中case 1，II區)，即噴油時的B點壓力大于1600bar，因此2#噴油器噴油過程中的最小壓力出現增大，最小壓力為1576bar；而隨著△t的繼續增大，由于水擊效應導致的噴油前共軌腔B點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點最小壓力逐漸減小直至最后幾乎不變。

圖7 噴射間隔時間不同時B點壓力變化

圖8 1#噴油器噴油對B點壓力的影響(△t=180ms)

圖9 局部放大圖

圖10給出了僅1#缸噴油時，軌腔不同位置處的壓力波動情況。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情況出現了較大的差別。原因是由于軌軌連接管的直徑小于共軌管直徑導致在連接處會出現較大的局部壓力損失并且出現較強的壓力波的反射現象。從圖中還可以發現軌軌連接管后的壓力波動需要更長的時間才能穩定下來。

圖10 1#噴油器噴油時不同位置處的壓力變化(case 1)

圖11給出了僅1#噴油時，不同的軌軌連接管直徑對F點壓力波動的影響。從圖中可以看出連接管直徑對于F點壓力波動影響較大，最大波動幅值達到了74bar，隨著連接管直徑的增大，壓力波動的幅值先增大后減小。圖12給出了僅1#噴油器噴油時，不同的軌軌連接管直徑對C點壓力波動的影響。從圖中可以看出，連接管直徑的改變對連接管前C處的壓力波動影響有限，圖中最大波動幅值為43bar。在連接管直徑為2mm時，F點壓力波動幅度最小，這是因為此時連接管直徑小，導致軌腔內油壓在此處產生較大的節流損失，從而導致F點波動幅值小；但此處的壓力波反射得以增強，從而導致C點的壓力波動幅度在此時達到最大(如圖12)。

圖11 不同軌軌連接管直徑時F點壓力變化(case 1)

圖12 不同軌軌連接管直徑時C點壓力變化(case 1)

圖13給出了僅1#噴油器噴油時，軌軌連接管長度變化的條件下F點的壓力變化情況。從圖中可以看出隨著連接管長度的增加F點壓力波動幅度先增加后減小，這主要是因為連接管長度最小時(0.4m)，F點的壓力波動受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減弱，因此此時的F點壓力波動較小，而隨著連接管長度的增加，1#噴油器的噴油對F點的壓力波動的影響減弱，而壓力反射的影響相對增強，在這個變化的過程中出現了在連接管長度為0.8m時F壓力波動幅值最大，隨后隨著連接管長度的增大F點壓力波動幅度逐漸減小。F點最大波動幅度達到71bar。

圖13 不同軌軌連接管長度時F點壓力變化(case 1)

圖14給出了僅1#噴油器噴油時，連接管長度變化的條件下C點的壓力變化情況。從圖中可以看出隨著連接管長度的增加C點壓力波動幅度增加，這主要是由于隨著連接管長度的增大導致連接管后的共軌管內的燃油來不及流到C點，導致C點的壓力波動幅值增大。比較圖13和圖14可以發現相對F點壓力波動幅值來說，C點的壓力波動幅值是比較小的，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C點壓力變化(case 1)

圖15給出了1#噴油器噴油且共軌管直徑不變時，B點壓力隨共軌管長度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B點壓力波動幅值逐漸減小，這主要是因為隨著長度L的增加，共軌管內的容積增大導致由于1#噴油器噴油導致共軌管內的壓力降減小。

圖15 不同共軌管長度時，B點壓力變化(case 1)

圖16給出了1#噴油器噴油且共軌管長度L不變時，B點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的增大出現較快的升高。而B點的壓力波動幅值隨著直徑D的增大而減小，這主要是由于直徑D增大，導致共軌管的容積增大，從而減小了由于1#噴油器的噴油導致的共軌管內的壓力降。

圖16 不同共軌管直徑時，B點壓力變化(case1)

5 總結

本文建立了某型柴油機高壓共軌系統數學仿真模型，并將仿真模型的計算結果與試驗結果進行了對比，驗證了仿真模型的準確性。同時基于此模型，對軌腔內壓力波動的原因進行了研究，研究結果表明：

1)噴油器的噴油會造成其相鄰缸對應軌腔位置處壓力出現較大幅度的振蕩；并且軌軌連接管前后的壓力振蕩強度是不相同的，其振蕩的強度受到軌軌連接管結構參數的影響；

2)隨著噴油間隔時間△t的增大，相鄰氣缸間由于噴油所產生的軌腔內壓力波動的影響會得到減弱；

3)共軌管的結構參數對共軌腔內的壓力波動存在較大的影響，一般隨著軌腔容積的增大軌腔內的壓力波動幅度會減小。