內燃機高壓油管的壓力控制分析

張雪，龐黎靜

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710000）

1 研究背景

高壓油管是內燃機供油系統的重要組成部分，隨著我國內燃機工業的迅速發展，高壓油管被廣泛應用，許多學者對高壓油管進行了研究。如李旭東研究分析高壓油管開裂原因；崔小林從連接方式和零件質量2個方面研究了高壓油管的失效形式等。其中大多研究分析高壓油管的故障問題，缺少了對油管本身工作原理及狀態的分析。基于此現狀，本文結合高壓油管的工作原理，分析高壓油管壓力的影響因素，建立高壓油管壓力控制模型，將高壓油管內的壓力穩定在一定的范圍，以此提高工作效率以及延長使用壽命。

2 問題分析

高壓油管的工作原理如圖所示，燃油由高壓油泵從A處進入高壓油管，再由噴油嘴從B處噴出。凸輪轉動使得柱塞上下運動，柱塞向上運動時壓縮高壓油泵內的燃油，當油泵內的壓力大于高壓油管內的壓力時，單向閥開啟，燃油進入高壓油管內。在高壓油管的另一端有針閥和噴孔組成的噴油嘴，針閥進行上下往復運動過程中，會不同程度的開啟噴油嘴，將高壓油管內的燃油從該處噴出。噴油嘴結構如圖所示。

高壓油管內腔長度為，內徑為，初始壓力=100MPa。噴油嘴的針閥頭部為球形，其直徑為2.5mm，噴孔的直徑為7mm，密封座是半角為9°的圓錐。當針閥高度為0時，針閥閉合，出油量為零，當針閥高度大于0時，噴油嘴開啟，噴油速度為10次/s。我們要研究的問題是：在給定的噴油器工作次數、高壓油管尺寸和初始壓強條件下，確定凸輪的角速度，使得高壓油管的壓強盡可能穩定在100MPa左右。

圖1 高壓油管工作過程

圖2 油噴嘴示意圖

3 建立模型

3.1 燃油壓力與密度的關系模型

由高壓油管的彈性模量與燃油壓力的關系擬合公式：

上述兩式聯立可得出燃油壓力與密度之間的關系式：

3.2 凸輪高度隨時間變化關系模型

凸輪等速轉動使得連接在其上的柱塞做往復直線運動，此過程與油管的進油量有關。當柱塞向上運動時會壓縮高壓油泵內的燃油，高壓油泵內的壓力不斷升高，直到高壓油泵內的壓力高于高壓油管內的壓力時，燃油進入高壓油管；柱塞向下運動使高壓油泵內的空間增大，高壓油泵內的壓力會逐漸減小，直到高壓油泵內的壓力低于高壓油管內的壓力時，燃油不再被吸入高壓油管。

由凸輪邊緣曲線擬合出凸輪高度與角度的函數關系：

圖3 凸輪極徑與極角關系曲線

3.3 針閥升程隨時間變化關系模型

針閥升程與高壓油管的噴油量密切相關，當針閥升程大于0時，噴油嘴開啟，隨著開啟程度增大，噴嘴的噴油量也會增大，到針閥上升到一定高度時，噴油嘴完全開啟，這時候噴油量達到最大，由于高壓油管內的壓力變化，針閥上升到一定高度之后會下降，噴油嘴開啟程度減小，最終噴油嘴關閉。此過程循環往復。

由針閥運動曲線擬合出針閥高度與時間的函數關系：

圖4 針閥高度與時間關系曲線

針閥的運動為周期運動，其函數關系為：

3.4 高壓油管進油量模型

判斷高壓油管是否進油的條件：

3.5 高壓油管的出油量模型

4 利用visual studio 軟件編程求解

基于迭代法的思想，整理出以下求解方法：

5 結語

經大量數據整合，利用逐步逼近法則，篩選出大致符合要求的凸輪轉速范圍是37～38r/s。

不同轉速下的壓力P隨時間t的變化規律圖像：

圖5 轉速為37r/s時的壓力波動曲線

圖6 轉速為37.2r/s時的壓力波動曲線

圖7 轉速為36.6r/s時的壓力波動曲線

圖8 轉速38r/s時的壓力波動曲線

由上述圖像分析可知，凸輪轉速n=37.2r/s時，高壓油管內的壓力接近穩定在100MPa，此時高壓油管內壓力的變化范圍較小，使得噴嘴所噴出的燃油量偏差小，從而保證了發動機的工作效率。