可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)噴油特性隨噴油脈寬的影響

陳 軍，施冠羽，張 濤，周 磊

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

0 引 言

高壓共軌系統(tǒng)能夠基實(shí)現(xiàn)供油和噴油過程的相對(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)化過程中的發(fā)展方向[4–6]。然而，常規(guī)的共軌系統(tǒng)要求保持油壓不變，噴油規(guī)律為矩形，無(wú)法實(shí)現(xiàn)靈活改變[7–9]。基于此，周磊等[10 – 12]設(shè)計(jì)并加工了增壓裝置，并將其安裝于共軌管和噴油器之間，構(gòu)成了可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于雙電磁閥分別控制增壓裝置和噴油器，通過調(diào)整雙電磁閥的相對(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。

眾所周知，若想提升柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和降低排放，就必須改善燃燒過程，而燃燒過程與共軌噴射系統(tǒng)的噴油特性直接相關(guān)[13–15]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞共軌系統(tǒng)的噴油特性進(jìn)行相關(guān)研究。Dong Q 等[16]對(duì)不同噴射壓力和噴嘴結(jié)構(gòu)下的高壓氣體噴射過程進(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；Park J 等[17]對(duì)GDI 噴油器開展試驗(yàn)研究，分析了噴射量和噴射延遲等噴射特性。結(jié)果表明：隨著噴油壓力的噴射量增加，但噴油器關(guān)閉延遲減小，同時(shí)，通電時(shí)間對(duì)噴射延遲幾乎不產(chǎn)生影響；張喬斌等[18]以船用大功率共軌柴油機(jī)為研究對(duì)象，開展了噴油參數(shù)和噴油特性內(nèi)在關(guān)系的仿真研究，結(jié)果表明：噴孔直徑會(huì)影響初始階段的噴油速率，同時(shí)，噴油壓力通過燃油流通面積會(huì)對(duì)噴油速率產(chǎn)生影響。高豪杰等[19]利用通過了試驗(yàn)驗(yàn)證的高壓共軌系統(tǒng)仿真模型，研究了噴射特性隨著油泵參數(shù)的影響規(guī)律，得出了凸輪偏心距過小或過大，都會(huì)改變共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)峰值的結(jié)論。然而，上述研究都只針對(duì)常規(guī)高壓共軌系統(tǒng)，可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)能夠同時(shí)調(diào)整增壓裝置和噴油器控制參數(shù)，噴油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，故開展可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)噴油特性隨噴油脈寬的影響研究，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，為探明可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)噴油特性隨噴油脈寬的影響規(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，建立了可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(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，噴油脈寬對(duì)可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)噴油特性的影響。

1 可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)模型建立及驗(yàn)證

1.1 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理可知，建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，可分為增壓裝置和噴油器兩大部件。

1）液壓腔

液壓腔主要包括增壓裝置的控制室、增壓室和噴油器的壓力室。燃油在液壓腔內(nèi)流動(dòng)滿足流體可壓縮性方程[20 –21]，根據(jù)流動(dòng)過程是否存在泄漏分別按照以下公式計(jì)算：

2）運(yùn)動(dòng)件

運(yùn)動(dòng)件主要是指增壓裝置的增壓活塞和噴油器的針閥。依據(jù)牛頓定律，運(yùn)動(dòng)過程可表示為：

1.2 仿真模型

基于上述數(shù)學(xué)模型，通過AMESim 液壓軟件建立的系統(tǒng)仿真模型如圖1 所示。模型主要由增壓裝置和噴油器兩大部分構(gòu)成。模型中理想高壓源，用于為系統(tǒng)提供穩(wěn)定壓力。

圖1 可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)仿真模型Fig. 1 Simulation model of high pressure common rail system with variable fuel injection law

1.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，利用可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試噴油速率，其原理圖如圖2所示，其仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3 所示。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2 可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)架原理圖Fig. 2 Performance experimental bench principle diagram of high pressure common rail system with variable fuel injection law

圖3 噴油速率仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig. 3 Fuel injection rate comparison between simulation result and experimental result

2 仿真結(jié)果分析

2.1 噴油脈寬對(duì)噴油速率的影響

當(dāng)增壓脈寬為1 ms（增壓裝置電磁閥控制信號(hào)范圍為1.5-2.5 ms），控制時(shí)差（增壓裝置電磁閥控制信號(hào)開始時(shí)刻與噴油器電磁閥控制信號(hào)開始時(shí)刻之差）為0.5 ms 時(shí)（即噴油器電磁閥控制信號(hào)開始時(shí)刻為1 ms），在不同共軌壓力下，噴油脈寬對(duì)噴油速率的影響如圖4 所示。可知，隨著噴油脈寬的增加，噴油速率曲線形態(tài)均近似于靴形（即有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)），且大噴油速率范圍占整個(gè)噴油過程的比例逐漸增大。這是由于噴油在增壓之前開始，即在噴油的過程中會(huì)由于增壓裝置的增壓作用使增壓室壓力升高，壓力隨即通過高壓油管傳遞到噴油器的壓力室中，使噴油壓力在某一時(shí)刻上升速度突然增大，進(jìn)而造成噴油速率上升速度突然增大，故其曲線形態(tài)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，近似于靴形，且噴油脈寬越長(zhǎng)，保持在大噴油速率的時(shí)間越長(zhǎng)。值得注意的是，噴油脈寬為0.6 ms 時(shí)，沒有出現(xiàn)靴形噴油速率曲線形態(tài)，且其最大噴油速率明顯偏低，這是由于在增壓壓力傳遞到噴油器壓力室之前，噴油過程已經(jīng)結(jié)束造成的。由圖可以看出，當(dāng)噴油脈寬大于1 ms 后，噴油速率已經(jīng)達(dá)到最大值，且基本保持穩(wěn)定，這是由于針閥升程已達(dá)到最大造成的。

圖4 噴油脈寬對(duì)噴油速率的影響Fig. 4 Effect of fuel injection pulse width on fuel injection rate

2.2 噴油脈寬對(duì)噴油壓力的影響

在不同共軌壓力下，噴油脈寬對(duì)噴油壓力的影響如圖5 所示。可知，隨著噴油脈寬的增加，噴油壓力逐漸升高，并且共軌壓力越高，噴油壓力的升高速率越大，這是由于共軌壓力的升高使得針閥上升速度加快導(dǎo)致的。 由圖可以看出， 當(dāng)噴油脈寬大于1 ms 后，噴油壓力基本保持在穩(wěn)定值，這是因?yàn)獒橀y升程已達(dá)到最大造成的。

圖5 噴油脈寬對(duì)噴油壓力的影響Fig. 5 Effect of fuel injection pulse width on fuel injection pressure

2.3 噴油脈寬對(duì)噴油開啟延遲和關(guān)閉延遲的影響

在不同共軌壓力下，噴油脈寬對(duì)噴油開啟延遲和噴油關(guān)閉延遲的影響如圖6 所示。可知，隨著噴油脈寬的增加，噴油開啟延遲保持不變，噴油關(guān)閉延遲在噴油脈寬較小時(shí)（0.6～1 ms），增加幅度明顯，而在噴油脈寬較大時(shí)（1～1.4 ms），基本保持不變，即存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。

圖6 噴油脈寬對(duì)噴油開啟延遲和關(guān)閉延遲的影響Fig. 6 Effect of fuel injection pulse width on fuel injection opening delay and closing delay

為解釋上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，作出了不同噴油脈寬下的針閥升程曲線，如圖7。可以看出，隨著噴油脈寬的增加，針閥的上升速度不變，因此噴油開啟延遲不變。當(dāng)噴油脈寬較小時(shí)（0.6～1 ms），由于針閥沒有達(dá)到最大升程，噴油脈寬的增加使得針閥運(yùn)動(dòng)距離增加，其落座過程的運(yùn)動(dòng)時(shí)間也相應(yīng)增加，故噴油關(guān)閉延遲的增加幅度明顯。當(dāng)噴油脈寬較大時(shí)（1～1.4 ms），針閥已經(jīng)達(dá)到最大升程，且針閥下降速度基本相同，因此使得噴油關(guān)閉延遲基本保持不變。值得注意的是，在噴油脈寬為0.8 ms 時(shí)，針閥在下降過程有一段突然回升再繼續(xù)下降的過程，這是由于在針閥下降過程中，增壓壓力剛好傳遞到噴油器的壓力室引起的。

圖7 不同噴油脈寬下的針閥升程Fig. 7 Needle lift under different fuel injection pulse width

2.4 噴油脈寬對(duì)噴油持續(xù)期的影響

在不同共軌壓力下，噴油脈寬對(duì)噴油持續(xù)期的影響如圖8 所示。可知，隨著噴油脈寬的增加，噴油持續(xù)期逐漸增加，并且在噴油脈寬較小時(shí)（0.6～1 ms），噴油持續(xù)期隨噴油脈寬變化的線性度較差，而在噴油脈寬較大時(shí)（1～1.4 ms），噴油持續(xù)期與噴油脈寬基本呈線性關(guān)系，即存在一個(gè)拐點(diǎn)。噴油持續(xù)期定義為噴油關(guān)閉時(shí)刻與噴油開始時(shí)刻之差，由于噴油開啟延遲隨噴油脈寬的增加保持不變，因此噴油持續(xù)期隨噴油脈寬的變化趨勢(shì)與噴油關(guān)閉延遲隨噴油脈寬的變化趨勢(shì)有關(guān)，即只有當(dāng)噴油關(guān)閉延遲基本保持不變時(shí)，噴油持續(xù)期才與噴油脈寬基本上呈線性關(guān)系。

圖8 噴油脈寬對(duì)噴油持續(xù)期的影響Fig. 8 Effect of fuel injection pulse width on fuel injection duration

2.5 噴油脈寬對(duì)噴油量的影響

在不同共軌壓力下，噴油脈寬對(duì)噴油量的影響如圖9 所示。可知，隨著噴油脈寬的增加，噴油量逐漸增大，且增大幅度明顯。在共軌壓力分別為80 MPa、90 MPa 以及100 MPa 時(shí)，噴油脈寬每增加0.2 ms，噴油量增大幅度分別為78.9%、63.3%以及69.6%，這是由于噴油脈寬的增加使得噴油持續(xù)期增加導(dǎo)致的，從噴油速率曲線的包絡(luò)線面積也能看出這種變化趨勢(shì)。

圖9 噴油脈寬對(duì)噴油量的影響Fig. 9 Effect of fuel injection pulse width on fuel injection quantity

3 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)的仿真模型，分析了在不同共軌壓力下，噴油脈寬對(duì)可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)噴油特性的影響。得出以下結(jié)論：

1）隨著噴油脈寬的增加，噴油速率曲線形態(tài)均近似于靴形（即有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)），且大噴油速率范圍占整個(gè)噴油過程的比例逐漸增大。

2）噴油壓力和噴油量隨噴油脈寬的增加均逐漸升高，同時(shí)，共軌壓力越高，噴油壓力和噴油量的升高速率越大。

3）在噴油脈寬較小時(shí)（0.6～1 ms），噴油持續(xù)期隨噴油脈寬增加的線性度較差，而在噴油脈寬較大時(shí)（1～1.4 ms），噴油持續(xù)期與噴油脈寬基本上呈線性增加的關(guān)系。