轉速和高壓共軌燃油系統參數對共軌管壓力波動的影響

摘 要：為減小柴油機高壓共軌系統的共軌管內壓力波動，使用AVL Boost Hydsim軟件建立某柴油機高壓油泵及共軌管一維仿真模型，分析柴油機轉速和柱塞直徑、柱塞腔容積、柱塞個數、共軌管內徑等高壓共軌燃油系統結構參數對共軌管壓力波動的影響。仿真結果表明：增大柴油機轉速、增大高壓油泵柱塞直徑、減小高壓油泵柱塞腔容積，可以減小軌壓波動；增大共軌管內徑能有效抑制壓力波動；柱塞個數變化使供油次數和噴油器噴油次數一致時，可以減小軌壓波動。

關鍵詞：共軌管；壓力波動；燃油系統；轉速；柱塞

中圖分類號：TK421文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）04-0020-07

引用格式：顏鑫宇， 張祥山， 房征先，等.轉速和高壓共軌燃油系統參數對共軌管壓力波動的影響［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（4）：20-26.

YAN Xinyu，ZHANG Xiangshan，FANG Zhengxian，et al.Effect of engine speed and high pressure common rail fuel system parameters on pressure fluctuation of common rail pipe［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（4）：20-26.

0 引言

柴油機具有輸出轉矩大、熱效率高等優點，廣泛應用于道路運輸、工業生產等領域，隨著我國排放標準提高，減少排放成為柴油機技術重要的研究方向之一。改善燃油噴射特性，使燃油充分霧化，是減少排放的有效措施［1］。高壓共軌技術能提高噴射壓力、噴射控制精度和響應速度，改善燃油霧化，使油氣混合更高效，燃燒更加充分，最終達到減小排放的目的［2］。共軌管作為該技術的核心部件，其內部穩定的壓力是實現減少排放的關鍵［3］。

共軌系統工作時，高壓油泵泵油以及噴油器噴油導致共軌管內壓力不斷變化，軌內壓力難以穩定維持并在目標軌壓附近波動，壓力波動與柴油機運行工況、系統內各部件結構參數相關，可以通過改進關鍵參數獲得更加穩定的共軌管壓力。李春暉等［4］研究發現，減小針閥升程以及延長針閥在最大升程處的停留時間有利于噴油器穩定性；Zhao等［5］研究發現，柴油機轉速對壓力波動的頻率分布影響較大，頻率分布基本不受噴油持續期及目標軌壓影響，僅影響振幅；吳建等［6］研究發現，軌壓波動與噴油時間存在相應的周期性時，可以減小軌內原有壓力波動與噴油造成壓力波動的疊加，從而抑制軌內壓力波動；陸方迪［7］對高壓共軌系統進行模擬計算，結果表明，增加高壓油泵供油量加劇軌內壓力波動，同時削弱噴油造成的壓力波動。

本文中仿真研究發動機轉速和高壓共軌系統的結構參數變化對共軌管內壓力波動的影響，明確更有利的參數變化趨勢，減小共軌管中的壓力波動，為優化高壓油泵及共軌管的設計、保證柴油機的工作穩定以及減少排放提供參考。

1 高壓共軌燃油系統的物理模型

高壓共軌燃油系統主要分為低壓油路和高壓油路兩部分，物理模型如圖1所示。燃油從油箱經過燃油濾清器進入高壓油泵，由高壓油泵將燃油泵入共軌管，共軌管通過高壓油管連接到對應的噴油器進行噴油。電子控制單元（electronic control unit，ECU）根據采集的燃油溫度、曲軸轉速、凸輪軸轉速、油軌壓力等各種實時參數結合儲存的特性圖譜進行計算處理，并把信號傳遞給執行器，根據控制壓力調節電磁閥，調節軌內壓力形成穩定油壓［8］；通過噴油器中的電磁閥控制噴射定時、噴射油量以及噴射速率，合理噴射燃油［9］。

2 高壓共軌燃油系統的數學模型

2.1 流動模型

高壓共軌系統中燃油的運動方程為Navier-Stokes方程，同時假設燃油的流動是沿著高壓油管的一維非定常流動［10］。

2.2 高壓油泵數學模型

高壓油泵內的油量平衡式［11］為：

qV，G=qV，PV+qV，Pr+qV，P0+qV，PL，（1）

式中：qV，G為幾何供油率，mm3/s；qV，PV為柱塞腔內由壓力變化引起的油量壓縮變化率，mm3/s；qV，Pr為通過單向出油閥進入共軌部件燃油的體積流量，mm3/s；qV，P0為流入低壓油路燃油的體積流量，mm3/s；qV，PL為柱塞腔泄漏的燃油體積流量，mm3/s。

2.3 共軌管數學模型

燃油在管內的燃油連續性方程［12］為：

VrEdprdt=∑uinAin-∑uoutAout=qV，Pr-qV，rNV-qV，rCV，（2）

式中：Vr為共軌管容積，mm3；E為燃油彈性模量，Pa；pr為管內油壓，Pa；t為時間，s；uin為流入共軌管內的流體流速，mm/s；uout為流出共軌管的流體流速，mm/s；Ain為流入時的截面積，mm2；Aout為流出時的截面積，mm2；qV，rNV為共軌管至噴嘴蓄壓腔燃油的體積流量，mm3/s；qV，rCV為共軌管至噴嘴控制腔內的燃油體積流量，mm3/s。

3 共軌管壓力波動特性仿真分析

3.1 仿真模型的建立

利用AVL Boost Hydsim 軟件建立高壓共軌系統的一維仿真模型，如圖 2 所示，仿真模型中，使用T型連接代替共軌管的進出油接頭，短管代替各個接頭之間的共軌管容積，用短管與T型連接的交替連接代替共軌管，不僅能研究管內各處的壓力波動，還能保證壓力波在共軌管內傳播的連續性。共軌系統中的高壓油泵為單柱塞雙作用型柱塞泵，凸輪每轉一圈柱塞往復供油兩次。

共軌系統以及柴油機運行的主要參數如表1所示。

3.2 共軌管壓力波動的評價指標

為更好地評估共軌管內的壓力波動特性，定義最大壓力波動幅度和壓力波動振幅減小程度2個特征參數。

1）最大壓力波動幅度pmax，指在單次噴油過程中共軌管內最大壓力，可衡量壓力波動的劇烈程度。

2）壓力波動振幅減小程度［13］

δ=（pmax－p）-（p－pmin）/p，（3）

式中：p為目標軌壓，MPa；pmin為壓力波動曲線中最后一個波谷的壓力，MPa。

由式（3）可知：δ越小，壓力波動振幅減小程度越明顯。

3.3 柴油機轉速對壓力波動的影響

設置目標軌壓p=160 MPa，曲軸轉角為720°～1 800°，保持其他參數不變，柴油機轉速由1 400 r/min逐步增加至2 600 r/min，共軌管內壓力波動如圖3所示，不同柴油機轉速下的特征參數如表2所示。

由圖3可知：軌內壓力以及壓力波動幅度均隨著轉速增加而增加，壓力波動曲線的相位隨轉速增大而提前。這是因為在轉速較高時，燃油需求量增大，高壓油泵泵油量以及噴油器噴油量增加，燃油進出共軌管時的壓力波動加劇，并且為使燃油霧化更好，共軌壓力整體上有一定增大。由表2可知：隨著轉速增大，δ增大，低轉速下，共軌管內壓力較低，并且與目標軌壓偏差較大，因此（p－pmin）最大，（pmax－p）最小。轉速增大后，軌壓有明顯上升，整體壓力更加接近目標軌壓，但是壓力波動幅值也隨之增加，說明轉速增加，軌內壓力有所上升，軌內壓力波動振幅隨轉角的增加逐漸呈減小趨勢。

3.4 柱塞直徑對軌內壓力波動的影響

目標軌壓p=160 MPa，曲軸轉角為720°～1 800°，保持其他參數不變，柱塞直徑由6.5 mm逐步增大至14.5 mm，共軌管內壓力波動如圖4所示，

不同柱塞直徑下的特征參數如表3所示。

由圖4可知：增大柱塞直徑使軌壓的波峰及波谷壓力均有所上升，對相位變化趨勢基本無影響。因為柱塞直徑增加能增強油泵供油能力，凸輪旋轉一圈，供油量有所增加，使得波峰、波谷壓力上升。由表3可知：柱塞直徑增加，高壓油泵的供油能力隨之增大，使得每次的供油量增加，更好地彌補噴油造成的共軌壓力損失，波峰、波谷壓力增大，即（pmax－p）增大，（p－pmin）減小，軌內壓力波動隨轉角的增加逐漸呈減小趨勢。

3.5 柱塞腔容積對軌內壓力波動的影響

目標軌壓p=160 MPa，曲軸轉角為720°～1 800°，保持其他參數不變，柱塞腔容積由320 mm3逐步增大至1 120 mm3，共軌管內壓力波動如圖5所示，不同柱塞腔容積下的特征參數如表4所示。由圖5中可知：隨柱塞腔容積增大，共軌內壓力波動的變化趨勢基本無差別，僅有軌壓波動曲線中的波峰及波谷壓力下降，說明增大柱塞腔容積，高壓油泵供油能力略有下降，導致壓力降低。

由表4可知：（pmax-p）隨著柱塞腔容積增加整體呈減小趨勢，（p－pmin）整體呈增加趨勢，δ先增大后減小。這是由于柱塞腔容積增大，油泵每次供油量增加，供油能力增加，但是柱塞腔容積進一步增加反而影響柱塞腔內高油壓的建立，導致油泵供油能力下降，供油無法彌補噴油造成的壓力損失［14］，導致δ先增大后減小。

3.6 柱塞個數對軌內壓力波動的影響

目標軌壓p=160 MPa，曲軸轉角為720°～1 800°，其余參數不變，柱塞個數由1增加至3，共軌管中壓力波動如圖6所示，不同柱塞個數下特征參數如表5所示。

由圖6可知：增加柱塞數使共軌內壓力增大，壓力波動相位基本不隨柱塞數變化；當柱塞數為2時，軌內壓力幅值最大；柱塞數為3時，壓力波動的峰值有所下降。因為柱塞增加，凸輪旋轉一周油泵的供油次數增加，但單次供油量減小，但兩者結合仍會使壓力上升，說明柱塞數增加能增強油泵的供油能力。高壓油泵供油和噴油器噴油所形成的壓力波是造成共軌管內壓力波動主要原因，柱塞數為奇數比為偶數的油泵在供油時產生的壓力波動振幅更?。?5］。

由表5可知：（pmax-p）隨柱塞數增加呈先增大后減小的趨勢，（p－pmin）呈下降趨勢。在使用多柱塞油泵供油時，雖然多柱塞壓力峰值較大，但是多次數、小供油量的供油方式能夠建立更加穩定的油壓，使得δ增加，同時雙柱塞時δ最大，這是因為供油與噴油一一對應能有效減小波動振幅，并且多次供油產生的壓力波動能夠相互削弱。

3.7 共軌管內徑對軌內壓力波動的影響

目標軌壓為p=160 MPa，曲軸轉角為720°～1 800°，保持其他參數不變，共軌管內徑由8 mm逐步增加至16 mm，共軌管中壓力波動如圖7所示。

由圖7可知：共軌內壓力隨共軌管內徑變化十分明顯，當共軌管內徑增大時，軌內壓力上升，壓力波動曲線趨于平緩。

不同共軌管內徑下的特征參數如表6所示。由表6可知：（pmax-p）隨共軌管內徑增加呈上升趨勢，（p－pmin）呈下降趨勢，δ隨共軌容積增大而增加，壓力波動減小。這是由于共軌管內徑增加，相當于容積增加，在同等工況下，噴油量和供油量與共軌管容量的比減小，因此削弱了供油和噴油過程產生的壓力波動。但是，共軌管容積過大會延長柴油機起動時達到預設軌壓的時間，使柴油機的起動性能變差，同時影響其響應速度。

4 結論

1）增大柴油機轉速使供油量以及噴油量增加，加劇軌壓波動；但同時油泵轉速相應增加，壓力波動相位提前，減小軌壓波動。

2）增大柱塞直徑能提高高壓油泵的供油能力，可以在一定程度上彌補噴油所帶來的壓力損失，使軌壓峰值增加，最大壓力增加，但軌壓變化趨勢基本不變，還能減小軌壓波動。

3）增大柱塞腔容積使油泵的供油能力減弱，使波峰壓力減小、波谷壓力增加，軌壓波動加劇，并且可能使工作過程中的供油量小于噴油量，無法及時補充噴油所造成的壓力損失，導致壓力波動加劇。

4）增大柱塞個數使一個工作循環內高壓油泵的供油次數增加，多次供油產生的壓力波動能相互抵消，當高壓油泵供油次數和噴油器噴油次數一致時更能有效增強削弱軌壓波動。

5）增大共軌管內徑，即增加共軌管容積能減小供油和噴油時產生的壓力波動，使軌壓波動減小，但過大的容積會影響其響應速度。

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Effect of engine speed and high pressure common rail fuel system

parameters on pressure fluctuation of common rail pipe

YAN Xinyu1， ZHANG Xiangshan2， FANG Zhengxian2， JIANG Jinxi2，

ZHANG Yaofei3， LI Guoxiang1， BAI Shuzhan1*

1.College of Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China;

2.Longkou Longbeng Diesel Injection High Technology Equipment Co.， Ltd.， Longkou 265018， China;

3.North China Engine Research Institute， Tianjin 300400， China

Abstract： In order to reduce the pressure fluctuation in the common rail pipe of the high-pressure common rail system of diesel engine， a one-dimensional simulation model of the high-pressure oil pump and common rail pipe of a diesel engine is established by AVL Boost Hydsim software， and the influence of the structural parameters of the high-pressure common rail system， such as the speed of the diesel engine， the diameter of the plunger， the volume of the plunger cavity， the number of plungers and the inner diameter of the common rail tube， the pressure fluctuation of the common rail tube is analyzed. The simulation results show that increasing the speed of the diesel engine， increasing the diameter of the plunger of the high-pressure oil pump， and decreasing the volume of the plunger cavity of the high-pressure oil pump can reduce the fluctuation of rail pressure. Increasing the inner diameter of the common rail tube can effectively suppress the pressure fluctuation. When the number of plungers changes so that the number of oil supply times is the same as the number of fuel injections of the injector， the degree of rail pressure fluctuation can also be reduced.

Keywords：common rail tube; pressure fluctuation; fuel system; rotate speed; plunger

（責任編輯：劉麗君）

收稿日期：2024-05-13

基金項目：山東省重點研發計劃項目 （2021CXGC010207）；濟南市市校融合發展戰略工程項目（JNSX2023006）

第一作者簡介：顏鑫宇（2002—），男，湖南衡陽人，碩士研究生，主要研究方向為發動機燃油系統，E-mail：202314532@mail.sdu.edu.cn。

*通信作者簡介：白書戰（1979—） ，男，山東莘縣人，工學博士，教授，主要研究方向為內燃機燃燒與排放控制技術、整機開發與可靠性技術及新能源汽車技術，E-mail： baishuzhan@sdu.edu.cn。