高壓油管結構對噴油速率影響的試驗研究

賈義，賈德民，王曉艷，張海燕，王軍粱

摘要： 為探究高壓油管結構對噴油速率的影響，采用EFS噴油速率試驗臺進行了不同高壓油管長度、折彎半徑以及內徑下的噴油速率試驗。試驗結果表明：高壓油管內部的壓力振蕩對噴油速率影響顯著，大噴油脈寬下會出現噴油速率上翹的現象，導致噴油量增加；高壓油管的結構參數對噴油速率的影響形式不一，高壓油管的長度主要影響噴油速率上翹的時刻，高壓油管的內徑主要影響噴油速率的數值和上翹的峰值，而高壓油管的折彎半徑對噴油速率幾乎無影響。

關鍵詞： 高壓油管；噴油速率；噴油脈寬；壓力波動；噴油量

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.007

中圖分類號： TK423.84文獻標志碼： B文章編號： 1001-２２２２（２０24）０3-００42-０4

面對“雙碳”目標的挑戰，柴油機的高效、清潔燃燒成為研究的熱點。柴油的噴油速率決定著缸內的燃燒過程，是影響柴油機高效清潔燃燒的關鍵因素之一。在柴油的高壓噴射過程中，噴油器針閥的開啟和關閉往往伴隨著壓力波的產生；壓力波在高壓油管中的傳遞會導致高壓油管內壓力劇烈振蕩，進而影響噴油器的噴油速率和噴油量，導致發動機效率和一致性變差。而高壓油管的結構特征是影響高壓油管內壓力振蕩的重要因素，因此探究高壓油管的結構特征對噴油速率和噴油量的影響是改善高壓共軌系統供油穩定性和精確性的重要手段，具有較高的研究價值。

高壓共軌系統讓柴油機供油系統更加靈活和可控，為了進一步提高燃油系統的精確性，國內外學者開展了一系列高壓共軌系統波動特性研究。蘇萬華［1］等采用在噴油器頭部安裝高精度壓力傳感器的方式探究了噴油器噴射過程中噴油器內部的壓力波動特性，結果顯示：噴嘴內部的壓力波動隨著噴射壓力的提高而變得更為劇烈，影響著噴油速率的變化。Herfatmanesh等［2］在發動機試驗臺架通過對噴油系統的控制探究了高壓共軌系統中壓力波動對發動機噴油量的影響，結果顯示：高壓共軌系統的壓力波動影響著發動機主噴的噴油量，而噴油量的波動對發動機的有害物質排放具有重要影響。Qi Lan等［3］通過燃油系統試驗臺探究了雙閥控制的高壓共軌系統的壓力波動特性，發現高壓共軌管內壓力和噴油器噴油壓力的差別主要受高壓管路的沿程阻力損失影響，進而影響噴油器的整個噴油過程。除此之外，Shatrov［4］、張志昊［5］、周談慶［6］等通過先進的試驗手段探究了燃油物性、燃油的溫度壓力對高壓油管內壓力波動的影響，呂曉晨［7］、倪昊［8］、蘭奇［9］、蘇海峰［10］、孟育博［11］、郝真真［12］等通過仿真的手段探究了高壓油泵、高壓共軌管結構以及高壓油管結構對燃油壓力波動的影響。但是這些研究往往側重于高壓共軌系統燃油壓力的波動，而很少有單獨針對高壓油管結構及其對噴油速率影響的研究。本研究重點針對高壓油管結構和噴油速率進行分析研究，探究高壓油管結構以及壓力波動對噴油器噴油速率的影響。

1試驗設備及方案

高壓油管對噴油速率的影響探究試驗在EFS試驗臺架上開展，EFS試驗臺架的結構如圖1所示。EFS試驗臺分為三部分：燃油供給系統、噴油速率測試部分、數據采集及控制部分。燃油供給系統包括高壓共軌管、高壓油泵、電機及油路。其中電機帶動高壓油泵完成燃油噴射壓力的建立；高壓共軌管為噴油速率試驗臺專用，能實現0～300 MPa軌壓，共軌管容量為500 mL；試驗用燃油為油泵測試油（ISO4113—2020）。噴油速率測試部分采用EFS的IFR600噴油速率測量儀，噴油器采用德爾福噴油器；噴油器通過工裝安裝在IFR600上，并通過高壓油管與共軌管連接。數據采集及控制部分采用EFS試驗臺的單次噴射儀和數據采集系統，其中在高壓油管上靠近高壓共軌端（軌端）和靠近噴油器端（嘴端）分別安裝kistler油管壓力傳感器，完成高壓油管內壓力的同步測試。

試驗用高壓油管為專門定制的高壓油管，油管規格如表1所示。其中編號2油管為3個，用來驗證油管折彎形狀對噴油速率的影響，試驗時采用彎管機對2號油管以26，53，80 mm半徑進行折彎。油管1和油管2的長度分別為1 m和1.2 m，用以驗證油管長度對噴油速率的影響。油管1和油管3長度都為1 m，油管內徑分別為3.6 mm和4.0 mm，用以驗證油管內徑對噴油速率的影響。

試驗時，將電機轉速設置為600 r/min，以降低油泵供油對共軌管壓力波動的影響；試驗噴油壓力設置為120 MPa，試驗噴射脈寬設置為1 600～3 400 μs；燃油溫度控制在38±2 ℃，燃油噴射背壓為2 MPa；噴油速率通過IFR600進行測試，每次測試結果為50循環平均值；高壓油管壓力通過油管壓力傳感器測量。

2試驗結果

試驗采用的共軌管容量遠超發動機用共軌管容量，軌壓受高壓油泵泵油的影響在5 MPa內［7］，對軌壓的影響整體較小，相對于120 MPa的噴油壓力可忽略不計。試驗時高壓共軌管只連接一只噴油器，避免了多只噴油器的干擾。因此高壓油管及共軌管內的燃油壓力波動可認為主要受燃油噴射和高壓油管結構的影響，為試驗數據的準確性提供基礎。高壓油管是連接共軌管和噴油器的關鍵部件，對噴油速率的影響尤為重要。

2.1噴油速率與高壓油管壓力波動

高壓油管內的燃油在噴油器針閥開啟和關閉時均會產生壓力波動，而壓力波動導致噴油速率的變化。試驗過程中同步記錄了噴油速率以及高壓油管內的壓力，測試結果如圖2所示。圖2a所示為噴射過程中噴油速率與嘴端和軌端的壓力變化。從圖中可知，在0～3.5 ms內隨著噴射的進行，嘴端的高壓油管壓力波動較大，并且呈先降低后升高的趨勢；而軌端的高壓油管壓力相對嘴端壓力變化相對滯后，壓力波動較小，并呈輕微振蕩趨勢。噴油速率曲線開始時刻要早于嘴端的壓力下降時刻，并且隨著噴射的進行，噴油速率增加速度先快后慢，平穩一段時間后噴射速率逐漸增加，然后快速降低直至噴油結束。從圖中可以看出，在嘴端壓力提升后，噴油速率滯后一定時間開始上升，并且逐漸升高；噴油速率后半段的上翹同步導致噴油量的增加。綜上可知高壓油管壓力波動對噴油速率和噴油量影響顯著。圖2b所示為不同脈寬下嘴端高壓油管壓力的變化。從圖中可以看出，隨著噴射的進行，高壓油管的壓力呈振蕩趨勢，并且振蕩幅值逐漸降低。噴油開始后，高壓油管內壓力先降低后升高，兩個脈寬的壓力波動趨勢一致，但噴射脈寬的差別導致噴油器針閥關閉時刻高壓油管內壓力值不一致。由圖中可知，在2 400 μs脈寬下噴射結束時高壓油管內壓力較高，隨著針閥的關閉，高壓油管壓力出現突增的情況，并且相比于2 800 μs噴射脈寬突增幅值更高；2 400 μs脈寬下更高的壓力突增幅值導致高壓油管內整體壓力振蕩幅值增加；2 400 μs脈寬下噴油結束更早，高壓油管內整體的壓力振蕩相位提前，但高壓油管內壓力振蕩頻率一致。綜上可知：噴油脈寬影響著針閥關閉時刻高壓油管壓力振蕩的壓力值，進而影響著高壓油管內壓力振蕩的相位和振蕩幅值，但對高壓油管壓力振蕩的頻率沒有影響。

2.2高壓油管形狀對噴油速率的影響

高壓油管受發動機結構及布置的限制，通常進行不同形式的折彎。為了探究噴油器折彎對噴油速率的影響，試驗分別對折彎半徑為26 mm，53 mm和80 mm的高壓油管進行試驗，試驗結果如圖3所示。圖3a所示為不同折彎半徑和噴射脈寬下噴油速率的測試結果。從圖中可以看出，不同折彎半徑下噴油速率曲線基本重合。圖3b所示為不同折彎半徑和噴油脈寬下的噴油量偏差測試結果。從圖中可以看出，折彎半徑對噴油量的影響微小，最大偏差在0.7%以內。高壓油管內的燃油壓力與噴油過程緊密相關，但高壓油管的形狀對噴油器的噴射速率影響可以忽略不計，也就意味著高壓油管內的壓力波動頻率和壓力波傳遞速度不受高壓油管形狀的影響［13］。

2.3高壓油管長度對噴油速率的影響

高壓油管長度的變化會改變高壓油管內部壓力波的傳遞距離及壓力波動的頻率，進而影響噴油器的噴油速率。圖4所示為高壓油管長度對噴油速率和噴油量影響的測試結果。圖4a所示為高壓油管長度與噴油速率的關系。從圖中可知，隨著噴射脈寬的增加，噴油速率開始出現后半段增加的趨勢。而不同高壓油管長度下，噴油速率開始上翹的時刻不一致，短的高壓油管上翹更早，噴油速率上翹峰值相差不大。高壓油管除長度不一致以外，材料和結構均一致，高壓油管內的壓力傳播速度取決于高壓油管內的壓力［13］，在高壓油管壓力相差不大的情況下，高壓油管的長度是影響高壓油管內壓力波動頻率的關鍵因素，短的高壓油管擁有更高的壓力振蕩頻率，高壓油管內第一個壓力振蕩峰值出現更早，同步導致噴油速率上翹時刻提前。圖4b所示為2號長高壓油管相比于1號短高壓油管的噴油量偏差。從圖中可以看出，噴油量偏差呈先增大后降低的趨勢。在2 000 μs噴油脈寬下，噴油量偏差值較大，主要是因為短的高壓油管壓力振蕩周期短，在噴油結束時刻出現壓力增加的情況，噴油速率得到提高。隨著噴油脈寬繼續增加，噴油量偏差逐漸較小，主要因為在試驗的噴射脈寬范圍內，長的高壓油管在噴油后半段處于壓力振蕩的峰值附近，減小了噴油速率上翹時刻晚導致的噴油量偏差。

2.4高壓油管內徑對噴油速率的影響

高壓油管內徑影響著高壓油管的供油速率，同時也是影響噴油速率的關鍵因素之一。試驗對相同長度、不同內徑的高壓油管進行試驗測試，測試結果如圖5所示。圖5a所示為高壓油管內徑對噴油速率的影響。由圖可知，小內徑的高壓油管前期的噴油速率較低，這主要是由于噴油器針閥開啟時，噴油器內燃油壓力突然降低，產生沿著噴油器和高壓油管傳遞的膨脹波，膨脹波傳遞的過程中將燃油的壓力勢能轉化為燃油的動能，向噴油器側流動；由于噴油器內徑的不一致導致高壓油管內壓力的降低幅度不一致，大內徑高壓油管壓力降低更小［14］。小內徑的高壓油管壓力降低幅度較大，會導致從軌端反射回來的壓力波動更大，在噴油速率曲線后半段出現更高的噴油速率峰值。圖5b所示為不同噴射脈寬下大內徑高壓油管相對于小內徑高壓油管的噴油量偏差。隨著噴射脈寬的增加噴油量呈先增加后降低再輕微增加的趨勢；小脈寬下因大內徑高壓油管噴油壓力降低較少，噴油速率較高，隨著脈寬的增加噴油量偏差增大；隨著噴射的進行高壓油管內壓力開始上升，噴油速率也跟著提高，但小內徑的高壓油管壓力波動幅值更大，導致噴油速率超過大內徑高壓油管對應的噴油速率，進而噴油量偏差逐漸減小；在大脈寬下，隨著噴油的進行，高壓油管壓力振蕩峰值過后，噴油壓力開始降低，當小內徑的高壓油管壓力低于大內徑的高壓油管壓力時，噴油量偏差會緩慢增加。此時噴油器針閥處于關閉階段，大的噴油壓力會導致針閥關閉延遲，進而導致噴油量偏差進一步增加。

3結論

a） 高壓油管內的燃油壓力受噴油過程的影響會在高壓油管內產生壓力振蕩，壓力振蕩會影響噴油器的噴油速率；噴油器開始噴射后高壓油管內會出現壓力降低的現象，此時噴油速率較低；但是當高壓油管壓力第一個振蕩幅值傳遞到噴油器時會導致噴油器噴射速率提升，進而導致噴油器噴油量整體提高；

b） 噴油器噴油引起的高壓油管內壓力振蕩主要受高壓油管的結構影響，而噴油脈寬的大小影響著噴油結束時刻對應高壓油管內壓力的大小，進而影響高壓油管內壓力振蕩的幅值和相位；

c） 噴油速率在不同的高壓油管折彎半徑下基本一致，噴油量存在輕微偏差，高壓油管的折彎半徑對噴油速率的影響整體較小，可見高壓油管的折彎半徑對高壓油管內的壓力振蕩影響較小；

d） 在不同的高壓油管長度下噴油速率上翹的時刻不一致，進而導致噴油量的偏差，高壓油管長度是影響高壓油管內壓力振蕩頻率的主要因素；

e） 在不同的高壓油管內徑下，噴油速率值不一致，噴油量存在一定偏差，高壓油管內徑是影響高壓油管內壓力振蕩幅值的主要因素。

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Effect of High-Pressure Tube Structure on Injection Rate

JIA Yi，JIA Demin，WANG Xiaoyan，ZHANG Haiyan，WANG Junliang

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang261061，China）

Abstract： In order to explore the effect of high-pressure tube structure on injection rate， the injection rate tests were carried out on EFS injection rate test bench based on different high-pressure tube lengths， bending radiuses and inner diameters. The test results show that the pressure fluctuation inside high-pressure tube has a significant effect on the injection rate， and the injection rate will warp up at large injection pulse width so as to lead to an increase of injection quantity. The structural parameters of high-pressure tube have different influencing forms on the injection rate. The length of high-pressure tube mainly affects the upwarping timing of injection rate， the inner diameter mainly affects the value of injection rate and the peak of upwarping， and the bending radius has almost no influence on the injection rate.

Key? words： high-pressure tube；injection rate；injection pulse width；pressure fluctuation；injection quantity

［編輯： 潘麗麗］