高壓共軌噴油器壓力波動分析范文

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《車用發動機雜志》2016年第一期

摘要：

多次噴射過程中，不同噴射之間的相互影響導致循環噴油量的控制難度增大。建立了高壓共軌系統的AMESim仿真模型，通過數值仿真和試驗測試相結合的方法，揭示了噴油器內部壓力波動和針閥開啟階段動作響應的強耦合作用是導致主噴油量隨噴射間隔波動的根本原因，當主噴油量基準值為60．0mm3時，其波動量最大可達3．6mm3。建立了共軌系統的無阻尼LC液力系統模型，通過對模型的分析，針對強耦合作用提出了減小噴油器內部油道長徑比和盛油槽容積的解耦方法。對解耦方法的仿真試驗驗證表明，采用解耦方法后壓力波動和針閥響應的耦合程度降低53％。

關鍵詞：

高壓共軌；噴油器；針閥響應；壓力波動；耦合

高壓共軌噴油系統能夠實現對柴油機噴油定時、噴油脈寬、噴油率和噴射次數的柔性控制，被認為是最先進的燃油噴射技術，也是當前提高柴油機經濟性、優化燃燒、減少有害排放的主要手段之一。高壓共軌噴油系統對循環噴油量的靈活、精確控制是其改善柴油機性能的關鍵，尤其對多次噴射過程中系統的穩定工作有著決定性的影響［1－4］。高壓共軌系統是電－磁－機－液相互耦合的復雜系統，不同構件在噴油器工作時會產生相互作用［5－6］。蘇海峰等研究表明，噴油器噴油時會在內部形成水擊壓力波動，造成針閥運動特性和噴射壓力的不穩定，尤其是進行多次噴射時，不同噴射之間的間隔較小，噴油器動作頻率較快，會出現實際噴油量與理論控制噴油量不符的現象，這會惡化柴油機的工作狀態，使其經濟性和排放特性都受到影響［7－10］。為了研究共軌噴油器進行多次噴射時不同噴射之間的相互影響，本研究利用AMESim液壓仿真平臺建立了電控高壓共軌燃油噴射系統的仿真模型，研究了針閥響應和盛油槽壓力波動之間的耦合作用，揭示了主噴油量隨噴射間隔波動的根本原因；同時，將電傳輸理論應用于該問題的剖析過程，更加清晰地揭示影響耦合作用的關鍵參數，并找到有效的解耦方法，為噴油器多次噴射時實現油量穩定控制的目標提供了理論依據。

1仿真模型的建立

圖1示出了在AMESim液力仿真平臺上建立的高壓共軌系統的仿真模型，包括高壓供油泵、共軌管和電控噴油器等。表1示出了模型中輸入的部分主要參數。電控噴油器的原理示意見圖2。高壓燃油進入噴油器后，一部分燃油通過控制腔進油孔進入控制腔，一部分燃油進入盛油槽。控制腔內燃油通過控制活塞作用于針閥，將針閥壓緊于噴油嘴。當電磁閥通電，控制腔泄油孔開啟時，控制腔內燃油泄放到低壓油路，控制腔壓力降低，盛油槽高壓燃油將針閥抬起，形成噴油。電磁閥斷電后，控制腔泄油孔關閉，控制腔進油建壓，將針閥壓回噴油嘴，噴油結束。為了驗證仿真模型的準確性，選取轉速為2000r／min，軌壓為120MPa時的工況點，將仿真計算結果和試驗測量結果進行對比。圖3示出了通過共軌壓力傳感器測得的軌壓曲線與仿真值對比。從中可以看出，仿真計算的共軌壓力能夠在多循環運行時保持壓力平穩，并與試驗測量的軌壓曲線有很好的一致性。圖4示出了通過示波器采集的噴油速率與仿真值對比曲線。從圖4可以看出，仿真計算和試驗測量的結果有較高的吻合度。因此，本研究所建立的AMESim模型可以準確地對柴油機高壓共軌系統進行仿真模擬，能夠滿足對系統噴油特性進行計算分析的要求。

2預噴射對主噴射循環噴油量的影響

通過調節噴油脈寬，分別將預噴射和主噴射的基準循環噴油量標定為6．2mm3和60．0mm3。圖5示出了不同噴射間隔的預－主噴射仿真試驗獲得的主噴油量變化曲線，其中噴射間隔從2°變化到32°。由圖可知，不同噴射間隔時，相同預噴射對主噴射循環噴油量的影響是不同的，主噴油量隨著噴射間隔的變化呈現出類余弦曲線的波動規律，最小油量為58．3mm3，最大油量為61．9mm3，波動幅值為3．6mm3。本研究進行了不同噴射間隔條件下的預－主噴射仿真試驗研究，圖6示出了噴射間隔為4°，18°和32°時的盛油槽壓力和針閥升程曲線。由圖可知，預噴射激起了盛油槽內部劇烈的壓力波動，盡管相同的預噴射引起的壓力波動是相同的，但是由于不同噴射間隔的主噴射針閥抬起和落座的時刻不同，導致了主噴油量的差別。由此可以看出，針閥動作過程中引起的噴油器內部壓力波動與針閥響應產生的耦合作用影響了主噴油量的大小。

3針閥響應與壓力波動耦合作用

燃油噴射量可由液體流量計算方程計算得出

3．1針閥開啟階段圖7示出了噴射間隔為9°和11°時的盛油槽壓力與針閥動作響應。按照仿真試驗采用的2000r／min的曲軸轉速計算，噴射間隔相差2°，針閥動作時刻應相差約0．167ms，而圖7中兩條曲線針閥的開啟時刻僅相差0．115ms，這是由于噴射間隔為9°時針閥開啟時刻位于盛油槽壓力波谷，壓力絕對值較低（約為113MPa），控制腔需要更長的泄油時間達到更低的壓力，盛油槽內的燃油才能克服控制腔燃油壓力和彈簧預緊力將針閥抬起，針閥開啟時刻延后，燃油流通時間縮短。相反，噴射間隔為11°時，針閥開啟時刻位于盛油槽壓力靠近波峰的位置（約為122MPa），針閥開啟時刻相對提前，燃油流通時間增加。噴射間隔為9°時，主噴射針閥在盛油槽壓力處于波谷時抬起，之后的盛油槽壓力上升速度明顯下降，經過較長時間才到達新的波峰（見圖中橢圓虛線區域）。相比之下，噴射間隔為11°時，主噴射針閥在盛油槽壓力接近波峰時開啟，之后的壓力曲線依然按照之前的變化規律迅速上升達到波峰。出現上述現象的原因是：預噴射針閥抬起激起的壓力波會在盛油槽和控制腔之間傳遞和反射，油槽壓力出現波谷時壓力波正在向控制腔傳遞，此時若主噴射針閥抬起，盛油槽的部分燃油會通過噴油孔進入氣缸，又由于此刻的壓力波正由盛油槽向上方的控制腔傳遞，不利于進油油路向盛油槽的燃油“補給”，盛油槽內的燃油會出現“空虛”，使其壓力不能很快上升回到波峰位置，針閥的上升速度也出現明顯下降，達到最大升程的時刻相應延后，相當于其流通面積在一段時間內相對減小；相反，如果主噴射針閥在盛油槽壓力波峰附近開啟，此時的壓力波正由控制腔反射回來向盛油槽傳遞，利于燃油的“補給”，壓力波也會按照之前的波動規律由波峰經歷波谷后又很快回到波峰位置，針閥也以較快的速度上升，更早地達到最大升程，相當于其流通面積在一段時間內相對增大。兩條曲線針閥達到最大升程的時刻僅相差0．095ms。

3．2針閥最大升程維持階段針閥在最大升程維持階段燃油流通面積是一定的，噴油量大小與對應時間下的盛油槽壓力直接相關。由圖8可以看出，兩噴射間隔對應的壓力波動曲線在主噴射針閥開啟并穩定后一直在目標軌壓附近小幅均勻波動，由積分的等效性可得：兩條壓力曲線均與目標軌壓相對橫坐標的積分值近似等。因此，在不考慮流通時間（針閥響應速度不同導致的達到最大升程和開始落座時刻的差別分別在針閥開啟階段和落座階段計算，此處不考慮）不同的情況下，不同噴射間隔時，在針閥最大升程維持階段的燃油流量是基本相同的，該階段并不影響主噴射循環噴油量的大小。

3．3針閥落座階段由圖7可知，噴射間隔為9°時的針閥下降時刻位于盛油槽壓力波峰靠下的位置（約為123MPa），而噴射間隔為11°時的針閥下降時刻則剛好位于盛油槽壓力波峰位置（約為125MPa），兩條曲線針閥下降時刻相差0．164ms，與2°的噴射間隔相位差折合時間僅相差0．003ms。其原因是：1）針閥下降時刻盛油槽壓力波動經過衰減幅值較小，兩曲線波峰和波谷的最大壓力差也僅為7MPa左右；2）控制腔進油過程只開啟進油孔而出油孔關閉，建壓過程比針閥開啟時的泄壓過程更加迅速，能夠在較短時間內在控制腔建立高壓，使盛油槽的壓力差影響過程較為短暫。同樣由圖7還可知，兩條曲線針閥最終落座時刻相差了0．169ms，雖然比開始下降時刻又有了0．005ms的延遲，但是由于盛油槽壓力波形變化趨勢一致，影響非常小。針閥落座之后，壓力波的傳遞空間從敞開空間變為了封閉空間，壓力波與反射面發生碰撞后瞬間反向，并與原波形產生疊加，使壓力波在圖中矩形虛線區域有小幅值上升。綜上所述，預噴射引起的壓力波動主要通過影響主噴射針閥開啟階段進而影響其循環噴油量，因此，主噴油量的大小就取決于其出現在盛油槽壓力波的位置，即直接由噴射間隔的大小決定。通過對比可發現，圖7中主噴油量隨噴射間隔變化的曲線規律與圖8中單獨進行預噴射時盛油槽內的壓力波動曲線變化規律一致，這也從側面證明了上述結論。雖然主噴射結束后盛油槽的壓力波動已經衰減到幅值較小的程度，但是由圖7可以看出，兩條壓力波曲線依然有一定差別，通過前面的分析可知，如果在主噴射之后進行后噴射，后噴油量必然不同。同時，如果預、主噴射之間的噴射間隔不同，后噴射進行時的盛油槽壓力也會不同，若主、后噴射之間的噴射間隔也不相同，那么后噴射油量的變化規律將更加復雜。由此也可以看出，共軌噴油器在進行噴油時，其針閥響應和內部壓力波動是相互耦合影響的，預噴射針閥動作引起的盛油槽壓力波動會影響主噴射針閥響應，反過來主噴射針閥的動作也會改變盛油槽壓力的波動規律，進而對后續噴射產生更加復雜的影響。

4針閥響應與壓力波動解耦分析

由于液壓容腔具有與電容相似的容性作用，液壓管路具有與電感相似的延遲、阻流和振蕩的感性作用，因此不考慮管路阻尼和節流作用，對高壓油路內的一維非定常流動進行分析時，可將系統視為由電容和電感組成的電路系統，從而采用電傳輸理論對噴油器工作過程中的多種物理量進行描述，更加清晰地揭示針閥響應與壓力波動之間的耦合影響［14－15］。

4．1噴油器內部油道長徑比的影響由圖10可以看出，當減小噴油器內部油道長度，并且增加其直徑時，主噴油量隨噴射間隔的波動幅值明顯減小，并且衰減速度加快。當油道長度由10cm變為2cm，直徑由2mm變為3mm時，主噴油量的波動幅值由3．6mm3減小到了1．8mm3，下降幅度高達50％。因此，能夠通過減小噴油器內部油道長徑比的方法降低針閥響應和壓力波動之間的耦合程度。該方法可通過去掉噴油器針閥上方控制活塞的方式實現，使控制腔直接作用于針閥上端面，減小噴油器入口到盛油槽的距離。

4．2盛油槽容積的影響在減小內部油道長徑比的基礎上，再將盛油槽容積減小至0．02cm3。由圖11可知，主噴油量的波動幅值減小到1．7mm3，相比盛油槽容積為0．05cm3時減小了0．1mm3，針閥響應和壓力波動的耦合程度進一步降低。因此，通過減小盛油槽容積的方法也能對針閥響應和壓力波動之間的耦合影響進行解耦，但是效果不顯著。

5結論

a）預－主噴射時主噴油量會隨著噴射間隔的變化產生類余弦曲線波動，當主噴射基準油量為60．0mm3時，波動幅值可達3．6mm3；b）預噴射引起的盛油槽內的壓力波動是影響主噴油量大小的根本原因，該壓力波會與針閥響應產生耦合作用，改變針閥開啟階段的動作規律，進而影響主噴射循環噴油量的大小；c）通過減小噴油器內部油道長徑比和盛油槽容積的方法均能對針閥響應和壓力波動的耦合影響進行解耦，且減小長徑比的方法效果非常顯著。

作者：王昊 趙冬昶 郭千里 單位：中國汽車技術研究中心數據資源中心