電控柴油機高壓共軌管研究現狀分析

(天津理工大學海運學院 天津 300384)

一、柴油機高壓共軌管介紹

高壓共軌燃油噴射系統主要由ECU、高壓油泵、共軌管、電控噴油器及各類傳感器組成。工作時，供油泵將燃油從油箱送入高壓油泵，燃油由高壓油泵增壓后經共軌管被送入各個噴油器，再由ECU控制電磁閥實現相應工況下的噴油過程。而共軌管作為柴油機高壓共軌燃油噴射系統的重要組成部分起到了重非常關鍵的作用：首先共軌管在整個柴油機高壓共軌燃油系統中起到了積累與分配高壓燃油的作用；其次可以減緩由于柱塞的間歇性供油而產生的壓力波動進而提高系統對后續噴油定時和油量的精確控制精度。

二、研究現狀與進展

國內針對電控噴油系統共軌管的研究主要集中在管路壓力波動特性的研究以及管路結構優化的研究。使用到的仿真軟件主要有HYDSIM、ASW、Workspace、ANSYS、Fluent、GT-Fuel、AMESim、ABAQUS、Matlab/Simulink等。

(一)管路壓力波動特性的研究

東北林業大學的梁超[1-4]借助HYDSIM、ASW、workspace等軟件進行較為系統的數值模擬仿真計算。文獻中研究結果表明：共軌容積的大小要適當，在允許的條件下應取較大值；共軌容積變化，共軌內徑不變時，長徑比越大，共軌內的壓力波動越小，共軌內壓力越穩定；進出油孔位置的變化對共軌內的壓力波動較小，可以根據發動機的需要來布置進出油管的安裝位置；在噴油脈寬相同時，隨著壓力的降低，共軌內的壓力波動的趨勢變大；在相同的壓力下，脈寬的變化對共軌壓力的影響較大；從壓力的變化上看，提高壓力可以減小由于噴油脈寬變化導致的共軌壓力的波動。

江南大學的王稱心等人[5]通過GT-Fuel軟件建立的仿真模型研究了共軌管材料屬性對共軌管內燃油壓力的影響。仿真結果表明：共軌管材料彈性模量越大，對軌壓波動抑制效果越好；過大的共軌管壁厚對燃油壓力波動抑制作用不明顯。

北京理工大學的李丕茂等人[6]首先通過試驗研究了軌壓和噴油脈寬對噴油器關閉后高壓油管內燃油壓力波動的影響，結果表明：壓力波動幅度隨軌壓和噴油脈寬的變化均不是單調的。然后,采用CFD方法進行了仿真運算。最后,得出結論：高壓油管內燃油壓力波動幅度隨噴油脈寬的增大呈現出周期性的變化規律,隨軌壓的增大在整體上呈現出逐漸增大的規律,但伴隨著局部的往復變化,且往復變化的周期隨軌壓的增加而增大。

北京交通大學的呂曉辰[7]利用AMESim軟件建立了高壓共軌系統一維模型，研究了油管長度、內徑、共軌管長度、容積、長徑比等結構參數對壓力波動程度的變化規律。隨后利用Fluent軟件開展高壓管路三維流場仿真計算，結合一維仿真計算結果，對高壓管路中壓力波的產生、傳播及燃油流動過程作出了分析；然后用頻譜分析的方法，總結出共軌壓力波動頻率、振幅受高壓共軌系統運行及結構參數的影響規律。

(二)管路結構優化的研究

無錫油泵油嘴研究所的王綺等人[8]對柴油機共軌管振動進行了研究并作出優化：通過對某六缸柴油機共軌系統進行了不同轉速下的臺架試驗，結合數字信號分析處理技術以及振動信號分析理論對存在的共軌系統峰值進行了分析，分析顯示在530Hz附近存在明顯共振峰，采用了在連接鋼板處增加一個與發動機缸蓋的螺栓連接的方法，提高了鋼板的一階固有頻率以避開發動機的發火激勵諧次，并對方案進行了驗證，結果顯示共軌管的振動大幅降低。

中南大學的裴海靈等人[9]運用多學科優化設計的方法，以共軌管容積最佳、壓力波動最小、質量最小和進油口位置最佳為目標函數建立了共軌管多學科優化設計體系，采用模擬退火算法進行求解，結果顯示：共軌容積減小1.07%，總質量減小6.8%，壓力波動幅降幅達16.7%。

中國北方發動機研究所的王國瑩等人[10]通過GT-Fuel流體分析軟件搭建了高壓共軌系統模型,通過仿真計算確定了該分油器的容積,并根據其安裝要求及系統特點對分油器進行了結構設計。試驗結果表明,該分油器可靠性高,安裝方便,能夠滿足發動機對性能和安裝的要求。

中國一汽無錫油泵油嘴研究所的曹俊衛等人[11]通過ABAQUS有限元軟件計算以及理論計算給出了高壓共軌管厚度比系數的合理區間。此外，昆山江錦機械有限公司的彭瑜華[12]設計了一種雙層組合式高壓蓄壓管，相比單層壁厚蓄壓管能夠承受更高的內部壓力，且環向應力較低。經過ANSYS有限元軟件計算和理論計算對結果進行了驗證，強度滿足設計要求。

三、研究現狀分析

目前對于管路壓力波動特性和管路結構優化的研究已取得了一定的研究成果，但筆者認為軌壓控制策略更應引起重視，并且對于管路壓力波動的產生原因及傳播過程中的波動現象應進行更為細致的機理研究。此外，新材料對于提升高壓共軌管性能的研究以及溫度特性和加工工藝對共軌管性能的研究也相對較少。

四、總結

共軌管作為柴油機高壓共軌系統的一個重要組成部件，對于分配燃油和穩定燃油系統壓力起到了十分重要的作用。本文通過梳理現階段柴油機高壓共軌管的研究情況，作出了相應的研究分析與研究建議。