高壓共軌系統不同溫度下噴油參數修正計算*

王 軍，張幽彤，金 毅，韓 樹

（1.陸軍裝甲兵學院車輛工程系，北京 100072； 2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

前言

高壓共軌噴油系統由高壓油泵、共軌管、電控噴油器和電控單元組成，能夠柔性地調節噴油參數和實現多次噴射，已成為柴油機滿足新排放法規所必須的技術手段［1］。當柴油機工作環境溫度變化較大時，燃油溫度的變化會影響到流動和噴射的狀況，低溫對柴油流動和霧化影響很大，高溫造成噴油壓力和噴油量下降；當高壓燃油在共軌系統中流動時，摩擦發熱和節流發熱都會使燃油溫度升高，引起燃油的密度、壓力、可壓縮性和彈性模量等參數的變化，造成噴油量差異，影響柴油機動力性。高壓共軌噴油系統中的噴油量參數表（MAP）是在給定溫度下而生成的，當外界溫度發生變化時，就需要對噴油量表中的目標噴油量進行補償修正，以保證實際噴油量和目標噴油量的一致性，因此研究燃油溫度與噴油量的關系顯得至關重要。目前國內外關于燃油溫度的研究主要集中在溫度對噴油量的影響上，如蘇海峰等人研究了高壓共軌系統不同燃油溫度對多次噴射的影響，總結多次噴射的溫度特性［2］；聶枝根等人進行了高壓共軌柴油機燃油狀態系統的研究［3］，說明高壓共軌噴油系統的初始油溫變化對噴油量的影響；Salvador等人建立一維電磁閥噴油器模型，研究燃油溫度對噴射過程的影響［4］，這些研究都是采用仿真模型計算，通過設定密度、壓力、可壓縮性和彈性模量等參數，獲得噴油量的變化，對不同溫度噴油量的補償修正研究較少，由于涉及到柴油機使用環境和共軌系統內部的燃油溫度變化，噴油量溫度補償修正一直缺乏理論性的推導計算，作者根據流體力學的流動理論，計算燃油溫度變化對壓力增量和噴油量增量的影響，分析燃油溫度對燃油噴射量補償量的變化，對噴油參數的修正計算提供一種新途徑。

1 高壓燃油流動熱特征

在高壓共軌噴油系統中，高壓油泵只負責提供高壓燃油，共軌管穩定燃油壓力，電控噴油器控制噴油參數，高壓燃油在不同部件的油道內流動時，所處的管壁摩擦、截面積變化和自身被壓縮，高壓燃油的產熱和換熱各不相同。低壓燃油進入高壓油泵柱塞腔后，受到柱塞壓縮，燃油體積變小，壓力升高，燃油溫度上升明顯，所以高壓泵內燃油以壓縮產熱為主；高壓燃油在共軌管和高壓油管中流動時，與管壁之間因摩擦而產生一定的熱量，同時管壁與外界環境存在一定的熱交換，所以管內流動燃油以摩擦產熱為主，并存在熱交換；燃油進入噴油器之后，沿著油道進入針閥腔后，經過小噴孔高速噴出，油道的直徑劇變形成燃油的節流，節流產生一定的熱量，噴油器內燃油以節流生熱為主。

燃油溫度是由燃油受熱量和接觸介質換熱量共同決定的，受熱量是指燃油流動過程中產生的熱量，主要影響燃油溫度；接觸介質的換熱是指燃油與管壁之間、管壁與大氣間的熱交換，消耗一部分產生的熱量。溫度的變化會帶來燃油物理參數的變化，如燃油體積彈性模量、燃油密度和燃油黏度等，燃油體積彈性模量、黏度直接影響燃油的壓縮程度和流動［5］。

2 流體計算模型

2.1 基準溫度

對于高壓共軌噴油系統，噴油量是根據柴油機的轉速負荷直接查噴油量脈譜表來完成，噴油量脈譜通常是在某一工作環境溫度下通過試驗獲得的。當柴油機工作環境溫度變化較大時，必須考慮溫度變化對噴油量和噴油壓力的影響，噴油量的溫度補償首先確定一個燃油溫度作為基準，確定噴油量的基準脈譜，其次在不同溫度下確定目標噴油量的增減，而基準燃油溫度的選擇與柴油機工作環境和典型工況的頻度密切相關。

（1）工作環境的適宜溫度

柴油機工作環境溫度范圍在-30-40℃，大部分柴油機經常在10-30℃的環境下運行［6］，由于高壓泵入口燃油溫度升高幅度不超過10℃，初步確定燃油初始基準溫度范圍為20，30，40℃。

（2）典型工況下的噴油量誤差

以柴油機典型工況（最大轉矩點工況、額定工況）所需的循環噴油量為計算參數［7］，計算初始基準溫度的循環噴油量，以計算值與測試值之間的誤差為評價指標，以誤差最小的噴油量所對應的溫度為基準溫度。

2.2 燃油密度

燃油密度 ρf隨壓力 p和溫度T的變化關系為［8］

式中：ρf0為基準溫度下的柴油密度；pf0為基準溫度下的柴油壓力；Tf0為基準溫度；λT為某一溫度的熱膨脹系數，1／℃。

2.3 燃油壓力

燃油壓力大小取決于柴油黏度和可壓縮性，可壓縮性是用彈性模量倒數表示的，彈性模量K是指當溫度不變時，單位體積的變化所對應壓強的變化量，其大小為

式中：p為燃油壓力；V為燃油體積。

K值越大表示流體越不容易壓縮，若同時考慮溫度和壓力，則燃油在不同溫度和壓力下的體積彈性模量［9］為

燃油壓力大小與其彈性模量和密度直接相關。）

燃油體積彈性模量Kf隨溫度變化時，壓力變化增量為

式中：pj0為基準溫度下的柴油壓力；Kf0為基準溫度下柴油的彈性模量；Δpj為任一溫度下的柴油壓力增量；n為影響因子，修正對實際燃油噴射情況的影響程度，由于燃油的壓縮在密閉容器內，n=0.5。

噴孔處燃油流速vf為

式中：Δpn為噴射壓力pj與氣缸壓力pc的壓力差；μ為流量系數；ρf為柴油密度。

有效壓力差Δpne是對燃油流過噴孔的累積的近似，可認為從總的壓力差Δpn減去摩擦壓力降Δpv，摩擦壓力差為［10］

式中：Ln為噴孔長度；Dn為噴孔直徑；fv為摩擦因數；∑K為噴孔入口和出口損失系數總和。

噴孔處的雷諾數決定了噴孔中燃油流動狀態，其雷諾數為

對柴油機噴油系統來說，當壓力差為140 MPa、噴孔直徑為0.18 mm、燃油溫度為25℃時，雷諾數為4 000，表明噴孔處燃油流動為管流狀態，因此摩擦因數和流量系數不隨溫度變化而變化。

有效噴射差的相對壓力值可簡化為［11］

這樣，壓力差和有效壓力差主要受燃油的彈性模量影響，即溫度的變化。

2.4 噴油率

噴孔的平均噴油率mf為

式中：An為噴孔流通面積；n為發動機轉速。

對于前述的微小變化的流量系數，噴油率相對變化可表述為

式中：ρf0為基準溫度的柴油密度；Kf0為基準溫度柴油的彈性模量；vf0為基準溫度的燃油流速。

3 噴油參數修正計算

3.1 基準溫度

循環噴油量計算條件：噴孔參數為8 mm×0.18 mm，額定工況的噴油壓力為140 MPa，噴油脈寬為1.5 ms；最大轉矩工況的噴油壓力為120 MPa，噴油脈寬為1.5 ms。

按式（12）計算不同燃油溫度下柴油機額定工況和最大轉矩工況的噴油量mp，與噴油量試驗值對比如表1和表2所示。

式中t為噴油脈寬。

表1 額定工況下不同燃油溫度的噴油量誤差

發動機經常運行在最大轉矩工況，少數運行在額定工況下，結合表中數據對比分析，根據誤差最小的原則，選擇30℃作為基準溫度。

表2 最大轉矩工況的不同燃油溫度噴油量誤差

3.2 噴油參數基準脈譜

3.2.1 噴油壓力基準脈譜

選擇30℃為共軌壓力基準溫度，怠速共軌壓力為35 MPa，低速共軌壓力定為100 MPa，最大轉矩工況的共軌壓力為120 MPa，額定工況的共軌壓力為140 MPa。基準溫度30℃的噴油壓力試驗基準脈譜如圖1所示。噴油壓力基礎目標值分別為35，55，75，90，110，120和 140 MPa。

圖1 噴油壓力基準脈譜

3.2.2 噴油量基準脈譜

溫度對共軌系統噴油量的影響是通過噴油器噴油特性和管路內壓力波動的變化產生的，基準溫度30℃的噴油量試驗基準脈譜如圖2所示。

圖2 噴油量基準脈譜

3.3 噴油參數修正

3.3.1 噴油壓力修正

高壓共軌噴油系統中的燃油溫度一般為0～100℃，燃油壓力范圍為35～140 MPa，選取溫度步長10℃，壓力步長10-20 MPa，選取若干燃油溫度和壓力值作為計算點，根據式（3）計算不同溫度、壓力下的柴油體積彈性模量，如圖3所示。從圖3中看出，當溫度一定時，燃油的彈性模量隨著壓力的升高而增大，壓力越高，彈性模量增大越多；當壓力一定時，燃油彈性模量隨溫度的升高而降低，在高壓力下，溫度變化80℃時，彈性模量減小0.2 GPa；低壓力下，溫度變化80℃時，彈性模量減小0.4 GPa。

圖3 燃油彈性模量與溫度的關系

當燃油溫度為 0，10，20，30，40，50，60和 80℃時，計算噴油壓力的增量，不同溫度下噴油壓力修正增量脈譜如圖4所示。從圖4中看出，在低壓力基準值段，溫度每升高10℃，壓力增量成比例增加，隨著溫度增量變大，壓力增量的幅度變大。在高壓力基準值段，溫度每升高10℃，壓力增量變化減小，隨著溫度增量變大，壓力增量的幅度變小。

3.3.2 噴油量修正

根據燃油密度與溫度、壓力的關系式，計算燃油溫度0～80℃、噴油壓力55～145 MPa下的燃油密

在不同溫度下，燃油的彈性模量發生變化，當燃油被壓縮時，壓力增量的變化通過式（9）計算，用彈性模量Kf表示為度，如圖5所示。

圖4 不同溫度噴油壓力修正增量脈譜

圖5 燃油密度與溫度的關系

當燃油溫度為 0，10，20，30，40，50，60和 80℃，噴油脈寬為 0.5，1.0和 1.5 ms時，噴油壓力140 MPa的計算噴油量增量脈譜如圖6所示。由圖可見，當噴油壓力為140 MPa時，在基準噴油量數值基礎上，循環噴油量增量隨著溫度提高呈現下降趨勢，循環噴油量增量隨著溫度減小呈現增加趨勢；同一溫度下，隨著噴油脈寬的增加，循環噴油量補償量增加。

在不同溫度下，燃油的體積彈性模量和密度發生變化，平均噴油率的變化通過式（11）求得，用燃油體積彈性模量Kf和燃油密度ρf表示為

4 噴油量修正驗證

圖6 140 MPa下不同溫度噴油量補償脈譜

在高壓共軌噴油系統試驗臺架上進行噴油量修正有效性的驗證，測試用儀器有Agilent公司的電流傳感器1146A型，Kistler公司的壓力傳感器4067A，EFS公司的單次噴射儀8420。試驗用高壓共軌系統部件有電控單元、Bosch公司的CP3高壓泵、共軌管、電裝公司的EI3A電控噴油器，在共軌壓力、燃油溫度和噴油脈寬相同的條件下，實測不同溫度的噴油量，在基準溫度噴油量的基礎上，獲得不同溫度噴油量修正量。50和80℃燃油溫度的噴油量修正量對比如表3所示，從表中可看出，50℃燃油溫度的噴油量修正量計算值與測試值的相對誤差在14%以下，80℃燃油溫度的噴油量修正量計算值與預測值的相對誤差在9%以下。

表3 不同燃油溫度的噴油量修正量對比 mg

5 結論

本文中運用流體傳熱計算方法，對不同溫度下的噴油量修正進行了研究，得到以下結論。

（1）以使用環境溫度為參考，以柴油機典型工況下的噴油量誤差最小的原則為依據，確定了燃油的基準溫度。

（2）噴油量和噴油壓力的修正量計算公式反映出壓力差主要受燃油的彈性模量的影響，平均噴油率的變化與燃油體積彈性模量和燃油密度相關。當燃油溫度在0～80℃變化時，燃油的彈性模量隨溫度的升高而降低；在溫度一定時，燃油的密度隨壓力的升高而增加；在壓力一定時，燃油的密度隨溫度的升高減小。

（3）不同溫度下的噴油量的修正量變化趨勢為：同一壓力下，循環噴油量增量隨著溫度提高呈現下降趨勢；同一溫度下，隨著噴油脈寬的增加，循環噴油量補償量增加。通過試驗驗證了噴油壓力和噴油量的修正方法是有效的。