共軌噴油器實際噴油壓力研究

吳小軍，徐春龍，王昭建，王家雄，孫樹平，奚星，顧嬌嬌，王國瑩，陳曉歡

(1.中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400；2.中國人民解放軍32381部隊，北京 100072)

內燃機最佳的性能指標總是通過提高噴油壓力得到的，國內關于提高噴油壓力的研究已取得了大量的成果。李新令等[1]的研究表明，提高噴油壓力在顯著降低積聚模態粒子排放的同時，使核模態粒子顯著增加。內燃機不僅需要提高燃油噴油壓力，也要按工況來優化調整噴油壓力[2]。張全長等[3]的研究表明，在大部分EGR區間，提高噴油壓力都可降低Soot排放，但其機理不同。胡朝陽等[4]的研究表明，較高的噴油壓力和較小的噴油提前角可以降低排放。以上研究從發動機燃燒匹配的角度出發，表明了提高燃油系統噴油壓力不僅有利于提高發動機的性能指標，而且可以降低排放，文獻中的噴油壓力一般指的是共軌壓力或供油壓力。然而，從噴油器性能匹配的角度出發，噴油器的實際噴油壓力是指噴孔前即壓力室的壓力，壓力室的壓力受噴嘴針閥密封座面節流作用的影響，其最高值要低于共軌壓力或供油壓力，而整個噴油過程中壓力室的平均壓力更低。因此，獲取實際噴油壓力變化規律具有重要意義。

鄭全保等[5]通過試驗測得針閥升程、盛油槽壓力和噴油規律曲線，盛油槽壓力能夠客觀解釋噴油規律后期上升的原因，噴油規律計算值與試驗值基本吻合；作者還對實際噴油壓力的處理方法進行了研究，受噴油器自身結構及傳感器的限制，直接測試盛油槽或壓力室的壓力難度大，且盛油槽壓力并不能真實反映實際噴油壓力的變化過程。

本研究通過一種噴油器性能測試設備，獲取了某共軌噴油器的噴油規律曲線，再根據噴孔流量計算公式得到該噴油器的最大及平均實際噴油壓力，計算結果顯示，實際噴油壓力遠小于共軌壓力或供油壓力。結合共軌系統工作原理分析了實際噴油壓力損失的主要原因，并利用仿真軟件對提高噴油壓力的方法進行了研究，可為發動機燃燒匹配研究提供更加準確的壓力邊界，為共軌噴油器性能提升及優化匹配提供參考依據。

1 噴油器實際噴油壓力獲取方法

由噴油嘴結構簡圖(見圖1)可知，受壓力室結構尺寸限制，無法直接安裝壓力傳感器進行噴油壓力測試。

圖1 噴油嘴結構簡圖

本研究獲取實際噴油壓力的方法為：通過試驗測試獲取噴油器的噴油規律曲線，利用噴孔流量公計算得到實際噴油壓力曲線。計算公式為

(1)

為獲取精度更高的噴油規律曲線，本研究應用的噴油性能測試儀為moehwald HDA噴油器性能測試設備。圖2示出該設備的測試原理與實物圖。其測試原理為被測噴油器將燃油噴入密閉腔，密閉腔壓力升高，則密閉腔內燃油的聲速將發生變化，應用基礎公式：

(2)

式中：dm為密閉腔中燃油質量變化量；V為密閉腔容積；dp為密閉腔的壓力變化量；c為不同壓力下的燃油聲速。利用圖2中壓力、聲速傳感器測量噴油前后密閉腔內的壓力與聲速的變化值，可得到噴油量。通過連續測試密閉腔的壓力與聲速的變化值，得到噴孔質量流量，除以燃油密度，可以得到噴孔體積流量。同時利用燃油溫度傳感器進行溫度補償，提高測試精度。

圖2 HDA測試儀

2 噴油器實際噴油壓力測試分析

某共軌噴油器匹配4種噴孔油嘴，在160 MPa供油壓力下，測得其噴油規律曲線(見圖3)。由式(1)計算得到的平均噴油壓力、最大實際噴油壓力及其占供油壓力的比例見表1。

圖3 共軌噴油器匹配不同噴孔偶件的噴油規律對比

方案噴孔面積/mm2平均實際噴油壓力/MPa最大實際噴油壓力/MPa平均實際噴油壓力比供油壓力/%最大實際噴油壓力比供油壓力/%A0.5436.867.52342.3B0.6329.456.318.435.2C0.7122.746.714.229.2D0.8118.338.611.424.1

由測試可知：在標定工況點對應的噴油持續期要求下，噴孔面積提高50%，其循環噴油量僅提高了13%，此時該噴孔對應的平均噴油壓力與最大噴油壓力僅為18.3 MPa和38.6 MPa，僅是供油壓力的11.4%和24.1%。以噴孔前的壓力為實際噴油壓力，其與供油壓力的比為共軌噴油器的有效噴油壓力效率[6]，可見隨著噴孔面積增加，噴油器的有效噴油壓力效率迅速降低。

從系統油路結構(見圖1)可知：由油軌至盛油槽間的高壓油路沒有變截面結構，則由管路的沿程流動損失計算公式[7-8]得到，在本試驗系統的高壓油路內徑為3 mm時，此狀態下的沿程流動壓力損失僅為5 MPa左右，則實際噴油壓力損失主要為盛油槽與壓力室間密封座面的節流損失。

3 實際噴油壓力仿真與分析

3.1 噴油器性能仿真模型建立與校準

圖4示出該共軌噴油器的AMESIM性能仿真模型。圖5示出仿真噴油規律與HDA測量結果對比。以HDA測試值為基礎值，仿真與測試結果比較見表2。對比可知，仿真值與測量值誤差小于等于4%，同時噴油規律的仿真曲線與測量曲線基本一致。下文的實際噴油壓力將直接使用仿真軟件的計算結果。

圖4 共軌噴油器模型

圖5 仿真與HAD測量噴油規律曲線對比

工況循環噴油量噴油持續期最大噴油速率HDA111仿真1.0411.02

3.2 實際噴油壓力波動分析

圖6示出原噴孔面積(0.54 mm2)時，壓力室、盛油槽壓力及針閥升程曲線的仿真結果。計算結果顯示，在0.75～1.45 ms噴油前半段，壓力室壓力快速升高，達到供油壓力的42%左右，而盛油槽壓力下降了35 MPa，遠大于管路的沿程流動損失。這是由于高壓共軌系統噴油前已經完成蓄壓，噴油初期燃油軌的高壓燃油不會對盛油槽進行補充，導致盛油槽壓力下降。在1.45 ms時刻，針閥升程達到最高，但僅為設計值的50%。1.45～2.04 ms為噴油后半段，針閥開始關閉，實際噴油壓力快速減小，而盛油槽壓力仍然處于上升階段，甚至高壓供油壓力到達220 MPa，這是由針閥關閉過程產生的“水擊”造成的。2.04 ms后噴油結束，噴油器盛油槽壓力波動將逐漸衰減。

圖6 壓力波動與針閥升程

噴油過程中油嘴針閥始終處于盛油槽壓力、控制腔壓力、壓力室壓力及針閥彈簧共同作用下的浮動狀態[9-10]。在噴油開始階段，盛油槽壓力是針閥開啟的主要動力，控制腔壓力、針閥彈簧預緊力是主要阻力；噴油關閉階段各作用力則相反。噴油初始階段，由于盛油槽壓力迅速降低，不利于針閥快速開啟，則在規定的噴油持續期約束下，油嘴針閥無法達到預期升程，導致噴油嘴密封座面始終存在較大的節流損失。隨著噴孔面積的增加，盛油槽壓力下降幅度與速度增加，則針閥開啟速度和升程進一步降低，最終導致循環噴油量未與噴孔面積呈線性增加。3.3提高噴油壓力研究

增加高壓油管的長度，高壓油管內的流動損失因而增加，同時壓力波相位也會變化，進而噴油壓力和波動相位也會變化[11]。由噴油過程壓力波動產生與傳播規律可知：縮短油管長度可以縮短噴油壓力波的返回時間，從而提高噴油初期盛油槽的壓力，進而提高針閥開啟速度。圖7示出不同油管長度下盛油槽壓力、壓力室壓力曲線。

圖7 不同油管長度下盛油槽、壓力室壓力曲線

計算結果顯示：在0.75～2.04 ms整個噴油時間段，隨油管長度增加，盛油槽的最低壓力減小，最低點相位后移，盛油槽內的壓力恢復速度快、時刻晚。雖然在噴油后半段短油管盛油槽的壓力小于長油管，但在噴油初始階段和噴油關閉階段，針閥升程較低，此時針閥密封座面節流作用大，盛油槽的高壓燃油利用效率低。在針閥升程達到最大升程的20%后，盛油槽的高壓燃油利用效率提高，即在1～1.8 ms階段，短油管的盛油槽平均壓力要高于長油管，有利于提高實際噴油壓力。隨著噴油壓力波返回時間延長，將與油嘴針閥關閉產生的“水擊”進行疊加，則噴油結束后整個高壓共軌系統的壓力峰值將增加。另外，在噴油后半段，盛油槽壓力高，針閥關閉阻力大，不利于快速斷油(見圖8)。

圖8 針閥升程對比

由圖8可知，3種油管長度下的油嘴針閥關閉時刻相同，油管長度為200 mm時針閥升程大，則針閥關閉速度更快。

受發動機結構限制，燃油軌與噴油器間的高壓油管長度受到限制。由圖9可見，在油管長度為100～200 mm時，減小油管長度對提高噴油壓力，即提高循環噴油量作用有限。由控制腔壓力控制方法可知：提高控制腔的卸壓速度，可以降低針閥開啟過程的阻力，進而提高噴油嘴針閥開啟速度。

圖9 循環噴油量隨油管長度的變化規律

圖10示出3種方案下盛油槽、壓力室壓力及針閥升程對比。其中方案A為原結構參數：管長600 mm，控制腔進回油量孔面積比1∶1.6；方案B為管長600 mm，增大控制腔進回油量孔孔徑，調整兩者面積比為1∶4；方案C為管長200 mm，控制腔進回油量孔面積比為1∶4。對比方案A與方案B可知，由于增加了控制腔進回油量孔面積比，采用方案B時控制腔能快速卸壓，油嘴針閥迅速開啟，壓力室壓力迅速提高。由于方案A與方案B管長均為600 mm，所以兩種方案盛油槽的壓力波動曲線基本一致：盛油槽的壓力回升較晚。方案B盛油槽壓力恢復時，油嘴針閥開始關閉，不利于提高壓力室壓力。

圖10 調整油管長度、進回油比下的針閥升程、盛油槽與壓力室壓力對比

方案C與方案B有相同控制腔量孔設計，方案C的油嘴針閥也能迅速開啟，但方案C油管短，盛油槽壓力回升快。高的盛油槽壓力匹配高的油嘴針閥升程，使得壓力室壓力大幅度提高。相比于方案A，方案C在匹配0.54 mm2噴孔時，最大實際噴油壓力和平均實際噴油壓力分別提高了70%與75%，循環噴油量提高了34%。

4 結論

a) 利用噴油器性能測試設備，獲取共軌噴油器的噴油規律曲線，利用噴孔流量公式計算得到該噴油器的最大實際噴油壓力和平均實際噴油壓力，二者僅為供油壓力的42.3%和23%；

b) 實際噴油壓力損失主要為盛油槽與壓力室間密封座面的節流損失，原因是噴油初期盛油槽壓力降不利于油嘴針閥的快速開啟；

c) 提高控制腔卸壓速度，同時加快盛油槽壓力回升速度有利于提高最大、平均實際噴油壓力；計算顯示，縮短燃油軌與噴油器間的管長至200 mm，提高控制腔進回油量孔孔徑，噴油器的最大實際噴油壓力和平均實際噴油壓力噴油壓力分別提高了70%與75%。