高壓共軌柴油機燃油噴射控制系統主要部件數模計算

王學軍

高壓共軌柴油機燃油噴射控制系統主要部件數模計算

王學軍

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

高壓共軌噴射技術為柴油機電控技術的發展指明了方向，可以滿足國四以上國家排放法規的要求。它已被公認為最具潛力的燃油噴射系統，具有巨大的市場和廣闊的前景。論文通過共軌柴油機噴油系統主要部件的數模計算，能減少設計修改次數和匹配問題的沖突，提高機構設計和性能匹配效率。

高壓共軌；柴油機；計算模型

前言

高壓共軌燃油噴射系統復雜，具備機械、電工電子、液壓技術以及智能控制技術，在保證精度計算準確的前提下，需要對仿真模型進行簡化設計，從而節約計算時間，降低計算成本。通過建立系統的數字模型，可以獲得燃油噴射的基本特性，為共軌柴油噴射系統的自適性提供依據。

1 高壓共軌柴油機燃油噴射系統概述

在柴油機經歷了機械燃料系統、廢氣增壓和中冷控制技術和電控燃油噴射技術的百年工作歷程中，不斷提高了發動機高壓共軌技術，使共軌柴油機發展邁上了一個新的臺階。在突破三大技術過程中，有兩項和燃油系統發展有直接關系，所以說，燃油噴射系統是柴油機的重中之重。高壓共軌燃油噴射系統主要由高壓供油泵、共軌管、ECU、傳感器和噴油器等部分構成。其工作原理：低壓油泵加壓將燃油經油箱吸出，經過濾清送人高壓供油泵，高壓供油泵將燃油進一步加壓，由高壓油管輸送到共軌管內留存。ECU接受相應傳感器信號，并進行邏輯判斷和計算，根據預設的程序將燃油以一定的壓力輸送給執行器——噴油器，從而完成噴油等工作。

2 高壓共軌系統數學模型的建立

共軌燃油噴射系統結構復雜、參數多，其開發研究主要是在試驗臺上完成多方案的比較，不僅開發周期長、成本高，而且工作量大。通過計算機仿真，進行多方案結構參數優化和系統性能比較，可以大大提高效率，降低成本。

2.1 高壓供油泵油液流動方程

根據燃油的運動過程，滿足供油室內的燃油連續性方程，如下所示。

柱塞腔內燃油量的平衡關系如下：

Q=Q+Q→rail++（1）

式中，Q：柱塞瞬時壓入油量即幾何供油率，mm3/s； Q：柱塞腔壓縮容積變化率，mm3/s；Q→rail：通過閥門流入油軌流量，單位：mm3/s；Q：間隙泄露流量，mm3/s；：流向低壓油路的流量，mm3/s。

幾何供油率Q：

式中，h：柱塞升程，mm；F：柱塞截面積，mm2。

（3）

式中，：柱塞直徑，mm。

壓縮油量變化率Q：

式中，V：柱塞桿容積，mm3；E：柴油的彈性模數，MPa；P：腔室壓力，MPa。

油閥活塞孔流量Q→rail：

式中，：柴油的密度，kg/m3；|：共軌管壓力，MPa； uF：柱塞腔至共軌管的有效流通面積，m2；u：流量系數。

階躍函數：

柱塞腔泄漏流量：

（7）

式中，：柴油的動力粘度，MPas；：柱塞的密封長度，mm；δ：柱塞偶件的間隙，mm；：低壓油道的壓力，MPa。

柱塞腔流至低壓油道的流量1：

式中，uF：柱塞腔至低壓系統的有效流通面積，mm2。

階躍函數：

將式（2）—（9）代入式（1），整理得：

式中，柱塞速度，mm/s。

2.2 柱塞運動方程

式中，h：油泵的轉速，rpm；油泵的凸輪轉角，°。

供油泵柱塞運動方程：

液壓力的計算式：

式中：m：柱塞質量，；h：柱塞升程，mm；c：阻尼系數；k：剛度系數；：輸入端連接單元；：輸出端連接單元；：輸入端連接單元坐標；：輸出端連接單元坐標；：連接單元的阻尼系數；：連接單元的剛度系數；F：柱塞彈簧預緊力，；F：輸入端機械預緊力；F：輸出端機械預緊力；：輸入端的機械連接單元個數；：輸出端的機械連接單元個數；F：液壓力，；F：庫企摩擦力，；凸輪腔壓力，N/mm2；F：液體泄漏的粘滯摩擦力，N；d：柱塞直徑，mm；初始壓力，N/mm2；壓縮終了的壓力，N/mm2。

2.3 共軌管內燃油連續方程

式中：：共軌管的容積，mm3；：N共軌噴管流量，mm3/s；：共軌管至控制腔的流量，mm3/s。

共軌管至噴油嘴腔的流量→：

式中，P：噴嘴腔內的壓力，MPa；uF：共軌噴油有效流量面積，mm2；

：階躍函數

共軌管流至控制腔的流量→：

式中，控制腔內的壓力，MPa；uF：共軌管至控制腔的有效流通面積，mm2。

階躍函數：

將式（15）—（18）代入共軌管內燃油連續方程（14），整理可得：

2.4 噴油嘴腔內燃油連續方程

針閥截面積：

式中，d：針閥直徑，mm。

噴油嘴腔流至壓力室的流量：

式中，P：壓力室壓力，MPa；uF：噴油嘴腔至壓力室的有效流通面積，mm3。

：階躍函數

其中，式中，：針閥表面角度，0。

針閥漏流：

式中，：針閥偶件間隙，mm；：針閥偶件密封長度，mm；2：計閥座處燃油壓力，MPa。

針閥錐部的容積：

式中，hmax：針閥最大升程，mm；：壓力室直徑，mm。

將式（21）—（27）代入噴油嘴腔內燃油連續方程（20），可得：

2.5 共軌管噴油器端邊界條件

為了簡化模型，應采用以下邊界條件來忽略連接蓋和噴嘴的高壓管道中的壓力損失和局部燃油壓降：

P=P（29）

結合共軌和噴油器腔中的燃油連續性方程，整理可得：

2.6 壓力室內燃油連續方程

式中，Q：壓力室流向燃燒室的流量，mm；：壓力室容積，mm3。

壓力室流向燃燒室的流量Q：

式中，：氣體環境中平均壓力，MPa；uF：噴嘴有效流動面積，mm2。

總截面積：

式中，：噴嘴直徑，mm；：噴嘴數量。

將式（32）、（33）代入壓力室內燃油連續方程（31）可得：

3 結束語

通過建立高壓供油泵、共軌管和電控噴油器的高壓共軌系統數學模型，分析常用高壓燃油噴射系統的特點及關鍵設計參數的影響，為優化高壓共軌系統的關鍵設計參數起到了積極的促進作用，為高壓共軌燃油噴射系統的設計提供了參考，為機型匹配提供了依據。

[1] 劉楠,劉振明,龔鑫瑞,等.壓電式噴油器多參數優化匹配研究[J].車用發動機,2014(02):28-33.

[2] 張濤,曹志成,陳利平,等.某共軌噴油器優化設計及試驗研究[J].現代車用動力,2019(01):31-33+40.

[3] 賈超超.噴射參數對高壓共軌柴油機燃用地溝油生物柴油性能的影響研究[D].西安:長安大學,2014.

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Digital and Analog Calculation of Main Components of Fuel Injection Control System for High Pressure Common Rail Diesel Engine

WANG Xuejun

( Shandong Huayu Institute of Technology, Shandong Dezhou 253034 )

High pressure common rail injection technology points out the direction for the development of electronic control technology of diesel engine, which can meet the requirements of national emission regulations above the fourth national standard. It has been recognized as the most potential fuel injection system, with huge market and broad prospects. Through the numerical simulation calculation of the main components of the common rail diesel injection system, the conflict between design modification times and matching problems can be reduced, and the efficiency of mechanism design and performance matching can be improved.

High pressure common rail; Diesel engine;Calculation model

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.030

U262.11

A

1671-7988(2021)21-117-04

U262.11

A

1671-7988(2021)21-117-04

王學軍，就職于山東華宇工學院。

本文為山東華宇工學院2020年度校級科研計劃項目：高壓共軌柴油機噴油控制參數優化研究（項目編號：2020KJ09）的研究成果之一。