轉(zhuǎn)速和高壓共軌燃油系統(tǒng)參數(shù)對共軌管壓力波動的影響

摘 要：為減小柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的共軌管內(nèi)壓力波動，使用AVL Boost Hydsim軟件建立某柴油機(jī)高壓油泵及共軌管一維仿真模型，分析柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和柱塞直徑、柱塞腔容積、柱塞個數(shù)、共軌管內(nèi)徑等高壓共軌燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對共軌管壓力波動的影響。仿真結(jié)果表明：增大柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、增大高壓油泵柱塞直徑、減小高壓油泵柱塞腔容積，可以減小軌壓波動；增大共軌管內(nèi)徑能有效抑制壓力波動；柱塞個數(shù)變化使供油次數(shù)和噴油器噴油次數(shù)一致時，可以減小軌壓波動。

關(guān)鍵詞：共軌管；壓力波動；燃油系統(tǒng)；轉(zhuǎn)速；柱塞

中圖分類號：TK421文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2024）04-0020-07

引用格式：顏鑫宇， 張祥山， 房征先，等.轉(zhuǎn)速和高壓共軌燃油系統(tǒng)參數(shù)對共軌管壓力波動的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2024，41（4）：20-26.

YAN Xinyu，ZHANG Xiangshan，F(xiàn)ANG Zhengxian，et al.Effect of engine speed and high pressure common rail fuel system parameters on pressure fluctuation of common rail pipe［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（4）：20-26.

0 引言

柴油機(jī)具有輸出轉(zhuǎn)矩大、熱效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于道路運輸、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，隨著我國排放標(biāo)準(zhǔn)提高，減少排放成為柴油機(jī)技術(shù)重要的研究方向之一。改善燃油噴射特性，使燃油充分霧化，是減少排放的有效措施［1］。高壓共軌技術(shù)能提高噴射壓力、噴射控制精度和響應(yīng)速度，改善燃油霧化，使油氣混合更高效，燃燒更加充分，最終達(dá)到減小排放的目的［2］。共軌管作為該技術(shù)的核心部件，其內(nèi)部穩(wěn)定的壓力是實現(xiàn)減少排放的關(guān)鍵［3］。

共軌系統(tǒng)工作時，高壓油泵泵油以及噴油器噴油導(dǎo)致共軌管內(nèi)壓力不斷變化，軌內(nèi)壓力難以穩(wěn)定維持并在目標(biāo)軌壓附近波動，壓力波動與柴油機(jī)運行工況、系統(tǒng)內(nèi)各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，可以通過改進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)獲得更加穩(wěn)定的共軌管壓力。李春暉等［4］研究發(fā)現(xiàn)，減小針閥升程以及延長針閥在最大升程處的停留時間有利于噴油器穩(wěn)定性；Zhao等［5］研究發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對壓力波動的頻率分布影響較大，頻率分布基本不受噴油持續(xù)期及目標(biāo)軌壓影響，僅影響振幅；吳建等［6］研究發(fā)現(xiàn)，軌壓波動與噴油時間存在相應(yīng)的周期性時，可以減小軌內(nèi)原有壓力波動與噴油造成壓力波動的疊加，從而抑制軌內(nèi)壓力波動；陸方迪［7］對高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算，結(jié)果表明，增加高壓油泵供油量加劇軌內(nèi)壓力波動，同時削弱噴油造成的壓力波動。

本文中仿真研究發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和高壓共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對共軌管內(nèi)壓力波動的影響，明確更有利的參數(shù)變化趨勢，減小共軌管中的壓力波動，為優(yōu)化高壓油泵及共軌管的設(shè)計、保證柴油機(jī)的工作穩(wěn)定以及減少排放提供參考。

1 高壓共軌燃油系統(tǒng)的物理模型

高壓共軌燃油系統(tǒng)主要分為低壓油路和高壓油路兩部分，物理模型如圖1所示。燃油從油箱經(jīng)過燃油濾清器進(jìn)入高壓油泵，由高壓油泵將燃油泵入共軌管，共軌管通過高壓油管連接到對應(yīng)的噴油器進(jìn)行噴油。電子控制單元（electronic control unit，ECU）根據(jù)采集的燃油溫度、曲軸轉(zhuǎn)速、凸輪軸轉(zhuǎn)速、油軌壓力等各種實時參數(shù)結(jié)合儲存的特性圖譜進(jìn)行計算處理，并把信號傳遞給執(zhí)行器，根據(jù)控制壓力調(diào)節(jié)電磁閥，調(diào)節(jié)軌內(nèi)壓力形成穩(wěn)定油壓［8］；通過噴油器中的電磁閥控制噴射定時、噴射油量以及噴射速率，合理噴射燃油［9］。

2 高壓共軌燃油系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.1 流動模型

高壓共軌系統(tǒng)中燃油的運動方程為Navier-Stokes方程，同時假設(shè)燃油的流動是沿著高壓油管的一維非定常流動［10］。

2.2 高壓油泵數(shù)學(xué)模型

高壓油泵內(nèi)的油量平衡式［11］為：

qV，G=qV，PV+qV，Pr+qV，P0+qV，PL，（1）

式中：qV，G為幾何供油率，mm3/s；qV，PV為柱塞腔內(nèi)由壓力變化引起的油量壓縮變化率，mm3/s；qV，Pr為通過單向出油閥進(jìn)入共軌部件燃油的體積流量，mm3/s；qV，P0為流入低壓油路燃油的體積流量，mm3/s；qV，PL為柱塞腔泄漏的燃油體積流量，mm3/s。

2.3 共軌管數(shù)學(xué)模型

燃油在管內(nèi)的燃油連續(xù)性方程［12］為：

VrEdprdt=∑uinAin-∑uoutAout=qV，Pr-qV，rNV-qV，rCV，（2）

式中：Vr為共軌管容積，mm3；E為燃油彈性模量，Pa；pr為管內(nèi)油壓，Pa；t為時間，s；uin為流入共軌管內(nèi)的流體流速，mm/s；uout為流出共軌管的流體流速，mm/s；Ain為流入時的截面積，mm2；Aout為流出時的截面積，mm2；qV，rNV為共軌管至噴嘴蓄壓腔燃油的體積流量，mm3/s；qV，rCV為共軌管至噴嘴控制腔內(nèi)的燃油體積流量，mm3/s。

3 共軌管壓力波動特性仿真分析

3.1 仿真模型的建立

利用AVL Boost Hydsim 軟件建立高壓共軌系統(tǒng)的一維仿真模型，如圖 2 所示，仿真模型中，使用T型連接代替共軌管的進(jìn)出油接頭，短管代替各個接頭之間的共軌管容積，用短管與T型連接的交替連接代替共軌管，不僅能研究管內(nèi)各處的壓力波動，還能保證壓力波在共軌管內(nèi)傳播的連續(xù)性。共軌系統(tǒng)中的高壓油泵為單柱塞雙作用型柱塞泵，凸輪每轉(zhuǎn)一圈柱塞往復(fù)供油兩次。

共軌系統(tǒng)以及柴油機(jī)運行的主要參數(shù)如表1所示。

3.2 共軌管壓力波動的評價指標(biāo)

為更好地評估共軌管內(nèi)的壓力波動特性，定義最大壓力波動幅度和壓力波動振幅減小程度2個特征參數(shù)。

1）最大壓力波動幅度pmax，指在單次噴油過程中共軌管內(nèi)最大壓力，可衡量壓力波動的劇烈程度。

2）壓力波動振幅減小程度［13］

δ=（pmax－p）-（p－pmin）/p，（3）

式中：p為目標(biāo)軌壓，MPa；pmin為壓力波動曲線中最后一個波谷的壓力，MPa。

由式（3）可知：δ越小，壓力波動振幅減小程度越明顯。

3.3 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對壓力波動的影響

設(shè)置目標(biāo)軌壓p=160 MPa，曲軸轉(zhuǎn)角為720°～1 800°，保持其他參數(shù)不變，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速由1 400 r/min逐步增加至2 600 r/min，共軌管內(nèi)壓力波動如圖3所示，不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下的特征參數(shù)如表2所示。

由圖3可知：軌內(nèi)壓力以及壓力波動幅度均隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，壓力波動曲線的相位隨轉(zhuǎn)速增大而提前。這是因為在轉(zhuǎn)速較高時，燃油需求量增大，高壓油泵泵油量以及噴油器噴油量增加，燃油進(jìn)出共軌管時的壓力波動加劇，并且為使燃油霧化更好，共軌壓力整體上有一定增大。由表2可知：隨著轉(zhuǎn)速增大，δ增大，低轉(zhuǎn)速下，共軌管內(nèi)壓力較低，并且與目標(biāo)軌壓偏差較大，因此（p－pmin）最大，（pmax－p）最小。轉(zhuǎn)速增大后，軌壓有明顯上升，整體壓力更加接近目標(biāo)軌壓，但是壓力波動幅值也隨之增加，說明轉(zhuǎn)速增加，軌內(nèi)壓力有所上升，軌內(nèi)壓力波動振幅隨轉(zhuǎn)角的增加逐漸呈減小趨勢。

3.4 柱塞直徑對軌內(nèi)壓力波動的影響

目標(biāo)軌壓p=160 MPa，曲軸轉(zhuǎn)角為720°～1 800°，保持其他參數(shù)不變，柱塞直徑由6.5 mm逐步增大至14.5 mm，共軌管內(nèi)壓力波動如圖4所示，

不同柱塞直徑下的特征參數(shù)如表3所示。

由圖4可知：增大柱塞直徑使軌壓的波峰及波谷壓力均有所上升，對相位變化趨勢基本無影響。因為柱塞直徑增加能增強(qiáng)油泵供油能力，凸輪旋轉(zhuǎn)一圈，供油量有所增加，使得波峰、波谷壓力上升。由表3可知：柱塞直徑增加，高壓油泵的供油能力隨之增大，使得每次的供油量增加，更好地彌補(bǔ)噴油造成的共軌壓力損失，波峰、波谷壓力增大，即（pmax－p）增大，（p－pmin）減小，軌內(nèi)壓力波動隨轉(zhuǎn)角的增加逐漸呈減小趨勢。

3.5 柱塞腔容積對軌內(nèi)壓力波動的影響

目標(biāo)軌壓p=160 MPa，曲軸轉(zhuǎn)角為720°～1 800°，保持其他參數(shù)不變，柱塞腔容積由320 mm3逐步增大至1 120 mm3，共軌管內(nèi)壓力波動如圖5所示，不同柱塞腔容積下的特征參數(shù)如表4所示。由圖5中可知：隨柱塞腔容積增大，共軌內(nèi)壓力波動的變化趨勢基本無差別，僅有軌壓波動曲線中的波峰及波谷壓力下降，說明增大柱塞腔容積，高壓油泵供油能力略有下降，導(dǎo)致壓力降低。

由表4可知：（pmax-p）隨著柱塞腔容積增加整體呈減小趨勢，（p－pmin）整體呈增加趨勢，δ先增大后減小。這是由于柱塞腔容積增大，油泵每次供油量增加，供油能力增加，但是柱塞腔容積進(jìn)一步增加反而影響柱塞腔內(nèi)高油壓的建立，導(dǎo)致油泵供油能力下降，供油無法彌補(bǔ)噴油造成的壓力損失［14］，導(dǎo)致δ先增大后減小。

3.6 柱塞個數(shù)對軌內(nèi)壓力波動的影響

目標(biāo)軌壓p=160 MPa，曲軸轉(zhuǎn)角為720°～1 800°，其余參數(shù)不變，柱塞個數(shù)由1增加至3，共軌管中壓力波動如圖6所示，不同柱塞個數(shù)下特征參數(shù)如表5所示。

由圖6可知：增加柱塞數(shù)使共軌內(nèi)壓力增大，壓力波動相位基本不隨柱塞數(shù)變化；當(dāng)柱塞數(shù)為2時，軌內(nèi)壓力幅值最大；柱塞數(shù)為3時，壓力波動的峰值有所下降。因為柱塞增加，凸輪旋轉(zhuǎn)一周油泵的供油次數(shù)增加，但單次供油量減小，但兩者結(jié)合仍會使壓力上升，說明柱塞數(shù)增加能增強(qiáng)油泵的供油能力。高壓油泵供油和噴油器噴油所形成的壓力波是造成共軌管內(nèi)壓力波動主要原因，柱塞數(shù)為奇數(shù)比為偶數(shù)的油泵在供油時產(chǎn)生的壓力波動振幅更小［15］。

由表5可知：（pmax-p）隨柱塞數(shù)增加呈先增大后減小的趨勢，（p－pmin）呈下降趨勢。在使用多柱塞油泵供油時，雖然多柱塞壓力峰值較大，但是多次數(shù)、小供油量的供油方式能夠建立更加穩(wěn)定的油壓，使得δ增加，同時雙柱塞時δ最大，這是因為供油與噴油一一對應(yīng)能有效減小波動振幅，并且多次供油產(chǎn)生的壓力波動能夠相互削弱。

3.7 共軌管內(nèi)徑對軌內(nèi)壓力波動的影響

目標(biāo)軌壓為p=160 MPa，曲軸轉(zhuǎn)角為720°～1 800°，保持其他參數(shù)不變，共軌管內(nèi)徑由8 mm逐步增加至16 mm，共軌管中壓力波動如圖7所示。

由圖7可知：共軌內(nèi)壓力隨共軌管內(nèi)徑變化十分明顯，當(dāng)共軌管內(nèi)徑增大時，軌內(nèi)壓力上升，壓力波動曲線趨于平緩。

不同共軌管內(nèi)徑下的特征參數(shù)如表6所示。由表6可知：（pmax-p）隨共軌管內(nèi)徑增加呈上升趨勢，（p－pmin）呈下降趨勢，δ隨共軌容積增大而增加，壓力波動減小。這是由于共軌管內(nèi)徑增加，相當(dāng)于容積增加，在同等工況下，噴油量和供油量與共軌管容量的比減小，因此削弱了供油和噴油過程產(chǎn)生的壓力波動。但是，共軌管容積過大會延長柴油機(jī)起動時達(dá)到預(yù)設(shè)軌壓的時間，使柴油機(jī)的起動性能變差，同時影響其響應(yīng)速度。

4 結(jié)論

1）增大柴油機(jī)轉(zhuǎn)速使供油量以及噴油量增加，加劇軌壓波動；但同時油泵轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加，壓力波動相位提前，減小軌壓波動。

2）增大柱塞直徑能提高高壓油泵的供油能力，可以在一定程度上彌補(bǔ)噴油所帶來的壓力損失，使軌壓峰值增加，最大壓力增加，但軌壓變化趨勢基本不變，還能減小軌壓波動。

3）增大柱塞腔容積使油泵的供油能力減弱，使波峰壓力減小、波谷壓力增加，軌壓波動加劇，并且可能使工作過程中的供油量小于噴油量，無法及時補(bǔ)充噴油所造成的壓力損失，導(dǎo)致壓力波動加劇。

4）增大柱塞個數(shù)使一個工作循環(huán)內(nèi)高壓油泵的供油次數(shù)增加，多次供油產(chǎn)生的壓力波動能相互抵消，當(dāng)高壓油泵供油次數(shù)和噴油器噴油次數(shù)一致時更能有效增強(qiáng)削弱軌壓波動。

5）增大共軌管內(nèi)徑，即增加共軌管容積能減小供油和噴油時產(chǎn)生的壓力波動，使軌壓波動減小，但過大的容積會影響其響應(yīng)速度。

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Effect of engine speed and high pressure common rail fuel system

parameters on pressure fluctuation of common rail pipe

YAN Xinyu1， ZHANG Xiangshan2， FANG Zhengxian2， JIANG Jinxi2，

ZHANG Yaofei3， LI Guoxiang1， BAI Shuzhan1*

1.College of Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China;

2.Longkou Longbeng Diesel Injection High Technology Equipment Co.， Ltd.， Longkou 265018， China;

3.North China Engine Research Institute， Tianjin 300400， China

Abstract： In order to reduce the pressure fluctuation in the common rail pipe of the high-pressure common rail system of diesel engine， a one-dimensional simulation model of the high-pressure oil pump and common rail pipe of a diesel engine is established by AVL Boost Hydsim software， and the influence of the structural parameters of the high-pressure common rail system， such as the speed of the diesel engine， the diameter of the plunger， the volume of the plunger cavity， the number of plungers and the inner diameter of the common rail tube， the pressure fluctuation of the common rail tube is analyzed. The simulation results show that increasing the speed of the diesel engine， increasing the diameter of the plunger of the high-pressure oil pump， and decreasing the volume of the plunger cavity of the high-pressure oil pump can reduce the fluctuation of rail pressure. Increasing the inner diameter of the common rail tube can effectively suppress the pressure fluctuation. When the number of plungers changes so that the number of oil supply times is the same as the number of fuel injections of the injector， the degree of rail pressure fluctuation can also be reduced.

Keywords：common rail tube; pressure fluctuation; fuel system; rotate speed; plunger

（責(zé)任編輯：劉麗君）

收稿日期：2024-05-13

基金項目：山東省重點研發(fā)計劃項目 （2021CXGC010207）；濟(jì)南市市校融合發(fā)展戰(zhàn)略工程項目（JNSX2023006）

第一作者簡介：顏鑫宇（2002—），男，湖南衡陽人，碩士研究生，主要研究方向為發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)，E-mail：202314532@mail.sdu.edu.cn。

*通信作者簡介：白書戰(zhàn)（1979—） ，男，山東莘縣人，工學(xué)博士，教授，主要研究方向為內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制技術(shù)、整機(jī)開發(fā)與可靠性技術(shù)及新能源汽車技術(shù)，E-mail： baishuzhan@sdu.edu.cn。