可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)噴油特性隨噴油脈寬的影響

陳 軍，施冠羽，張 濤，周 磊

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

高壓共軌系統(tǒng)能夠基實現(xiàn)供油和噴油過程的相對獨立[1– 3]，已成為柴油機節(jié)能減排發(fā)展的前沿技術，更柔性可控的噴油規(guī)律則是高壓共軌系統(tǒng)優(yōu)化過程中的發(fā)展方向[4–6]。然而，常規(guī)的共軌系統(tǒng)要求保持油壓不變，噴油規(guī)律為矩形，無法實現(xiàn)靈活改變[7–9]?；诖?，周磊等[10 – 12]設計并加工了增壓裝置，并將其安裝于共軌管和噴油器之間，構成了可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于雙電磁閥分別控制增壓裝置和噴油器，通過調整雙電磁閥的相對控制信號時序，能夠實現(xiàn)柔性可控的噴油規(guī)律。

眾所周知，若想提升柴油機經濟性和降低排放，就必須改善燃燒過程，而燃燒過程與共軌噴射系統(tǒng)的噴油特性直接相關[13–15]，國內外學者圍繞共軌系統(tǒng)的噴油特性進行相關研究。Dong Q 等[16]對不同噴射壓力和噴嘴結構下的高壓氣體噴射過程進行了試驗研究，并且利用紋影成像方法研究了氣體射流的宏觀結構。結果表明：提高噴射壓力并不能明顯提高噴嘴的穿透力，同時，孔徑的增大不能直接改善引氣效果，也不能提高燃氣射流的平均當量比；Park J 等[17]對GDI 噴油器開展試驗研究，分析了噴射量和噴射延遲等噴射特性。結果表明：隨著噴油壓力的噴射量增加，但噴油器關閉延遲減小，同時，通電時間對噴射延遲幾乎不產生影響；張喬斌等[18]以船用大功率共軌柴油機為研究對象，開展了噴油參數(shù)和噴油特性內在關系的仿真研究，結果表明：噴孔直徑會影響初始階段的噴油速率，同時，噴油壓力通過燃油流通面積會對噴油速率產生影響。高豪杰等[19]利用通過了試驗驗證的高壓共軌系統(tǒng)仿真模型，研究了噴射特性隨著油泵參數(shù)的影響規(guī)律，得出了凸輪偏心距過小或過大，都會改變共軌管內壓力波動峰值的結論。然而，上述研究都只針對常規(guī)高壓共軌系統(tǒng)，可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)能夠同時調整增壓裝置和噴油器控制參數(shù)，噴油脈寬如何影響該系統(tǒng)的噴油特性還未系統(tǒng)解析和探明，故開展可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)噴油特性隨噴油脈寬的影響研究，對實現(xiàn)燃油噴射的精確控制以及柴油機性能的整體提升具有重要意義。

基于此，為探明可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)噴油特性隨噴油脈寬的影響規(guī)律和成因機理，在介紹系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎上，建立了可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)的仿真模型，并利用性能試驗驗證了模型的準確性，分析了在不同共軌壓力下，噴油脈寬對可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)噴油特性的影響。

1 可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)模型建立及驗證

1.1 數(shù)學模型

依據(jù)可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)的結構和工作原理可知，建立數(shù)學模型時，可分為增壓裝置和噴油器兩大部件。

1）液壓腔

液壓腔主要包括增壓裝置的控制室、增壓室和噴油器的壓力室。燃油在液壓腔內流動滿足流體可壓縮性方程[20 –21]，根據(jù)流動過程是否存在泄漏分別按照以下公式計算：

2）運動件

運動件主要是指增壓裝置的增壓活塞和噴油器的針閥。依據(jù)牛頓定律，運動過程可表示為：

1.2 仿真模型

基于上述數(shù)學模型，通過AMESim 液壓軟件建立的系統(tǒng)仿真模型如圖1 所示。模型主要由增壓裝置和噴油器兩大部分構成。模型中理想高壓源，用于為系統(tǒng)提供穩(wěn)定壓力。

圖1 可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)仿真模型Fig. 1 Simulation model of high pressure common rail system with variable fuel injection law

1.3 模型驗證

為驗證模型的準確性，利用可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)性能試驗臺架測試噴油速率，其原理圖如圖2所示，其仿真與試驗結果對比如圖3 所示。可知，噴油速率的試驗值和仿真值基本吻合，證明了仿真模型的準確性。

圖2 可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)性能試驗臺架原理圖Fig. 2 Performance experimental bench principle diagram of high pressure common rail system with variable fuel injection law

圖3 噴油速率仿真結果與試驗結果對比圖Fig. 3 Fuel injection rate comparison between simulation result and experimental result

2 仿真結果分析

2.1 噴油脈寬對噴油速率的影響

當增壓脈寬為1 ms（增壓裝置電磁閥控制信號范圍為1.5-2.5 ms），控制時差（增壓裝置電磁閥控制信號開始時刻與噴油器電磁閥控制信號開始時刻之差）為0.5 ms 時（即噴油器電磁閥控制信號開始時刻為1 ms），在不同共軌壓力下，噴油脈寬對噴油速率的影響如圖4 所示?？芍?，隨著噴油脈寬的增加，噴油速率曲線形態(tài)均近似于靴形（即有一個明顯的拐點），且大噴油速率范圍占整個噴油過程的比例逐漸增大。這是由于噴油在增壓之前開始，即在噴油的過程中會由于增壓裝置的增壓作用使增壓室壓力升高，壓力隨即通過高壓油管傳遞到噴油器的壓力室中，使噴油壓力在某一時刻上升速度突然增大，進而造成噴油速率上升速度突然增大，故其曲線形態(tài)會出現(xiàn)一個明顯的拐點，近似于靴形，且噴油脈寬越長，保持在大噴油速率的時間越長。值得注意的是，噴油脈寬為0.6 ms 時，沒有出現(xiàn)靴形噴油速率曲線形態(tài)，且其最大噴油速率明顯偏低，這是由于在增壓壓力傳遞到噴油器壓力室之前，噴油過程已經結束造成的。由圖可以看出，當噴油脈寬大于1 ms 后，噴油速率已經達到最大值，且基本保持穩(wěn)定，這是由于針閥升程已達到最大造成的。

圖4 噴油脈寬對噴油速率的影響Fig. 4 Effect of fuel injection pulse width on fuel injection rate

2.2 噴油脈寬對噴油壓力的影響

在不同共軌壓力下，噴油脈寬對噴油壓力的影響如圖5 所示。可知，隨著噴油脈寬的增加，噴油壓力逐漸升高，并且共軌壓力越高，噴油壓力的升高速率越大，這是由于共軌壓力的升高使得針閥上升速度加快導致的。 由圖可以看出， 當噴油脈寬大于1 ms 后，噴油壓力基本保持在穩(wěn)定值，這是因為針閥升程已達到最大造成的。

圖5 噴油脈寬對噴油壓力的影響Fig. 5 Effect of fuel injection pulse width on fuel injection pressure

2.3 噴油脈寬對噴油開啟延遲和關閉延遲的影響

在不同共軌壓力下，噴油脈寬對噴油開啟延遲和噴油關閉延遲的影響如圖6 所示?？芍S著噴油脈寬的增加，噴油開啟延遲保持不變，噴油關閉延遲在噴油脈寬較小時（0.6～1 ms），增加幅度明顯，而在噴油脈寬較大時（1～1.4 ms），基本保持不變，即存在一個明顯的拐點。

圖6 噴油脈寬對噴油開啟延遲和關閉延遲的影響Fig. 6 Effect of fuel injection pulse width on fuel injection opening delay and closing delay

為解釋上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，作出了不同噴油脈寬下的針閥升程曲線，如圖7?？梢钥闯?，隨著噴油脈寬的增加，針閥的上升速度不變，因此噴油開啟延遲不變。當噴油脈寬較小時（0.6～1 ms），由于針閥沒有達到最大升程，噴油脈寬的增加使得針閥運動距離增加，其落座過程的運動時間也相應增加，故噴油關閉延遲的增加幅度明顯。當噴油脈寬較大時（1～1.4 ms），針閥已經達到最大升程，且針閥下降速度基本相同，因此使得噴油關閉延遲基本保持不變。值得注意的是，在噴油脈寬為0.8 ms 時，針閥在下降過程有一段突然回升再繼續(xù)下降的過程，這是由于在針閥下降過程中，增壓壓力剛好傳遞到噴油器的壓力室引起的。

圖7 不同噴油脈寬下的針閥升程Fig. 7 Needle lift under different fuel injection pulse width

2.4 噴油脈寬對噴油持續(xù)期的影響

在不同共軌壓力下，噴油脈寬對噴油持續(xù)期的影響如圖8 所示。可知，隨著噴油脈寬的增加，噴油持續(xù)期逐漸增加，并且在噴油脈寬較小時（0.6～1 ms），噴油持續(xù)期隨噴油脈寬變化的線性度較差，而在噴油脈寬較大時（1～1.4 ms），噴油持續(xù)期與噴油脈寬基本呈線性關系，即存在一個拐點。噴油持續(xù)期定義為噴油關閉時刻與噴油開始時刻之差，由于噴油開啟延遲隨噴油脈寬的增加保持不變，因此噴油持續(xù)期隨噴油脈寬的變化趨勢與噴油關閉延遲隨噴油脈寬的變化趨勢有關，即只有當噴油關閉延遲基本保持不變時，噴油持續(xù)期才與噴油脈寬基本上呈線性關系。

圖8 噴油脈寬對噴油持續(xù)期的影響Fig. 8 Effect of fuel injection pulse width on fuel injection duration

2.5 噴油脈寬對噴油量的影響

在不同共軌壓力下，噴油脈寬對噴油量的影響如圖9 所示?？芍S著噴油脈寬的增加，噴油量逐漸增大，且增大幅度明顯。在共軌壓力分別為80 MPa、90 MPa 以及100 MPa 時，噴油脈寬每增加0.2 ms，噴油量增大幅度分別為78.9%、63.3%以及69.6%，這是由于噴油脈寬的增加使得噴油持續(xù)期增加導致的，從噴油速率曲線的包絡線面積也能看出這種變化趨勢。

圖9 噴油脈寬對噴油量的影響Fig. 9 Effect of fuel injection pulse width on fuel injection quantity

3 結 語

本文建立了可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)的仿真模型，分析了在不同共軌壓力下，噴油脈寬對可變噴油規(guī)律高壓共軌系統(tǒng)噴油特性的影響。得出以下結論：

1）隨著噴油脈寬的增加，噴油速率曲線形態(tài)均近似于靴形（即有一個明顯的拐點），且大噴油速率范圍占整個噴油過程的比例逐漸增大。

2）噴油壓力和噴油量隨噴油脈寬的增加均逐漸升高，同時，共軌壓力越高，噴油壓力和噴油量的升高速率越大。

3）在噴油脈寬較小時（0.6～1 ms），噴油持續(xù)期隨噴油脈寬增加的線性度較差，而在噴油脈寬較大時（1～1.4 ms），噴油持續(xù)期與噴油脈寬基本上呈線性增加的關系。