柴油機(jī)高壓共軌管特性分析

柴油機(jī)高壓共軌管特性分析作者：西南林學(xué)院交通學(xué)院張飛費(fèi)建國(guó)王海軍摘要：高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)能夠有效的改善柴油機(jī)的排放性能,利用AMESim軟件建立其仿真模型,分析了共軌管容積、長(zhǎng)徑比、內(nèi)徑和長(zhǎng)度等參數(shù),對(duì)高壓共軌系統(tǒng)的壓力建立和壓力波動(dòng)的影響,并在共軌試驗(yàn)臺(tái)架上驗(yàn)證模型的可靠性與精確性。關(guān)鍵詞：高壓共軌;AMESim;模型;壓力波動(dòng)隨著國(guó)家對(duì)能源與環(huán)保的日益重視,先進(jìn)的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)在我國(guó)將逐步普及,高壓共軌電控噴射系統(tǒng)是在電控分配泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，完全滿足降低排放，提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性方面的時(shí)代要求。國(guó)外在這方面的研究已取得成熟的應(yīng)用成果國(guó)內(nèi)的研究單位主要有：天津大學(xué)、武漢理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、無錫油泵油嘴研究所、上海交通大學(xué)等。在可預(yù)見的將來,必將在國(guó)內(nèi)廣泛采用。高壓共軌噴射系統(tǒng)涉及到計(jì)算機(jī)、傳感器、電子技術(shù)和控制理論等。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜而昂貴,利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以先摸清其特性后再進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn),大大的節(jié)約研究成本。本研究選擇安裝在4缸直列493柴油機(jī)上的BOSH單軌共軌系統(tǒng)建模仿真,再與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,優(yōu)化影響噴射特性的各參數(shù)。目前應(yīng)用于流動(dòng)仿真的一維仿真軟件比較多，例如FlowmasterInternationalLtd公司的flowmaster軟件,AVL公司的HYDSim軟件和IMAGINE公司的AMESim軟件。本研究采用AMESim仿真軟件，他具有友好的人機(jī)交互界面以及豐富的元件庫(kù)，使用方便，大大減小了系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析中的人工工作量，可以使用戶迅速達(dá)到建模仿真目的。因此被奔馳、福特、通用等很多整車制造廠家和BOSCH、DELPHI等零配件廠商應(yīng)用。建立高壓共軌系統(tǒng)模型高壓共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理BOSCH公司開發(fā)的高壓共軌系統(tǒng)，主要由低壓系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、電控單元(ECU)、電控噴油器總成等子系統(tǒng)組成，低壓油從油箱進(jìn)入三柱塞高壓泵產(chǎn)生高壓油經(jīng)由高壓油管進(jìn)入共軌管，再經(jīng)由高壓油管分配到噴油器入口端，通過控制噴油器電磁閥控制噴油，限壓閥是當(dāng)共軌壓力超過一定數(shù)值時(shí)，開啟進(jìn)行卸壓。高壓共軌系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型一般來說,高壓共軌噴油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型由電磁類模型、容器類模型（柱塞腔、共軌腔、控制腔、噴嘴腔、壓力室）、運(yùn)動(dòng)件模型（針閥、控制閥等）、管類模型（共軌管、高壓油管）和流體特性子模型組成。管路模型除了研究燃油的流速和流量之外,還必須研究高壓油管中由于壓力波動(dòng)產(chǎn)生的傳播現(xiàn)象。模型中的流體采用標(biāo)準(zhǔn)ISO4113柴油,這種液體特性是基于10oC-20oC的試驗(yàn)測(cè)量得到的,包括氣穴和氣泡,超出這個(gè)溫度范圍的流體特性采用外插方法。由于實(shí)際高壓共軌噴油系統(tǒng)的影響因素十分復(fù)雜,模擬計(jì)算時(shí)如果考慮所有的影響因素是不現(xiàn)實(shí)也是不必要的。計(jì)算模型的建立取決于計(jì)算目的和精度要求,在滿足兩者的基礎(chǔ)上,計(jì)算模型力求簡(jiǎn)單實(shí)用。根據(jù)高壓共軌系統(tǒng)的特點(diǎn)和計(jì)算要求,簡(jiǎn)化如下:在計(jì)算過程中,不考慮油溫隨時(shí)間和壓力的變化;燃油的物理性質(zhì),即粘度、表面張力、密度、彈性模量?jī)H和壓力有關(guān);除了共軌管和高壓油管,假定其余各腔均為集中容積,燃油向各腔流動(dòng),不考慮壓力傳播時(shí)間;燃油在各容積中的狀態(tài)變化瞬時(shí)達(dá)到平衡,同一集體容積內(nèi)同一瞬時(shí)的壓力、密度處處相等;不考慮密封面因加工問題造成的泄漏,只考慮圓柱運(yùn)動(dòng)副的泄漏及其對(duì)各腔壓力的影響;對(duì)高壓共軌系統(tǒng)控制進(jìn)行簡(jiǎn)化,用限壓閥對(duì)最高壓力進(jìn)行開環(huán)控制。1.3高壓共軌系統(tǒng)模型利用AMESim建立高壓共軌系統(tǒng)各部分模型,以調(diào)壓閥的建模過程為例,首先分析其結(jié)構(gòu)特征,調(diào)壓閥主要由電磁部分和機(jī)械部分組成,機(jī)械部分包括一個(gè)可調(diào)節(jié)開度的閥和彈簧,根據(jù)分析建立其模型。三柱塞高壓油泵的每個(gè)柱塞由進(jìn)油閥、柱塞腔、出油閥組成,類似于調(diào)壓閥的建模思路,模型考慮柱塞腔因壓油產(chǎn)生的泄漏。其他各部件的建模方法和調(diào)壓閥一致。完成各部件子模型的建立之后,按照高壓共軌系統(tǒng)的工作原理連接各部件如圖1。模型驗(yàn)證模型建立完成之后,設(shè)定共軌系統(tǒng)參數(shù),進(jìn)行模型驗(yàn)證,主要從啟動(dòng)過程的共軌壓力建立和壓力穩(wěn)定之后的共軌管中的壓力波動(dòng)兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。啟動(dòng)過程共軌壓力建立利用AMESim仿真啟動(dòng)過程,根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)架參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行設(shè)定,在噴油器不噴油條件下,設(shè)定高壓油泵的轉(zhuǎn)速變化,仿真得到啟動(dòng)過程共軌管壓力建立過程。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,如圖2所示發(fā)現(xiàn)兩者具有一致的趨勢(shì),但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)于仿真結(jié)果有一個(gè)滯后,所以導(dǎo)致試驗(yàn)過程中建立壓力時(shí)間比較長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)的滯后時(shí)間是可以理解的,對(duì)于實(shí)際試驗(yàn)過程中,高壓油泵泵油相對(duì)于轉(zhuǎn)速有一個(gè)滯后,這屬于機(jī)械滯后,共軌管壓力升高相對(duì)于泵油也有滯后從壓力建立的角度,利用AMESim建立的模型基本能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行仿真研究。

圖2壓力建立過程的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較圖2壓力建立過程的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較壓力穩(wěn)定之后的共軌管壓力波動(dòng)設(shè)置試驗(yàn)臺(tái)架的高壓油泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1200rpm,共軌管中最高壓力控制在lOOObar,在不噴油條件下測(cè)量共軌管出口的壓力波動(dòng);同時(shí)根據(jù)高壓共軌系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗(yàn)條件對(duì)高壓共軌系統(tǒng)模型進(jìn)行設(shè)置、仿真,得到結(jié)果。共軌管出口的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)和仿真得到的壓力波動(dòng)頻率和幅值基本吻合,計(jì)算得到的結(jié)果基本上可以反映共軌管內(nèi)壓力場(chǎng)的情況。研究結(jié)果3.1性能初步分析利用驗(yàn)證過的模型對(duì)共軌系統(tǒng)管路進(jìn)行仿真研究,參數(shù)的選取參考了AMESim例子庫(kù)中的設(shè)置以及BOSCH公司的某套高壓共軌系統(tǒng);共軌系統(tǒng)除了結(jié)構(gòu)參數(shù),還有仿真過程的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定。首先分別在噴油和不噴油條件下進(jìn)行仿真,噴油條件下共軌管的壓力波動(dòng)比不噴油時(shí)的波動(dòng)大,而且出現(xiàn)周期不規(guī)則的壓力波動(dòng),頻率也增加。這是由于在噴油條件下,油管嘴端壓力在向噴油器供油后出現(xiàn)壓力震蕩,這個(gè)壓力震蕩會(huì)波及到共軌,如果共軌管內(nèi)徑小則容積就小,則在油管入口附近的燃油相對(duì)較少,對(duì)由嘴端傳來的壓力振蕩的吸收和衰減能力小,共軌壓力受其影響而產(chǎn)生振蕩,各油管產(chǎn)生的震蕩與向噴油器供油而產(chǎn)生的壓力變化疊加,就會(huì)使共軌壓力波動(dòng)產(chǎn)生不規(guī)則的變化。共軌壓力波動(dòng)幅度對(duì)噴油器的噴油量影響較大,而波動(dòng)的不規(guī)則性將會(huì)影響各缸噴油的均勻性。共軌管的壓力波動(dòng)主要是由于高壓油泵供油和向噴油器供油產(chǎn)生的壓力波動(dòng)疊加而成的,通過調(diào)節(jié)高壓油泵的供油周期、始點(diǎn)以及噴油器噴油周期、始點(diǎn),選擇合適的共軌管容積和高壓油管長(zhǎng)度,兩者造成的壓力波動(dòng)會(huì)相互抵消。3.2共軌管參數(shù)研究適當(dāng)?shù)墓曹壒苋莘e具有削減高壓油泵的供油壓力波動(dòng)和每個(gè)噴油器因噴油過程引起壓力震蕩的作用,使高壓油軌中的壓力波動(dòng)控制在5MPa以下,但其容積又不能太大,以保證共軌有足夠的壓力響應(yīng)速度,快速跟蹤柴油機(jī)工況變化,初步選取目前BOSCH公司已經(jīng)應(yīng)用的共軌管尺寸進(jìn)行仿真。在噴油條件下,壓力建立時(shí)間隨著共軌管容積增加而增長(zhǎng);共軌管壓力波動(dòng)隨著共軌管容積的增大而減小，仿真得出：共軌管容積為36mL時(shí)，共軌管中的壓力波動(dòng)為30bar左右,共軌管容積為15mL時(shí),共軌管中的壓力波動(dòng)為41bar左右。共軌管容積保持在36mL,在噴油條件，根據(jù)仿真方案設(shè)定不同長(zhǎng)徑比進(jìn)行仿真，得出其在一定范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)系統(tǒng)的壓力波動(dòng)沒有太大的影響如表1。表1長(zhǎng)徑比與壓力波動(dòng)的關(guān)系長(zhǎng)徑比辿壓力彼動(dòng)幅值dPmax/bar11.2531.424.6729.39037.7213.3332.7~ 1706.67100.2~設(shè)定共軌管內(nèi)徑為12mm,在噴油條件下,設(shè)定不同共軌長(zhǎng)度進(jìn)行仿真,得到結(jié)果如表2。當(dāng)共軌管長(zhǎng)度增加,共軌管中的壓力波動(dòng)先減小,后基本保持不變,但是共軌管中的壓力建立時(shí)間隨著長(zhǎng)度增加逐漸增加,有較好的線性關(guān)系。表2長(zhǎng)度對(duì)壓力波動(dòng)與壓力建立的影響

長(zhǎng)度L/rm壓力披動(dòng)幅值dPioai/bar壓力建立時(shí)冋t/g18036.20.2822720250.50751280U0.75302560161.2821設(shè)定共軌管長(zhǎng)度為180mm,在噴油條件下,仿真結(jié)果顯示,內(nèi)徑變小,壓力建立時(shí)間減小,這主要是因容積減小導(dǎo)致。在噴油期間,噴油器端的壓力波動(dòng)隨著共軌管內(nèi)徑的變化沒有明顯的變化,但是在噴油前后,隨著共軌管內(nèi)徑變小,壓力波動(dòng)增加。隨著共軌管內(nèi)徑增加,共軌中的壓力波動(dòng)幅值逐漸減小,但是減小的幅度逐漸變小;壓力建立時(shí)間隨內(nèi)徑增加逐漸增加。共軌管的壓力波動(dòng)隨共軌管容積變化如圖3所示,從圖中可以看出,壓力波動(dòng)隨共軌管容積的變化分為三個(gè)階段:第一階段是壓力波動(dòng)幅值的急速下降區(qū);第二階段為壓力波動(dòng)幅值的緩慢下降區(qū);第三階段壓力波動(dòng)幅值幾乎不變。肓肓qxEuldpw空話揚(yáng)農(nóng)B小結(jié)本文分析了高壓共軌噴射系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并且建立了高壓共軌系統(tǒng)模型,同時(shí)驗(yàn)證模型的正確性,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的比較,得出結(jié)論,模型能夠反映實(shí)際系統(tǒng)特性。在此基礎(chǔ)上,分析了部分共軌管路參數(shù),以及高壓泵轉(zhuǎn)速和共軌管的穩(wěn)定壓力對(duì)共軌管壓力波動(dòng)的影響。上述仿真不僅僅為本研究對(duì)象的高壓共軌系統(tǒng)選型提供依據(jù),同時(shí)也為后續(xù)研究和高壓共軌技術(shù)的普及奠定理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn):付永領(lǐng)，祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京?北京航空航天大學(xué)出版社,2006.WenyongXiao,FengLiang.AnalysisofCommonRailPressureBuild-UpandAssistantEstabli