孫柏剛， 劉志超， 王沛， 劉福水,2

(1. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081; 2. 北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100081)

恒壓式燃油系統(tǒng)壓力波動(dòng)特性研究

孫柏剛1，2， 劉志超1， 王沛1， 劉福水1,2

(1. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081; 2. 北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100081)

以高壓共軌系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其壓力波動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了噴油過程中壓力波動(dòng)階段，對(duì)各階段以相應(yīng)的波動(dòng)特征參量進(jìn)行表征；對(duì)由燃油壓力和溫度改變引起的波動(dòng)特征參量變化進(jìn)行研究，得到了壓力波傳播速度、噴油壓降下降幅值、波動(dòng)過程幅值、周期以及衰減時(shí)間的變化規(guī)律，并通過理論分析，解釋了噴油過程壓力下降幅值與燃油密度、壓力波傳播速度以及燃油流速的關(guān)系。

高壓共軌系統(tǒng)； 壓力波動(dòng)； 特征參量

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)被認(rèn)為是直噴式柴油機(jī)最具前景的燃油噴射系統(tǒng)[1-2]。而在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中，共軌壓力可以靈活控制，與噴射時(shí)間一起決定了噴油量，因此共軌壓力的控制精度是影響柴油機(jī)性能的重要因素之一[3]。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升[5-6]，噴射壓力也隨之增加，因此快速的軌壓響應(yīng)和穩(wěn)定的壓力控制成為最基本的技術(shù)要求[7]。柴油機(jī)在一定的工況下，要求共軌內(nèi)的壓力穩(wěn)定在某一數(shù)值，軌壓波動(dòng)越小越好，這樣有利于實(shí)現(xiàn)噴油量的精確控制[8-9]。

謝春華[10]等通過仿真分析得出壓力波動(dòng)隨軌壓、共軌容積、噴油器數(shù)量的變化規(guī)律；代蒙蒙[11]等通過仿真分析得到平均壓力波動(dòng)量隨長徑比的變化規(guī)律；李丕茂[12]等通過試驗(yàn)得出共軌系統(tǒng)多次噴射油量波動(dòng)與軌壓的關(guān)系；蘇海峰[13]等通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到高壓共軌系統(tǒng)水擊壓力波動(dòng)消振的理想濾波器。壓力波動(dòng)對(duì)共軌系統(tǒng)性能有很重要的影響，而將壓力波動(dòng)規(guī)律分段細(xì)化分析的較少，還需進(jìn)一步研究。本研究首先提出了壓力波動(dòng)特性的分析模型，得出考慮管路變形時(shí)壓力波動(dòng)傳播速度的影響因素；根據(jù)壓力波動(dòng)規(guī)律，將共軌系統(tǒng)壓力波形分為4個(gè)階段；通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得出不同的燃油壓力和進(jìn)油溫度對(duì)各階段特征參量的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置與條件

試驗(yàn)在電控高壓共軌試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，其中低壓油路輸油管長2 m、內(nèi)徑5 mm，低壓限壓閥控制壓力為0.45 MPa，并通過瞬態(tài)壓力表進(jìn)行監(jiān)控。連接高壓共軌與共軌噴油器間的高壓油管兩端裝有瞬態(tài)壓阻式壓力傳感器，型號(hào)為Kistler 4067A，其測(cè)量范圍為0～200 MPa，并經(jīng)過相應(yīng)的壓力標(biāo)定。

為使噴油過程的壓力波動(dòng)現(xiàn)象得到明顯反映，試驗(yàn)中的高壓油泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為500 r/min，同時(shí)噴射頻率為2 Hz、噴油脈寬為3 ms，所用高壓油管長度為3 m，外徑D為5 mm，壁厚δ為1.5 mm。試驗(yàn)中的軌壓研究范圍為40～140 MPa，油箱中裝有溫度傳感器，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)將溫度分別控制在25 ℃和65 ℃。在每個(gè)控制與設(shè)定參數(shù)下，測(cè)試高壓油管共軌管端(測(cè)點(diǎn)A)以及噴油器入口端(測(cè)點(diǎn)B)的燃油壓力波動(dòng)，分析不同參數(shù)下高壓油管內(nèi)壓力波傳播、振蕩以及衰減過程。

2 壓力波動(dòng)特性的分析模型

噴油狀態(tài)的壓力波動(dòng)過程主要表現(xiàn)為壓力突變、壓力下降、壓力波動(dòng)、壓力調(diào)節(jié)4個(gè)階段。壓力突變階段體現(xiàn)為壓力波在高壓油管內(nèi)的傳播，而壓力波動(dòng)階段則反映了針閥關(guān)閉后壓力波在高壓油管內(nèi)的傳播、反射以及能量耗散。因此本節(jié)將闡述噴油過程的壓力波動(dòng)特性的分析模型，為后續(xù)的試驗(yàn)分析提供理論基礎(chǔ)。

設(shè)有如圖1所示的一段管道，其截面積為S。在a—a截面處有一等截面積活塞以速度dv由左向右勻速運(yùn)動(dòng)，微元時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的壓力增量為dp。經(jīng)歷時(shí)間t后，此壓力增量dp以速度a傳播一段距離L。

圖1 管內(nèi)壓力波傳播示意

由量綱分析可以得出壓力波傳播速度a：

(1)

由式(1)可知，在不考慮流體黏性與管道變形時(shí)，可壓縮流體的管內(nèi)流動(dòng)壓力波傳播速度的平方為流體彈性模量和密度的比值。而由于壓力波傳播過程管道存在變形，式(1)中的流體彈性模量K將表現(xiàn)為整個(gè)管道系統(tǒng)的彈性系數(shù)。根據(jù)胡克定律：

(2)

式中:Ke為管道系統(tǒng)的體積彈性系數(shù);Δp為壓力波產(chǎn)生的壓力增量;ΔV/V為管道系統(tǒng)的體積應(yīng)變。

設(shè)有如圖2所示的管道系統(tǒng)，其中管路左側(cè)為封閉容積，管路右側(cè)有一等管路截面積活塞，其中活塞左邊封閉容積為Vt，管路系統(tǒng)內(nèi)初始?jí)毫閜0。

圖2 管路系統(tǒng)體積變化示意

當(dāng)T=0時(shí)(圖2中的虛線位置)，活塞勻速向左推進(jìn)，經(jīng)歷時(shí)間Δt后，管路系統(tǒng)壓力增為p0+Δp，活塞推進(jìn)容積為ΔVt，其中流體受到壓縮，容積變化為-ΔVl，而封閉容積則發(fā)生膨脹，變化容積為ΔVc，于是有：

ΔVt=-ΔVl+ΔVc。

(3)

根據(jù)式(2)、式(3)可得：

(4)

其中，流體的體積彈性系數(shù)K為

K=-ΔpVl/ΔVl。

(5)

而封閉容積的體積彈性系數(shù)Kc可定義為

Kc=ΔpVt/ΔVc。

(6)

因此有：

(7)

于是得到管道系統(tǒng)的體積彈性系數(shù)Ke的表達(dá)式。

封閉容積的體積彈性系數(shù)Kc主要由管道變形產(chǎn)生，設(shè)管道直徑為D，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)流體壓力增加Δp后，管道直徑增加為D+ΔD，相應(yīng)的面積增量為

(8)

忽略直徑增量的二次項(xiàng)，面積增量可近似為

(9)

設(shè)管壁材料的彈性模量為E，根據(jù)胡克定律，管壁中的應(yīng)力增量Δσ應(yīng)滿足

(10)

對(duì)于直徑為D、壁厚為δ的圓管，應(yīng)力增量Δσ為

(11)

將式(11)代入式(10)，可得：

(12)

將式(12)代入式(6)，可得：

(13)

將式(13)代入式(7)，最終得到管道系統(tǒng)彈性系數(shù)表達(dá)式：

(14)

根據(jù)壓力波傳播速度的定義式(1)，當(dāng)考慮管路變形時(shí)，壓力波傳播速度為

(15)

由式(15)可見，管路系統(tǒng)的壓力波傳播速度與管道直徑和壁厚相關(guān)，而與管道的具體變形量無關(guān)，管路系統(tǒng)直徑越大，壓力波傳播速度越小。

3 波動(dòng)特性變化規(guī)律試驗(yàn)研究

壓力波傳播速度是表征波動(dòng)特性的重要參數(shù)之一，它影響著各階段的波動(dòng)規(guī)律。因此本節(jié)將對(duì)壓力波動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行細(xì)化研究，闡述壓力波傳播速度對(duì)各階段波動(dòng)特性的影響規(guī)律。

當(dāng)噴油器針閥抬起時(shí)，燃油向無限大容積擴(kuò)散，此時(shí)在噴油器針閥處產(chǎn)生膨脹波并導(dǎo)致壓力下降，同時(shí)該壓力下降波沿著高壓油管向泵端傳播。軌壓為140 MPa時(shí)測(cè)點(diǎn)B的壓力波形見圖3。

1—壓力突變階段； 2—壓力下降階段； 3—壓力波動(dòng)階段； 4—壓力調(diào)節(jié)階段圖3 噴油狀態(tài)時(shí)測(cè)點(diǎn)B壓力波形

根據(jù)測(cè)點(diǎn)B處的壓力波形特點(diǎn)，將圖3所示兩次噴射間的壓力曲線分成4個(gè)階段。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸、噴射條件不變的情況下，燃油的物性條件是影響壓力波動(dòng)過程的最直接因素，而不同階段壓力波動(dòng)的特征參量不同，因此針對(duì)不同壓力波動(dòng)階段的特征參量變化進(jìn)行研究，其中燃油的物性條件主要關(guān)注燃油壓力和進(jìn)油溫度。

由于壓力調(diào)節(jié)階段中壓力波動(dòng)已趨于平穩(wěn)，而系統(tǒng)的機(jī)械與控制響應(yīng)對(duì)前3個(gè)階段產(chǎn)生主要影響，因此不再對(duì)此階段的壓力波動(dòng)特征參量進(jìn)行分析。

3.1 壓力突變階段

壓力突變階段表現(xiàn)為噴油發(fā)生時(shí)的壓力突降，其中最重要的特征參量為壓力波傳播速度，壓力波傳播時(shí)間T1為測(cè)點(diǎn)B與測(cè)點(diǎn)A壓力最低點(diǎn)時(shí)刻的時(shí)間差，AB兩測(cè)點(diǎn)間距為L=2 900 mm。圖4示出不同條件下壓力波傳播速度測(cè)量結(jié)果。

如圖4所示，隨著燃油壓力的增加，壓力波傳播速度呈上升趨勢(shì)；隨著燃油溫度的增加，壓力波傳播速度減小。這主要是因?yàn)閴毫蜏囟劝l(fā)生變化，燃油的體積彈性模量也隨之變化，且變化幅度大于密度的變化幅度。因此，以下主要針對(duì)燃油體積彈性模量進(jìn)行分析。

根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)定的不同壓力與溫度下的壓力波傳播速度，同時(shí)結(jié)合式(15)，即可得到相應(yīng)條件下的燃油體積彈性模量。圖5示出不同壓力與溫度下燃油體積彈性模量計(jì)算結(jié)果。計(jì)算中，燃油密度ρ在不同溫度與壓力下的數(shù)值來源于文獻(xiàn)[14]中的研究結(jié)果，高壓油管材料的體積彈性模量為206 GPa。

圖5 不同溫度時(shí)式(15)計(jì)算結(jié)果

如圖5所示，隨著壓力的增加，燃油體積彈性模量增加；在同壓力下，溫度升高，燃油體積彈性模量降低。圖6則反映出當(dāng)考慮管道變形時(shí)，燃油的體積彈性模量要大于自由狀態(tài)，同時(shí)隨著壓力的增加，兩者之間的差距逐漸增大。

圖6 溫度25 ℃時(shí)式(15)與式(1)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

綜上所述，當(dāng)燃油處于常溫、常壓狀態(tài)時(shí)，其體積彈性模量約為1.6 GPa，而隨著壓力增加至140 MPa，燃油的體積彈性模量將達(dá)到3.0 GPa左右，而該參數(shù)的取值將直接決定燃油系統(tǒng)工作時(shí)燃油壓力曲線的計(jì)算結(jié)果。

3.2 壓力下降階段

壓降為恒定軌壓與本階段壓力最低點(diǎn)處的壓差，主要表現(xiàn)在持續(xù)的噴油過程中噴油器測(cè)點(diǎn)處的壓力變化。圖7示出進(jìn)油溫度65 ℃、不同軌壓時(shí)的壓降。

圖7 不同軌壓下的壓降

如圖7所示，隨著軌壓的增加，噴油過程壓力下降階段壓差增加，此壓降的產(chǎn)生是由針閥打開所產(chǎn)生的膨脹壓降波造成的。

設(shè)有如圖8所示的一段管道，假定在某時(shí)刻針閥打開產(chǎn)生膨脹波，經(jīng)時(shí)間Δt后膨脹波由a—a移動(dòng)到b—b，移動(dòng)了Δl的距離。對(duì)于這段流體，其原有壓力為p0，流速為v0，密度為ρ，管道截面積為S，膨脹波發(fā)生后，該段流體壓力為p0-Δp，速度由v0變化為v，密度變化量為Δρ，管道截面積變化量為ΔS。

圖8 管內(nèi)膨脹波傳播示意

由動(dòng)量定理可得：

(16)

略去二階微量，得出壓力變化量為

(17)

由壓力波傳播過程理論分析可知，Δl/Δt為壓力波傳播速度a。由壓力突變階段的分析可知，當(dāng)燃油溫度較低時(shí)，其壓降幅值Δp較大。

壓力下降階段初始狀態(tài)下壓力p0為軌壓，初始流速v0=0。因此隨著軌壓的增加，密度ρ增加，壓力波傳播速度a增加，而由于壓差的增加，流速v也在增加，因此壓降幅值Δp增加。

3.3 壓力波動(dòng)階段

如圖3所示，當(dāng)噴油結(jié)束時(shí)，軌壓在150 ms后逐漸恢復(fù)，而在此之前，AB兩測(cè)點(diǎn)處壓力曲線均在噴油結(jié)束后反映出一段壓力波動(dòng)波形，其壓力波動(dòng)曲線見圖9。

圖9 壓力波動(dòng)階段高壓油管兩端測(cè)點(diǎn)壓力曲線

由圖3可知，對(duì)于B端壓力測(cè)點(diǎn)，在噴油結(jié)束后7.6～140 ms這段時(shí)間內(nèi)，壓力補(bǔ)償并未發(fā)生作用，此時(shí)出現(xiàn)的壓力波動(dòng)為噴油器針閥關(guān)閉時(shí)由高壓油管噴油器端至共軌端這一段燃油的壓力波動(dòng)與反射所致。

壓力波動(dòng)階段表現(xiàn)為噴油結(jié)束后針閥關(guān)閉時(shí)的水擊波動(dòng)現(xiàn)象，隨著能量的不斷耗散，這種波動(dòng)逐漸減弱，因此壓力波的周期、幅值以及最終的衰減時(shí)間為該階段的特征參量。圖10示出不同軌壓下壓力波動(dòng)階段特征量(B測(cè)點(diǎn)處)隨軌壓的變化規(guī)律，其中進(jìn)油溫度為65 ℃。

圖10 不同軌壓下特征參量

隨著軌壓的增加，壓力波傳播速度增加，單位體積內(nèi)燃油動(dòng)能增加使得轉(zhuǎn)化為壓力能的能量增加，燃油黏性增加使得能量耗散增加。因此相應(yīng)的壓力波動(dòng)階段特征參量變化表現(xiàn)為波動(dòng)周期減小、波動(dòng)幅值增加、壓力波衰減時(shí)間縮短(見圖10)。

而燃油溫度的增加使得壓力波傳播速度減小，同時(shí)燃油黏度降低，相應(yīng)的能量耗散減少。因此相應(yīng)的壓力波動(dòng)階段特征參量變化表現(xiàn)為波動(dòng)周期增加、波動(dòng)幅值增加、壓力波衰減時(shí)間增加。

4 結(jié)束語

對(duì)壓力波動(dòng)特性的分析模型進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)，得出在考慮管路變形時(shí)壓力波的傳播速度；對(duì)壓力變化進(jìn)行理論推導(dǎo)，得出壓降幅值與壓力波傳播速度的關(guān)系。結(jié)合理論分析得出實(shí)際工作條件下的燃油體積彈性模量，為燃油壓力曲線的計(jì)算精確度提供理論支撐。將壓力波動(dòng)階段分為4個(gè)階段，并對(duì)噴油規(guī)律起顯著影響作用的前3個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出壓力波傳播速度、壓降幅值、波動(dòng)幅值、波動(dòng)周期以及衰減時(shí)間隨壓力、溫度的變化規(guī)律。

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[編輯: 李建新]

Research on Pressure Fluctuation Characteristics of Constant Pressure Fuel System

SUN Baigang1,2, LIU Zhichao1, WANG Pei1, LIU Fushui1,2

(1.School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing, Beijing 100081, China)

The pressure fluctuation characteristics of high pressure common rail system were studied by the test and the fluctuation characteristic parameters of each stage were characterized during the pressure fluctuation of injection. The changes of fluctuation characteristic parameters caused by the fuel pressure change and temperature change were further researched and the law of pressure wave propagation velocity, injection pressure drop amplitude, fluctuation amplitude, period and decay time were acquired. Finally, the relationships of injection pressure drop with fuel density, pressure wave propagation velocity and fuel flow rate were analyzed and explained according to the relative theory.

high pressure common rail system; pressure fluctuation; characteristic parameter

2016-09-28;

2016-11-15

科技部國際合作項(xiàng)目(2013DFR70170)

劉志超(1990—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃油系統(tǒng)高壓密封; lzctalent@163.com。

孫柏剛(1969—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制; sunbg@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.007

TK421.44

B

1001-2222(2016)06-0036-05