李洪明+郭韻

摘 要： 高壓共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響高壓共軌系統(tǒng)的性能，進(jìn)而影響到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能.為了使高壓共軌噴油系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)能夠較好地匹配，利用GT-SUITE發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析軟件建立了高壓共軌系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的耦合模型，分析了高壓共軌系統(tǒng)的噴油器控制室容積、針閥質(zhì)量、控制量孔直徑、噴嘴噴孔數(shù)和直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能（動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性）的影響.結(jié)果表明：當(dāng)控制室容積在不超過(guò)最小極限值的情況下，應(yīng)減小控制室容積；在保證針閥運(yùn)行平穩(wěn)的情況下，應(yīng)減小其質(zhì)量；在保證進(jìn)油量孔充分大、不產(chǎn)生二次噴射的情況下，合理選取進(jìn)油量孔和出油量孔的直徑，保證針閥的開(kāi)啟和關(guān)閉；根據(jù)高壓共軌壓力和最大噴油量的要求，并結(jié)合燃燒室形狀選擇噴孔數(shù)和直徑.只有在滿(mǎn)足這些條件的情況下，才可以獲得比較好的發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能.

關(guān)鍵詞： 柴油機(jī)； 高壓共軌系統(tǒng)； 數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)： TK 423文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1008-8857（2016）03-0169-07

Abstract： The structure parameters of high pressure common rail system had a direct effect on its performance and thus affected the performance of the engine.In order to make a good match between the high pressure common rail system and the engine，the engine performance analysis software GTSUITE was used to establish their coupling model.The effects of the injector control volume，the mass of the needle valve，the diameter of control orifice，the number of nozzle holes and the diameter of nozzle holes on the performance of the engine including power performance，fuel economy and emissions were analyzed.The results showed that when the control volume was above the minimum limitation，it should be reduced.When the needle valve worked smoothly，its mass should be reduced.When the input holes were large enough and there was no secondary injection，the reasonable diameters of the input holes and the output holes could be selected to ensure that the needle valve could be opened and closed quickly.The selection of the diameter and number of the injection holes depended on the common rail pressure，the maximum injection quantity and the shape of combustion chamber.Under aforementioned conditions，the best performance of the engine could be achieved.

Keywords： diesel engine； high pressure common rail system； numerical simulation

柴油機(jī)電控高壓共軌噴油技術(shù)是一種能夠提高燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能的新型噴油技術(shù).由于它在經(jīng)濟(jì)性、排放性等方面的優(yōu)越性能以及柴油機(jī)本身所固有的優(yōu)越的動(dòng)力性能，使其在日本、美國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)得到了積極的研究并廣泛應(yīng)用到汽車(chē)系統(tǒng)中.但是，其在國(guó)內(nèi)的研究還處于初級(jí)階段，與國(guó)外研究存在較大差距，所以，有必要對(duì)其進(jìn)行研究.目前，國(guó)外的研究主要集中在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低排放和噪聲等方面，例如：系統(tǒng)壓力波動(dòng)性研究[1-2]；燃油噴霧及燃燒過(guò)程的研究[3]；控制策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響[4]等.國(guó)內(nèi)也有學(xué)者對(duì)高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究，例如：高壓共軌噴油系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴油規(guī)律的影響[5-6]；高壓共軌噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響[7]；高壓共軌噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響和改進(jìn)[8].但是，國(guó)內(nèi)外的大部分研究主要集中在高壓共軌系統(tǒng)本身，并沒(méi)有整合共軌系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)對(duì)其進(jìn)行研究，沒(méi)有考慮高壓共軌系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)的相互影響.所以，本文利用GT-SUITE軟件建立模型，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，分析針閥控制室容積、針閥質(zhì)量、噴孔數(shù)和直徑對(duì)柴油機(jī)整機(jī)性能（動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性）的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化高壓共軌系統(tǒng)提供依據(jù).

1 系統(tǒng)數(shù)值仿真模型建立及驗(yàn)證

1.1 模型的建立

本文用于研究所建立的模型有柴油機(jī)整機(jī)模型和高壓共軌噴油系統(tǒng)模型兩部分.本文用于研究的原型機(jī)為4HK1-TC型柴油機(jī)，其型式為直列式、水冷、四沖程，噴油形式是電子控制高壓共軌噴油.其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

本文用于研究的高壓共軌原型為博世CRSN2-16型高壓共軌系統(tǒng)，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示.

柴油機(jī)整機(jī)模型主要包括三個(gè)部分：進(jìn)氣系統(tǒng)、氣缸和排氣系統(tǒng).建模時(shí)，進(jìn)氣計(jì)算所使用的邊界條件為溫度350 K、壓力0.26 MPa；排氣計(jì)算所使用的邊界條件為：溫度700 K、壓力0.15 MPa.缸內(nèi)氣體流動(dòng)模型選用EngCylFlow模型和EngCylPistCup模型，分別用于計(jì)算缸內(nèi)氣體流動(dòng)速度和湍流強(qiáng)度，其計(jì)算結(jié)果可用于傳熱模型和計(jì)算模型的計(jì)算.缸內(nèi)燃燒過(guò)程的模擬是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程模擬的核心部分，直接影響到整個(gè)模擬的可靠性和計(jì)算精度.在建模時(shí)，本文選用的燃燒模型是DIJET模型，因?yàn)镈IJET模型適用于直噴柴油機(jī)，可以用來(lái)預(yù)測(cè)燃燒率以及NOx的排放，也可預(yù)測(cè)碳煙，但是由于模型本身的局限性，對(duì)碳煙濃度的預(yù)測(cè)值不是很準(zhǔn)確，只能用來(lái)趨勢(shì)研究[9].缸內(nèi)傳熱計(jì)算采用EngCylHeatTr模塊和EngCylTWall模塊.在計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)，采用的是woschni模型.采用InjProfileCoon模塊模擬燃油噴射.

高壓共軌噴油系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：高壓油泵、共軌管和噴油器.根據(jù)高壓共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理建立了共軌管模型和噴油器模型，將高壓油泵處理成邊界條件，將其看成是一個(gè)穩(wěn)定的高壓供油源.

1.2 模型驗(yàn)證

為了確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用在高壓軌噴油系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證.選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1 000～3 500 r·min-1，將功率、轉(zhuǎn)矩以及NOx排放的模擬值和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖1所示.

由圖1可知，模擬值和實(shí)驗(yàn)值的誤差在5%以?xún)?nèi)，所以可以認(rèn)定該仿真模型具有一定的準(zhǔn)確性，可以用于后續(xù)的仿真計(jì)算.

2 仿真結(jié)果及其分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的性能主要包括動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，因此本文從轉(zhuǎn)矩、油耗、NOx排放量和碳煙排放量等指標(biāo)考量高壓共軌噴油系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響.本文模擬時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r·min-1，共軌壓力為150 MPa，噴油提前角為-17°CA，噴油規(guī)律為單次矩形噴射.

2.1 控制室容積影響

在其他各因素都不變的情況下，選擇控制室容積在5～50 mm3范圍內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行仿真.

圖2為控制室容積對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的仿真結(jié)果，其中圖2（a）為控制室容積對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響.由圖中可以看出，隨著控制室容積增大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩整體上呈線性減小.其原因是控制室容積的大小對(duì)控制室內(nèi)壓力的建立有很大的影響.當(dāng)控制室容積較小時(shí)，控制室內(nèi)壓力能夠迅速建立，電磁閥開(kāi)啟，控制室壓力迅速下降，針閥迅速抬起；電磁閥關(guān)閉，控制室壓力迅速上升，針閥迅速關(guān)閉.而當(dāng)控制室容積較大時(shí)，控制室壓力不能迅速建立，針閥不能夠及時(shí)地開(kāi)啟和關(guān)閉，從而導(dǎo)致燃油霧化不良，汽缸內(nèi)燃油不能及時(shí)、完全燃燒，進(jìn)而造成發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降.

圖2（b）為控制室容積對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的影響.由圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗隨控制室容積的增大而呈現(xiàn)波動(dòng)性，且先上升后下降，但下降不多，下降值在1 g·（kW·h）-1內(nèi)，可以認(rèn)為控制室容積對(duì)油耗幾乎沒(méi)有影響，其影響主要表現(xiàn)在波動(dòng)性方面.其原因是針閥控制室容積越小會(huì)導(dǎo)致給針閥提供的有效升程越小，噴射阻力越大，控制室和盛油腔油壓波動(dòng)頻率和幅度也會(huì)越大，造成針閥開(kāi)啟、維持和關(guān)閉的不穩(wěn)定，引起不正常噴射，從而引起油耗波動(dòng).從圖2（b）也可以看出，隨著控制室容積的減小，其波動(dòng)性增強(qiáng).

圖2（c）為控制室容積對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放量的影響.由圖中可以看出，NOx排放量和碳煙排放量幾乎不隨控制室容積的變化而變化，所以可以認(rèn)為控制室容積對(duì)NOx排放量和碳煙排放量基本無(wú)影響.

由以上分析可知，較小的控制室容積有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，但是針閥控制室容積過(guò)小會(huì)導(dǎo)致針閥開(kāi)啟、維持和關(guān)閉的不穩(wěn)定，引起不正常噴射，使其燃油經(jīng)濟(jì)性降低.另外，針閥的最大升程已經(jīng)確定，所以針閥控制室的高度受到限制，因此選擇控制室容積在20～30 mm3范圍內(nèi)比較合適.

2.2 針閥質(zhì)量的影響

本文設(shè)置針閥質(zhì)量的范圍為2～9 g.圖3為針閥質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的仿真結(jié)果，其中圖3（a）為針閥質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響.從圖中可以看出，當(dāng)針閥質(zhì)量為3 g時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩達(dá)到最大值，但是隨著針閥質(zhì)量不斷增大，其扭矩逐漸減小.其原因是針閥質(zhì)量越小，其響應(yīng)速度越快，但是其穩(wěn)定性越差，所以當(dāng)針閥質(zhì)量小于3 g時(shí)，其對(duì)穩(wěn)定性的影響大于對(duì)響應(yīng)性的影響，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降.

圖3（b）為針閥質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的影響.由圖中可以看出，隨著針閥質(zhì)量增加，其油耗波動(dòng)性減弱.其原因是針閥質(zhì)量的增加導(dǎo)致穩(wěn)定性的增加.從圖3（b）也可以看出，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，針閥質(zhì)量對(duì)其穩(wěn)定性的影響大于對(duì)響應(yīng)性的影響.

圖3（c）為針閥質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放量的影響.由圖中可以看出，針閥質(zhì)量對(duì)NOx和碳煙排放量幾乎沒(méi)有影響.

由以上分析可知，在選擇針閥質(zhì)量時(shí)應(yīng)在保證針閥運(yùn)行平穩(wěn)的前提下盡量減小其質(zhì)量.

2.3 噴嘴噴孔數(shù)和直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

本文共設(shè)置了11組不同的噴孔數(shù)和直徑，其中：第1～5組是在總流通面積近似為0.157 0 mm2時(shí)改變噴孔數(shù)，求得噴孔直徑；第6～10組是在總流通面積近似為0.188 4 mm2時(shí)改變噴孔數(shù)，求得噴孔直徑；第11組主要是用來(lái)對(duì)照.噴孔數(shù)和直徑設(shè)置如表3所示.

圖4為噴嘴噴孔數(shù)和直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的仿真結(jié)果，其中圖4（a）為噴孔數(shù)和直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響.由圖中可以看出：第1～5組發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩幾乎無(wú)變化；第6～10組發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也幾乎沒(méi)有變化，但比第1～5組有明顯的提高；而第11組的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩卻顯著下降.由此可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能主要受總流通面積的影響.其原因是流通面積增大導(dǎo)致噴油量增大，從而導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)燃油量增多，進(jìn)而其扭矩增大.第11組其扭矩急劇減小，可能是因?yàn)槠淞魍娣e過(guò)小導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒的不正常.

圖4（b）為噴油嘴噴孔數(shù)和直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的影響.由圖中可以看出，噴孔數(shù)和直徑對(duì)油耗幾乎沒(méi)有影響.而第11組的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的急劇上升明顯是因?yàn)閲娪土康牟蛔銓?dǎo)致燃燒不正常.

圖4（c）為噴油嘴噴孔數(shù)和直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響.由圖中可以看出，在總流通面積一定的情況下，NOx排放量隨著噴孔數(shù)的增多而增多，其原因可能是噴孔數(shù)增多、噴孔直徑的減小雖然能夠改善燃油的霧化，但是由于在燃燒室內(nèi)混合氣是否均勻還與燃燒室形狀有關(guān).而不合適的燃燒室形狀正是導(dǎo)致NOx排放量不降反增的原因.另外，總流通面積增大導(dǎo)致NOx排放量減少，這可能是由軌壓和燃燒室的形狀等因素造成的.碳煙排放量隨著總流通面積增加而增加的原因是噴射燃料的增加會(huì)導(dǎo)致燃燒不完全.

經(jīng)過(guò)以上分析可知，對(duì)于噴嘴噴孔數(shù)和直徑的選擇應(yīng)綜合考慮噴射壓力、燃燒室形狀和最大噴油量等因素.

2.4 控制量孔直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

本文設(shè)置了9組數(shù)據(jù)，其中第1～3組、第4～6組、第7～9組各自進(jìn)油孔直徑不變，改變出油孔直徑.進(jìn)、出油孔直徑設(shè)置如表4所示.

圖5為進(jìn)、出油孔直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的仿真結(jié)果，其中圖5（a）為控制室進(jìn)、出油孔直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響.由圖中可以看出，隨著進(jìn)油孔直徑增大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩減小.其原因是在進(jìn)油量孔直徑較小時(shí)，當(dāng)電磁閥打開(kāi)，由于控制室壓力卸載快，控制室壓力迅速降低，針閥迅速開(kāi)啟；當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，控制室壓力升高緩慢.針閥的響應(yīng)速度直接影響噴油規(guī)律，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩.當(dāng)進(jìn)油孔直徑一定而出油孔增大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩略微升高，出現(xiàn)了與進(jìn)油孔直徑增大時(shí)截然不同的情況，其原因是控制室壓力變化的快慢影響了針閥升降的快慢.所以為了獲得較大的轉(zhuǎn)矩，需要采用較小的進(jìn)油孔直徑配合較大的出油孔直徑.

圖5（b）為進(jìn)、出油孔直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的影響.從圖中可以看出，出油孔直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗幾乎沒(méi)有影響，而在進(jìn)油孔直徑較大時(shí)才會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗產(chǎn)生影響.其原因在進(jìn)油孔直徑達(dá)到一定時(shí)，電磁閥打開(kāi)，控制室壓力不能有效降低，針閥開(kāi)啟過(guò)程緩慢，從而引起油耗增多.

圖5（c）為進(jìn)、出油孔直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響.從圖中可以看出，隨著進(jìn)油孔直徑增大，NOx排放量增加，而碳煙排放量降低，而出油孔對(duì)兩者卻幾乎沒(méi)有影響.其原因是進(jìn)油孔直徑較小時(shí)，當(dāng)針閥落座后，由于針閥腔壓力波動(dòng)，可能使針閥再次抬起，產(chǎn)生二次噴射.二次噴射的燃油因?yàn)椴荒芡耆紵?，?dǎo)致燃燒室內(nèi)溫度下降，從而引起NOx排放量降低，碳煙排放量升高.

由以上分析可知，選擇進(jìn)、出油孔直徑時(shí)，應(yīng)在保證控制室內(nèi)壓力迅速建立的情況下，避免產(chǎn)生二次噴射，以獲得較好的發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能.

3 結(jié) 論

（1） 控制容積的大小影響了控制室內(nèi)壓力的建立，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能.控制容積過(guò)小，壓力波動(dòng)增大，燃油經(jīng)濟(jì)性變差.但隨著控制容積的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能降低.所以在保證正常噴射情況下，應(yīng)盡量減小控制室容積.

（2） 針閥質(zhì)量越小，其響應(yīng)速度越快，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能越好，但穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性變差.所以在保持運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，應(yīng)盡量減小針閥質(zhì)量.

（3） 噴嘴噴孔直徑越小，燃油霧化越好，燃燒性能越好.但是要獲得較好的發(fā)動(dòng)機(jī)性能還需要考慮燃燒室形狀、噴油壓力和最大噴油量的影響.

（4） 進(jìn)油孔直徑越小，針閥開(kāi)啟速度快，扭矩增大，油耗減小，但是越有可能產(chǎn)生二次噴射，導(dǎo)致碳煙排放量增多.而出油孔直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響很小.所以在選擇進(jìn)、出油孔直徑時(shí)，應(yīng)在不產(chǎn)生二次噴射的情況下，保證控制室內(nèi)壓力的迅速建立.

由本文的仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)排放的預(yù)測(cè)，GTSUITE軟件存在著不足，這反映了一維模型的局限性.另外，仿真中很多影響因素沒(méi)有考慮，導(dǎo)致結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況有出入，今后的研究應(yīng)深入探究這些因素.

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