劉紅彬, 桂 勇, 駱清國(guó), 孫大光, 張少亮

(陸軍裝甲兵學(xué)院 車(chē)輛工程系, 北京 100072)

高壓共軌噴油系統(tǒng)是針對(duì)柴油機(jī)對(duì)理想燃油噴射過(guò)程的要求而開(kāi)發(fā)的新型噴射系統(tǒng).HPD(High Power Density)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較大，柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速工作時(shí)燃燒過(guò)程所對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)間變化很大，而高壓共軌噴油系統(tǒng)以其高的噴射壓力、靈活可調(diào)的噴油速率能夠同時(shí)兼顧柴油機(jī)高低速性能要求，提高柴油機(jī)的功率密度.由于高壓共軌噴油系統(tǒng)的復(fù)雜性，其噴油規(guī)律的調(diào)整是一個(gè)非常精密的過(guò)程，微小的參數(shù)變化也可能引起噴油規(guī)律發(fā)生較大的改變.因此，文中對(duì)某型高壓共軌噴油系統(tǒng)進(jìn)行仿真及試驗(yàn)研究，為分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)下的噴油規(guī)律對(duì)HPD柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧和燃燒過(guò)程的影響提供邊界.

1 高壓共軌噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

文中所研究的高壓共軌噴油系統(tǒng)如圖1所示，包括：燃油箱、低壓輸油泵、低壓油管、燃油濾清器、高壓油泵、高壓油管、共軌管、共軌壓力傳感器、限壓閥、電控噴油器、回油管及電控單元(ECU)等組成.

高壓共軌噴油系統(tǒng)的具體工作過(guò)程：燃油箱的燃油在低壓輸油泵的作用下經(jīng)過(guò)燃油濾清器進(jìn)入高壓油泵的柱塞腔；高壓油泵的電磁閥通電，關(guān)閉柱塞腔的回油孔，柱塞腔內(nèi)燃油受壓，壓力升高，通過(guò)出油閥和高壓油管進(jìn)入共軌管；共軌管中的燃油在ECU的控制下穩(wěn)定在一定的壓力后進(jìn)入到各缸的電控噴油器中；ECU控制電控噴油器電磁閥的通電與斷電，進(jìn)而控制噴油開(kāi)始和噴油結(jié)束.

圖1 高壓共軌噴油系統(tǒng)

1.1 高壓油泵結(jié)構(gòu)分析

高壓共軌噴油系統(tǒng)高壓油泵采用三缸徑向柱塞泵，3個(gè)柱塞呈120°徑向布置.高壓油泵每轉(zhuǎn)之內(nèi)共發(fā)生3個(gè)壓油沖程，驅(qū)動(dòng)扭矩的峰值較低，油泵負(fù)荷較為均勻.

高壓油泵主要包括柱塞偶件、供油切斷電磁閥、偏心凸輪、壓力調(diào)節(jié)閥、進(jìn)油閥及出油閥等組成，如圖2所示.

圖2 高壓油泵

1.2 共軌管結(jié)構(gòu)分析

共軌管一般采用圓筒形結(jié)構(gòu)，文中高壓共軌系統(tǒng)共軌管的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.在柴油機(jī)工作過(guò)程中，共軌內(nèi)注滿(mǎn)了高壓燃油，利用柴油在高壓下的可壓縮性來(lái)保持存儲(chǔ)壓力，即使在燃油噴射過(guò)程中，共軌內(nèi)的壓力也保持近似恒定值.

圖3 共軌管

1.3 電控噴油器結(jié)構(gòu)分析

高壓共軌噴油系統(tǒng)電控噴油器是由噴油嘴、控制活塞、控制量孔(A和Z)及高速電磁閥組成[1-2]，高速電磁閥是高壓共軌噴油系統(tǒng)中重要的部件，其承擔(dān)著燃油的噴射控制功能，它的快速響應(yīng)特性是衡量其工作性能的一個(gè)重要指標(biāo)[3].文中高壓共軌噴油系統(tǒng)電控噴油器的結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 電控噴油器結(jié)構(gòu)示意圖

電控噴油器是共軌式燃油噴射系統(tǒng)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的部件，它根據(jù)ECU發(fā)出的控制信號(hào)控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，將高壓油軌中的燃油以最佳的噴油定時(shí)、噴油量和噴油率噴入燃燒室，其具體工作過(guò)程如下.

在電磁閥不通電時(shí)，控制腔頂部的回油孔A關(guān)閉，高壓油軌中的燃油一路通過(guò)進(jìn)油孔Z迅速進(jìn)入控制腔，一路通過(guò)噴油器內(nèi)油道進(jìn)入蓄壓腔，控制腔中高壓燃油作用在控制柱塞端面上的力及噴油嘴針閥彈簧的力大于針閥承壓面上的開(kāi)啟力，從而使針閥處于關(guān)閉狀態(tài).

當(dāng)電磁閥通電時(shí)，回油孔A打開(kāi)，燃油從控制腔經(jīng)回油孔A回到油箱，控制腔的壓力迅速降低，遠(yuǎn)小于噴油嘴蓄壓腔容積中的壓力，從而使針閥打開(kāi)，開(kāi)始噴油，燃油以近似于共軌壓力噴入燃燒室中.

當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，回油孔A再次被關(guān)閉，進(jìn)油孔Z的進(jìn)油又使控制腔中建立起與共軌中相同的壓力，從而使控制腔內(nèi)作用在柱塞端面上的力和針閥彈簧的力超過(guò)來(lái)自蓄壓腔的力，針閥關(guān)閉，針閥達(dá)到其下極限位置時(shí)，噴油結(jié)束.

2 高壓共軌噴油系統(tǒng)數(shù)學(xué)及仿真模型

采用GT-FUEL以燃油流動(dòng)過(guò)程為基本流動(dòng)模型建立了高壓共軌噴油系統(tǒng)仿真模型，為分析參數(shù)變化對(duì)噴油規(guī)律的影響打下基礎(chǔ).通過(guò)對(duì)高壓共軌噴油系統(tǒng)工作過(guò)程的分析建立了其物理模型，如圖5所示.

圖5 高壓共軌噴油系統(tǒng)物理模型

在對(duì)高壓油泵和共軌管建模時(shí)，對(duì)高壓油泵進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用一個(gè)穩(wěn)定的高壓油源進(jìn)行代替；根據(jù)柴油機(jī)噴油器的個(gè)數(shù)和共軌管的長(zhǎng)度和直徑，將共軌管簡(jiǎn)化為幾個(gè)管道容積模型，忽略了共軌管上的壓力傳感器、壓力限制閥及流量限制器等.共軌管仿真模型如圖6所示.

圖6 共軌管仿真模型

根據(jù)電控噴油器的結(jié)構(gòu)及工作原理，分別建立了控制信號(hào)模塊、電磁閥控制模塊、控制腔及進(jìn)、回油節(jié)流孔模塊、控制活塞和針閥運(yùn)動(dòng)件模塊、針閥彈簧模塊、噴嘴模塊、油量模塊等.單個(gè)電控噴油器的仿真模型如圖7所示.

圖7 電控噴油器仿真模型

3 高壓共軌噴油系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

高壓共軌噴油系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)主要由噴油泵試驗(yàn)臺(tái)、單次噴油量測(cè)試儀、高壓油軌、高壓共軌噴油系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制微機(jī)、示波器以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成.試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如圖8所示，實(shí)物圖如圖9所示，測(cè)量設(shè)備如表1所示.

圖8 高壓共軌噴油系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 高壓共軌噴油系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

表1 測(cè)試設(shè)備

設(shè)備名稱(chēng)設(shè)備型號(hào)生產(chǎn)廠(chǎng)商高壓共軌試驗(yàn)臺(tái)EPS675Bosch高壓油泵CT 4.2Bosch單次油量測(cè)試儀8246EFS示波器DPO3034TektronixECUEU2B70所

法國(guó)EFS公司的EFS8246單次噴油量測(cè)試儀主要技術(shù)參數(shù)如表2所示[4-5].

表2 EFS8246單次噴射儀的主要技術(shù)參數(shù)

采用高壓共軌噴油系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)遠(yuǎn)程控制微機(jī)分別改變共軌壓力及電磁閥通電時(shí)間，測(cè)量在不同軌壓、不同通電時(shí)間條件下，高壓共軌噴油系統(tǒng)的噴油量及噴油規(guī)律.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)噴油量試驗(yàn)結(jié)果分析

軌壓為150 MPa、120 MPa、100 MPa、80 MPa及50 MPa，通電時(shí)間分別為1 000 μs、900 μs、800 μs、700 μs及600 μs時(shí)，對(duì)高壓共軌噴油系統(tǒng)噴油量進(jìn)行測(cè)量.通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)上的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)噴孔數(shù)為10，噴孔直徑為0.24 mm的噴油器試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.

圖10 不同軌壓及不同通電時(shí)間時(shí)的噴油量

從圖10中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在不同軌壓下，隨著通電時(shí)間的增加，噴油量增加，軌壓比較大時(shí)，噴油量與通電時(shí)間的線(xiàn)性關(guān)系較強(qiáng)，基本成一條直線(xiàn)；軌壓較小時(shí)，針閥升起和關(guān)閉過(guò)程中蓄壓腔內(nèi)的油壓波動(dòng)較大，噴油量與通電時(shí)間的線(xiàn)性關(guān)系相對(duì)減弱，有一定的波動(dòng).

2)噴油規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果分析

軌壓為150 MPa、120 MPa、100 MPa、80 MPa及50 MPa，各軌壓下通電時(shí)間分別為1 000 μs、900 μs、800 μs、700 μs及600 μs時(shí)，對(duì)高壓共軌噴油系統(tǒng)噴油規(guī)律進(jìn)行測(cè)量.測(cè)量時(shí)總共記錄2 500個(gè)取樣點(diǎn)，兩個(gè)取樣點(diǎn)間隔2 μs.

150 MPa時(shí)噴油率實(shí)測(cè)曲線(xiàn)如圖11～13所示.

圖11 1 000 μs時(shí)噴油率曲線(xiàn)

圖12 800 μs時(shí)噴油率曲線(xiàn)

圖13 600 μs時(shí)噴油率曲線(xiàn)

從上述圖中可以看出：通電時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，噴油持續(xù)期長(zhǎng)，最高噴油速率持續(xù)時(shí)間增加，噴油規(guī)律曲線(xiàn)出現(xiàn)兩個(gè)波峰，燃油以近似共軌壓力噴入氣缸；通電時(shí)間較短時(shí)，噴油持續(xù)期短，最高噴油速率持續(xù)時(shí)間較短，噴油規(guī)律曲線(xiàn)只有一個(gè)波峰.這主要是因?yàn)椋和姇r(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，針閥開(kāi)啟后，蓄壓腔中的壓力快速降低，噴射壓力降低，膨脹波從蓄壓腔向共軌管傳播，進(jìn)而共軌管以壓縮波的形式向蓄壓腔傳播，向蓄壓腔中供油，蓄壓腔中壓力升高，噴射壓力增大，形成第一個(gè)波峰；當(dāng)針閥落座時(shí)，由于針閥的壓油作用，使噴射壓力增大，形成第二個(gè)波峰.當(dāng)通電時(shí)間較短時(shí)，共軌管中的壓縮波傳播到蓄壓腔時(shí)，針閥也開(kāi)始關(guān)閉，因此，只有一個(gè)波峰.

4 仿真結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 噴油量仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比分析

不同軌壓，不同通電時(shí)間條件下，噴油量仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比如圖14～16所示.

圖14 軌壓150 MPa時(shí)噴油量對(duì)比

圖15 軌壓100 MPa時(shí)噴油量對(duì)比

圖16 軌壓50 MPa時(shí)噴油量對(duì)比

不同軌壓，不同通電時(shí)間條件下，試驗(yàn)值和仿真值的誤差如表3所示.

表3 試驗(yàn)值和仿真值誤差

從表3可以看出：噴油量的仿真值和試驗(yàn)值誤差在8.1%以?xún)?nèi)；軌壓較大時(shí)，仿真值與試驗(yàn)值的

誤差較小，軌壓減小時(shí)，仿真值與試驗(yàn)值的誤差增大；通電時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，誤差較小，通電時(shí)間短時(shí)，誤差較大.這主要是因?yàn)檐墘捍螅姇r(shí)間長(zhǎng)時(shí)，噴油過(guò)程波動(dòng)小，仿真值和試驗(yàn)值的誤差較??；而軌壓小，通電時(shí)間短時(shí)，噴油過(guò)程波動(dòng)大，仿真值和試驗(yàn)值的誤差較大.

4.2 噴油規(guī)律仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比分析

軌壓為150 MPa，通電時(shí)間為1 000 μs時(shí)，噴油率仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比如圖17所示.軌壓為100 MPa，通電時(shí)間1 000 μs時(shí)，噴油率仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比如圖18所示.

圖17 150 MPa噴油率仿真與試驗(yàn)對(duì)比

圖18 100 MPa噴油率仿真與試驗(yàn)對(duì)比

從上述圖可以看出：仿真噴油規(guī)律曲線(xiàn)和試驗(yàn)噴油規(guī)律曲線(xiàn)較為接近，仿真模型能夠準(zhǔn)確的反映高壓共軌噴油系統(tǒng)的噴油規(guī)律.

5 結(jié) 論

采用GT-FUEL軟件建立了高壓共軌噴油系統(tǒng)仿真模型；進(jìn)行了高壓共軌噴油系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比；通過(guò)對(duì)比分析看出，噴油量仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差小于8.1%，噴油規(guī)律的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合.仿真模型的建立為之后分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)下的噴油規(guī)律對(duì)HPD柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧和燃燒過(guò)程的影響提供了邊界.