王學(xué)軍

高壓共軌柴油機(jī)燃油噴射控制系統(tǒng)主要部件數(shù)模計(jì)算

王學(xué)軍

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

高壓共軌噴射技術(shù)為柴油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展指明了方向，可以滿足國(guó)四以上國(guó)家排放法規(guī)的要求。它已被公認(rèn)為最具潛力的燃油噴射系統(tǒng)，具有巨大的市場(chǎng)和廣闊的前景。論文通過(guò)共軌柴油機(jī)噴油系統(tǒng)主要部件的數(shù)模計(jì)算，能減少設(shè)計(jì)修改次數(shù)和匹配問(wèn)題的沖突，提高機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能匹配效率。

高壓共軌；柴油機(jī)；計(jì)算模型

前言

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)復(fù)雜，具備機(jī)械、電工電子、液壓技術(shù)以及智能控制技術(shù)，在保證精度計(jì)算準(zhǔn)確的前提下，需要對(duì)仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，從而節(jié)約計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算成本。通過(guò)建立系統(tǒng)的數(shù)字模型，可以獲得燃油噴射的基本特性，為共軌柴油噴射系統(tǒng)的自適性提供依據(jù)。

1 高壓共軌柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)概述

在柴油機(jī)經(jīng)歷了機(jī)械燃料系統(tǒng)、廢氣增壓和中冷控制技術(shù)和電控燃油噴射技術(shù)的百年工作歷程中，不斷提高了發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌技術(shù)，使共軌柴油機(jī)發(fā)展邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。在突破三大技術(shù)過(guò)程中，有兩項(xiàng)和燃油系統(tǒng)發(fā)展有直接關(guān)系，所以說(shuō)，燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)的重中之重。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)主要由高壓供油泵、共軌管、ECU、傳感器和噴油器等部分構(gòu)成。其工作原理：低壓油泵加壓將燃油經(jīng)油箱吸出，經(jīng)過(guò)濾清送人高壓供油泵，高壓供油泵將燃油進(jìn)一步加壓，由高壓油管輸送到共軌管內(nèi)留存。ECU接受相應(yīng)傳感器信號(hào)，并進(jìn)行邏輯判斷和計(jì)算，根據(jù)預(yù)設(shè)的程序?qū)⑷加鸵砸欢ǖ膲毫斔徒o執(zhí)行器——噴油器，從而完成噴油等工作。

2 高壓共軌系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

共軌燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)多，其開(kāi)發(fā)研究主要是在試驗(yàn)臺(tái)上完成多方案的比較，不僅開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，而且工作量大。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，進(jìn)行多方案結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和系統(tǒng)性能比較，可以大大提高效率，降低成本。

2.1 高壓供油泵油液流動(dòng)方程

根據(jù)燃油的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，滿足供油室內(nèi)的燃油連續(xù)性方程，如下所示。

柱塞腔內(nèi)燃油量的平衡關(guān)系如下：

Q=Q+Q→rail++（1）

式中，Q：柱塞瞬時(shí)壓入油量即幾何供油率，mm3/s； Q：柱塞腔壓縮容積變化率，mm3/s；Q→rail：通過(guò)閥門流入油軌流量，單位：mm3/s；Q：間隙泄露流量，mm3/s；：流向低壓油路的流量，mm3/s。

幾何供油率Q：

式中，h：柱塞升程，mm；F：柱塞截面積，mm2。

（3）

式中，：柱塞直徑，mm。

壓縮油量變化率Q：

式中，V：柱塞桿容積，mm3；E：柴油的彈性模數(shù)，MPa；P：腔室壓力，MPa。

油閥活塞孔流量Q→rail：

式中，：柴油的密度，kg/m3；|：共軌管壓力，MPa； uF：柱塞腔至共軌管的有效流通面積，m2；u：流量系數(shù)。

階躍函數(shù)：

柱塞腔泄漏流量：

（7）

式中，：柴油的動(dòng)力粘度，MPas；：柱塞的密封長(zhǎng)度，mm；δ：柱塞偶件的間隙，mm；：低壓油道的壓力，MPa。

柱塞腔流至低壓油道的流量1：

式中，uF：柱塞腔至低壓系統(tǒng)的有效流通面積，mm2。

階躍函數(shù)：

將式（2）—（9）代入式（1），整理得：

式中，柱塞速度，mm/s。

2.2 柱塞運(yùn)動(dòng)方程

式中，h：油泵的轉(zhuǎn)速，rpm；油泵的凸輪轉(zhuǎn)角，°。

供油泵柱塞運(yùn)動(dòng)方程：

液壓力的計(jì)算式：

式中：m：柱塞質(zhì)量，；h：柱塞升程，mm；c：阻尼系數(shù)；k：剛度系數(shù)；：輸入端連接單元；：輸出端連接單元；：輸入端連接單元坐標(biāo)；：輸出端連接單元坐標(biāo)；：連接單元的阻尼系數(shù)；：連接單元的剛度系數(shù)；F：柱塞彈簧預(yù)緊力，；F：輸入端機(jī)械預(yù)緊力；F：輸出端機(jī)械預(yù)緊力；：輸入端的機(jī)械連接單元個(gè)數(shù)；：輸出端的機(jī)械連接單元個(gè)數(shù)；F：液壓力，；F：庫(kù)企摩擦力，；凸輪腔壓力，N/mm2；F：液體泄漏的粘滯摩擦力，N；d：柱塞直徑，mm；初始?jí)毫?，N/mm2；壓縮終了的壓力，N/mm2。

2.3 共軌管內(nèi)燃油連續(xù)方程

式中：：共軌管的容積，mm3；：N共軌噴管流量，mm3/s；：共軌管至控制腔的流量，mm3/s。

共軌管至噴油嘴腔的流量→：

式中，P：噴嘴腔內(nèi)的壓力，MPa；uF：共軌噴油有效流量面積，mm2；

：階躍函數(shù)

共軌管流至控制腔的流量→：

式中，控制腔內(nèi)的壓力，MPa；uF：共軌管至控制腔的有效流通面積，mm2。

階躍函數(shù)：

將式（15）—（18）代入共軌管內(nèi)燃油連續(xù)方程（14），整理可得：

2.4 噴油嘴腔內(nèi)燃油連續(xù)方程

針閥截面積：

式中，d：針閥直徑，mm。

噴油嘴腔流至壓力室的流量：

式中，P：壓力室壓力，MPa；uF：噴油嘴腔至壓力室的有效流通面積，mm3。

：階躍函數(shù)

其中，式中，：針閥表面角度，0。

針閥漏流：

式中，：針閥偶件間隙，mm；：針閥偶件密封長(zhǎng)度，mm；2：計(jì)閥座處燃油壓力，MPa。

針閥錐部的容積：

式中，hmax：針閥最大升程，mm；：壓力室直徑，mm。

將式（21）—（27）代入噴油嘴腔內(nèi)燃油連續(xù)方程（20），可得：

2.5 共軌管噴油器端邊界條件

為了簡(jiǎn)化模型，應(yīng)采用以下邊界條件來(lái)忽略連接蓋和噴嘴的高壓管道中的壓力損失和局部燃油壓降：

P=P（29）

結(jié)合共軌和噴油器腔中的燃油連續(xù)性方程，整理可得：

2.6 壓力室內(nèi)燃油連續(xù)方程

式中，Q：壓力室流向燃燒室的流量，mm；：壓力室容積，mm3。

壓力室流向燃燒室的流量Q：

式中，：氣體環(huán)境中平均壓力，MPa；uF：噴嘴有效流動(dòng)面積，mm2。

總截面積：

式中，：噴嘴直徑，mm；：噴嘴數(shù)量。

將式（32）、（33）代入壓力室內(nèi)燃油連續(xù)方程（31）可得：

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立高壓供油泵、共軌管和電控噴油器的高壓共軌系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析常用高壓燃油噴射系統(tǒng)的特點(diǎn)及關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，為優(yōu)化高壓共軌系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)起到了積極的促進(jìn)作用，為高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考，為機(jī)型匹配提供了依據(jù)。

[1] 劉楠,劉振明,龔鑫瑞,等.壓電式噴油器多參數(shù)優(yōu)化匹配研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2014(02):28-33.

[2] 張濤,曹志成,陳利平,等.某共軌噴油器優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力,2019(01):31-33+40.

[3] 賈超超.噴射參數(shù)對(duì)高壓共軌柴油機(jī)燃用地溝油生物柴油性能的影響研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2014.

[4] 常遠(yuǎn),歐陽(yáng)光耀,劉振明,等.高壓共軌噴油器電磁閥新型驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2015,36(02):76-81.

Digital and Analog Calculation of Main Components of Fuel Injection Control System for High Pressure Common Rail Diesel Engine

WANG Xuejun

( Shandong Huayu Institute of Technology, Shandong Dezhou 253034 )

High pressure common rail injection technology points out the direction for the development of electronic control technology of diesel engine, which can meet the requirements of national emission regulations above the fourth national standard. It has been recognized as the most potential fuel injection system, with huge market and broad prospects. Through the numerical simulation calculation of the main components of the common rail diesel injection system, the conflict between design modification times and matching problems can be reduced, and the efficiency of mechanism design and performance matching can be improved.

High pressure common rail; Diesel engine;Calculation model

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.030

U262.11

A

1671-7988(2021)21-117-04

U262.11

A

1671-7988(2021)21-117-04

王學(xué)軍，就職于山東華宇工學(xué)院。

本文為山東華宇工學(xué)院2020年度校級(jí)科研計(jì)劃項(xiàng)目：高壓共軌柴油機(jī)噴油控制參數(shù)優(yōu)化研究（項(xiàng)目編號(hào)：2020KJ09）的研究成果之一。