周煜峰，張海波，毛林朋

（201600 上海市 上海工程技術(shù)大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

由于出色的熱效率、扭矩特性和可靠性，柴油發(fā)動機被廣泛用作船舶、機械和各種車輛的動力[1]。隨著全球石油資源緊缺和溫室效應加強，各國頒布了嚴格的排放法規(guī)，為滿足排放法規(guī)的要求，柴油機節(jié)能減排勢在必行[2-3]。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)在降低柴油機排放方面起著至關(guān)重要的作用。燃油噴射系統(tǒng)直接決定了燃油的噴射量和噴霧的質(zhì)量以及混合氣的形成[4]。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中，噴油器是最重要、最復雜的部件，在燃油噴射和控制過程中起著重要的作用[5-6]。燃油噴射壓力的穩(wěn)定和過度響應將直接影響柴油機的起動、怠速和加速方式的動態(tài)性能[7]，因此燃油噴射壓力控制是提高柴油機性能的關(guān)鍵[8-9]。通常，研究人員采用模擬計算的方法對燃油噴射壓力波動進行檢測[10-11]，本文通過搭建AMESim 仿真模型對柴油機的燃油噴射系統(tǒng)進行建模，研究噴油器工作參數(shù)和燃油種類對柴油機燃油噴射壓力波動和噴油量的影響。

1 試驗裝置與仿真模型

1.1 試驗裝置

實驗采用的是DK 系列單缸四沖程自然吸氣柴油發(fā)動機，發(fā)動機的主要參數(shù)如表1 所示。為了研究HCCI 和RCCI 等新燃燒模式，需要采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)取代原發(fā)動機的燃油噴射系統(tǒng)，新燃油噴射系統(tǒng)能夠使燃油噴射壓力達到160 MPa。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)Tab.1 Engine main technical specifications

如圖1 所示，燃油通過低壓泵輸送到高壓泵，由高壓泵加壓運送到共軌管，然后通過高壓管輸送到噴油器，最后噴射到氣缸內(nèi)。

圖1 發(fā)動機試驗臺及燃油噴射系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic representation of engine test bench and fuel injection system

1.2 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型

通過一維軟件AMESim 搭建了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的仿真模型如圖2 所示，

圖2 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of high pressure common rail fuel injection system

該仿真模型包括高壓柱塞泵、穩(wěn)壓閥、噴油器。高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)在共軌中積聚高壓燃油，并通過發(fā)動機ECU 控制的特定定時將燃油噴射到發(fā)動機氣缸中。

1.3 模型的驗證

為了驗證仿真模型的準確性，實驗中選取的噴油壓力為80，1 00，120 MPa，并選取了8 個噴油脈寬點（0.2～1.6 ms）。圖3 所示為不同噴油脈寬和噴油壓力對應噴油量的實驗值與仿真值對比。由圖3 可知，仿真值與實驗值的趨勢一致，且差別比較小，最大誤差為6%。由于實驗中存在偶然因素引起誤差，實驗值與仿真值的差別在可接受范圍內(nèi)。說明仿真模型準確可靠，可以用于以下仿真研究。

圖3 仿真模型驗證Fig.3 Simulation model verification

2 仿真

2.1 仿真條件

在圖2 所示的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上，選取不同燃料、管道長度和噴孔直徑作為影響因素，研究噴油器噴油量及噴油率以及管道內(nèi)壓力波動作為估計指標進行評估[12]。

此外，根據(jù)噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)及其在生產(chǎn)裝配工藝和使用周期中的變化，各參數(shù)參考設(shè)置如表2所示；采用ISO 4113 柴油進行模擬和菜籽油甲酯（RME），燃料的性質(zhì)如表3 所示。

表2 參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter settings

表3 燃油種類Tab.3 Fuel type

2.2 數(shù)學模型

在AMESim 軟件中，噴油器模型搭建的過程中使用等溫或者絕熱方程和一維方程對機械、電氣和液壓元件進行仿真建模。

AMESim 軟件中質(zhì)量流量根據(jù)伯努利方程計算：

式中：——質(zhì)量流量；Cd——流量系數(shù)的函數(shù)；ρf——燃料密度；A0——噴嘴出口孔的面積；uB——伯努利的理論速度，定義為

對于非空化流動，Cd取決于流速、流體密度和粘度。使用流號λ考慮這種依賴性。λ定義為

3 結(jié)果及分析

3.1 不同燃油種類下的壓力波動和噴油量

由仿真模型得出，在不同燃油噴射壓力下和不同燃油種類下噴油器入口壓力波動如圖4 所示，燃油噴射量如圖5 所示。

由圖4 知，燃油為RME 時壓力波動比燃油為柴油時的波動幅度更大，壓力衰減的速度更快，這是因為噴油器針閥閉合后，RME 具有更高的密度、粘度和體積模量，RME 的壓力振蕩將比柴油更快衰減。管道中的壓力損失與流體的密度和摩擦系數(shù)成正比，燃油粘度越大管道內(nèi)的摩擦力越大，壓力損失越大。當流體的體積模量增大時，管道內(nèi)的壓力傳播越快，這使壓力的阻尼過程加快。

圖4 不同噴油壓力和燃油種類下的壓力波動Fig.4 Comparison of pressure fluctuation of different injection pressures and fuel types

由圖5 知，噴油壓力越大，燃油噴射量越多。這是因為隨著噴油壓力增加，針閥上升、下落的時間提前，從而噴油量增加。與RME 相比，燃油種類為柴油時，燃油噴射量更多。這是因為RME 具有更高的密度和粘度，燃油密度和粘度增加時，管道內(nèi)的摩擦力增加，使燃油進入針閥控制腔減慢，針閥開啟變慢，所以燃油噴射量下降。

圖5 不同噴油壓力和燃油種類下的噴油量Fig.5 Fuel injection volume under different fuel injection pressures and fuel types

3.2 不同進油管直徑下的壓力波動和噴油量

由仿真模型得出在不同燃油噴射壓力下和不同進油管直徑下噴油器入口壓力波動如圖6 所示，燃油噴射量如圖7 所示。

圖6 不同噴油壓力和燃油種類下的壓力波動Fig.6 Comparison of pressure fluctuation of different injection pressures and pipe diameter

由圖6 可知，在整個噴射過程中有兩次明顯的壓力波動的，到最后壓力波動逐漸平緩。第1 次壓力顯著降低時，因為電磁閥通電閥門打開，燃油進入控制腔，所以壓力有顯著的下降；第2 次壓力下降是因為針閥打開，燃油被噴射到氣缸內(nèi)。最后，燃油噴射結(jié)束，電磁閥斷電、針閥迅速關(guān)閉，由于水錘效應管道內(nèi)壓力迅速上升，最終壓力波動趨于平緩。進油管直徑越小，壓力波動越大。因為管徑越小時，管道內(nèi)的容積就越小，壓力上升得越快，所以管徑越小壓力波動越大。

由圖7 可知，進油管直徑越大，燃油噴射量越多。因為進油管直徑越大，燃油流速越高，燃油在管內(nèi)流動的阻力越小，即管徑越小燃油進入控制腔越慢，使針閥打開噴射的時間越短，所以噴油量下降。噴油脈寬越大，燃油噴射量越多。因為噴油脈寬增加時，噴油器針閥打開時間提前和關(guān)閉時間延緩，即燃油噴射時間增加，所以噴油量增加。

圖7 不同噴油壓力和燃油種類下的噴油量Fig.7 Fuel injection volume under different fuel injection pressures and pipe diameter

3.3 不同噴油脈寬下的壓力波動和噴油量

由仿真模型得出在不同燃油噴射壓力下和不同噴油脈寬下噴油器入口壓力波動如圖8 所示?？梢钥闯觯瑖娪推魅肟谔幍膲毫Σ▌邮車娪兔}寬的影響很大，且噴油脈寬越大，壓力波動越大。通過將噴油脈寬設(shè)置為0.6 ms，壓力下降的幅度小于2 個較高噴油脈寬，這是因為當噴油脈寬較小時針閥未完全抬起，從而限制了流量。

圖8 不同噴油壓力和噴油脈寬下的壓力波動Fig.8 Comparison of pressure fluctuation of different injection pressures and pulse width

此外，在壓力下降后觀察到2 級壓力上升。應該注意的是，當壓力達到最小值時，針閥開始回落，因此隨后的第1 次壓力增加與針閥關(guān)閉有關(guān)，而不是噴嘴節(jié)流效應或稀疏波的反射。相反，第2次壓力上升可能與稀疏波反射有關(guān)，幾乎與第1 次重疊。由圖8 可知，噴油脈寬越大，噴油量越多。

4 結(jié)論

通過AMESim 軟件搭建了高壓共軌噴油器的仿真模型，并且通過試驗數(shù)據(jù)驗證了仿真模型的準確性。通過仿真模型研究了不同燃油種類、不同進油管直徑和噴油脈寬下的噴油器進口壓力波動和噴油量，得出以下結(jié)論：（1）燃油種類會影響噴油器進口壓力波動和噴油量，燃油粘度越大壓力波動越大、噴油量越少。（2）減小管道直徑會增加噴油器進口壓力波動，且噴油量下降。（3）噴油脈寬對壓力波動影響很大，且噴油脈寬越小壓力波動越小、噴油量越少。