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《車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)雜志》2016年第一期

摘要：

多次噴射過(guò)程中，不同噴射之間的相互影響導(dǎo)致循環(huán)噴油量的控制難度增大。建立了高壓共軌系統(tǒng)的AMESim仿真模型，通過(guò)數(shù)值仿真和試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，揭示了噴油器內(nèi)部壓力波動(dòng)和針閥開(kāi)啟階段動(dòng)作響應(yīng)的強(qiáng)耦合作用是導(dǎo)致主噴油量隨噴射間隔波動(dòng)的根本原因，當(dāng)主噴油量基準(zhǔn)值為60．0mm3時(shí)，其波動(dòng)量最大可達(dá)3．6mm3。建立了共軌系統(tǒng)的無(wú)阻尼LC液力系統(tǒng)模型，通過(guò)對(duì)模型的分析，針對(duì)強(qiáng)耦合作用提出了減小噴油器內(nèi)部油道長(zhǎng)徑比和盛油槽容積的解耦方法。對(duì)解耦方法的仿真試驗(yàn)驗(yàn)證表明，采用解耦方法后壓力波動(dòng)和針閥響應(yīng)的耦合程度降低53％。

關(guān)鍵詞：

高壓共軌；噴油器；針閥響應(yīng)；壓力波動(dòng)；耦合

高壓共軌噴油系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)柴油機(jī)噴油定時(shí)、噴油脈寬、噴油率和噴射次數(shù)的柔性控制，被認(rèn)為是最先進(jìn)的燃油噴射技術(shù)，也是當(dāng)前提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)化燃燒、減少有害排放的主要手段之一。高壓共軌噴油系統(tǒng)對(duì)循環(huán)噴油量的靈活、精確控制是其改善柴油機(jī)性能的關(guān)鍵，尤其對(duì)多次噴射過(guò)程中系統(tǒng)的穩(wěn)定工作有著決定性的影響［1－4］。高壓共軌系統(tǒng)是電－磁－機(jī)－液相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，不同構(gòu)件在噴油器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生相互作用［5－6］。蘇海峰等研究表明，噴油器噴油時(shí)會(huì)在內(nèi)部形成水擊壓力波動(dòng)，造成針閥運(yùn)動(dòng)特性和噴射壓力的不穩(wěn)定，尤其是進(jìn)行多次噴射時(shí)，不同噴射之間的間隔較小，噴油器動(dòng)作頻率較快，會(huì)出現(xiàn)實(shí)際噴油量與理論控制噴油量不符的現(xiàn)象，這會(huì)惡化柴油機(jī)的工作狀態(tài)，使其經(jīng)濟(jì)性和排放特性都受到影響［7－10］。為了研究共軌噴油器進(jìn)行多次噴射時(shí)不同噴射之間的相互影響，本研究利用AMESim液壓仿真平臺(tái)建立了電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的仿真模型，研究了針閥響應(yīng)和盛油槽壓力波動(dòng)之間的耦合作用，揭示了主噴油量隨噴射間隔波動(dòng)的根本原因；同時(shí)，將電傳輸理論應(yīng)用于該問(wèn)題的剖析過(guò)程，更加清晰地揭示影響耦合作用的關(guān)鍵參數(shù)，并找到有效的解耦方法，為噴油器多次噴射時(shí)實(shí)現(xiàn)油量穩(wěn)定控制的目標(biāo)提供了理論依據(jù)。

1仿真模型的建立

圖1示出了在AMESim液力仿真平臺(tái)上建立的高壓共軌系統(tǒng)的仿真模型，包括高壓供油泵、共軌管和電控噴油器等。表1示出了模型中輸入的部分主要參數(shù)。電控噴油器的原理示意見(jiàn)圖2。高壓燃油進(jìn)入噴油器后，一部分燃油通過(guò)控制腔進(jìn)油孔進(jìn)入控制腔，一部分燃油進(jìn)入盛油槽。控制腔內(nèi)燃油通過(guò)控制活塞作用于針閥，將針閥壓緊于噴油嘴。當(dāng)電磁閥通電，控制腔泄油孔開(kāi)啟時(shí)，控制腔內(nèi)燃油泄放到低壓油路，控制腔壓力降低，盛油槽高壓燃油將針閥抬起，形成噴油。電磁閥斷電后，控制腔泄油孔關(guān)閉，控制腔進(jìn)油建壓，將針閥壓回噴油嘴，噴油結(jié)束。為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，選取轉(zhuǎn)速為2000r／min，軌壓為120MPa時(shí)的工況點(diǎn)，將仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖3示出了通過(guò)共軌壓力傳感器測(cè)得的軌壓曲線與仿真值對(duì)比。從中可以看出，仿真計(jì)算的共軌壓力能夠在多循環(huán)運(yùn)行時(shí)保持壓力平穩(wěn)，并與試驗(yàn)測(cè)量的軌壓曲線有很好的一致性。圖4示出了通過(guò)示波器采集的噴油速率與仿真值對(duì)比曲線。從圖4可以看出，仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果有較高的吻合度。因此，本研究所建立的AMESim模型可以準(zhǔn)確地對(duì)柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，能夠滿足對(duì)系統(tǒng)噴油特性進(jìn)行計(jì)算分析的要求。

2預(yù)噴射對(duì)主噴射循環(huán)噴油量的影響

通過(guò)調(diào)節(jié)噴油脈寬，分別將預(yù)噴射和主噴射的基準(zhǔn)循環(huán)噴油量標(biāo)定為6．2mm3和60．0mm3。圖5示出了不同噴射間隔的預(yù)－主噴射仿真試驗(yàn)獲得的主噴油量變化曲線，其中噴射間隔從2°變化到32°。由圖可知，不同噴射間隔時(shí)，相同預(yù)噴射對(duì)主噴射循環(huán)噴油量的影響是不同的，主噴油量隨著噴射間隔的變化呈現(xiàn)出類余弦曲線的波動(dòng)規(guī)律，最小油量為58．3mm3，最大油量為61．9mm3，波動(dòng)幅值為3．6mm3。本研究進(jìn)行了不同噴射間隔條件下的預(yù)－主噴射仿真試驗(yàn)研究，圖6示出了噴射間隔為4°，18°和32°時(shí)的盛油槽壓力和針閥升程曲線。由圖可知，預(yù)噴射激起了盛油槽內(nèi)部劇烈的壓力波動(dòng)，盡管相同的預(yù)噴射引起的壓力波動(dòng)是相同的，但是由于不同噴射間隔的主噴射針閥抬起和落座的時(shí)刻不同，導(dǎo)致了主噴油量的差別。由此可以看出，針閥動(dòng)作過(guò)程中引起的噴油器內(nèi)部壓力波動(dòng)與針閥響應(yīng)產(chǎn)生的耦合作用影響了主噴油量的大小。

3針閥響應(yīng)與壓力波動(dòng)耦合作用

燃油噴射量可由液體流量計(jì)算方程計(jì)算得出

3．1針閥開(kāi)啟階段圖7示出了噴射間隔為9°和11°時(shí)的盛油槽壓力與針閥動(dòng)作響應(yīng)。按照仿真試驗(yàn)采用的2000r／min的曲軸轉(zhuǎn)速計(jì)算，噴射間隔相差2°，針閥動(dòng)作時(shí)刻應(yīng)相差約0．167ms，而圖7中兩條曲線針閥的開(kāi)啟時(shí)刻僅相差0．115ms，這是由于噴射間隔為9°時(shí)針閥開(kāi)啟時(shí)刻位于盛油槽壓力波谷，壓力絕對(duì)值較低（約為113MPa），控制腔需要更長(zhǎng)的泄油時(shí)間達(dá)到更低的壓力，盛油槽內(nèi)的燃油才能克服控制腔燃油壓力和彈簧預(yù)緊力將針閥抬起，針閥開(kāi)啟時(shí)刻延后，燃油流通時(shí)間縮短。相反，噴射間隔為11°時(shí)，針閥開(kāi)啟時(shí)刻位于盛油槽壓力靠近波峰的位置（約為122MPa），針閥開(kāi)啟時(shí)刻相對(duì)提前，燃油流通時(shí)間增加。噴射間隔為9°時(shí)，主噴射針閥在盛油槽壓力處于波谷時(shí)抬起，之后的盛油槽壓力上升速度明顯下降，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才到達(dá)新的波峰（見(jiàn)圖中橢圓虛線區(qū)域）。相比之下，噴射間隔為11°時(shí)，主噴射針閥在盛油槽壓力接近波峰時(shí)開(kāi)啟，之后的壓力曲線依然按照之前的變化規(guī)律迅速上升達(dá)到波峰。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：預(yù)噴射針閥抬起激起的壓力波會(huì)在盛油槽和控制腔之間傳遞和反射，油槽壓力出現(xiàn)波谷時(shí)壓力波正在向控制腔傳遞，此時(shí)若主噴射針閥抬起，盛油槽的部分燃油會(huì)通過(guò)噴油孔進(jìn)入氣缸，又由于此刻的壓力波正由盛油槽向上方的控制腔傳遞，不利于進(jìn)油油路向盛油槽的燃油“補(bǔ)給”，盛油槽內(nèi)的燃油會(huì)出現(xiàn)“空虛”，使其壓力不能很快上升回到波峰位置，針閥的上升速度也出現(xiàn)明顯下降，達(dá)到最大升程的時(shí)刻相應(yīng)延后，相當(dāng)于其流通面積在一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)減小；相反，如果主噴射針閥在盛油槽壓力波峰附近開(kāi)啟，此時(shí)的壓力波正由控制腔反射回來(lái)向盛油槽傳遞，利于燃油的“補(bǔ)給”，壓力波也會(huì)按照之前的波動(dòng)規(guī)律由波峰經(jīng)歷波谷后又很快回到波峰位置，針閥也以較快的速度上升，更早地達(dá)到最大升程，相當(dāng)于其流通面積在一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)增大。兩條曲線針閥達(dá)到最大升程的時(shí)刻僅相差0．095ms。

3．2針閥最大升程維持階段針閥在最大升程維持階段燃油流通面積是一定的，噴油量大小與對(duì)應(yīng)時(shí)間下的盛油槽壓力直接相關(guān)。由圖8可以看出，兩噴射間隔對(duì)應(yīng)的壓力波動(dòng)曲線在主噴射針閥開(kāi)啟并穩(wěn)定后一直在目標(biāo)軌壓附近小幅均勻波動(dòng)，由積分的等效性可得：兩條壓力曲線均與目標(biāo)軌壓相對(duì)橫坐標(biāo)的積分值近似等。因此，在不考慮流通時(shí)間（針閥響應(yīng)速度不同導(dǎo)致的達(dá)到最大升程和開(kāi)始落座時(shí)刻的差別分別在針閥開(kāi)啟階段和落座階段計(jì)算，此處不考慮）不同的情況下，不同噴射間隔時(shí)，在針閥最大升程維持階段的燃油流量是基本相同的，該階段并不影響主噴射循環(huán)噴油量的大小。

3．3針閥落座階段由圖7可知，噴射間隔為9°時(shí)的針閥下降時(shí)刻位于盛油槽壓力波峰靠下的位置（約為123MPa），而噴射間隔為11°時(shí)的針閥下降時(shí)刻則剛好位于盛油槽壓力波峰位置（約為125MPa），兩條曲線針閥下降時(shí)刻相差0．164ms，與2°的噴射間隔相位差折合時(shí)間僅相差0．003ms。其原因是：1）針閥下降時(shí)刻盛油槽壓力波動(dòng)經(jīng)過(guò)衰減幅值較小，兩曲線波峰和波谷的最大壓力差也僅為7MPa左右；2）控制腔進(jìn)油過(guò)程只開(kāi)啟進(jìn)油孔而出油孔關(guān)閉，建壓過(guò)程比針閥開(kāi)啟時(shí)的泄壓過(guò)程更加迅速，能夠在較短時(shí)間內(nèi)在控制腔建立高壓，使盛油槽的壓力差影響過(guò)程較為短暫。同樣由圖7還可知，兩條曲線針閥最終落座時(shí)刻相差了0．169ms，雖然比開(kāi)始下降時(shí)刻又有了0．005ms的延遲，但是由于盛油槽壓力波形變化趨勢(shì)一致，影響非常小。針閥落座之后，壓力波的傳遞空間從敞開(kāi)空間變?yōu)榱朔忾]空間，壓力波與反射面發(fā)生碰撞后瞬間反向，并與原波形產(chǎn)生疊加，使壓力波在圖中矩形虛線區(qū)域有小幅值上升。綜上所述，預(yù)噴射引起的壓力波動(dòng)主要通過(guò)影響主噴射針閥開(kāi)啟階段進(jìn)而影響其循環(huán)噴油量，因此，主噴油量的大小就取決于其出現(xiàn)在盛油槽壓力波的位置，即直接由噴射間隔的大小決定。通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，圖7中主噴油量隨噴射間隔變化的曲線規(guī)律與圖8中單獨(dú)進(jìn)行預(yù)噴射時(shí)盛油槽內(nèi)的壓力波動(dòng)曲線變化規(guī)律一致，這也從側(cè)面證明了上述結(jié)論。雖然主噴射結(jié)束后盛油槽的壓力波動(dòng)已經(jīng)衰減到幅值較小的程度，但是由圖7可以看出，兩條壓力波曲線依然有一定差別，通過(guò)前面的分析可知，如果在主噴射之后進(jìn)行后噴射，后噴油量必然不同。同時(shí)，如果預(yù)、主噴射之間的噴射間隔不同，后噴射進(jìn)行時(shí)的盛油槽壓力也會(huì)不同，若主、后噴射之間的噴射間隔也不相同，那么后噴射油量的變化規(guī)律將更加復(fù)雜。由此也可以看出，共軌噴油器在進(jìn)行噴油時(shí)，其針閥響應(yīng)和內(nèi)部壓力波動(dòng)是相互耦合影響的，預(yù)噴射針閥動(dòng)作引起的盛油槽壓力波動(dòng)會(huì)影響主噴射針閥響應(yīng)，反過(guò)來(lái)主噴射針閥的動(dòng)作也會(huì)改變盛油槽壓力的波動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而對(duì)后續(xù)噴射產(chǎn)生更加復(fù)雜的影響。

4針閥響應(yīng)與壓力波動(dòng)解耦分析

由于液壓容腔具有與電容相似的容性作用，液壓管路具有與電感相似的延遲、阻流和振蕩的感性作用，因此不考慮管路阻尼和節(jié)流作用，對(duì)高壓油路內(nèi)的一維非定常流動(dòng)進(jìn)行分析時(shí)，可將系統(tǒng)視為由電容和電感組成的電路系統(tǒng)，從而采用電傳輸理論對(duì)噴油器工作過(guò)程中的多種物理量進(jìn)行描述，更加清晰地揭示針閥響應(yīng)與壓力波動(dòng)之間的耦合影響［14－15］。

4．1噴油器內(nèi)部油道長(zhǎng)徑比的影響由圖10可以看出，當(dāng)減小噴油器內(nèi)部油道長(zhǎng)度，并且增加其直徑時(shí)，主噴油量隨噴射間隔的波動(dòng)幅值明顯減小，并且衰減速度加快。當(dāng)油道長(zhǎng)度由10cm變?yōu)?cm，直徑由2mm變?yōu)?mm時(shí)，主噴油量的波動(dòng)幅值由3．6mm3減小到了1．8mm3，下降幅度高達(dá)50％。因此，能夠通過(guò)減小噴油器內(nèi)部油道長(zhǎng)徑比的方法降低針閥響應(yīng)和壓力波動(dòng)之間的耦合程度。該方法可通過(guò)去掉噴油器針閥上方控制活塞的方式實(shí)現(xiàn)，使控制腔直接作用于針閥上端面，減小噴油器入口到盛油槽的距離。

4．2盛油槽容積的影響在減小內(nèi)部油道長(zhǎng)徑比的基礎(chǔ)上，再將盛油槽容積減小至0．02cm3。由圖11可知，主噴油量的波動(dòng)幅值減小到1．7mm3，相比盛油槽容積為0．05cm3時(shí)減小了0．1mm3，針閥響應(yīng)和壓力波動(dòng)的耦合程度進(jìn)一步降低。因此，通過(guò)減小盛油槽容積的方法也能對(duì)針閥響應(yīng)和壓力波動(dòng)之間的耦合影響進(jìn)行解耦，但是效果不顯著。

5結(jié)論

a）預(yù)－主噴射時(shí)主噴油量會(huì)隨著噴射間隔的變化產(chǎn)生類余弦曲線波動(dòng)，當(dāng)主噴射基準(zhǔn)油量為60．0mm3時(shí)，波動(dòng)幅值可達(dá)3．6mm3；b）預(yù)噴射引起的盛油槽內(nèi)的壓力波動(dòng)是影響主噴油量大小的根本原因，該壓力波會(huì)與針閥響應(yīng)產(chǎn)生耦合作用，改變針閥開(kāi)啟階段的動(dòng)作規(guī)律，進(jìn)而影響主噴射循環(huán)噴油量的大小；c）通過(guò)減小噴油器內(nèi)部油道長(zhǎng)徑比和盛油槽容積的方法均能對(duì)針閥響應(yīng)和壓力波動(dòng)的耦合影響進(jìn)行解耦，且減小長(zhǎng)徑比的方法效果非常顯著。

作者：王昊 趙冬昶 郭千里 單位：中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)資源中心