柴油機高壓共軌管特性分析

柴油機高壓共軌管特性分析作者：西南林學院交通學院張飛費建國王海軍摘要：高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)能夠有效的改善柴油機的排放性能,利用AMESim軟件建立其仿真模型,分析了共軌管容積、長徑比、內徑和長度等參數(shù),對高壓共軌系統(tǒng)的壓力建立和壓力波動的影響,并在共軌試驗臺架上驗證模型的可靠性與精確性。關鍵詞：高壓共軌;AMESim;模型;壓力波動隨著國家對能源與環(huán)保的日益重視,先進的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)在我國將逐步普及,高壓共軌電控噴射系統(tǒng)是在電控分配泵系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來，完全滿足降低排放，提高發(fā)動機動力性方面的時代要求。國外在這方面的研究已取得成熟的應用成果國內的研究單位主要有：天津大學、武漢理工大學、北京理工大學、無錫油泵油嘴研究所、上海交通大學等。在可預見的將來,必將在國內廣泛采用。高壓共軌噴射系統(tǒng)涉及到計算機、傳感器、電子技術和控制理論等。實驗系統(tǒng)復雜而昂貴,利用計算機仿真技術可以先摸清其特性后再進行實物試驗,大大的節(jié)約研究成本。本研究選擇安裝在4缸直列493柴油機上的BOSH單軌共軌系統(tǒng)建模仿真,再與試驗結果對比,優(yōu)化影響噴射特性的各參數(shù)。目前應用于流動仿真的一維仿真軟件比較多，例如FlowmasterInternationalLtd公司的flowmaster軟件,AVL公司的HYDSim軟件和IMAGINE公司的AMESim軟件。本研究采用AMESim仿真軟件，他具有友好的人機交互界面以及豐富的元件庫，使用方便，大大減小了系統(tǒng)設計分析中的人工工作量，可以使用戶迅速達到建模仿真目的。因此被奔馳、福特、通用等很多整車制造廠家和BOSCH、DELPHI等零配件廠商應用。建立高壓共軌系統(tǒng)模型高壓共軌系統(tǒng)的結構原理BOSCH公司開發(fā)的高壓共軌系統(tǒng)，主要由低壓系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、電控單元(ECU)、電控噴油器總成等子系統(tǒng)組成，低壓油從油箱進入三柱塞高壓泵產(chǎn)生高壓油經(jīng)由高壓油管進入共軌管，再經(jīng)由高壓油管分配到噴油器入口端，通過控制噴油器電磁閥控制噴油，限壓閥是當共軌壓力超過一定數(shù)值時，開啟進行卸壓。高壓共軌系統(tǒng)數(shù)學模型一般來說,高壓共軌噴油系統(tǒng)數(shù)學模型由電磁類模型、容器類模型（柱塞腔、共軌腔、控制腔、噴嘴腔、壓力室）、運動件模型（針閥、控制閥等）、管類模型（共軌管、高壓油管）和流體特性子模型組成。管路模型除了研究燃油的流速和流量之外,還必須研究高壓油管中由于壓力波動產(chǎn)生的傳播現(xiàn)象。模型中的流體采用標準ISO4113柴油,這種液體特性是基于10oC-20oC的試驗測量得到的,包括氣穴和氣泡,超出這個溫度范圍的流體特性采用外插方法。由于實際高壓共軌噴油系統(tǒng)的影響因素十分復雜,模擬計算時如果考慮所有的影響因素是不現(xiàn)實也是不必要的。計算模型的建立取決于計算目的和精度要求,在滿足兩者的基礎上,計算模型力求簡單實用。根據(jù)高壓共軌系統(tǒng)的特點和計算要求,簡化如下:在計算過程中,不考慮油溫隨時間和壓力的變化;燃油的物理性質,即粘度、表面張力、密度、彈性模量僅和壓力有關;除了共軌管和高壓油管,假定其余各腔均為集中容積,燃油向各腔流動,不考慮壓力傳播時間;燃油在各容積中的狀態(tài)變化瞬時達到平衡,同一集體容積內同一瞬時的壓力、密度處處相等;不考慮密封面因加工問題造成的泄漏,只考慮圓柱運動副的泄漏及其對各腔壓力的影響;對高壓共軌系統(tǒng)控制進行簡化,用限壓閥對最高壓力進行開環(huán)控制。1.3高壓共軌系統(tǒng)模型利用AMESim建立高壓共軌系統(tǒng)各部分模型,以調壓閥的建模過程為例,首先分析其結構特征,調壓閥主要由電磁部分和機械部分組成,機械部分包括一個可調節(jié)開度的閥和彈簧,根據(jù)分析建立其模型。三柱塞高壓油泵的每個柱塞由進油閥、柱塞腔、出油閥組成,類似于調壓閥的建模思路,模型考慮柱塞腔因壓油產(chǎn)生的泄漏。其他各部件的建模方法和調壓閥一致。完成各部件子模型的建立之后,按照高壓共軌系統(tǒng)的工作原理連接各部件如圖1。模型驗證模型建立完成之后,設定共軌系統(tǒng)參數(shù),進行模型驗證,主要從啟動過程的共軌壓力建立和壓力穩(wěn)定之后的共軌管中的壓力波動兩個方面進行驗證。啟動過程共軌壓力建立利用AMESim仿真啟動過程,根據(jù)試驗臺架參數(shù)對模型進行設定,在噴油器不噴油條件下,設定高壓油泵的轉速變化,仿真得到啟動過程共軌管壓力建立過程。仿真結果和試驗結果對比,如圖2所示發(fā)現(xiàn)兩者具有一致的趨勢,但是實驗結果相對于仿真結果有一個滯后,所以導致試驗過程中建立壓力時間比較長。試驗結果出現(xiàn)的滯后時間是可以理解的,對于實際試驗過程中,高壓油泵泵油相對于轉速有一個滯后,這屬于機械滯后,共軌管壓力升高相對于泵油也有滯后從壓力建立的角度,利用AMESim建立的模型基本能夠對系統(tǒng)進行仿真研究。

圖2壓力建立過程的仿真結果和實驗結果比較圖2壓力建立過程的仿真結果和實驗結果比較壓力穩(wěn)定之后的共軌管壓力波動設置試驗臺架的高壓油泵轉速穩(wěn)定在1200rpm,共軌管中最高壓力控制在lOOObar,在不噴油條件下測量共軌管出口的壓力波動;同時根據(jù)高壓共軌系統(tǒng)試驗臺架結構參數(shù)和試驗條件對高壓共軌系統(tǒng)模型進行設置、仿真,得到結果。共軌管出口的仿真結果和試驗結果進行比較,發(fā)現(xiàn)實測和仿真得到的壓力波動頻率和幅值基本吻合,計算得到的結果基本上可以反映共軌管內壓力場的情況。研究結果3.1性能初步分析利用驗證過的模型對共軌系統(tǒng)管路進行仿真研究,參數(shù)的選取參考了AMESim例子庫中的設置以及BOSCH公司的某套高壓共軌系統(tǒng);共軌系統(tǒng)除了結構參數(shù),還有仿真過程的運行參數(shù)設定。首先分別在噴油和不噴油條件下進行仿真,噴油條件下共軌管的壓力波動比不噴油時的波動大,而且出現(xiàn)周期不規(guī)則的壓力波動,頻率也增加。這是由于在噴油條件下,油管嘴端壓力在向噴油器供油后出現(xiàn)壓力震蕩,這個壓力震蕩會波及到共軌,如果共軌管內徑小則容積就小,則在油管入口附近的燃油相對較少,對由嘴端傳來的壓力振蕩的吸收和衰減能力小,共軌壓力受其影響而產(chǎn)生振蕩,各油管產(chǎn)生的震蕩與向噴油器供油而產(chǎn)生的壓力變化疊加,就會使共軌壓力波動產(chǎn)生不規(guī)則的變化。共軌壓力波動幅度對噴油器的噴油量影響較大,而波動的不規(guī)則性將會影響各缸噴油的均勻性。共軌管的壓力波動主要是由于高壓油泵供油和向噴油器供油產(chǎn)生的壓力波動疊加而成的,通過調節(jié)高壓油泵的供油周期、始點以及噴油器噴油周期、始點,選擇合適的共軌管容積和高壓油管長度,兩者造成的壓力波動會相互抵消。3.2共軌管參數(shù)研究適當?shù)墓曹壒苋莘e具有削減高壓油泵的供油壓力波動和每個噴油器因噴油過程引起壓力震蕩的作用,使高壓油軌中的壓力波動控制在5MPa以下,但其容積又不能太大,以保證共軌有足夠的壓力響應速度,快速跟蹤柴油機工況變化,初步選取目前BOSCH公司已經(jīng)應用的共軌管尺寸進行仿真。在噴油條件下,壓力建立時間隨著共軌管容積增加而增長;共軌管壓力波動隨著共軌管容積的增大而減小，仿真得出：共軌管容積為36mL時，共軌管中的壓力波動為30bar左右,共軌管容積為15mL時,共軌管中的壓力波動為41bar左右。共軌管容積保持在36mL,在噴油條件，根據(jù)仿真方案設定不同長徑比進行仿真，得出其在一定范圍內變化時,對系統(tǒng)的壓力波動沒有太大的影響如表1。表1長徑比與壓力波動的關系長徑比辿壓力彼動幅值dPmax/bar11.2531.424.6729.39037.7213.3332.7~ 1706.67100.2~設定共軌管內徑為12mm,在噴油條件下,設定不同共軌長度進行仿真,得到結果如表2。當共軌管長度增加,共軌管中的壓力波動先減小,后基本保持不變,但是共軌管中的壓力建立時間隨著長度增加逐漸增加,有較好的線性關系。表2長度對壓力波動與壓力建立的影響

長度L/rm壓力披動幅值dPioai/bar壓力建立時冋t/g18036.20.2822720250.50751280U0.75302560161.2821設定共軌管長度為180mm,在噴油條件下,仿真結果顯示,內徑變小,壓力建立時間減小,這主要是因容積減小導致。在噴油期間,噴油器端的壓力波動隨著共軌管內徑的變化沒有明顯的變化,但是在噴油前后,隨著共軌管內徑變小,壓力波動增加。隨著共軌管內徑增加,共軌中的壓力波動幅值逐漸減小,但是減小的幅度逐漸變小;壓力建立時間隨內徑增加逐漸增加。共軌管的壓力波動隨共軌管容積變化如圖3所示,從圖中可以看出,壓力波動隨共軌管容積的變化分為三個階段:第一階段是壓力波動幅值的急速下降區(qū);第二階段為壓力波動幅值的緩慢下降區(qū);第三階段壓力波動幅值幾乎不變。肓肓qxEuldpw空話揚農(nóng)B小結本文分析了高壓共軌噴射系統(tǒng)的數(shù)學模型,并且建立了高壓共軌系統(tǒng)模型,同時驗證模型的正確性,通過實驗結果和仿真結果的比較,得出結論,模型能夠反映實際系統(tǒng)特性。在此基礎上,分析了部分共軌管路參數(shù),以及高壓泵轉速和共軌管的穩(wěn)定壓力對共軌管壓力波動的影響。上述仿真不僅僅為本研究對象的高壓共軌系統(tǒng)選型提供依據(jù),同時也為后續(xù)研究和高壓共軌技術的普及奠定理論基礎。參考文獻:付永領，祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京?北京航空航天大學出版社,2006.WenyongXiao,FengLiang.AnalysisofCommonRailPressureBuild-UpandAssistantEstabli