（南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，南京210037）

共軌管壓力波動(dòng)對(duì)噴油率影響的仿真研究

代蒙蒙，張永輝

（南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，南京210037）

利用仿真軟件GT-Suit構(gòu)建了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的仿真模型，分析了不同長(zhǎng)徑比下的共軌管內(nèi)的壓力波動(dòng)規(guī)律、平均壓力波動(dòng)規(guī)律、噴油壓力波動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而分析了對(duì)噴油率的影響。通過仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，在共軌管長(zhǎng)為310 mm、長(zhǎng)徑比為16時(shí)，可使噴油系統(tǒng)的穩(wěn)定性最優(yōu)。

高壓共軌 GT-suit壓力波動(dòng) 仿真分析

1 前言

高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)是提高現(xiàn)代柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、改善排放的重要手段之一。高壓共軌噴射系統(tǒng)參數(shù)對(duì)燃燒和排放性能有著重要的影響[1，2]。高壓共軌系統(tǒng)主要由電控單元、高壓油泵、蓄壓器（共軌管）、電控噴油器以及各種傳感器組成。高壓泵和噴油器相互獨(dú)立控制，高壓泵控制共軌管中的油壓，噴油量和噴射規(guī)律由通電脈寬和通電時(shí)刻來控制。根據(jù)車用發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的要求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油規(guī)律的最佳控制，以滿足不斷強(qiáng)化的節(jié)能與排放法規(guī)要求[3]。高壓共軌噴射系統(tǒng)已成為車用柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

燃油系統(tǒng)中的共軌管利用蓄壓器效應(yīng)抑制來自高壓油泵和噴油器中的壓力波動(dòng)[4]。共軌管內(nèi)壓力的波動(dòng)主要由2個(gè)因素引起，一是來自于高壓泵的高壓油的流入，二是高壓油向噴油器的流出。共軌管內(nèi)壓力的波動(dòng)將引起發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的噴油特征和噴油流率變化。Ramamurthi和Patnaik[5]研究了周期性的壓力擾動(dòng)對(duì)燃油噴射的影響。Yuan和Schnerr[6]進(jìn)行了噴射壓力波動(dòng)對(duì)噴孔內(nèi)氣穴形成過程影響的數(shù)值分析。汪翔和蘇萬華[7]通過數(shù)值研究分析了高壓燃油壓力波動(dòng)對(duì)噴孔內(nèi)氣液兩相流的影響。已有明確的試驗(yàn)證據(jù)表明，現(xiàn)實(shí)中柴油機(jī)噴射系統(tǒng)中在接近噴嘴入口處，壓力呈現(xiàn)高頻振動(dòng)特征[8]。共軌管的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)高壓燃油的噴射有著重要影響[9]。確定合適的共軌管結(jié)構(gòu)，降低共軌壓力波動(dòng)

以實(shí)現(xiàn)燃油的精確控制與噴射至關(guān)重要[10]。

來稿日期：2013-09-20 基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目（164106861）作者簡(jiǎn)介：代蒙蒙（1989-），男，本科，主要研究方向?yàn)槠噾?yīng)用技術(shù)。

2 共軌模型的建立

流體分析軟件（CFD）已成為高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)分析及開發(fā)的重要工具。比如，利用AVL公司的HYDSIM軟件建立高壓共軌噴射系統(tǒng)模型[11]，基于GT-Suite建立柴油機(jī)燃油共軌系統(tǒng)模型，研究不同噴油器數(shù)量對(duì)壓力波動(dòng)的影響[10]。利用AVL-FIRE軟件建立TBD234柴油機(jī)高壓共軌燃燒過程仿真計(jì)算模型，分析噴射系統(tǒng)主要參數(shù)對(duì)高壓共軌柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響[1]。對(duì)不同尺寸噴嘴進(jìn)行CFD流場(chǎng)計(jì)算，研究高壓共軌壓力波動(dòng)對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)及噴油規(guī)律的影響[12]；利用AMESim建立高壓共軌系統(tǒng)的模型，分析共軌管參數(shù)對(duì)高壓共軌系統(tǒng)的壓力建立和壓力波動(dòng)的影響[13]?，F(xiàn)有研究成果，對(duì)共軌管系統(tǒng)建模提供了研究基礎(chǔ)，對(duì)共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)規(guī)律及對(duì)噴油流率的影響研究不夠深入。

2.1 基于GT-SUITE的共軌系統(tǒng)建模

GT-Suiter7.0主要包括GT-Power、GT-Suite-MP、GT-Suite、GT-Suite-RT、GT-Power-lab等主要模塊，可完成發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩等性能仿真和噪聲、尾氣后處理系統(tǒng)計(jì)算，以及整車熱管理系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、曲柄機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、車輛動(dòng)力學(xué)、供油系統(tǒng)的仿真、空調(diào)/制冷系統(tǒng)仿真和硬件在環(huán)仿真等功能。利用此軟件，結(jié)合長(zhǎng)城某款電控高壓共軌柴油機(jī)，建立模型見圖1。四缸柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)，在resevoir中設(shè)置初始環(huán)境：壓力是一個(gè)大氣壓，溫度是300 K，以及柴油成分，然后燃油經(jīng)過高壓油泵加壓（加壓到150 MPa），通過壓力調(diào)節(jié)器和damper后進(jìn)入共軌管，最后燃油通過噴油器進(jìn)入各氣缸。共軌管內(nèi)的目標(biāo)壓力設(shè)置為140 MPa，額定流量Q=750 mL/r，噴油孔直徑D=0. 3568 mm，共軌管總長(zhǎng)L=310 mm。

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的原理，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)共軌管內(nèi)壓力沒有影響。以下分別研究了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min、3 500 r/min和4 000 r/min時(shí)的共軌管中平均壓力的變化，其中共軌管直徑選取的是10 mm，如圖2所示。

圖2 共軌管壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖1 高壓共軌燃油系統(tǒng)模型

根據(jù)仿真結(jié)果，隨著轉(zhuǎn)速的升高，共軌管中燃油壓力雖有所升高，最大增加49 MPa，但因轉(zhuǎn)速升高引起的共軌管壓力升高率僅為3.5%，可以認(rèn)為所建高壓共軌模型是合理可靠的?；谶@個(gè)結(jié)論，以下對(duì)共軌管容積改變所做的研究，均以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的條件下進(jìn)行。

2.3 分析參數(shù)的設(shè)定

設(shè)定共軌管的長(zhǎng)徑比為結(jié)構(gòu)參數(shù)，以平均壓力波動(dòng)和瞬態(tài)壓力波動(dòng)率為共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)的評(píng)價(jià)參數(shù)，分析共軌管內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力波動(dòng)的抑制水平的情況。

（1）共軌管長(zhǎng)徑比

式中，

α——共軌管的長(zhǎng)徑比；

L——共軌管的管長(zhǎng)；

D——共軌管的內(nèi)徑。

（2）平均壓力波動(dòng)量

式中，

β——平均壓力波動(dòng)量；

Pmax——共軌內(nèi)最大的壓力波動(dòng)量；

Pmin——共軌內(nèi)最小的壓力波動(dòng)量。

平均壓力波動(dòng)可以反映在極值條件下共軌壓力的波動(dòng)情況。平均壓力波動(dòng)值越小說明平均的壓力波動(dòng)程度越低，越接近輸入的額定壓力。

3 共軌管直徑變化對(duì)管內(nèi)壓力的影響

本仿真實(shí)驗(yàn)是通過改變共軌管直徑來改變共軌管容積，以下分別研究了管徑為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm和30 mm的情形。

3.1 共軌容積的變化所引起的壓力波動(dòng)

發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，噴油器不斷向氣缸內(nèi)噴油，共軌內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生壓力波動(dòng)，而共軌內(nèi)的壓力大小又反過來會(huì)影響噴入氣缸內(nèi)的燃油量。以質(zhì)量流率（mass flow rate）表示噴入氣缸內(nèi)燃油量，單位為kg/s。圖3為共軌管直徑分別為5 mm至30 mm時(shí)軌壓的波動(dòng)情況。從中可以看出隨著共軌容積的增大，壓力振幅減小，管內(nèi)壓力愈趨于平緩，波動(dòng)愈小。當(dāng)直徑達(dá)到20 mm時(shí)，隨著直徑的增大，壓力變化將不再明顯。

根據(jù)圖3中曲線的數(shù)值，計(jì)算出不同長(zhǎng)徑比下軌壓平均波動(dòng)量，見圖4?？梢钥闯觯曹壒苤睆竭x取20 mm是相比于其他直徑較理想的選擇。此時(shí)的共軌管容積不僅能消減共軌管供油而引起的壓力波動(dòng)，而且又使共軌管容積不至于太大，從而保證了燃油能快速地跟蹤柴油機(jī)工況的變化。

3.2 平均軌壓與最高軌壓變化分析

電控燃油系統(tǒng)共軌管內(nèi)壓力大小是由壓力調(diào)節(jié)閥直接控制，有效提高共軌管內(nèi)壓力對(duì)改善噴油霧化和燃燒有重要意義。共軌管的容積大小決定了其蓄油能力的大小，對(duì)油壓將產(chǎn)生一定影響。由于高壓共軌系統(tǒng)中燃油壓力是不斷變化的，用平均壓力與最高壓力定性地描述不同共軌管容積下的燃油壓力。

圖3 不同直徑下共軌管內(nèi)的壓力波動(dòng)圖

圖4 長(zhǎng)徑比與軌壓平均波動(dòng)量的關(guān)系

圖5 不同管徑下平均軌壓

圖5展示了管徑分別為10 mm、20 mm和30

mm時(shí)，共軌管和連接噴油器高壓管路的平均壓力。用同樣方法，可以得到其他直徑下的平均軌壓，見圖6。從圖中可以看出，隨著共軌管直徑的增大，平均軌壓在不斷地增大。在直徑大于20 mm后，平均軌壓趨于穩(wěn)定。

由于共軌管容積參數(shù)的變化，引起噴油器入口端壓力的變化，噴油器附近最高壓力如圖7所示。從圖中可以看出，雖然通過高壓油管（從共軌管連接噴油器的高壓管）的入口最高壓力不同（隨著共軌管直徑的增大而減?。?，但高壓油管的出口最高壓力卻隨著共軌管直徑的增大而增大。這個(gè)壓力可以看作噴油器的噴油壓力，將影響到噴油特征和噴油器的質(zhì)量流率。

4 共軌容積變化對(duì)噴油器質(zhì)量流率的影響

共軌管容積的變化引起共軌系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動(dòng)，而壓力波動(dòng)對(duì)噴油器的噴油過程是有一定影響的。通過研究共軌容積變化對(duì)噴油器質(zhì)量流率的影響，找到二者之間的關(guān)系，對(duì)精確控制燃油噴射有重要意義。

圖6 平均軌壓與管徑的關(guān)系

圖7 噴油器入口端的最高燃油壓力

圖8 不同共軌管直徑下的質(zhì)量流率與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系

圖8為不同共軌直徑下，一缸噴油器的質(zhì)量流

率與曲軸轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)曲線圖。通過對(duì)仿真數(shù)據(jù)的處理，可以得到管徑分別為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm和30 mm時(shí)，一缸噴油器的質(zhì)量流率，見圖9。隨著共軌容積的增大，噴油器的質(zhì)量流率增大，隨后增長(zhǎng)速率越來越??；管徑為20 mm下噴油器的質(zhì)量流率增加趨勢(shì)逐漸趨緩。由此可以得出隨著共軌容積的增大，噴油器的質(zhì)量流率增大，隨后增長(zhǎng)速率越來越小，趨于平穩(wěn)。

圖9 質(zhì)量流率與共軌管直徑關(guān)系

5 結(jié)論

利用GT-suit軟件構(gòu)建了高壓共軌噴油系統(tǒng)的仿真模型。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，共軌管中燃油壓力有所升高，但升高不大，可以粗略認(rèn)為轉(zhuǎn)速對(duì)共軌管壓力無影響。由此可以大幅度減少柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，同時(shí)減少柴油機(jī)的缺陷。

通過仿真數(shù)據(jù)的處理分析，共軌管內(nèi)平均壓力波動(dòng)量隨著長(zhǎng)徑比的減少逐漸趨于平緩。根據(jù)此共軌模型的仿真結(jié)果，長(zhǎng)徑比為16是比較合適的選擇。隨著共軌容積的增大，共軌系統(tǒng)內(nèi)的平均壓力在不斷增大，噴油器的最高壓力也在不斷增大。共軌管長(zhǎng)徑比與噴油器的質(zhì)量流率存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。仿真數(shù)據(jù)表明，隨長(zhǎng)徑比的減少，質(zhì)量流率趨于平穩(wěn)。

1秦建文，陳小敏，潘志軍．柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)參數(shù)對(duì)燃燒和排放性能影響的研究[J]．內(nèi)燃機(jī)車．2012（6）：1-6．

2袁方恩，林學(xué)東，黃丫等．高壓共軌噴射系統(tǒng)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能影響的研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2012，33（2）：11-19．

3林學(xué)東．發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

4杜志環(huán)，周乃君，裴海靈等．軌壓波動(dòng)與噴油量的計(jì)算模型研究[A]高等學(xué)校工程熱物理第十六屆個(gè)國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]，2010：1-5．

5 Ramamurthi K,Patnaik K．Influence of Periodic Disturbances on Inception of Cavitation in Sharp-Edged Orifices．Exp Fluids 2002,33: 720-727．

6 Yuan W,Schnerr G H．Cavitation in Injection Nozzles-Effect of Injection Pressure Fluctuation．In:Fourth International Symposium on Cavitation．Pasadena:California Institute of Technology,2002．

7 Wang X,Su W H．Numerical Investigation on Relationship Between Injection Pressure Fluctuations and Unsteady Cavitation Processes Inside High-Pressure Diesel nozzle Holes．Fuel,2010,89: 2252-2259．

8 Pontoppidan M,Ausiello F,Bella G,et al．Study of the Impact on the Spray Shape Stability and the Combustion Process of Supply Pressure Fluctuations in CR-diesel Injectors[C]．SAE 2004-01-0023．

9王洪榮，張幽彤，王軍等．4JB1柴油機(jī)高壓噴射系統(tǒng)選型及管路匹配[J]．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（10）：1128-1133．

10謝春華，周志昊．柴油機(jī)共軌管壓力波動(dòng)仿真研究與適應(yīng)度分析[J]．現(xiàn)在車用動(dòng)力，2013，149（1）：22-26．

11于建國(guó)，梁超．變?nèi)葑儔簵l件下電控柴油機(jī)共軌管長(zhǎng)徑比對(duì)壓力波動(dòng)的影響[J]．車輛與動(dòng)力技術(shù)，2008，110（2）：26-30．

12繆本樂，安士杰，邵利民．壓力波動(dòng)對(duì)噴嘴內(nèi)流場(chǎng)及噴油規(guī)律影響的仿真研究[J]．船海工程，2009，38（4）：66-69．

13張飛，費(fèi)建國(guó)，王海軍．高壓共軌柴油機(jī)管路特性分析[J]．農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2008（12）：9-13．

Simulation Investigation on Effect of Pressure Fluctuation in High Pressure Common Rail on Injection Rate

Dai Mengmeng,Zhang Yonghui
（College of Automobile and Traffic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China）

High pr essure common rail fuel injection system was established by using simulation software GT-suit.The pressure fluctuation and mean pressure fluctuation in a high pressure common rail system as well as injection pressure fluctuation were analyzed under different length-diameter ratios.The impact of these fluctuations on the fuel injection rate was further analyzed.It resulted from comparing the simulation data that fuel injection system stability was optimal when the common rail pipe length is 310 mm and length-diameter radio is 16.

high pressure common rail,GT-suit,pressure fluctuations,simulation analysis

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.04.002