李洪明+郭韻

摘 要： 高壓共軌系統(tǒng)的結構參數直接影響高壓共軌系統(tǒng)的性能，進而影響到整個發(fā)動機的性能.為了使高壓共軌噴油系統(tǒng)與發(fā)動機能夠較好地匹配，利用GT-SUITE發(fā)動機性能分析軟件建立了高壓共軌系統(tǒng)和發(fā)動機整機的耦合模型，分析了高壓共軌系統(tǒng)的噴油器控制室容積、針閥質量、控制量孔直徑、噴嘴噴孔數和直徑對發(fā)動機性能（動力性、經濟性、排放性）的影響.結果表明：當控制室容積在不超過最小極限值的情況下，應減小控制室容積；在保證針閥運行平穩(wěn)的情況下，應減小其質量；在保證進油量孔充分大、不產生二次噴射的情況下，合理選取進油量孔和出油量孔的直徑，保證針閥的開啟和關閉；根據高壓共軌壓力和最大噴油量的要求，并結合燃燒室形狀選擇噴孔數和直徑.只有在滿足這些條件的情況下，才可以獲得比較好的發(fā)動機綜合性能.

關鍵詞： 柴油機； 高壓共軌系統(tǒng)； 數值模擬

中圖分類號： TK 423文獻標志碼： A

文章編號： 1008-8857（2016）03-0169-07

Abstract： The structure parameters of high pressure common rail system had a direct effect on its performance and thus affected the performance of the engine.In order to make a good match between the high pressure common rail system and the engine，the engine performance analysis software GTSUITE was used to establish their coupling model.The effects of the injector control volume，the mass of the needle valve，the diameter of control orifice，the number of nozzle holes and the diameter of nozzle holes on the performance of the engine including power performance，fuel economy and emissions were analyzed.The results showed that when the control volume was above the minimum limitation，it should be reduced.When the needle valve worked smoothly，its mass should be reduced.When the input holes were large enough and there was no secondary injection，the reasonable diameters of the input holes and the output holes could be selected to ensure that the needle valve could be opened and closed quickly.The selection of the diameter and number of the injection holes depended on the common rail pressure，the maximum injection quantity and the shape of combustion chamber.Under aforementioned conditions，the best performance of the engine could be achieved.

Keywords： diesel engine； high pressure common rail system； numerical simulation

柴油機電控高壓共軌噴油技術是一種能夠提高燃油經濟性以及排放性能的新型噴油技術.由于它在經濟性、排放性等方面的優(yōu)越性能以及柴油機本身所固有的優(yōu)越的動力性能，使其在日本、美國、歐洲等國家和地區(qū)得到了積極的研究并廣泛應用到汽車系統(tǒng)中.但是，其在國內的研究還處于初級階段，與國外研究存在較大差距，所以，有必要對其進行研究.目前，國外的研究主要集中在提高發(fā)動機性能、降低排放和噪聲等方面，例如：系統(tǒng)壓力波動性研究[1-2]；燃油噴霧及燃燒過程的研究[3]；控制策略對發(fā)動機性能和排放的影響[4]等.國內也有學者對高壓共軌系統(tǒng)進行了初步的研究，例如：高壓共軌噴油系統(tǒng)關鍵結構參數對噴油規(guī)律的影響[5-6]；高壓共軌噴油系統(tǒng)結構參數對系統(tǒng)響應特性的影響[7]；高壓共軌噴油系統(tǒng)結構參數對系統(tǒng)性能的影響和改進[8].但是，國內外的大部分研究主要集中在高壓共軌系統(tǒng)本身，并沒有整合共軌系統(tǒng)和發(fā)動機整機對其進行研究，沒有考慮高壓共軌系統(tǒng)與內燃機的相互影響.所以，本文利用GT-SUITE軟件建立模型，并結合實驗，分析針閥控制室容積、針閥質量、噴孔數和直徑對柴油機整機性能（動力性、經濟性、排放性）的影響，為進一步優(yōu)化高壓共軌系統(tǒng)提供依據.

1 系統(tǒng)數值仿真模型建立及驗證

1.1 模型的建立

本文用于研究所建立的模型有柴油機整機模型和高壓共軌噴油系統(tǒng)模型兩部分.本文用于研究的原型機為4HK1-TC型柴油機，其型式為直列式、水冷、四沖程，噴油形式是電子控制高壓共軌噴油.其主要技術參數如表1所示.

本文用于研究的高壓共軌原型為博世CRSN2-16型高壓共軌系統(tǒng)，其主要技術參數如表2所示.

柴油機整機模型主要包括三個部分：進氣系統(tǒng)、氣缸和排氣系統(tǒng).建模時，進氣計算所使用的邊界條件為溫度350 K、壓力0.26 MPa；排氣計算所使用的邊界條件為：溫度700 K、壓力0.15 MPa.缸內氣體流動模型選用EngCylFlow模型和EngCylPistCup模型，分別用于計算缸內氣體流動速度和湍流強度，其計算結果可用于傳熱模型和計算模型的計算.缸內燃燒過程的模擬是發(fā)動機工作過程模擬的核心部分，直接影響到整個模擬的可靠性和計算精度.在建模時，本文選用的燃燒模型是DIJET模型，因為DIJET模型適用于直噴柴油機，可以用來預測燃燒率以及NOx的排放，也可預測碳煙，但是由于模型本身的局限性，對碳煙濃度的預測值不是很準確，只能用來趨勢研究[9].缸內傳熱計算采用EngCylHeatTr模塊和EngCylTWall模塊.在計算傳熱系數時，采用的是woschni模型.采用InjProfileCoon模塊模擬燃油噴射.

高壓共軌噴油系統(tǒng)主要包括三個部分：高壓油泵、共軌管和噴油器.根據高壓共軌系統(tǒng)的結構和工作原理建立了共軌管模型和噴油器模型，將高壓油泵處理成邊界條件，將其看成是一個穩(wěn)定的高壓供油源.

1.2 模型驗證

為了確保仿真結果的準確性，利用在高壓軌噴油系統(tǒng)實驗臺上測得的數據進行了驗證.選擇發(fā)動機轉速范圍為1 000～3 500 r·min-1，將功率、轉矩以及NOx排放的模擬值和實驗值進行對比，其結果如圖1所示.

由圖1可知，模擬值和實驗值的誤差在5%以內，所以可以認定該仿真模型具有一定的準確性，可以用于后續(xù)的仿真計算.

2 仿真結果及其分析

發(fā)動機的性能主要包括動力性、經濟性和排放性，因此本文從轉矩、油耗、NOx排放量和碳煙排放量等指標考量高壓共軌噴油系統(tǒng)的關鍵結構參數對發(fā)動機性能的影響.本文模擬時發(fā)動機轉速為2 100 r·min-1，共軌壓力為150 MPa，噴油提前角為-17°CA，噴油規(guī)律為單次矩形噴射.

2.1 控制室容積影響

在其他各因素都不變的情況下，選擇控制室容積在5～50 mm3范圍內，對其進行仿真.

圖2為控制室容積對發(fā)動機性能影響的仿真結果，其中圖2（a）為控制室容積對發(fā)動機轉矩的影響.由圖中可以看出，隨著控制室容積增大，發(fā)動機轉矩整體上呈線性減小.其原因是控制室容積的大小對控制室內壓力的建立有很大的影響.當控制室容積較小時，控制室內壓力能夠迅速建立，電磁閥開啟，控制室壓力迅速下降，針閥迅速抬起；電磁閥關閉，控制室壓力迅速上升，針閥迅速關閉.而當控制室容積較大時，控制室壓力不能迅速建立，針閥不能夠及時地開啟和關閉，從而導致燃油霧化不良，汽缸內燃油不能及時、完全燃燒，進而造成發(fā)動機的轉矩下降.

圖2（b）為控制室容積對發(fā)動機油耗的影響.由圖中可以看出，發(fā)動機油耗隨控制室容積的增大而呈現波動性，且先上升后下降，但下降不多，下降值在1 g·（kW·h）-1內，可以認為控制室容積對油耗幾乎沒有影響，其影響主要表現在波動性方面.其原因是針閥控制室容積越小會導致給針閥提供的有效升程越小，噴射阻力越大，控制室和盛油腔油壓波動頻率和幅度也會越大，造成針閥開啟、維持和關閉的不穩(wěn)定，引起不正常噴射，從而引起油耗波動.從圖2（b）也可以看出，隨著控制室容積的減小，其波動性增強.

圖2（c）為控制室容積對發(fā)動機廢氣排放量的影響.由圖中可以看出，NOx排放量和碳煙排放量幾乎不隨控制室容積的變化而變化，所以可以認為控制室容積對NOx排放量和碳煙排放量基本無影響.

由以上分析可知，較小的控制室容積有利于提高發(fā)動機的動力性能，但是針閥控制室容積過小會導致針閥開啟、維持和關閉的不穩(wěn)定，引起不正常噴射，使其燃油經濟性降低.另外，針閥的最大升程已經確定，所以針閥控制室的高度受到限制，因此選擇控制室容積在20～30 mm3范圍內比較合適.

2.2 針閥質量的影響

本文設置針閥質量的范圍為2～9 g.圖3為針閥質量對發(fā)動機性能影響的仿真結果，其中圖3（a）為針閥質量對發(fā)動機轉矩的影響.從圖中可以看出，當針閥質量為3 g時，發(fā)動機扭矩達到最大值，但是隨著針閥質量不斷增大，其扭矩逐漸減小.其原因是針閥質量越小，其響應速度越快，但是其穩(wěn)定性越差，所以當針閥質量小于3 g時，其對穩(wěn)定性的影響大于對響應性的影響，從而導致發(fā)動機轉矩下降.

圖3（b）為針閥質量對發(fā)動機油耗的影響.由圖中可以看出，隨著針閥質量增加，其油耗波動性減弱.其原因是針閥質量的增加導致穩(wěn)定性的增加.從圖3（b）也可以看出，對于發(fā)動機油耗，針閥質量對其穩(wěn)定性的影響大于對響應性的影響.

圖3（c）為針閥質量對發(fā)動機廢氣排放量的影響.由圖中可以看出，針閥質量對NOx和碳煙排放量幾乎沒有影響.

由以上分析可知，在選擇針閥質量時應在保證針閥運行平穩(wěn)的前提下盡量減小其質量.

2.3 噴嘴噴孔數和直徑對發(fā)動機性能的影響

本文共設置了11組不同的噴孔數和直徑，其中：第1～5組是在總流通面積近似為0.157 0 mm2時改變噴孔數，求得噴孔直徑；第6～10組是在總流通面積近似為0.188 4 mm2時改變噴孔數，求得噴孔直徑；第11組主要是用來對照.噴孔數和直徑設置如表3所示.

圖4為噴嘴噴孔數和直徑對發(fā)動機性能影響的仿真結果，其中圖4（a）為噴孔數和直徑對發(fā)動機轉矩的影響.由圖中可以看出：第1～5組發(fā)動機的轉矩幾乎無變化；第6～10組發(fā)動機的轉矩也幾乎沒有變化，但比第1～5組有明顯的提高；而第11組的發(fā)動機轉矩卻顯著下降.由此可知，發(fā)動機的動力性能主要受總流通面積的影響.其原因是流通面積增大導致噴油量增大，從而導致單位時間內燃油量增多，進而其扭矩增大.第11組其扭矩急劇減小，可能是因為其流通面積過小導致缸內燃燒的不正常.

圖4（b）為噴油嘴噴孔數和直徑對發(fā)動機油耗的影響.由圖中可以看出，噴孔數和直徑對油耗幾乎沒有影響.而第11組的發(fā)動機油耗的急劇上升明顯是因為噴油量的不足導致燃燒不正常.

圖4（c）為噴油嘴噴孔數和直徑對發(fā)動機排放的影響.由圖中可以看出，在總流通面積一定的情況下，NOx排放量隨著噴孔數的增多而增多，其原因可能是噴孔數增多、噴孔直徑的減小雖然能夠改善燃油的霧化，但是由于在燃燒室內混合氣是否均勻還與燃燒室形狀有關.而不合適的燃燒室形狀正是導致NOx排放量不降反增的原因.另外，總流通面積增大導致NOx排放量減少，這可能是由軌壓和燃燒室的形狀等因素造成的.碳煙排放量隨著總流通面積增加而增加的原因是噴射燃料的增加會導致燃燒不完全.

經過以上分析可知，對于噴嘴噴孔數和直徑的選擇應綜合考慮噴射壓力、燃燒室形狀和最大噴油量等因素.

2.4 控制量孔直徑對發(fā)動機性能的影響

本文設置了9組數據，其中第1～3組、第4～6組、第7～9組各自進油孔直徑不變，改變出油孔直徑.進、出油孔直徑設置如表4所示.

圖5為進、出油孔直徑對發(fā)動機性能影響的仿真結果，其中圖5（a）為控制室進、出油孔直徑對發(fā)動機轉矩的影響.由圖中可以看出，隨著進油孔直徑增大，發(fā)動機轉矩減小.其原因是在進油量孔直徑較小時，當電磁閥打開，由于控制室壓力卸載快，控制室壓力迅速降低，針閥迅速開啟；當電磁閥關閉時，控制室壓力升高緩慢.針閥的響應速度直接影響噴油規(guī)律，進而影響發(fā)動機的轉矩.當進油孔直徑一定而出油孔增大時，發(fā)動機轉矩略微升高，出現了與進油孔直徑增大時截然不同的情況，其原因是控制室壓力變化的快慢影響了針閥升降的快慢.所以為了獲得較大的轉矩，需要采用較小的進油孔直徑配合較大的出油孔直徑.

圖5（b）為進、出油孔直徑對發(fā)動機油耗的影響.從圖中可以看出，出油孔直徑對發(fā)動機油耗幾乎沒有影響，而在進油孔直徑較大時才會對發(fā)動機油耗產生影響.其原因在進油孔直徑達到一定時，電磁閥打開，控制室壓力不能有效降低，針閥開啟過程緩慢，從而引起油耗增多.

圖5（c）為進、出油孔直徑對發(fā)動機排放的影響.從圖中可以看出，隨著進油孔直徑增大，NOx排放量增加，而碳煙排放量降低，而出油孔對兩者卻幾乎沒有影響.其原因是進油孔直徑較小時，當針閥落座后，由于針閥腔壓力波動，可能使針閥再次抬起，產生二次噴射.二次噴射的燃油因為不能完全燃燒，導致燃燒室內溫度下降，從而引起NOx排放量降低，碳煙排放量升高.

由以上分析可知，選擇進、出油孔直徑時，應在保證控制室內壓力迅速建立的情況下，避免產生二次噴射，以獲得較好的發(fā)動機綜合性能.

3 結 論

（1） 控制容積的大小影響了控制室內壓力的建立，進而影響發(fā)動機的性能.控制容積過小，壓力波動增大，燃油經濟性變差.但隨著控制容積的增大，發(fā)動機動力性能降低.所以在保證正常噴射情況下，應盡量減小控制室容積.

（2） 針閥質量越小，其響應速度越快，發(fā)動機的動力性能越好，但穩(wěn)定性降低，導致發(fā)動機經濟性變差.所以在保持運行穩(wěn)定的情況下，應盡量減小針閥質量.

（3） 噴嘴噴孔直徑越小，燃油霧化越好，燃燒性能越好.但是要獲得較好的發(fā)動機性能還需要考慮燃燒室形狀、噴油壓力和最大噴油量的影響.

（4） 進油孔直徑越小，針閥開啟速度快，扭矩增大，油耗減小，但是越有可能產生二次噴射，導致碳煙排放量增多.而出油孔直徑對發(fā)動機性能的影響很小.所以在選擇進、出油孔直徑時，應在不產生二次噴射的情況下，保證控制室內壓力的迅速建立.

由本文的仿真結果可以看出，對于發(fā)動機排放的預測，GTSUITE軟件存在著不足，這反映了一維模型的局限性.另外，仿真中很多影響因素沒有考慮，導致結果與現實情況有出入，今后的研究應深入探究這些因素.

參考文獻：

[1] CATAIANO L A，TONDOLO V A，DADONE A.Dynamic rise of pressure in the commonrail fuel injection system[C].SAE Paper：2002-01-0210，2010.

[2] BEIERER P，HUHTALA K，LEHTO E，et al.Study of the impact of system characteristics on pressure oscillations in a common rail diesel fuel injection system[C].SAE Paper：2005-01-0910，2005.

[3] WICKMAN D D，SENECAL P K，REITZ R D.Diesel engine combustion chamber geometry optimization using genetic algorithms and multidimensional spray and combustion modeling[C].SAE Paper：2001-01-0547，2001.

[4] BADAMI M，MILLO F，D'AMATO D.Experimental investigation on soot and NOx formation in a DI common rail diesel engine with pilot injection[C].SAE Paper：2001-01-0657，2001.

[5] 劉建江.高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的仿真分析及性能測試[D].長春：吉林大學，2008.

[6] 劉峰.柴油機高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真計算研究[D].北京：北京交通大學，2009.

[7] 陸靜兵.共軌噴油器結構參數對液力響應的影響研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[8] 顏松.柴油機高壓共軌系統(tǒng)壓力動態(tài)特性模擬[D].杭州：浙江大學，2005.

[9] KOUREMENOS D A，HOUNTALAS D T，BINDER K.The effect of EGR on the performance and pollutant emissions of heavy duty diesel engines using constant and variable AFR[C].SAE Paper：2001-01-0198，2001.