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噴射參數(shù)對共軌系統(tǒng)高壓油管壓力波動幅度的影響
2020-05-14 22:19:33· 來源：內燃機學報
1、引言高壓共軌系統(tǒng)多次噴射能有效改善柴油機的排放性和燃油經濟性，但多次噴射時，同一噴油器相鄰兩次噴射的時間間隔很短，前一次噴射引起的高壓油管內燃油壓
1、引言
高壓共軌系統(tǒng)多次噴射能有效改善柴油機的排放性和燃油經濟性，但多次噴射時，同一噴油器相鄰兩次噴射的時間間隔很短，前一次噴射引起的高壓油管內燃油壓力波動會導致后一次噴射的油量出現(xiàn)偏差，不利于柴油機性能的改善。隨著排放法規(guī)的日益嚴格，多次噴射在柴油機控制策略中的應用已經成為必然趨勢。目前，軌壓和噴油脈寬對噴油器關閉后高壓油管內燃油壓力波動幅度的影響規(guī)律的研究還不夠深入。筆者通過試驗研究了軌壓和噴油脈寬對噴油器關閉后入口處高壓油管內燃油壓力波動的影響，結果表明壓力波動幅度隨軌壓和噴油脈寬的變化均不是單調的。采用 CFD 方法建立了入口邊界條件為恒定壓力，出口邊界條件為孔口出流，且考慮燃油黏性的一維管路模型，并運用MacCormack 和 TVD 有限差分法求解，該模型很好地解釋了噴油器開始關閉時刻對壓力波動幅度的影響機理。最后，結合仿真結果，通過對比試驗總結了軌壓和噴油脈寬對噴油器關閉后高壓油管內燃油壓力波動幅度的影響規(guī)律。
2、試驗
首先研究了軌壓和噴油脈寬對噴油器入口處高壓油管內燃油壓力波動幅度的影響。為了直觀地比較不同條件下的噴油器入口處燃油壓力波動幅度，對采集到的壓力試驗數(shù)據做了處理，即將壓力信號減去目標軌壓，結果稱為壓力波動信號。試驗設備包括驅動電機、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、電流傳感器、壓阻式動態(tài)壓力傳感器和單次噴射儀。壓阻式動態(tài)壓力傳感器用于獲取噴油器入口處燃油壓力信號。
2.1 軌壓對壓力波動幅度的影響
燃油溫度為25℃，噴油脈寬為1ms，連接噴油器和共軌管的高壓油管長度和直徑分別為300mm和1.5mm，在軌壓為40MPa、60MPa、80MPa和100MPa下得到噴油器入口處的壓力波動信號，如圖1所示。噴油脈寬、高壓油管長度和直徑固定的情況下，噴油器入口燃油壓力波動幅度在軌壓由40MPa 增加到100MPa的過程中呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。
圖1 軌壓對壓力波動的影響
2.2 噴油脈寬對壓力波動幅度的影響
燃油溫度為25℃，軌壓為60MPa，高壓油管的長度和直徑分別為300mm和1.5mm，在噴油脈寬為0.2ms、0.6ms、1.0ms和1。4ms的情況下得到的噴油器入口處壓力波動信號，如圖 2 所示。其它條件固定不變，噴油脈寬從0.2ms增大到1.4ms的過程中，噴油器入口燃油壓力波動幅度先增大后減小。
圖2 噴油脈寬對壓力波動的影響
3、仿真計算
圖2說明噴油器關閉引起的壓力波動的幅度大小與噴油器開始關閉的時刻有關。噴油器控制油路流量較小，對噴油器關閉后入口壓力波動的影響較小，因此忽略控制油路的影響，將連接噴油器和共軌管的高壓油管以及從噴油器入口到噴孔間的油路簡化為內徑均勻的一維管路。采用CFD方法建立一維管路模型，并基于該簡化模型研究噴油器開始關閉時刻對壓力波動幅度的影響機理。
3.1一維管路CFD模型
簡化得到的一維管路模型如圖 3 所示，管路左端為與共軌管連接的高壓油管入口，右端為噴孔。x為空間自變量，高壓油管入口處對應的x為0。
圖3 一維管路模型
對三維N-S方程進行簡化，得到一維管路的連續(xù)性方程
動量方程為
式中：ρ為燃油密度；u為燃油流速；t為時間；p為燃油壓力；τxx為黏性正應力；fx為體積力。
τxx的計算方法為
式中：μ為燃油的動力黏度。
不考慮燃油重力，將管路壁面對燃油的作用力等效為體積力，等效后得到的體積力計算式為
式中：d 為管路直徑；τw為管路壁面對燃油的剪切力，當管內燃油流動為層流時，有
當管內燃油流動為湍流時，有
式中，λw為管路沿程阻力系數(shù)，與管路材料以及壁面粗糙度有關。除式(1)、式(2)之外，還需要一個燃油物理特性方程。所用燃油為-20號柴油，文獻給出了該柴油的密度與溫度和壓力的關系。
3.2 求解及穩(wěn)定性條件
MacCormack有限差分法在時間和空間上均具有二階精度，與傳統(tǒng)的特征線法以及迎風格式等在時間和空間上均為一階精度的方法相比，在平滑區(qū)域解的精度更高，但MacCormack方法存在色散現(xiàn)象，會導致在解突變的地方發(fā)生振蕩，降低求解精度。一維管路模型中，右端噴孔的打開和關閉的速度均較快，必然導致燃油壓力和速度的突變。為了消除色散現(xiàn)象，提高突變處解的精度，增加了TVD格式。
a為燃油的聲速，為了使數(shù)值解穩(wěn)定，時間間隔Δt和空間間隔Δx的選擇必須滿足CFL條件為
3.3 模型的可行性
從共軌管到噴孔的實際流動與一維管路模型的區(qū)別包括：1）實際流動中，噴油器打開后，共軌管內的壓力會有較小幅度的降低；2）實際管路的橫截面并不是均勻的；3）模型只考慮了黏性正應力和管路壁面剪切力導致的損失。
雖然一維管路模型與實際流動存在以上區(qū)別，但該模型僅用于說明噴油器開始關閉時刻對關閉后高壓油管及噴油器油路中壓力波動幅度的影響規(guī)律和機理。模型的左邊界條件為恒定壓力入流，右邊界條件為孔口出流，左右邊界條件的類型與實際流動相同。因此，模型中噴孔開始關閉時刻對一維管路內壓力波動幅度的影響規(guī)律與噴油器開始關閉時刻對噴油器入口壓力波動幅度的影響規(guī)律相同。
4、結果與討論
4.1 噴油器打開導致的壓力波動
一維管路長度為390mm，直徑為1.5mm，噴孔直徑為0.2mm，初始壓力為60MPa。噴孔外部壓力為1MPa，從0.5ms開始經過0.2ms完全打開。打開過程中，橫截面積隨時間的變化為線性變化。噴油器入口約位于 x＝300mm處。
噴孔打開后，一維管路內不同位置處壓力隨時間變化的仿真結果如圖4所示，噴孔突然打開后，即使不關閉，一維管路內仍有壓力波動，離噴孔較遠位置處的壓力變化相對于離噴孔較近位置處的壓力變化有時間延遲。此外，各位置的最大壓力波動幅度不同。
圖4 噴孔突然打開后一維管路不同位置的壓力
噴油器打開同樣會引起高壓油管和噴油器油路內的燃油壓力發(fā)生波動。軌壓為60MPa、高壓油管長度和直徑分別為300mm和1.5mm、噴油脈寬為1.5ms的情況下，試驗得到噴油器驅動電流信號和噴油器入口處的壓力波動信號如圖5所示。
由電磁式共軌噴油器的原理可知，噴油器針閥開始落座(噴油器開始關閉)的時刻滯后于噴油器驅動電流開始下降的時刻（即驅動脈沖結束的時刻）。圖5中，噴油器驅動電流從2.5ms開始下降，噴油器入口壓力在2ms已經開始增大，而不是一直下降，這說明噴油器打開會導致油路內產生壓力波動。
圖5 1.5ms下噴油器驅動電流及入口壓力波動
4.2 噴油器開始關閉時刻對壓力波動幅度的影響
噴孔在圖4中點O對應的時刻打開。390mm處壓力曲線上的點A、B、C、D、E、F和G對應的時刻分別為0.7ms、1.0ms、1.25ms、1.5ms、1.7ms、2.0ms和2.2ms。為了研究噴孔開始關閉時刻對一維管路內壓力波動幅度的影響，在模型中設置噴孔分別在點B、點D和點F對應的時刻開始關閉，計算得到圖4中3個位置處的壓力隨時間的變化如圖6所示。
除以上3個時刻外，還在每相鄰的兩個時間點之間取了多個點進行仿真，結果表明壓力波動幅度隨關閉時刻的變化趨勢在這些中間點處以及點A、C、E和G沒有發(fā)生轉折，因此，不列出這些點的計算結果。
圖6 噴孔在點B、點D和點F關閉后一維管路不同位置的壓力
噴孔開始關閉的時刻從點O對應的時刻向點B對應的時刻移動時，一維管內壓力波動的幅度逐漸增大。對比圖6a和圖6b可以看出，噴孔關閉時刻由1ms變?yōu)?.5ms時，噴孔關閉后，一維管路內各點壓力波動幅度逐漸減小。從圖6b中可以看到，噴孔關閉后，一維管路內各位置處壓力波動幅度的最大值不超過2MPa。
對比圖6b和圖6c可以看出，噴孔關閉時刻由1.5ms變?yōu)?ms，噴孔關閉后，一維管路內各點處的壓力波動幅度隨噴孔開始關閉時刻的變化逐漸變大。噴孔關閉時刻由2ms(點F)變?yōu)?.2ms(點G)時，噴孔關閉后，一維管路內各點處的壓力波動幅度逐漸減小。
由圖6可知，如果考慮燃油黏性及其它壓力損失，一維管路內各點壓力波動的幅度隨噴孔開始關閉時刻的變化呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律，但壓力波動幅度隨開始關閉時刻的推遲逐漸衰減。如果不考慮燃油的黏性以及其它壓力損失，一維管路內各點的壓力波動幅度隨噴孔開始關閉時刻的變化呈周期性的變化規(guī)律。
圖6中，噴孔打開后，一維管路中噴孔處壓力曲線上的點B、點D和點F為壓力隨時間的變化趨勢發(fā)生轉折的點。噴孔打開，噴孔處壓力開始下降，當噴孔開始關閉的時刻從噴孔打開時刻逐漸向噴孔處壓力開始上升的點B靠近時，噴孔關閉后，一維管路內壓力波動幅度逐漸增大；當噴孔開始關閉的時刻從噴孔處壓力開始上升的點B向噴孔處壓力開始下降的點D靠近時，噴孔關閉后，一維管路內壓力波動幅度逐漸減小；當噴孔開始關閉的時刻從噴孔處壓力開始下降的點D向噴孔處壓力開始上升的點F靠近時，噴孔關閉后，一維管路內壓力波動幅度逐漸增大。
一維管路內不同位置處的燃油壓力不同，根據流體力學的相似原理可知，噴油器入口壓力和噴油器內噴孔處壓力也存在差異，且兩者之間的差異與一維管路模型中x＝300mm和x＝390mm處壓力之間的差異相似。高壓共軌噴油器內燃油壓力高、空間小及運動偶件之間的配合精密，導致無法在噴油器噴孔附近安裝動態(tài)壓力傳感器來測試噴孔處的燃油壓力，只能依據噴油器入口壓力和噴油器內噴孔處壓力之間的差異，通過噴油器入口壓力來間接說明噴油器開始關閉時刻在噴油器打開后，噴油器內噴孔處壓力曲線上所處的位置異相似。高壓共軌噴油器內燃油壓力高、空間小及運動偶件之間的配合精密，導致無法在噴油器噴孔附近安裝動態(tài)壓力傳感器來測試噴孔處的燃油壓力，只能依據噴油器入口壓力和噴油器內噴孔處壓力之間的差異，通過噴油器入口壓力來間接說明噴油器開始關閉時刻在噴油器打開后，噴油器內噴孔處壓力曲線上所處的位置。
相同的目標軌壓下，噴油器開始關閉前，小脈寬對應的噴油器入口壓力曲線與大脈寬對應的噴油器入口壓力曲線基本重合，兩條曲線開始分離的點是小脈寬噴射時噴油器開始關閉的時刻，因此可以通過壓力曲線的對比來確定噴油器開始關閉的時刻。所用高壓共軌系統(tǒng)允許的噴油器最大噴油脈寬為1.5ms，將圖2中不同脈寬下的壓力波動曲線與同一軌壓(60 MPa)下、噴油脈寬為1.5ms時的壓力波動曲線繪制在一起，如圖7所示。
圖7 相同軌壓、不同脈寬下的噴油器關閉時刻
圖7示出了不同脈寬下的壓力波動曲線與1.5ms噴油脈寬對應的壓力波動曲線的分離點，即噴油器開始關閉的時刻。點1、點2、點3和點4分別為0.2ms、0.6ms、1.0ms和1. 4ms 噴油脈寬對應的壓力波動曲線與 1.5ms 噴油脈寬對應的壓力波動曲線的分離點。在點 4 之前、 1.5ms 噴油脈寬下，噴油器沒有開始關閉，因此 1.5ms 噴油脈寬對應的壓力波動曲線上點 4 之前的壓力波動是由噴油器的打開導致的，結合仿真結果給出的一維管路模型中 x ＝ 300mm 和 x ＝ 390mm 的差異，可以依據 1.5ms 噴油脈寬對應的壓力波動曲線上點 4 之前的部分來判斷噴油器開始關閉時刻在噴油器打開后，噴油器內噴孔處壓力曲線上所處的位置。
噴油器打開后，噴油器內噴孔處壓力隨時間變化的曲線上壓力開始上升的點滯后于噴油器入口壓力開始上升的點，因此，60MPa軌壓下，噴油器打開后噴孔處壓力波動曲線上對應的點B處于圖7中的點2和點3之間，且更靠近點3。噴油器內噴孔處壓力隨時間變化的曲線上壓力開始下降的點滯后于噴油器入口壓力開始下降的點，所以圖7中的點4位于噴孔前壓力波動曲線上相應的點D之前。結合圖6顯示的仿真結果可知，在60MPa軌壓下，噴油脈寬由0.2ms增大到1.4ms時，噴油器關閉后管路內壓力波動幅度隨噴油脈寬的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，與圖 2 的試驗結果一致。
綜上，一定的目標軌壓下，噴油器關閉后，高壓油管以及噴油器油路內壓力波動幅度隨噴油器開始關閉時刻的變化趨勢在噴油器打開后，噴油器內噴孔處壓力開始上升的點和開始下降的點處發(fā)生轉折。當噴油器開始關閉的時刻從噴油器內噴孔處壓力開始上升的點向壓力開始下降的點移動時，壓力波動的幅度逐漸減小。當噴油器開始關閉的時刻從噴油器內噴孔處壓力開始下降的點向壓力開始上升的點移動時，壓力波動的幅度逐漸增大。
4.3 噴射參數(shù)對壓力波動幅度的影響規(guī)律
4.3.1 噴油脈寬
增大軌壓，噴油器打開后的壓力波動頻率增大，即使噴油脈寬相同，噴油器開始關閉的時刻在不同軌壓下的噴油器打開后，噴油器內噴孔處壓力曲線上所處的位置也不同。因此，一定的噴油脈寬變化范圍、不同的軌壓下，壓力波動幅度隨脈寬的變化會呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。
與圖2所示結果的條件相同，在軌壓分別為20MPa和100MPa下，噴油脈寬從0.2ms增大到0.8ms的過程中，壓力波動的幅度均隨噴油脈寬的增加而增大，為了使圖片更清楚，沒有將0.2ms到0.8ms對應的壓力波動曲線繪出。當噴油脈寬從0.8ms增大到1.4ms的過程中，壓力波動的幅度隨噴油脈寬的變化在兩種軌壓下呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，如圖8所示。從圖8a中可以看到，20MPa軌壓下，噴油脈寬從0.8ms增大到1.4ms，壓力波動幅度隨噴油脈寬的增大而減小。從圖8b可知，100MPa軌壓下，壓力波動幅度隨噴油脈寬的增大先減小后增大。
圖8 不同軌壓下噴油脈寬對壓力波動幅度的影響
4.3.2 軌壓
圖 9 為不同軌壓下，1.0ms和1.5ms噴油脈寬對應的噴油器入口壓力波動曲線，且給出兩條曲線的分離點，即1.0ms噴油脈寬下噴油器開始關閉的時刻?？紤]噴油器內噴孔處壓力與噴油器入口壓力之間的差異，由圖9可以看出，與60MPa軌壓下的情況相比，40MPa軌壓、1.0ms噴油脈寬下，兩條曲線的分離點(即1.0ms噴油脈寬下噴油器開始關閉的時刻)更靠近相應的噴油器打開后，噴油器內噴孔處壓力曲線上的點B，所以40MPa、1.0ms對應的噴油器關閉后的壓力波動幅度應該大于60MPa、1.0ms對應的噴油器關閉后的壓力波動幅度，但圖1中的試驗結果卻恰好相反。這說明當噴油脈寬一定時，軌壓通過兩種途徑來影響噴油器關閉后的壓力波動幅度。首先，軌壓影響壓力波動的頻率，進而影響噴油器開始關閉時刻在噴油器打開后，噴油器內噴孔處壓力波動曲線上所處的位置，所以影響壓力波動的幅度。其次，軌壓增大導致壓力波動的能量增加，進而增大壓力波動的幅度，圖1中，噴油器打開后，壓力下降的幅度隨著軌壓的增加而增大說明了這一點。
圖9中，當軌壓從60MPa增大到100MPa時，噴油器開始關閉的時刻在對應的噴油器打開后，噴油器內噴孔處壓力曲線上向著噴油器關閉后壓力波動幅度減小的方向移動，噴油器關閉后壓力波動幅度隨著軌壓的增大而減小，如圖1所示，說明噴油器開始關閉時刻在噴油器打開后，噴油器內噴孔處壓力波動曲線上所處位置的改變導致的壓力波動幅度的減小量大于因軌壓增大而導致的壓力波動幅度增大的量。此外，圖8a中壓力波動的最大幅度約為±2MPa，而圖8b中1.2ms下的壓力波動幅度最小，但也遠遠超過了±2MPa，因此，整體上看，壓力波動幅度隨軌壓的增加而增大。
圖9 不同軌壓下1.0ms噴油脈寬噴油器開始關閉時刻
與圖1相比，比1.0ms更小的噴油脈寬可以實現(xiàn)軌壓從40MPa增大到100MPa時，壓力波動幅度逐漸增大。其它條件與圖1的試驗條件相同，噴油脈寬為0.4ms時，不同軌壓下的噴油器入口壓力波動如圖10所示。噴油器關閉后，入口壓力波動幅度隨軌壓的增加而增大。
圖10 不同軌壓對壓力波動幅度的影響
長度為l的管路，其內部燃油壓力波動的周期
-20號柴油的聲速與燃油壓力的關系是非線性的，根據式(8)可知，管路內壓力波動的周期隨燃油壓力的變化也是非線性的，即在不同的軌壓下，相同的軌壓變化量不能帶來相同的壓力波動周期變化量。因而，雖然壓力波動幅度隨軌壓的增大呈現(xiàn)出非單調的、往復的變化，但往復變化的周期不是恒定的。相同軌壓變化量帶來的聲速的變化量隨軌壓的增加逐漸減小，因此壓力波動幅度隨軌壓的增大往復變化的頻率也越來越低。
5、結論
(1)噴油脈寬的變化改變噴油器開始關閉的時刻，其它條件一定，如果噴油脈寬的變化范圍有限，則高壓油管以及噴油器油路內壓力波動幅度隨噴油脈寬的變化規(guī)律會因軌壓的不同而不同，如一直增大、先增大后減小及先減小后增大；如果噴油脈寬的變化范圍足夠大，則燃油壓力波動幅度隨噴油脈寬的增大呈周期性的變化規(guī)律，且隨噴油脈寬的增大而衰減。
(2)軌壓的變化改變噴油器打開后壓力波動的頻率，即使噴油脈寬不變，軌壓的變化也會導致噴油器開始關閉時刻在噴油器打開后，噴油器內噴孔處壓力曲線上所處的位置不同；此外，軌壓的增加會增大壓力波動的能量，進而導致壓力波動幅度增大；其它條件一定，當軌壓在有限的范圍內變化時，高壓油管以及噴油器油路內壓力波動幅度隨軌壓的變化規(guī)律會因噴油脈寬的不同而呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，如一直增大、先增大后減小等；當軌壓變化的范圍足夠大時，壓力波動幅度隨軌壓的增加在整體上呈逐漸增大的趨勢，但伴隨著局部的往復變化，且往復變化的周期隨軌壓的增加而增大。
文獻來源
[1]李丕茂,張幽彤,謝立哲.噴射參數(shù)對共軌系統(tǒng)高壓油管壓力波動幅度的影響[J].內燃機學報,2013,31(06):550-556.
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