高压共轨喷油系统多次喷射喷油量的波动

范立云，白云，敬思，刘洋，马修真

(1.哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.成都威特电喷有限责任公司，四川 成都 611731)



高压共轨喷油系统多次喷射喷油量的波动

范立云1，白云1，敬思2，刘洋1，马修真1

(1.哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.成都威特电喷有限责任公司，四川 成都 611731)

针对高压共轨喷油系统在喷油过程中压力波动引起多次喷射稳定性下降的问题，根据系统多次喷射循环喷油量波动特性，建立了系统仿真模型，通过试验验证了模型的准确性。利用所建模型，分别对预-主喷射和主-后喷射中循环喷油量随喷油间隔的波动特性进行研究，分析表明：相同预喷不同主喷时，主喷油量波动幅值随喷射间隔增大而减小，波动周期不随主喷油量增加而变化且波动相位一致，在与整数倍压力波动周期时间差值接近的主喷油持续期内，预主喷射间隔对主喷波动量波动影响规律相似；相同主喷不同预喷时，主喷油量波动幅值随预喷油量增加而增大；相同主喷不同后喷时，随主后喷射间隔增大，后喷油量波动减小，波动周期相同，随后喷油量增加波动幅值变化较小；后喷相同主喷不同时，与整数倍压力波动周期的时间差值相同的主喷持续期，其喷射引起的后喷油量波动规律相似。

内燃机；高压共轨；喷油系统；多次喷射；喷油量；波动特性；数值仿真

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160623.0827.010.html

高压共轨喷油系统具有喷射压力高、喷油定时和喷油规律柔性可调等优点，能有效提高柴油机动力性能[1-3]。高压共轨系统多次喷射技术可以有效改善柴油机燃油经济性并降低排放[4-5]。然而，燃油喷射时激起的压力波动会导致多次喷射时系统循环喷油量波动，而喷油量波动会影响多次喷射中系统循环喷油量一致性，进而对发动机排放及其工作稳定性产生影响。Henein等[6]通过流率测试试验台研究了高压共轨喷油系统主喷、预主喷及主后喷射特性，分析表明：系统循环供油量、供油持续期及不同喷射模式下喷油量特性受燃油压力影响。系统内燃油压力波动传播特性对共轨喷油系统喷射特性影响重大，Catania等[7]建立了共轨喷油系统零维数值模型，通过试验与理论相结合的方法研究了系统多次喷射过程中压力波动频率特性。苏海峰等[8]采用实验测量与数值模拟相结合的研究方法，分析了多次喷射过程中水击压力波动影响下的喷油器控制腔、蓄压腔液力过程和控制球阀、针阀运动规律，结果表明高压共轨多次喷射油量波动是由于水击压力波动对针阀运动特性和喷射压力产生的周期性综合影响造成的。梁凤标等[9]建立了高压共轨喷射系统计算模型，通过试验验证了模型的准确性，分析了系统多次喷射机理，确定了多次喷射的喷油定时和喷油脉冲间隔。祝轲卿等[10]通过对高压共轨喷油系统多次喷射的预喷和主喷油量测量分析，得到了主喷油量在小喷油间隔时明显的波动性，通过试验分析确定了喷油器的电液力延迟和喷油间隔时高压燃油的波动是主要原因。

本文研究了高压共轨喷油系统预-主喷射和主-后喷射过程中循环喷油量随喷油间隔的波动规律，对高压共轨系统优化设计及控制具有重要指导意义。

1　系统工作原理

高压共轨喷油系统主要包括油箱、高压油泵、共轨管、喷油器、电控单元(electronic control unit ，ECU)和各类传感器，其结构示意图如图1所示。

凸轮驱动高压油泵柱塞向上运动，柱塞腔内燃油因被压缩而压力升高并流经高压油管被泵送至共轨管中，共轨管内高压燃油流经高压油管流入喷油器并分为两路，一路通过进油节流孔流入控制腔，另一路流入喷嘴。喷油器电磁阀未通电时，出油节流孔关闭，针阀落座关闭喷孔，系统不喷油。电磁阀通电后，衔铁受电磁力吸引而拉动控制阀杆克服弹簧预紧力向上运动，控制腔内燃油经出油节流孔流入低压油腔，针阀随之开启喷孔，系统喷油。ECU通过调节高压油泵上的量油阀对轨压进行调节，并通过控制电磁阀通断电实现对喷油器进行控制，从而完成对系统的实时控制[11]。

2　仿真模型的建立与验证

高压共轨喷油系统是集电磁、机械和液力于一体系统。因此，需要结合运动件机械运动方程、燃油流动特性方程及电磁场耦合方程等求解系统各特性参数。

柱塞腔连续方程:

(1)

式中:Pp为柱塞腔压力,Vp为柱塞腔容积,E为燃油体积模量,dp为柱塞直径,hp为柱塞升程,Fc为出油球阀有效流通面积,μc为出油球阀流量系数,ρ为燃油密度,Pc为出油阀腔压力,Pi为供油腔压力,δp为柱塞偶件间隙,η为燃油动力粘度,lp为柱塞偶件运动长度,μl为柱塞腔至低压油路的流量系数,Fl为柱塞腔至低压油路有效流通面积,Pl为低压油路压力,γ和ξ为阶跃函数：

柱塞运动方程:

(2)

式中:np为高压供油泵转速,φ为高压供油泵凸轮转角。

电磁场耦合方程:

(3)

式中：U为线圈驱动电压,i为驱动电流,R为励磁线圈电阻,φ为磁通量,Rn为磁路磁阻。

电磁阀运动方程:

(4)

式中：mf为电磁阀运动件质量,hf为电磁阀控制阀杆升程,Ff为电磁力,Fy为电磁阀所受燃油液压力,kf为电磁阀弹簧刚度,hf0为电磁阀弹簧预压缩长度。

共轨管及油管内连续方程及动量方程:

(5)

(6)

式中：p为压力，u为燃油流速，k为燃油粘性阻力系数，x为共轨管或油管长度，t为时间。

控制腔连续方程:

(7)

盛油槽连续方程:

(8)

针阀运动方程:

(9)

式中：mn为针阀运动件质量，hn为针阀升程，fn为针阀横截面积，fna为针阀密封锥面面积，kn为针阀弹簧刚度，hn0为针阀弹簧预压缩长度。

利用方程(1)～(9)并结合初始条件和边界条件等可以求解得出高压共轨喷油系统喷射特性。本文基于上述方程在AMESim仿真平台中建立了高压共轨喷油系统仿真模型，如图2所示。

图2　高压共轨喷油系统仿真模型Fig.2　Simulation model of high pressure common rail injection system

为验证所建立数值模型的准确性，建立了高压共轨喷油系统试验台，如图3所示，系统压力波动特性决定了系统喷油率形状，而系统循环喷油量大小由喷油率决定。图4为轨压120 MPa、喷油脉宽分别为500 μs与1 200 μs两种典型工况下系统喷油率试验测量值与数值仿真结果的对比，由图4可知系统喷油率仿真结果与试验测量值具有较高的一致性，表明所建立的高压共轨喷油系统数值仿真模型能够准确预测系统的喷油特性。

图3　高压共轨喷油系统试验台Fig.3　Test bench of high pressure common rail injection system

图4　不同喷油脉宽下喷油率对比Fig.4　Comparisons of injection rate at different injection pulse widths

3　循环喷油量波动分析

3.1预喷射-主喷射喷油量波动

3.1.1相同预喷不同主喷下喷油量波动

图5为轨压120 MPa下预喷油量(12 mm3)相同，主喷油量不同时，主喷波动量在不同预主喷射间隔下的变化曲线。由图5可知，预喷油量一定时，主喷油量为30 mm3时的主喷油量波动幅度最大，而主喷油量为45、60、90、120 mm3时的主喷油量波动幅度较主喷油量为30 mm3条件下明显减小。此外，主喷油量波动量随预主喷射间隔增大呈衰减式波动变化，喷油量波动幅值随喷射间隔增大而减小；主喷油量波动周期不随着主喷油量增加而变化且波动相位一致。图6是单次喷射油量为12 mm3时盛油槽压力与预-主喷射时预喷油量为12 mm3不同主喷油量下系统喷油率曲线。由图6可知，盛油槽压力波动周期约为1.1 ms，而喷油量为30 mm3的主喷油持续期为0.83 ms，约为0.76倍压力波动周期；主喷油量为45 mm3和90 mm3的主喷波动量波动规律相似，其主喷油持续期分别为1.15 ms和2.15 ms，约为1.05和1.95倍压力波动周期；主喷油量为60 mm3和120 mm3的主喷油量波动规律相似，其主喷油持续期分别为1.49 ms和2.82 ms，约为1.35和2.56倍压力波动周期。因此，在与整数倍压力波动周期时间差值接近的主喷油持续期内，压力波动对主喷波动量的影响规律相似，主喷波动量波动规律随预主喷射间隔增加也相似。当主喷油持续期为压力波动周期整数倍时，压力波动引起的主喷油量波动相互补偿，减少了主喷波动量；而当主喷持续期非压力波动周期整数倍时，主喷持续期内压力随预主喷射间隔增加而波动，由此引起的主喷油量波动也随预主喷射间隔增加而周期性波动。因此，主喷油持续期约为压力波动周期整数倍时的主喷油量波动幅值小于主喷油持续期非压力波动周期整数倍时的主喷油量波动幅值。由预喷射引起的系统内压力波动为随时间增加而幅值衰减的振荡波，随喷油脉宽的增加，主喷油持续期内波动平缓，其引起的主喷波动量相应减小。

图5　相同预喷不同主喷时主喷油量波动Fig.5　The main fuel injection quantity fluctuation at the same pilot injection and different main injection

图6　不同主喷油量下系统喷油率及盛油槽压力Fig.6　The injection rate and fuel pressure in nozzle volume at different main fuel injection quantity

3.1.2相同主喷不同预喷下喷油量波动

图7所示为轨压120 MPa下预喷油量(1、6、12和18 mm3)不同、主喷油量(60 mm3)相同时，主喷波动量在不同预主喷射间隔下的变化曲线。由图7可知，在确定的预喷油量下，主喷波动量随预主喷射间隔增加呈幅值衰减的周期性变化规律，波动幅值小于4 mm3，波动周期在1.06～1.1 ms；主喷油量波动幅值随预喷油量增加而增大，波动相位滞后。

图7　相同主喷不同预喷时主喷油量波动Fig.7　The main fuel injection quantity fluctuation at the same main injection and different pilot injection

轨压为120 MPa喷油量分别为1、6、12和18 mm3时系统喷油率及盛油槽压力如图8所示，系统喷油时盛油槽压力下降，随着喷油脉宽增加，压力下降幅度及时间均增大，随后压力上升并呈减幅周期性波动，波动周期在1.06～1.1 ms且不受喷油量的影响，这是预主喷射过程主喷波动量随预主喷射间隔减幅周期性波动的主要原因。此外，喷油结束时刻随喷油量增加而延迟，盛油槽压力波动相位滞后，导致主喷油波动量相位滞后，同时压力波动幅值随喷油量增加而增大，因此，主喷油波动量波动幅值随喷油量增加而增大。预喷油量相同预主喷射间隔不同时，主喷开始时刻对应的盛油槽压力波动不同，导致主喷油持续期内喷油压力波动不同，主喷油持续期内喷油压力随预主喷射间隔增加呈幅值衰减的周期性波动，引起主喷油波动量随预主喷射间隔增加而衰减性周期波动规律。

图8　不同预喷油量下系统喷油率及盛油槽压力Fig.8　The injection rate and fuel pressure in nozzle volume at different pilot fuel injection quantity

3.2主喷射-后喷射喷油量波动

3.2.1相同主喷不同后喷下喷油量波动

图9所示为120 MPa轨压下主喷油量(120 mm3)相同、不同后喷油量(6、12、18和24 mm3)时，后喷油量波动量随主后喷射间隔变化曲线。

图9　相同主喷不同后喷时后喷油量波动Fig.9　The post fuel injection quantity fluctuation at the same main injection and different post injection

由图9可知，同一主喷油量下，随主后喷射间隔增大，后喷油量波动减小，后喷波动量波动周期相同，随后喷油量增加波动幅值增大，但变化幅度较小，波动幅值变化率随后喷油量增加而减小。后喷喷油持续期小于一个完整压力波动周期(后喷油量为24 mm3的喷油持续期为0.70 ms，约为0.64倍压力波动周期)，当喷油持续期小于0.5倍压力波动周期时，喷油持续期对应的压力波动幅度随喷油持续期增加而增大，当喷油持续期大于半个压力波动周期时，喷油持续期内的前半周期压降得到一定程度的补偿，因此后喷波动量随后喷脉宽增加而增大，但当后喷持续期接近0.5倍压力波动周期时，后喷波动量变化率减小。主喷油量相同时，针阀运动位移相同，针阀位移变化引起的系统内燃油压力波动幅值与周期不变，由于后喷油脉宽较小，系统内激起的燃油压力波动不会相互抵消，所以随着后喷脉宽增加，后喷油量受压力波动影响程度增大。因此，由主后喷油间隔的变化引起的后喷油量波动幅度随后喷脉宽增大而增加。

3.2.2相同后喷不同主喷下喷油量波动

图10为120 MPa轨压下主喷油量(30、45、60、90和120 mm3)不同、后喷油量(6 mm3)相同时，后喷波动量随主后喷射间隔波动规律。

图10　相同后喷不同主喷时后喷油量波动Fig.10　The post fuel injection quantity fluctuation at the same post injection and different main injection

由图10可知，主喷油量为30、60和120 mm3时后喷油量波动规律相似，而主喷油量为45 mm3和90 mm3时后喷油量波动规律相似，前者后喷波动量幅值大于后者。图11为主喷油持续期内不同倍数压力波动周期时盛油槽压力曲线，其中T为压力波动周期(轨压为120 MPa时T为1.1 ms)。若压力波动周期数为N(N为正整数)，主喷油持续期为t，则t∈[(N-1)T,NT]时，t=(N-1)T的喷射结束后盛油腔压力波动幅值最小，而t=(N-0.5)T的喷射结束后盛油腔压力波动幅值最大。若以函数A(T)表示压力波动幅值，则在t∈[(N-1)T,NT]时，不同喷油持续期对应的压力波动幅值由大到小依次为A((N+0.5)T)>A((N+0.75)T)>A((N+0.25)T)>A(NT)>A((N-1)T)。在与整数倍压力波动周期的时间差值相同的喷油持续期内，若喷油持续期不是整数倍压力波动周期，盛油槽压力波动幅值随喷油持续期增加而减小，如图11(a)、(b)、(c)所示。但若喷油持续期为整数倍压力波动周期，盛油槽压力波动幅值随喷油持续期增加而增大，但变化幅度很小，如图11(d)所示。

图11　不同倍数压力波动周期时盛油槽压力Fig.11　The fuel pressure in nozzle volume at different pressure fluctuation period

120 MPa轨压下喷油量为30、45、60、90和120 mm3的喷油持续期分别对应0.76、1.05、1.35、1.95和2.56倍压力波动周期，45 mm3和90 mm3喷油量的喷油持续期均接近整数倍压力波动周期，其喷油结束后引起的压力波动幅值较小，后喷油量波动规律相似且幅值较小，而盛油槽压力波动幅值随喷油持续期增加而增大，因此90 mm3主喷油量引起的后喷油量波动幅值高于主喷油量为45 mm3。喷油量为30、60和120 mm3的喷油持续期均非整数倍压力波动周期，其引起的盛油槽压力波动较大，导致后喷油量波动幅值较大，因30 mm3喷油量的喷油持续期小于一个压力波动周期，而盛油槽压力在第一个周期内波动幅度最大，因此其引起的压力波动幅值最大，相应的后喷油量波动幅值也最大，而120 mm3主喷油量的喷油持续期比60 mm3主喷油量的喷油持续期更接近N+0.5倍压力波动周期，其引起的后喷油量波动幅值比60 mm3主喷油量大。

4　结论

1)建立了高压共轨喷油系统数值仿真模型，在不同喷油脉宽下对系统喷油率计算结果与试验测量值对比，结果表明所建立的数值仿真模型能够准确预测系统的喷射特性。

2)相同预喷不同主喷时，主喷油量波动量随预主喷射间隔增大呈衰减式波动变化，喷油量波动幅值随喷射间隔增大而减小，主喷油量波动周期不随主喷油量增加而变化且波动相位一致，在与整数倍压力波动周期时间差值接近的主喷油持续期内，预主喷射间隔对主喷波动量波动影响规律相似；相同主喷不同预喷时，主喷油量波动幅值随预喷油量增加而增大。

3)相同主喷不同后喷时，随主后喷射间隔增大，后喷油量波动减小，后喷波动量波动周期相同，随后喷油量增加波动幅值变化较小；后喷油量相同主喷油量不同时，主喷油量对后喷油量波动特性的影响主要取决于主喷持续期对应的压力波动周期数，与整数倍压力波动周期的时间差值相同的主喷持续期，其喷射引起的后喷油量波动规律相似。

[1]PARK S H, YOON S H, LEE C S. Effects of multiple-injection strategies on overall spray behavior, combustion, and emissions reduction characteristics of biodiesel fuel[J]. Applied energy, 2011, 88(1): 88-98.

[2]CARLUCCI P, FICARELLA A, LAFORGIA D. Effects of pilot injection parameters on combustion for common rail diesel engines[R]. SAE Technical Paper 2003-01-0700, 2003.

[3]仇滔, 雷艳, 彭璟, 等. 高压共轨燃油系统轨压控制策略研究[J]. 内燃机工程, 2013, 34(2): 83-87.

QIU Tao, LEI Yan, PENG Jing, et al. Research of rail pressure control strategy on common rail fuel system[J]. Chinese internal combustion engine engineering, 2013, 34(2): 83-87.

[4]BADAMI M, MALLAMO F, MILLO F, et al. Influence of multiple injection strategies on emissions, combustion noise and BSFC of a DI common rail diesel engine[R]. SAE Technical Paper 2002-01-0503, 2002.

[5]BARATTA M, CATANIA A E, FERRARI A. Hydraulic circuit design rules to remove the dependence of the injected fuel amount on dwell time in multijet CR systems[J]. Journal of fluids engineering, 2008, 130(12): 121104.

[6]HENEIN N A, LAI M C, SINGH I P, et al. Characteristics of a common rail diesel injection system under pilot and post injection modes[R]. SAE Technical Paper 2002-01-0218, 2002.

[7]CATANIA A E, FERRARI A, MANNO M, et al. Experimental investigation of dynamics effects on multiple-injection common rail system performance[J]. Journal of engineering for gas turbines and power, 2008, 130(3): 032806.

[8]苏海峰, 张幽彤, 郝刚, 等. 高压共轨多次喷射油量波动现象分析[J]. 北京理工大学学报, 2011, 31(7): 795-798.

SU Haifeng, ZHANG Youtong, HAO Gang, et al. Analysis on multiple-injection fuel quantity fluctuation for high pressure common rail system[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2011, 31(7): 795-798.

[9]梁凤标, 李德桃, 刘久斌, 等. 高压共轨式柴油机多次喷射的数值模拟[J]. 农业机械学报, 2006, 37(9): 40-43, 35.

LIANG Fengbiao, LI Detao, LIU Jiubin, et al. Fuel injection control of high pressure common rail diesel engine[J]. Transactions of the Chinese society for agricultural machinery, 2006, 37(9): 40-43, 35.

[10]祝轲卿, 徐权奎, 杨林, 等. 高压共轨喷油系统多次喷射油量精确测量与规律分析[J]. 农业工程学报, 2007, 23(8): 117-121.

ZHU Keqing, XU Quankui, YANG Lin, et al. Multiple-injection quantity measurement and analysis in high pressure common rail injection system[J]. Transactions of CSAE, 2007, 23(8): 117-121.

[11]TIAN Bingqi, FAN Liyun, MA Xiuzhen, et al. Study of the fluctuation in the cycle fuel injection quantity in a common-rail system for a heavy-duty vehicle diesel engine[J]. Proceedings of the institution of mechanical engineers, part D: journal of automobile engineering, 2015, 229(7): 819-834.

本文引用格式：

范立云，白云，敬思，等.高压共轨喷油系统多次喷射喷油量的波动[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2016, 37(8):1063-1069.

FAN Liyun, BAI Yun, JING Si，et al. Fuel injection quantity fluctuation in multiple injections of high-pressure common-rail fuel injection system[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(8): 1063-1069.

Fuel injection quantity fluctuation in multiple injections of high-pressure common-rail fuel injection system

FAN Liyun1, BAI Yun1, JING Si2, LIU Yang1, MA Xiuzhen1

(1. College of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Chengdu Wit Electric Fuel Injection Co., Ltd., Chengdu 611731, China)

To solve the instability problem, caused by pressure fluctuation during multiple injections of high-pressure common-rail fuel injection systems, we developed a numerical simulation model of the system based on the fluctuation of fuel injection quantity and validated the accuracy of the model by comparing its results with those from experimental measurements. We investigated the fluctuation characteristics of the fuel injection quantity with respect to the variation of the injection interval. The multi-injection modes are the pilot and main injections and the main and post injections. The results show that with the same pilot injection and different main injection, the fluctuation amplitude of the main fuel injection quantity decreases with increasing injection interval, and the fluctuation period of the main injection does not vary with increases in the main fuel injection quantity with the same fluctuation phase. In addition, the injection interval has a similar influence on the fluctuation of the main fuel injection quantity when the duration of the main injection approaches the time difference of the integer times of pressure fluctuation period. With the same main injection and a different pilot injection, the fluctuation amplitude of the main fuel injection quantity increases with increases in the pilot fuel injection quantity. For the same main injection and different post injection, increasing in injection interval between the main and post injections decreases the fluctuation in the post fuel injection quantity, and the fluctuation period of the post fuel injection quantity does not vary. Moreover, the fluctuation amplitude changes slightly with increases in the fuel injection quantity. At the same post injection and different main injection, the injection interval has a similar influence on the fluctuation of the post fuel injection quantity when the duration of the main injection approaches the time difference of the integer times of pressure fluctuation period.

internal combustion engine; high-pressure common-rail; fuel injection system; multiple injections; fuel injection quantity; fluctuation characteristic; numerical simulation

2015-09-15.网络出版日期：2016-06-23.

国家自然科学基金项目(51279037,51379041,51475100)；教育部科学技术研究项目(113060A).

白云(1987-)，男，博士研究生；

范立云(1981-)，男，教授，博士生导师.

范立云，E-mail:fanly_01@163.com.

10.11990/jheu.201509048

TK421.4

A

1006-7043(2016) 08-1063-07