共轨系统压力波动和多次喷射油量偏差的抑制

孟育博，李丕茂，张幽彤，王志明

(1.山东大学 能源与动力学院，济南250100；2.北京理工大学 清洁车辆实验室，北京100081)

0 引 言

为满足更严格的排放法规，车用柴油机采用多次喷射控制策略。在多次喷射过程中，相邻两次喷射之间的时间间隔较短，系统内产生的压力波动会使燃油喷射量产生差异，进而影响理想喷油规律，从而导致柴油机性能变差[1]。

目前，针对燃油压力波动和燃油质量偏差机理的研究较多。Catania等[2]的研究表明，高压油管尺寸对喷油器入口压力波动影响较大。Bianchi等[3]通过研究得出长度较短和直径较大的高压油管能够对燃油喷射质量的压力波动进行抑制。Henein等[4]认为多次喷射中，前一次喷射引起的压力波动会对喷油器的开启和关闭产生影响。Catania等[5]研究了不同喷油器相邻两次喷射之间的相互影响，结果表明，预喷引起的油路内的压力波动会影响喷油器针阀的开启和关闭。范立云等[6]通过研究预喷射对循环喷油量的影响，得出预喷射引起的压力波与其反射波在盛油槽形成叠加波,叠加波的波动形式是引起主喷油量随着喷射间隔波动并影响波动的根本原因。吴建等[7]的研究表明，共轨管尺寸对压力波动及喷油量具有一定的影响。丁晓亮等[8]采用压电喷油器对预主喷模式下的喷油量波动进行了试验研究，得出预喷产生的压力波动是导致主喷油量波动的主要原因。

目前已采用多种措施对压力波动的抑制效果进行研究，但尚未得到能够显著减小多次喷射喷油量偏差幅度的方法。Gupta等[9]提出利用压电执行器来抑制共轨管内的压力波动。Catania等[10]采用在油泵和喷油器间添加小容腔来代替共轨腔，但是单次喷射的喷油量降低幅度较大。Chen等[11]设计了滑阀柱塞耦合部件来抑制高压油泵高压腔的压力波动，但是效果不佳。Baratta等[12]通过在共轨管出口添加阻尼孔来消除压力波动，但该方法会减小喷油器的单次喷油量。苏海峰等[13]设计了复合H型滤波器对多次喷射中压力波动的抑制效果进行研究，结果表明，最大喷油量波动率最多能降低30%。

本文设计了一款带有阻尼孔和容腔的滤波器装置，并通过试验匹配出较佳的结构尺寸。然后，研究了在不同的共轨压力、不同控制策略下滤波器对共轨系统压力波动的抑制效果。试验结果不仅能够详细地描述滤波器对共轨系统的影响，而且可以为共轨系统提供进一步优化的边界条件。

1 试验系统

1.1 试验装置

试验装置如图1所示，包括共轨燃油喷射系统、单次喷射仪、电流传感器和压力传感器等设备。采用法国EFS公司的8150-3单次喷射仪(测量范围为0～600 mm3，精度为满量程的0.1%)测量喷油量和喷油率；采用Kistle公司的4067C3000型动态压力传感器(测量量程为0～300 MPa，灵敏度为0.033 V/MPa)采集喷油器入口压力信号；采用Agilent公司的1146A型电流传感器(量程为0.1～100 A，带宽为100 kHz)采集喷油器驱动电流。

图1 高压油泵试验台Fig.1 Platform of high pressure fuel pump

1.2 液力系统

液力系统包括喷油器、高压油管A和液力滤波器，如图2所示。图中，K为高压油管和喷油器入口处的一个很小的容积腔，燃油通过容腔K经过管路I到达供油油路和控制油路的交汇容腔B，容腔B和控制腔J之间的油路称为控制油路；D为控制腔进油孔之前的一个环形容腔；C为联接管路；容腔B和喷孔P之间的油路称为喷油油路；点L为两个直径不同的管路E和F的交汇点；管路H为容腔G和喷孔P之间的环形管路。滤波器包括容腔O和S，阻尼孔W，节点U，管路T、M、N和R。滤波器在高压油管和喷油器之间，喷油器打开后，容腔O快速、及时地向喷油器体内补充燃油；阻尼孔添加在分支油路的交点U和容腔O之间，能够使压力波动尽快衰减而不会减小单次喷油量。

图2 加滤波器的液力系统结构图Fig.2 Hydraulic system configuration diagram plus filter

2 滤波器结构和尺寸设计

2.1 滤波器结构设计

根据波动产生的原因以及文献[12，13]的研究成果，设计了带有阻尼孔和容腔的滤波器，如图3所示。滤波器一端与喷油器入口相连，另一端与高压油管相连。同时由文献[13]可知，容腔体积较大可以提高滤波效果，但会降低响应速度，因此容腔体积选取不大于共轨管容腔的1/4。研究表明[5]：阻尼孔太小，单次喷射喷油量会大幅度较小；阻尼孔太大，滤波效果不明显，因此选择阻尼孔尺寸不超过高压油管直径。

图3 液力滤波器结构Fig.3 Structure of filter

2.2 滤波器尺寸选择

为了匹配得到较佳的滤波器结构尺寸，采用均匀设计的方法获得压力波动最小的滤波器尺寸。阻尼孔直径h0、h1、h2、h3、h4分别为0、0.2、0.4、0.8、3 mm；容腔体积O1、O2、O3、O4、O5分别为0、1720、5590、12 790、28 000 mm3。

3 试验研究结果及分析

本文在高压油管长度为600 mm，直径为1.8 mm条件下，研究了阻容式液力滤波器在不同共轨压力和不同的喷射策略下的滤波效果。

3.1 滤波器结构尺寸的试验匹配

在共轨压力为100 MPa、容腔体积为28 000 mm3、喷油脉宽为1 ms的条件下进行单次喷射试验，不同阻尼孔直径下的试验结果如图4所示。

图4 喷油脉宽为1 ms时，不同阻尼孔直径下的压力波动Fig.4 Pressure fluctuation under different damping hole diameter when pulse width is 1 ms

由图4可以看出：随着阻尼孔直径的增大，压力波动的幅度呈现先减小后增大的趋势，这是阻尼孔的能量耗散作用造成的。滤波器阻尼孔直径变大，使得压力波动的幅度降低，但同时使阻尼孔的能量耗散作用减小，所以在0～3 mm间存在使压力波动幅度最小的阻尼孔直径。整体看来，阻尼孔直径为0.4 mm时，压力波动幅度最小，所以选择阻尼孔的直径为0.4 mm。

在阻尼孔直径为0.4 mm、共轨压力为100 MPa、脉宽为1 ms下进行单次喷射试验，不同容腔体积下的试验结果如图5所示。

图5 喷油脉宽为1 ms时，不同容腔体积下的压力波动Fig.5 Pressure fluctuation under different damping hole diameter when pulse width is 1 ms

由图5可以看出：波动的幅度随着容腔体积增大而减小，但当容腔体积大于1720 mm3时，容腔体积变化对压力波动的影响很小，这是由于容腔中的燃油在自身弹性作用下能对油路进行燃油补充造成的。随着容腔体积的增大，燃油补充速度也进一步提高，但是当容腔体积增大到1720 mm3时，补充速度变缓，因此对波动幅度的抑制也随着变缓，同时为了便于安装，本文选择1720 mm3作为容腔体积。

因此，选择阻尼孔直径为0.4 mm、容腔体积为1720 mm3作为波动幅度最小的滤波器的结构尺寸。

图6 喷油脉宽为0.4 ms时，单次喷射引起的压力波动Fig.6 Pressure fluctuation caused by single injection when injection pulse width is 0.4 ms

3.2 单次喷射下滤波器对压力波动幅度的影响

图6(a)(b)(c)分别为单次喷射下，喷油脉宽为0.4 ms，共轨压力为40、60和100 MPa情况下，加装滤波器和未加装滤波器的压力波动幅度的比较图。

为了定量分析滤波器对压力波动的抑制效果，将图6中加装滤波器和不加装滤波器情况下的最大压力波动量与最小压力波动量之差ΔP分别提取出来，如表1所示。

表1 不同共轨压力下的ΔPTable 1 ΔP under different common rail pressure

由表1可以看出：在共轨压力分别为40、60和100 MPa时，加装滤波器时的ΔP分别为不加装滤波器时的46%、47%和49%，即共轨压力波动分别减小54%、53%和51%。出现这种变化的原因是因为滤波器的“削峰填谷”作用，使ΔP变小。后续试验结果的原因分析均是如此，不再赘述。

3.3 多次喷射下滤波器对喷油量的影响

采用预主喷和主后喷的喷油模式研究了滤波器在不同控制策略下对喷油量的影响。

3.3.1 预主喷模式下滤波器对喷油量的影响

预喷能够降低柴油机燃烧噪音，改善冷启动性能和排放性能[14,15]。一般情况下，预喷的喷油脉宽要小于主喷的喷油脉宽。同时，燃油质量的波动量随着喷射脉宽的增大而减小[1]。Δt为两次喷射时刻之间的时间间隔。在试验中，设定预喷脉宽为0.4 ms，主喷脉宽为0.6 ms，并依次改变预主喷时间间隔Δt。图7(a)(b)(c)分别是共轨压力为40、60、100 MPa时，主喷油量随预主喷时间间隔的变化规律。

图7 预喷脉宽为0.4 ms时主喷油量的变化Fig.7 Fuel mass of main injection when injection pulse width of pilot injection is 0.4 ms

为了定量分析液力滤波器对预主喷模式下主喷油量偏差的抑制作用，在预主喷最小间隔时间为1.1 ms的情况下，将图7中加装滤波器和不加装滤波器情况下的最大主喷油量和最小主喷油量之差Δmmax提取出来，如表2所示。

由表2可以看出，在共轨压力为40、60和100 MPa时，加装滤波器时的Δmmax分别为不加装滤波器时的37.6%、32%和29%，即滤波器的添加使主喷油量波动幅度分别减小了62.4%、68%和71%。

表2 Δt为1.1 ms时的ΔmmaxTable 2 Δmmax when Δt=1.1 ms

3.3.2 主后喷下滤波器对喷油量的影响

后喷能够降低碳烟和氮氧化物，能够有效改善发动机的燃烧和排放性能[16,17]。设定主喷射脉宽为1 ms，后喷射脉宽为0.6 ms，并依次改变主后喷时间间隔Δt。图8(a)(b)(c)分别是共轨压力为40、60、100 MPa时，后喷油量随主后喷时间间隔的变化规律。

为了定量分析液力滤波器对主后喷模式下后喷油量偏差的抑制作用，在主后喷最小间隔时间为2.5 ms的情况下，将图8中加装滤波器和不加装滤波器情况下的最大后喷油量和最小后喷油量之差Δmmax提取出来，如表3所示。

图8 主喷脉宽为1 ms时后喷油量的变化Fig.8 Fuel mass of post injection when injection pulse width of main injection is 1 ms

表3 Δt为2.5 ms时的ΔmmaxTable 3 Δmmax when Δt=2.5 ms

由表3可以看出，在共轨压力分别为40、60和100 MPa时，加装滤波器时的Δmmax分别为不加装滤波器时的14%、13.8%和13.7%，即滤波器的添加使后喷油量波动幅度分别减小86%、86.2%和86.3%。

4 结 论

(1)设计了带有阻尼孔和容腔的滤波器模型，并通过均匀设计的方法得出滤波器的结构尺寸在阻尼孔直径为0.4 mm、容腔体积为1720 mm3时压力波动幅度最小。

(2)在共轨压力分别为40、60、100 MPa，脉宽为0.4 ms,单次喷射条件下,滤波器的加装使共轨压力波动幅度分别减小54%、53%和51%。

(3)在共轨压力分别为40、60和100 MPa，多次喷射条件下，滤波器的添加使预主喷模式下共轨系统主喷油量波动幅度减小了62.4%～71%；主后喷模式下共轨系统后喷油量波动幅度减小了86%～86.3%。

参考文献：

[1] 苏海峰. 高压共轨系统水击压力波动及多次喷射油量波动研究[D]. 北京：北京理工大学机械与车辆学院,2011.

Su Hai-feng. Research on water hammer pressure wave and quality fluctuation in high pressure common rail multi-injections[D]. Beijing: School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology,2011.

[2] Catania A E,Ferrari A,Mittica A,et al. Common rail without accumulator: development, theoretical experimental analysis and performance enhancement at DI-HCCI level of a new generation FIS[C]∥SAE Paper,2007-01-1258.

[3] Bianchi G M,Falfari S,Pelloni P,et a1. A numerical and experimental study towards possible improvements of common rail injectors[C]∥SAE Paper, 2002-01-0500.

[4] Henein N A,Lai M C,Sing I P,et al. Characteristics of a common rail diesel injection system under pilot and post injection modes[C]∥SAE Paper,2002-01-0218.

[5] Catania A E,Ferrari A,Manno M,et a1. Experimental investigation of dynamics effects on multiple-injection common rail system performance[C]∥ASME 2005 Internal Combustion Engine Division Spring Technical Conference Chicago, Illinois, USA,2005:89-100.

[6] 范立云,王昊,马修真,等.高压共轨系统预喷射对主喷射循环喷油量的影响研究[J].内燃机工程,2015,36(4):90-98.

Fan Li-yun, Wang Hao, Ma Xiu-zhen, et al. The influence of pilot injection to main fuel injection quantity in high pressure common rail system[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2015,36(4):90-98.

[7] 吴建,胡林峰,李德桃,等. 柴油机共轨系统中多分支共轨的三维模拟计算分析[J]. 内燃机学报,2002,20(5):413-418.

Wu Jian,Hu Ling-feng,Li De-tao,et al. Three-dimensional numerical simulation of multi-branch pipe in common rail system of diesel engine[J]. Transactions of Combustion Science of Internal Combustion Engine,2002,20(5):413-418.

[8] 丁晓亮,张幽彤,熊庆辉. 压电式高压共轨喷油系统喷油量波动特性研究[J]. 农业机械学报,2010,41(7):11-14.

Ding Xiao-liang,Zhang You-tong,Xiong Qing-hui. Investigations into multiple-injection fuel quantity fluctuation for high pressure common rail system with piezo-actuated injector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery,2010,41(7):11-14.

[9] Gupta V K,Zhang Z,Sun Z,et al. Modeling and control of a novel pressure regulation mechanism for common rail fuel injection systems[J]. Applied Mathematical Modeling,2011,35(7):3473-3483.

[10] Catania A E, Ferrari A. Development and performance assessment of the new-generation CR fuel injection system for diesel passenger cars[J]. Applied Energy,2012,91(1):483-495.

[11] Chen Yi-hui,Ouyang Guang-yao,Chen Hai-long,et al. Research on the eliminating of pressure oscillation for augment common-rail injection system[C]∥IEEE 2nd International Conference on Computing, Control and Industrial Engineering,Wuhan, China,2011:345-348.

[12] Baratta M, Ferrari A, Catania A. Hydraulic circuit design rules to remove the dependence of the injected fuel amount on dwell time in multi-jet CR systems[J]. Journal of Fluids Engineering，2008，130(12):121104.

[13] 苏海峰,张幽彤,罗旭,等.高压共轨系统水击压力波动的消振[J]. 内燃机学报,2013,31(4):379-383.

Su Hai-feng, Zhang You-tong, Luo Xu, et al. Damping the water hammer pressure wave in the high pressure common rail system[J]. Transactions of Combustion Science of Internal Combustion Engine,2013,31(4):379-383.

[14] Mallamo F, Badami M. Analysis of multiple injection strategies for the reduction of emission, noise and BSFC of a DI CR small displacement non-road diesel engine[C]∥SAE Paper, 2002-010-2672.

[15] Zelenka P,Egert M,Cartllieri W. Ways to meet future emission standards with diesel engine powered sport utility vehicles (SUV)[C]∥SAE Paper,2000-02-0181.

[16] 雒婧,尧命发. 后喷降低柴油机碳烟排放机理的数值模拟[J]. 内燃机学报,2010,28(6):500-505.

Luo Jing,Yao Ming-fa. Numerical simulation on soot reduction mechanism by post injection in diesel engine[J]. Transactions of Combustion Science of Internal Combustion Engine,2010,28(6):500-505.

[17] 王浒,尧命发,郑尊清,等. 多次喷射与EGR耦合控制对柴油机性能和排放影响的试验研究[J]. 内燃机学报,2010,28(1):26-32.

Wang Hu,Yao Ming-fa,Zheng Zun-qing, at el. Experimental study of the influence of multi-injection coupled with EGR on diesel performance and emissions[J]. Transactions of Combustion Science of Internal Combustion Engine,2010,28(1):26-32.