柴油机高压共轨系统环形缝隙流动的粘温特性

2019-01-18苏海峰曲莉娜冯国胜

石家庄职业技术学院学报 2018年6期

苏海峰，孙茜，曲莉娜，冯国胜

(1.石家庄职业技术学院机电工程系，河北石家庄 050081；2.石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄 050043)

0 引言

车用发动机的工作温度范围很宽.柴油的物理性质受温度影响较大.柴油温度会影响柴油的粘度、密度、弹性模量和声速等特性，造成喷油器喷油特性和高压油泵供油特性的改变，进而影响燃油供给系统喷油量的精确控制，产生油量控制误差.在环境适应性标定的高温和低温适应性标定中，喷油温度补偿的精确控制对改善柴油机的启动性能，增加循环喷油量的动态稳定性，提高启动过程的振动噪声和排放性能，保证怠速过渡工况的转速平顺性特别重要[1-2].要完成高压共轨系统ECU(电控单元)在各种苛刻环境下的调整适应功能，需要掌握不种温度下的喷油器和高压泵的工作特性参数，以进行喷油控制中的温度补偿.

柴油机高压共轨系统喷射压力的产生和喷射过程完全分开.燃油压力由高压泵产生，其压力大小由电磁压力调节阀控制，不受发动机转速和喷油量的影响，能够在发动机的所有转速范围内根据工作需要进行连续压力调节，以获得需要的燃油压力.电控喷油器工作时，电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程.喷油量的大小取决于燃油轨中的油压、电磁阀开启时间的长短及燃油的流动特性.已有文献对喷油器喷射过程的温度特性进行了系统研究[3-5].本文通过试验数据，对柴油在环形缝隙流动的粘温特性进行研究，并总结分析高压泵压力调节的温度特性.

1 燃油物理性质的温度特性

燃油的动力粘度μ、燃油的密度ρ、燃油的体积弹性模量K、声速a等参数随着燃油温度和压力的变化而发生改变[6-7]，饱和蒸气压pr随温度而改变.试验用柴油在101.3 kPa，20 ℃时的密度为821 kg/m3；弹性模量K为1550 MPa；声速a为1360 m/s；燃油的动力粘度μ0=0.004 607 Pa·s；20 ℃时的饱和蒸气压pr=300 Pa.

液体粘度的大小取决于分子间距和分子引力，当温度升高或压强降低时，液体膨胀，分子间距增大，分子引力减小，故粘度下降；反之，温度降低或压强升高时，液体粘度增大.

在温度一定的情况下，燃油的密度随压力的升高而增加，压力越高，增加的趋势越小；在压力一定的情况下，燃油的密度随温度的升高而减小.

温度一定时，燃油的弹性模量随压力的升高而增大，且压力越高，变化越迅速；压力一定时，燃油的弹性模量随温度的升高而降低.

在研究高压共轨系统的温度特性时，选用BOSCH第二代电磁式高压共轨系统进行了发动机正常工况下的单次喷射试验.油箱温度控制在0～60 ℃，每间隔10 ℃进行一组试验.轨压范围40～130 MPa，间隔10 MPa.喷油脉宽范围0.3～1.5 ms，间隔0.1 ms.图1为电磁式喷油器结构示意图.

1-回油口；2-衔铁；3-电磁线圈；4-控制球阀；5-进油口；6-出油孔(Z孔)；7-控制腔；8-进油孔(A孔)；9-液压挺柱；10-进油道；11-蓄压腔； 12-针阀

图1电磁式喷油器结构图

2 高压共轨喷油器回油量的温度特性

为研究不同温度下柴油的动力粘度的温度特性，在进行单次喷射试验的同时，也对各种工况下的回油量进行了测量.利用脉宽为零，即不喷油状态的回油数据，来计算和比较柴油在不同压力、温度下的动力粘度.

2.1 喷油器回油特性试验

电控喷油器是高压共轨电控喷油系统最关键的部件之一.要实现理想的喷油特性，尤其是高压喷射和超高压喷射，必须研究喷油器精密偶件的泄漏问题[7].回油量是喷油器运动件间隙的泄露量和控制腔泄油量的总和.高压共轨喷油器的精密偶件主要有液压挺柱、密封阀套、针阀、针阀座等，见图1中件9和件12.与喷油量相比，回油量的影响因素比较简单.可近似认为在运动件的运动过程中，运动件的间隙不变，因此，喷油器运动件间隙的柴油泄露量除与压力和粘度有关外，还与运动件的间隙有关，而与运动件的运动升程无关.控制腔的控制球阀的运动特性取决于ECU向喷油器发出的驱动电流.试验和仿真均证明，控制球阀的运动速度较快，与针阀的运动相比，可以忽略开启延时和关闭延时造成的持续期的差别以及对最大升程的影响，认为控制球阀的开启持续期等于喷油脉宽，控制球阀的升程一直保持在最大或关闭状态.轨压一定时，控制腔泄油量除了与压力和粘度有关外，只取决于喷油脉宽.

图2显示了单个喷油器的回油体积流量随温度的变化特性.

a 40 MPa时

b 70 MPa时

c 100 MPa时

d 130 MPa时

图2中横轴表示喷油脉宽(ET)；纵轴表示回油体积流量Qv，单位为mL/s.每个图均显示一种轨压下4种温度的回油体积流量的对比情况，每条曲线代表一种温度下所有喷油脉宽的回油体积流量.单个喷油器的回油量由试验中的4个喷油器回油量总和经过平均得到.可以看到，在一定轨压下，回油量随着喷油脉宽的增加而线性增大，这是由喷油脉宽增加、控制腔泄油量线性增大造成的.轨压升高，回油量增大.因此，可以认为，回油体积流量与轨压、脉宽的关系和喷油器的喷油特性相似，即随着轨压和脉宽的增加而线性增大.

由图2可知，虽然回油体积流量与轨压和脉宽的关系与喷油器的喷油特性相似，但回油体积流量的温度特性与喷油量的温度特性有较大的差别.

可以看到，在所有的轨压下，回油体积流量随喷油脉宽的增加均线性增加；温度增加，回油体积流量线性增加；不同温度下的回油体积流量线基本平行，即温度造成的回油量差别不随脉宽增加而明显变化；轨压越高，回油体积流量越大，温度造成的回油量差别就越明显.这与单次喷射的温度特性(压力越低、脉宽越小，温度对喷油量的影响越明显)正好相反.

另外，在0～60 ℃时，回油体积流量随着温度增加一直线性增加.区别于单次喷射的温度特性，在40～60 ℃时，喷油量基本不会随温度升高而变化.

2.2 喷油器环形缝隙柴油流动的粘温特性

由于直接测量高压共轨系统内高压燃油的动力粘度比较困难，本文通过喷油器不工作时的回油量，来研究高压燃油的动力粘度与轨压、温度的关系.

喷油器在高压不喷油状态下，控制腔关闭，控制腔的泄油量为零.回油量只与轨压、温度及喷油器运动件间隙有关.喷油器在控制腔关闭状态时的回油量由喷油器内运动偶件缝隙泄露形成，其内回油属于环形缝隙流动.由于喷油器运动偶件缝隙尺寸很小，在微米范围，加之柴油的粘度较大，因此，喷油器运动偶件的缝隙流动可看作层流.缝隙流动的解法与圆管层流的解法相似.喷油器运动偶件的缝隙流动由压差流和剪切流组成.压差流是由喷油器入口的高压和喷油器回油口的低压之间的压力差造成的流动，也称为哈根-伯肃叶(Hagen-Poiseuille)流；剪切流是由于喷油器运动偶件的相对运动造成的液体流动，也称为库埃特(Couette)流.

喷油器运动偶件的环形缝隙的压差—剪切联合流动流量公式为：

(1)

在针阀运动过程中，式(1)中右侧第二部分的纯剪切流流量存在，但由于针阀开启和关闭产生的纯剪切流流量的方向相反，大小近似相等，因此，纯剪切流流量在针阀启闭过程的和为零.由于在针阀关闭时，不存在纯剪切流流量，因此喷油器运动偶件的环形缝隙的压差—剪切联合流动流量公式可简化为纯压差流流量公式：

(2)

从(2)式可解出高压共轨系统柴油的动力粘度μ：

(3)

由于偶件的缝隙δ不便于测量，各种温度和压力下的动力粘度μ的绝对值难以计算得到，因此以100 MPa，40 ℃的动力粘度μ100 MPa 40 ℃为基准，计算各工况的相对动力粘度.

(4)

式(4)中，Qv100 MPa 40 ℃为在100 MPa， 40 ℃时的回油量；p为当前压力，单位为MPa；Qv为当前压力下的回油量.

图3为喷油脉宽为零即不喷油时喷油器的回油量,横轴表示温度；纵轴表示回油体积流量，单位为mL/s.图4是根据公式(4)利用不喷油时喷油器的回油量数据计算得到的各工况的相对动力粘度，横轴表示温度，纵轴相对动力粘度.

图3 喷油脉宽为零时的回油量

图4 各工况的相对动力粘度

由图4可知，各种工作轨压下的相对动力粘度随温度增加而下降，这种趋势与文献[7]中动力粘度曲线的趋势一致.

3 高压共轨系统喷油压力调节的温度特性

高压共轨系统的喷油压力由高压泵提供，并受ECU控制.高压泵是共轨系统高压部分和低压部分之间的接口.低压油泵将柴油从油箱中吸出，经过压力调节阀提供给高压油泵.压力调节阀控制进入高压泵柱塞腔的燃油量，通过高压泵泵油量的增减调节共轨压力.高压泵将高压燃油送入高压共轨系统，保持压力.在高压共轨系统上有压力传感器实时监测燃油压力，并将这一信号传递给ECU，通过压力调节阀实现对流量的调节，控制高压共轨系统内的燃油压力达到希望值.在高压共轨系统中，由于轨压闭环控制，因此可以通过控制占空比来调节高压泵的压力调节阀的开度，从而改变供油量，补偿温度变化对泄漏油量的影响，实现高压共轨系统压力的稳定.设通过高速开关阀的流量为Qp，则有：

Qp=kpQpmaxD.

(5)

式(5)中,D为占空比(PWM)；Qpmax为压力调节阀的最大流量；kp为修正系数.

图5列出了试验工况下，高压油泵的控制电压在不同温度、轨压、喷油脉宽下的占空比的值，横坐标代表喷油脉宽ET，纵坐标代表占空比PWM.图中每条曲线代表一种温度下的占空比曲线，每个图均含有同一压力下4种不同温度的占空比曲线.

从图5可以看出，在各种温度、轨压下，占空比随着喷油脉宽增大而线性增加；温度一定，脉宽一定，占空比随轨压增加而增大；轨压一定，脉宽一定，占空比随温度增加而增大.这说明温度增加时，通过增加占空比，增大流入高压泵柱塞腔的流量，可以补偿高压泵和喷油器的泄露油量.因此，高压共轨系统高压泵的供油压力和供油量不会因温度变化而产生不良影响，温度对高压共轨系统喷油量的影响是通过喷油器喷油特性以及管路内压力的变化而产生的.