高压共轨系统不同温度下喷油参数修正计算*

王 军，张幽彤，金 毅，韩 树

（1.陆军装甲兵学院车辆工程系，北京 100072； 2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

前言

高压共轨喷油系统由高压油泵、共轨管、电控喷油器和电控单元组成，能够柔性地调节喷油参数和实现多次喷射，已成为柴油机满足新排放法规所必须的技术手段［1］。当柴油机工作环境温度变化较大时，燃油温度的变化会影响到流动和喷射的状况，低温对柴油流动和雾化影响很大，高温造成喷油压力和喷油量下降；当高压燃油在共轨系统中流动时，摩擦发热和节流发热都会使燃油温度升高，引起燃油的密度、压力、可压缩性和弹性模量等参数的变化，造成喷油量差异，影响柴油机动力性。高压共轨喷油系统中的喷油量参数表（MAP）是在给定温度下而生成的，当外界温度发生变化时，就需要对喷油量表中的目标喷油量进行补偿修正，以保证实际喷油量和目标喷油量的一致性，因此研究燃油温度与喷油量的关系显得至关重要。目前国内外关于燃油温度的研究主要集中在温度对喷油量的影响上，如苏海峰等人研究了高压共轨系统不同燃油温度对多次喷射的影响，总结多次喷射的温度特性［2］；聂枝根等人进行了高压共轨柴油机燃油状态系统的研究［3］，说明高压共轨喷油系统的初始油温变化对喷油量的影响；Salvador等人建立一维电磁阀喷油器模型，研究燃油温度对喷射过程的影响［4］，这些研究都是采用仿真模型计算，通过设定密度、压力、可压缩性和弹性模量等参数，获得喷油量的变化，对不同温度喷油量的补偿修正研究较少，由于涉及到柴油机使用环境和共轨系统内部的燃油温度变化，喷油量温度补偿修正一直缺乏理论性的推导计算，作者根据流体力学的流动理论，计算燃油温度变化对压力增量和喷油量增量的影响，分析燃油温度对燃油喷射量补偿量的变化，对喷油参数的修正计算提供一种新途径。

1 高压燃油流动热特征

在高压共轨喷油系统中，高压油泵只负责提供高压燃油，共轨管稳定燃油压力，电控喷油器控制喷油参数，高压燃油在不同部件的油道内流动时，所处的管壁摩擦、截面积变化和自身被压缩，高压燃油的产热和换热各不相同。低压燃油进入高压油泵柱塞腔后，受到柱塞压缩，燃油体积变小，压力升高，燃油温度上升明显，所以高压泵内燃油以压缩产热为主；高压燃油在共轨管和高压油管中流动时，与管壁之间因摩擦而产生一定的热量，同时管壁与外界环境存在一定的热交换，所以管内流动燃油以摩擦产热为主，并存在热交换；燃油进入喷油器之后，沿着油道进入针阀腔后，经过小喷孔高速喷出，油道的直径剧变形成燃油的节流，节流产生一定的热量，喷油器内燃油以节流生热为主。

燃油温度是由燃油受热量和接触介质换热量共同决定的，受热量是指燃油流动过程中产生的热量，主要影响燃油温度；接触介质的换热是指燃油与管壁之间、管壁与大气间的热交换，消耗一部分产生的热量。温度的变化会带来燃油物理参数的变化，如燃油体积弹性模量、燃油密度和燃油黏度等，燃油体积弹性模量、黏度直接影响燃油的压缩程度和流动［5］。

2 流体计算模型

2.1 基准温度

对于高压共轨喷油系统，喷油量是根据柴油机的转速负荷直接查喷油量脉谱表来完成，喷油量脉谱通常是在某一工作环境温度下通过试验获得的。当柴油机工作环境温度变化较大时，必须考虑温度变化对喷油量和喷油压力的影响，喷油量的温度补偿首先确定一个燃油温度作为基准，确定喷油量的基准脉谱，其次在不同温度下确定目标喷油量的增减，而基准燃油温度的选择与柴油机工作环境和典型工况的频度密切相关。

（1）工作环境的适宜温度

柴油机工作环境温度范围在-30-40℃，大部分柴油机经常在10-30℃的环境下运行［6］，由于高压泵入口燃油温度升高幅度不超过10℃，初步确定燃油初始基准温度范围为20，30，40℃。

（2）典型工况下的喷油量误差

以柴油机典型工况（最大转矩点工况、额定工况）所需的循环喷油量为计算参数［7］，计算初始基准温度的循环喷油量，以计算值与测试值之间的误差为评价指标，以误差最小的喷油量所对应的温度为基准温度。

2.2 燃油密度

燃油密度 ρf随压力 p和温度T的变化关系为［8］

式中：ρf0为基准温度下的柴油密度；pf0为基准温度下的柴油压力；Tf0为基准温度；λT为某一温度的热膨胀系数，1／℃。

2.3 燃油压力

燃油压力大小取决于柴油黏度和可压缩性，可压缩性是用弹性模量倒数表示的，弹性模量K是指当温度不变时，单位体积的变化所对应压强的变化量，其大小为

式中：p为燃油压力；V为燃油体积。

K值越大表示流体越不容易压缩，若同时考虑温度和压力，则燃油在不同温度和压力下的体积弹性模量［9］为

燃油压力大小与其弹性模量和密度直接相关。）

燃油体积弹性模量Kf随温度变化时，压力变化增量为

式中：pj0为基准温度下的柴油压力；Kf0为基准温度下柴油的弹性模量；Δpj为任一温度下的柴油压力增量；n为影响因子，修正对实际燃油喷射情况的影响程度，由于燃油的压缩在密闭容器内，n=0.5。

喷孔处燃油流速vf为

式中：Δpn为喷射压力pj与气缸压力pc的压力差；μ为流量系数；ρf为柴油密度。

有效压力差Δpne是对燃油流过喷孔的累积的近似，可认为从总的压力差Δpn减去摩擦压力降Δpv，摩擦压力差为［10］

式中：Ln为喷孔长度；Dn为喷孔直径；fv为摩擦因数；∑K为喷孔入口和出口损失系数总和。

喷孔处的雷诺数决定了喷孔中燃油流动状态，其雷诺数为

对柴油机喷油系统来说，当压力差为140 MPa、喷孔直径为0.18 mm、燃油温度为25℃时，雷诺数为4 000，表明喷孔处燃油流动为管流状态，因此摩擦因数和流量系数不随温度变化而变化。

有效喷射差的相对压力值可简化为［11］

这样，压力差和有效压力差主要受燃油的弹性模量影响，即温度的变化。

2.4 喷油率

喷孔的平均喷油率mf为

式中：An为喷孔流通面积；n为发动机转速。

对于前述的微小变化的流量系数，喷油率相对变化可表述为

式中：ρf0为基准温度的柴油密度；Kf0为基准温度柴油的弹性模量；vf0为基准温度的燃油流速。

3 喷油参数修正计算

3.1 基准温度

循环喷油量计算条件：喷孔参数为8 mm×0.18 mm，额定工况的喷油压力为140 MPa，喷油脉宽为1.5 ms；最大转矩工况的喷油压力为120 MPa，喷油脉宽为1.5 ms。

按式（12）计算不同燃油温度下柴油机额定工况和最大转矩工况的喷油量mp，与喷油量试验值对比如表1和表2所示。

式中t为喷油脉宽。

表1 额定工况下不同燃油温度的喷油量误差

发动机经常运行在最大转矩工况，少数运行在额定工况下，结合表中数据对比分析，根据误差最小的原则，选择30℃作为基准温度。

表2 最大转矩工况的不同燃油温度喷油量误差

3.2 喷油参数基准脉谱

3.2.1 喷油压力基准脉谱

选择30℃为共轨压力基准温度，怠速共轨压力为35 MPa，低速共轨压力定为100 MPa，最大转矩工况的共轨压力为120 MPa，额定工况的共轨压力为140 MPa。基准温度30℃的喷油压力试验基准脉谱如图1所示。喷油压力基础目标值分别为35，55，75，90，110，120和 140 MPa。

图1 喷油压力基准脉谱

3.2.2 喷油量基准脉谱

温度对共轨系统喷油量的影响是通过喷油器喷油特性和管路内压力波动的变化产生的，基准温度30℃的喷油量试验基准脉谱如图2所示。

图2 喷油量基准脉谱

3.3 喷油参数修正

3.3.1 喷油压力修正

高压共轨喷油系统中的燃油温度一般为0～100℃，燃油压力范围为35～140 MPa，选取温度步长10℃，压力步长10-20 MPa，选取若干燃油温度和压力值作为计算点，根据式（3）计算不同温度、压力下的柴油体积弹性模量，如图3所示。从图3中看出，当温度一定时，燃油的弹性模量随着压力的升高而增大，压力越高，弹性模量增大越多；当压力一定时，燃油弹性模量随温度的升高而降低，在高压力下，温度变化80℃时，弹性模量减小0.2 GPa；低压力下，温度变化80℃时，弹性模量减小0.4 GPa。

图3 燃油弹性模量与温度的关系

当燃油温度为 0，10，20，30，40，50，60和 80℃时，计算喷油压力的增量，不同温度下喷油压力修正增量脉谱如图4所示。从图4中看出，在低压力基准值段，温度每升高10℃，压力增量成比例增加，随着温度增量变大，压力增量的幅度变大。在高压力基准值段，温度每升高10℃，压力增量变化减小，随着温度增量变大，压力增量的幅度变小。

3.3.2 喷油量修正

根据燃油密度与温度、压力的关系式，计算燃油温度0～80℃、喷油压力55～145 MPa下的燃油密

在不同温度下，燃油的弹性模量发生变化，当燃油被压缩时，压力增量的变化通过式（9）计算，用弹性模量Kf表示为度，如图5所示。

图4 不同温度喷油压力修正增量脉谱

图5 燃油密度与温度的关系

当燃油温度为 0，10，20，30，40，50，60和 80℃，喷油脉宽为 0.5，1.0和 1.5 ms时，喷油压力140 MPa的计算喷油量增量脉谱如图6所示。由图可见，当喷油压力为140 MPa时，在基准喷油量数值基础上，循环喷油量增量随着温度提高呈现下降趋势，循环喷油量增量随着温度减小呈现增加趋势；同一温度下，随着喷油脉宽的增加，循环喷油量补偿量增加。

在不同温度下，燃油的体积弹性模量和密度发生变化，平均喷油率的变化通过式（11）求得，用燃油体积弹性模量Kf和燃油密度ρf表示为

4 喷油量修正验证

图6 140 MPa下不同温度喷油量补偿脉谱

在高压共轨喷油系统试验台架上进行喷油量修正有效性的验证，测试用仪器有Agilent公司的电流传感器1146A型，Kistler公司的压力传感器4067A，EFS公司的单次喷射仪8420。试验用高压共轨系统部件有电控单元、Bosch公司的CP3高压泵、共轨管、电装公司的EI3A电控喷油器，在共轨压力、燃油温度和喷油脉宽相同的条件下，实测不同温度的喷油量，在基准温度喷油量的基础上，获得不同温度喷油量修正量。50和80℃燃油温度的喷油量修正量对比如表3所示，从表中可看出，50℃燃油温度的喷油量修正量计算值与测试值的相对误差在14%以下，80℃燃油温度的喷油量修正量计算值与预测值的相对误差在9%以下。

表3 不同燃油温度的喷油量修正量对比 mg

5 结论

本文中运用流体传热计算方法，对不同温度下的喷油量修正进行了研究，得到以下结论。

（1）以使用环境温度为参考，以柴油机典型工况下的喷油量误差最小的原则为依据，确定了燃油的基准温度。

（2）喷油量和喷油压力的修正量计算公式反映出压力差主要受燃油的弹性模量的影响，平均喷油率的变化与燃油体积弹性模量和燃油密度相关。当燃油温度在0～80℃变化时，燃油的弹性模量随温度的升高而降低；在温度一定时，燃油的密度随压力的升高而增加；在压力一定时，燃油的密度随温度的升高减小。

（3）不同温度下的喷油量的修正量变化趋势为：同一压力下，循环喷油量增量随着温度提高呈现下降趋势；同一温度下，随着喷油脉宽的增加，循环喷油量补偿量增加。通过试验验证了喷油压力和喷油量的修正方法是有效的。