共轨喷油器实际喷油压力研究

2019-11-02吴小军徐春龙王昭建王家雄孙树平奚星顾娇娇王国莹陈晓欢

车用发动机 2019年5期

吴小军，徐春龙，王昭建，王家雄，孙树平，奚星，顾娇娇，王国莹，陈晓欢

(1.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400；2.中国人民解放军32381部队，北京 100072)

内燃机最佳的性能指标总是通过提高喷油压力得到的，国内关于提高喷油压力的研究已取得了大量的成果。李新令等[1]的研究表明，提高喷油压力在显著降低积聚模态粒子排放的同时，使核模态粒子显著增加。内燃机不仅需要提高燃油喷油压力，也要按工况来优化调整喷油压力[2]。张全长等[3]的研究表明，在大部分EGR区间，提高喷油压力都可降低Soot排放，但其机理不同。胡朝阳等[4]的研究表明，较高的喷油压力和较小的喷油提前角可以降低排放。以上研究从发动机燃烧匹配的角度出发，表明了提高燃油系统喷油压力不仅有利于提高发动机的性能指标，而且可以降低排放，文献中的喷油压力一般指的是共轨压力或供油压力。然而，从喷油器性能匹配的角度出发，喷油器的实际喷油压力是指喷孔前即压力室的压力，压力室的压力受喷嘴针阀密封座面节流作用的影响，其最高值要低于共轨压力或供油压力，而整个喷油过程中压力室的平均压力更低。因此，获取实际喷油压力变化规律具有重要意义。

郑全保等[5]通过试验测得针阀升程、盛油槽压力和喷油规律曲线，盛油槽压力能够客观解释喷油规律后期上升的原因，喷油规律计算值与试验值基本吻合；作者还对实际喷油压力的处理方法进行了研究，受喷油器自身结构及传感器的限制，直接测试盛油槽或压力室的压力难度大，且盛油槽压力并不能真实反映实际喷油压力的变化过程。

本研究通过一种喷油器性能测试设备，获取了某共轨喷油器的喷油规律曲线，再根据喷孔流量计算公式得到该喷油器的最大及平均实际喷油压力，计算结果显示，实际喷油压力远小于共轨压力或供油压力。结合共轨系统工作原理分析了实际喷油压力损失的主要原因，并利用仿真软件对提高喷油压力的方法进行了研究，可为发动机燃烧匹配研究提供更加准确的压力边界，为共轨喷油器性能提升及优化匹配提供参考依据。

1 喷油器实际喷油压力获取方法

由喷油嘴结构简图(见图1)可知，受压力室结构尺寸限制，无法直接安装压力传感器进行喷油压力测试。

图1 喷油嘴结构简图

本研究获取实际喷油压力的方法为：通过试验测试获取喷油器的喷油规律曲线，利用喷孔流量公计算得到实际喷油压力曲线。计算公式为

(1)

为获取精度更高的喷油规律曲线，本研究应用的喷油性能测试仪为moehwald HDA喷油器性能测试设备。图2示出该设备的测试原理与实物图。其测试原理为被测喷油器将燃油喷入密闭腔，密闭腔压力升高，则密闭腔内燃油的声速将发生变化，应用基础公式：

(2)

式中：dm为密闭腔中燃油质量变化量；V为密闭腔容积；dp为密闭腔的压力变化量；c为不同压力下的燃油声速。利用图2中压力、声速传感器测量喷油前后密闭腔内的压力与声速的变化值，可得到喷油量。通过连续测试密闭腔的压力与声速的变化值，得到喷孔质量流量，除以燃油密度，可以得到喷孔体积流量。同时利用燃油温度传感器进行温度补偿，提高测试精度。

图2 HDA测试仪

2 喷油器实际喷油压力测试分析

某共轨喷油器匹配4种喷孔油嘴，在160 MPa供油压力下，测得其喷油规律曲线(见图3)。由式(1)计算得到的平均喷油压力、最大实际喷油压力及其占供油压力的比例见表1。

图3 共轨喷油器匹配不同喷孔偶件的喷油规律对比

方案喷孔面积/mm2平均实际喷油压力/MPa最大实际喷油压力/MPa平均实际喷油压力比供油压力/%最大实际喷油压力比供油压力/%A0.5436.867.52342.3B0.6329.456.318.435.2C0.7122.746.714.229.2D0.8118.338.611.424.1

由测试可知：在标定工况点对应的喷油持续期要求下，喷孔面积提高50%，其循环喷油量仅提高了13%，此时该喷孔对应的平均喷油压力与最大喷油压力仅为18.3 MPa和38.6 MPa，仅是供油压力的11.4%和24.1%。以喷孔前的压力为实际喷油压力，其与供油压力的比为共轨喷油器的有效喷油压力效率[6]，可见随着喷孔面积增加，喷油器的有效喷油压力效率迅速降低。

从系统油路结构(见图1)可知：由油轨至盛油槽间的高压油路没有变截面结构，则由管路的沿程流动损失计算公式[7-8]得到，在本试验系统的高压油路内径为3 mm时，此状态下的沿程流动压力损失仅为5 MPa左右，则实际喷油压力损失主要为盛油槽与压力室间密封座面的节流损失。

3 实际喷油压力仿真与分析

3.1 喷油器性能仿真模型建立与校准

图4示出该共轨喷油器的AMESIM性能仿真模型。图5示出仿真喷油规律与HDA测量结果对比。以HDA测试值为基础值，仿真与测试结果比较见表2。对比可知，仿真值与测量值误差小于等于4%，同时喷油规律的仿真曲线与测量曲线基本一致。下文的实际喷油压力将直接使用仿真软件的计算结果。

图4 共轨喷油器模型

图5 仿真与HAD测量喷油规律曲线对比

工况循环喷油量喷油持续期最大喷油速率HDA111仿真1.0411.02

3.2 实际喷油压力波动分析

图6示出原喷孔面积(0.54 mm2)时，压力室、盛油槽压力及针阀升程曲线的仿真结果。计算结果显示，在0.75～1.45 ms喷油前半段，压力室压力快速升高，达到供油压力的42%左右，而盛油槽压力下降了35 MPa，远大于管路的沿程流动损失。这是由于高压共轨系统喷油前已经完成蓄压，喷油初期燃油轨的高压燃油不会对盛油槽进行补充，导致盛油槽压力下降。在1.45 ms时刻，针阀升程达到最高，但仅为设计值的50%。1.45～2.04 ms为喷油后半段，针阀开始关闭，实际喷油压力快速减小，而盛油槽压力仍然处于上升阶段，甚至高压供油压力到达220 MPa，这是由针阀关闭过程产生的“水击”造成的。2.04 ms后喷油结束，喷油器盛油槽压力波动将逐渐衰减。

图6 压力波动与针阀升程

喷油过程中油嘴针阀始终处于盛油槽压力、控制腔压力、压力室压力及针阀弹簧共同作用下的浮动状态[9-10]。在喷油开始阶段，盛油槽压力是针阀开启的主要动力，控制腔压力、针阀弹簧预紧力是主要阻力；喷油关闭阶段各作用力则相反。喷油初始阶段，由于盛油槽压力迅速降低，不利于针阀快速开启，则在规定的喷油持续期约束下，油嘴针阀无法达到预期升程，导致喷油嘴密封座面始终存在较大的节流损失。随着喷孔面积的增加，盛油槽压力下降幅度与速度增加，则针阀开启速度和升程进一步降低，最终导致循环喷油量未与喷孔面积呈线性增加。3.3提高喷油压力研究

增加高压油管的长度，高压油管内的流动损失因而增加，同时压力波相位也会变化，进而喷油压力和波动相位也会变化[11]。由喷油过程压力波动产生与传播规律可知：缩短油管长度可以缩短喷油压力波的返回时间，从而提高喷油初期盛油槽的压力，进而提高针阀开启速度。图7示出不同油管长度下盛油槽压力、压力室压力曲线。

图7 不同油管长度下盛油槽、压力室压力曲线

计算结果显示：在0.75～2.04 ms整个喷油时间段，随油管长度增加，盛油槽的最低压力减小，最低点相位后移，盛油槽内的压力恢复速度快、时刻晚。虽然在喷油后半段短油管盛油槽的压力小于长油管，但在喷油初始阶段和喷油关闭阶段，针阀升程较低，此时针阀密封座面节流作用大，盛油槽的高压燃油利用效率低。在针阀升程达到最大升程的20%后，盛油槽的高压燃油利用效率提高，即在1～1.8 ms阶段，短油管的盛油槽平均压力要高于长油管，有利于提高实际喷油压力。随着喷油压力波返回时间延长，将与油嘴针阀关闭产生的“水击”进行叠加，则喷油结束后整个高压共轨系统的压力峰值将增加。另外，在喷油后半段，盛油槽压力高，针阀关闭阻力大，不利于快速断油(见图8)。

图8 针阀升程对比

由图8可知，3种油管长度下的油嘴针阀关闭时刻相同，油管长度为200 mm时针阀升程大，则针阀关闭速度更快。

受发动机结构限制，燃油轨与喷油器间的高压油管长度受到限制。由图9可见，在油管长度为100～200 mm时，减小油管长度对提高喷油压力，即提高循环喷油量作用有限。由控制腔压力控制方法可知：提高控制腔的卸压速度，可以降低针阀开启过程的阻力，进而提高喷油嘴针阀开启速度。

图9 循环喷油量随油管长度的变化规律

图10示出3种方案下盛油槽、压力室压力及针阀升程对比。其中方案A为原结构参数：管长600 mm，控制腔进回油量孔面积比1∶1.6；方案B为管长600 mm，增大控制腔进回油量孔孔径，调整两者面积比为1∶4；方案C为管长200 mm，控制腔进回油量孔面积比为1∶4。对比方案A与方案B可知，由于增加了控制腔进回油量孔面积比，采用方案B时控制腔能快速卸压，油嘴针阀迅速开启，压力室压力迅速提高。由于方案A与方案B管长均为600 mm，所以两种方案盛油槽的压力波动曲线基本一致：盛油槽的压力回升较晚。方案B盛油槽压力恢复时，油嘴针阀开始关闭，不利于提高压力室压力。