高压共轨柴油机燃油喷射控制系统主要部件数模计算

王学军

高压共轨柴油机燃油喷射控制系统主要部件数模计算

王学军

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

高压共轨喷射技术为柴油机电控技术的发展指明了方向，可以满足国四以上国家排放法规的要求。它已被公认为最具潜力的燃油喷射系统，具有巨大的市场和广阔的前景。论文通过共轨柴油机喷油系统主要部件的数模计算，能减少设计修改次数和匹配问题的冲突，提高机构设计和性能匹配效率。

高压共轨；柴油机；计算模型

前言

高压共轨燃油喷射系统复杂，具备机械、电工电子、液压技术以及智能控制技术，在保证精度计算准确的前提下，需要对仿真模型进行简化设计，从而节约计算时间，降低计算成本。通过建立系统的数字模型，可以获得燃油喷射的基本特性，为共轨柴油喷射系统的自适性提供依据。

1 高压共轨柴油机燃油喷射系统概述

在柴油机经历了机械燃料系统、废气增压和中冷控制技术和电控燃油喷射技术的百年工作历程中，不断提高了发动机高压共轨技术，使共轨柴油机发展迈上了一个新的台阶。在突破三大技术过程中，有两项和燃油系统发展有直接关系，所以说，燃油喷射系统是柴油机的重中之重。高压共轨燃油喷射系统主要由高压供油泵、共轨管、ECU、传感器和喷油器等部分构成。其工作原理：低压油泵加压将燃油经油箱吸出，经过滤清送人高压供油泵，高压供油泵将燃油进一步加压，由高压油管输送到共轨管内留存。ECU接受相应传感器信号，并进行逻辑判断和计算，根据预设的程序将燃油以一定的压力输送给执行器——喷油器，从而完成喷油等工作。

2 高压共轨系统数学模型的建立

共轨燃油喷射系统结构复杂、参数多，其开发研究主要是在试验台上完成多方案的比较，不仅开发周期长、成本高，而且工作量大。通过计算机仿真，进行多方案结构参数优化和系统性能比较，可以大大提高效率，降低成本。

2.1 高压供油泵油液流动方程

根据燃油的运动过程，满足供油室内的燃油连续性方程，如下所示。

柱塞腔内燃油量的平衡关系如下：

Q=Q+Q→rail++（1）

式中，Q：柱塞瞬时压入油量即几何供油率，mm3/s； Q：柱塞腔压缩容积变化率，mm3/s；Q→rail：通过阀门流入油轨流量，单位：mm3/s；Q：间隙泄露流量，mm3/s；：流向低压油路的流量，mm3/s。

几何供油率Q：

式中，h：柱塞升程，mm；F：柱塞截面积，mm2。

（3）

式中，：柱塞直径，mm。

压缩油量变化率Q：

式中，V：柱塞杆容积，mm3；E：柴油的弹性模数，MPa；P：腔室压力，MPa。

油阀活塞孔流量Q→rail：

式中，：柴油的密度，kg/m3；|：共轨管压力，MPa； uF：柱塞腔至共轨管的有效流通面积，m2；u：流量系数。

阶跃函数：

柱塞腔泄漏流量：

（7）

式中，：柴油的动力粘度，MPas；：柱塞的密封长度，mm；δ：柱塞偶件的间隙，mm；：低压油道的压力，MPa。

柱塞腔流至低压油道的流量1：

式中，uF：柱塞腔至低压系统的有效流通面积，mm2。

阶跃函数：

将式（2）—（9）代入式（1），整理得：

式中，柱塞速度，mm/s。

2.2 柱塞运动方程

式中，h：油泵的转速，rpm；油泵的凸轮转角，°。

供油泵柱塞运动方程：

液压力的计算式：

式中：m：柱塞质量，；h：柱塞升程，mm；c：阻尼系数；k：刚度系数；：输入端连接单元；：输出端连接单元；：输入端连接单元坐标；：输出端连接单元坐标；：连接单元的阻尼系数；：连接单元的刚度系数；F：柱塞弹簧预紧力，；F：输入端机械预紧力；F：输出端机械预紧力；：输入端的机械连接单元个数；：输出端的机械连接单元个数；F：液压力，；F：库企摩擦力，；凸轮腔压力，N/mm2；F：液体泄漏的粘滞摩擦力，N；d：柱塞直径，mm；初始压力，N/mm2；压缩终了的压力，N/mm2。

2.3 共轨管内燃油连续方程

式中：：共轨管的容积，mm3；：N共轨喷管流量，mm3/s；：共轨管至控制腔的流量，mm3/s。

共轨管至喷油嘴腔的流量→：

式中，P：喷嘴腔内的压力，MPa；uF：共轨喷油有效流量面积，mm2；

：阶跃函数

共轨管流至控制腔的流量→：

式中，控制腔内的压力，MPa；uF：共轨管至控制腔的有效流通面积，mm2。

阶跃函数：

将式（15）—（18）代入共轨管内燃油连续方程（14），整理可得：

2.4 喷油嘴腔内燃油连续方程

针阀截面积：

式中，d：针阀直径，mm。

喷油嘴腔流至压力室的流量：

式中，P：压力室压力，MPa；uF：喷油嘴腔至压力室的有效流通面积，mm3。

：阶跃函数

其中，式中，：针阀表面角度，0。

针阀漏流：

式中，：针阀偶件间隙，mm；：针阀偶件密封长度，mm；2：计阀座处燃油压力，MPa。

针阀锥部的容积：

式中，hmax：针阀最大升程，mm；：压力室直径，mm。

将式（21）—（27）代入喷油嘴腔内燃油连续方程（20），可得：

2.5 共轨管喷油器端边界条件

为了简化模型，应采用以下边界条件来忽略连接盖和喷嘴的高压管道中的压力损失和局部燃油压降：

P=P（29）

结合共轨和喷油器腔中的燃油连续性方程，整理可得：

2.6 压力室内燃油连续方程

式中，Q：压力室流向燃烧室的流量，mm；：压力室容积，mm3。

压力室流向燃烧室的流量Q：

式中，：气体环境中平均压力，MPa；uF：喷嘴有效流动面积，mm2。

总截面积：

式中，：喷嘴直径，mm；：喷嘴数量。

将式（32）、（33）代入压力室内燃油连续方程（31）可得：

3 结束语

通过建立高压供油泵、共轨管和电控喷油器的高压共轨系统数学模型，分析常用高压燃油喷射系统的特点及关键设计参数的影响，为优化高压共轨系统的关键设计参数起到了积极的促进作用，为高压共轨燃油喷射系统的设计提供了参考，为机型匹配提供了依据。

[1] 刘楠,刘振明,龚鑫瑞,等.压电式喷油器多参数优化匹配研究[J].车用发动机,2014(02):28-33.

[2] 张涛,曹志成,陈利平,等.某共轨喷油器优化设计及试验研究[J].现代车用动力,2019(01):31-33+40.

[3] 贾超超.喷射参数对高压共轨柴油机燃用地沟油生物柴油性能的影响研究[D].西安:长安大学,2014.

[4] 常远,欧阳光耀,刘振明,等.高压共轨喷油器电磁阀新型驱动控制技术研究[J].内燃机工程,2015,36(02):76-81.

Digital and Analog Calculation of Main Components of Fuel Injection Control System for High Pressure Common Rail Diesel Engine

WANG Xuejun

( Shandong Huayu Institute of Technology, Shandong Dezhou 253034 )

High pressure common rail injection technology points out the direction for the development of electronic control technology of diesel engine, which can meet the requirements of national emission regulations above the fourth national standard. It has been recognized as the most potential fuel injection system, with huge market and broad prospects. Through the numerical simulation calculation of the main components of the common rail diesel injection system, the conflict between design modification times and matching problems can be reduced, and the efficiency of mechanism design and performance matching can be improved.

High pressure common rail; Diesel engine;Calculation model

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.030

U262.11

A

1671-7988(2021)21-117-04

U262.11

A

1671-7988(2021)21-117-04

王学军，就职于山东华宇工学院。

本文为山东华宇工学院2020年度校级科研计划项目：高压共轨柴油机喷油控制参数优化研究（项目编号：2020KJ09）的研究成果之一。