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喷射参数对共轨系统高压油管压力波动幅度的影响
2020-05-14 22:19:33· 来源：内燃机学报
1、引言高压共轨系统多次喷射能有效改善柴油机的排放性和燃油经济性，但多次喷射时，同一喷油器相邻两次喷射的时间间隔很短，前一次喷射引起的高压油管内燃油压
1、引言
高压共轨系统多次喷射能有效改善柴油机的排放性和燃油经济性，但多次喷射时，同一喷油器相邻两次喷射的时间间隔很短，前一次喷射引起的高压油管内燃油压力波动会导致后一次喷射的油量出现偏差，不利于柴油机性能的改善。随着排放法规的日益严格，多次喷射在柴油机控制策略中的应用已经成为必然趋势。目前，轨压和喷油脉宽对喷油器关闭后高压油管内燃油压力波动幅度的影响规律的研究还不够深入。笔者通过试验研究了轨压和喷油脉宽对喷油器关闭后入口处高压油管内燃油压力波动的影响，结果表明压力波动幅度随轨压和喷油脉宽的变化均不是单调的。采用 CFD 方法建立了入口边界条件为恒定压力，出口边界条件为孔口出流，且考虑燃油黏性的一维管路模型，并运用MacCormack 和 TVD 有限差分法求解，该模型很好地解释了喷油器开始关闭时刻对压力波动幅度的影响机理。最后，结合仿真结果，通过对比试验总结了轨压和喷油脉宽对喷油器关闭后高压油管内燃油压力波动幅度的影响规律。
2、试验
首先研究了轨压和喷油脉宽对喷油器入口处高压油管内燃油压力波动幅度的影响。为了直观地比较不同条件下的喷油器入口处燃油压力波动幅度，对采集到的压力试验数据做了处理，即将压力信号减去目标轨压，结果称为压力波动信号。试验设备包括驱动电机、高压共轨燃油喷射系统、电流传感器、压阻式动态压力传感器和单次喷射仪。压阻式动态压力传感器用于获取喷油器入口处燃油压力信号。
2.1 轨压对压力波动幅度的影响
燃油温度为25℃，喷油脉宽为1ms，连接喷油器和共轨管的高压油管长度和直径分别为300mm和1.5mm，在轨压为40MPa、60MPa、80MPa和100MPa下得到喷油器入口处的压力波动信号，如图1所示。喷油脉宽、高压油管长度和直径固定的情况下，喷油器入口燃油压力波动幅度在轨压由40MPa 增加到100MPa的过程中呈现出先增大后减小的规律。
图1 轨压对压力波动的影响
2.2 喷油脉宽对压力波动幅度的影响
燃油温度为25℃，轨压为60MPa，高压油管的长度和直径分别为300mm和1.5mm，在喷油脉宽为0.2ms、0.6ms、1.0ms和1。4ms的情况下得到的喷油器入口处压力波动信号，如图 2 所示。其它条件固定不变，喷油脉宽从0.2ms增大到1.4ms的过程中，喷油器入口燃油压力波动幅度先增大后减小。
图2 喷油脉宽对压力波动的影响
3、仿真计算
图2说明喷油器关闭引起的压力波动的幅度大小与喷油器开始关闭的时刻有关。喷油器控制油路流量较小，对喷油器关闭后入口压力波动的影响较小，因此忽略控制油路的影响，将连接喷油器和共轨管的高压油管以及从喷油器入口到喷孔间的油路简化为内径均匀的一维管路。采用CFD方法建立一维管路模型，并基于该简化模型研究喷油器开始关闭时刻对压力波动幅度的影响机理。
3.1一维管路CFD模型
简化得到的一维管路模型如图 3 所示，管路左端为与共轨管连接的高压油管入口，右端为喷孔。x为空间自变量，高压油管入口处对应的x为0。
图3 一维管路模型
对三维N-S方程进行简化，得到一维管路的连续性方程
动量方程为
式中：ρ为燃油密度；u为燃油流速；t为时间；p为燃油压力；τxx为黏性正应力；fx为体积力。
τxx的计算方法为
式中：μ为燃油的动力黏度。
不考虑燃油重力，将管路壁面对燃油的作用力等效为体积力，等效后得到的体积力计算式为
式中：d 为管路直径；τw为管路壁面对燃油的剪切力，当管内燃油流动为层流时，有
当管内燃油流动为湍流时，有
式中，λw为管路沿程阻力系数，与管路材料以及壁面粗糙度有关。除式(1)、式(2)之外，还需要一个燃油物理特性方程。所用燃油为-20号柴油，文献给出了该柴油的密度与温度和压力的关系。
3.2 求解及稳定性条件
MacCormack有限差分法在时间和空间上均具有二阶精度，与传统的特征线法以及迎风格式等在时间和空间上均为一阶精度的方法相比，在平滑区域解的精度更高，但MacCormack方法存在色散现象，会导致在解突变的地方发生振荡，降低求解精度。一维管路模型中，右端喷孔的打开和关闭的速度均较快，必然导致燃油压力和速度的突变。为了消除色散现象，提高突变处解的精度，增加了TVD格式。
a为燃油的声速，为了使数值解稳定，时间间隔Δt和空间间隔Δx的选择必须满足CFL条件为
3.3 模型的可行性
从共轨管到喷孔的实际流动与一维管路模型的区别包括：1）实际流动中，喷油器打开后，共轨管内的压力会有较小幅度的降低；2）实际管路的横截面并不是均匀的；3）模型只考虑了黏性正应力和管路壁面剪切力导致的损失。
虽然一维管路模型与实际流动存在以上区别，但该模型仅用于说明喷油器开始关闭时刻对关闭后高压油管及喷油器油路中压力波动幅度的影响规律和机理。模型的左边界条件为恒定压力入流，右边界条件为孔口出流，左右边界条件的类型与实际流动相同。因此，模型中喷孔开始关闭时刻对一维管路内压力波动幅度的影响规律与喷油器开始关闭时刻对喷油器入口压力波动幅度的影响规律相同。
4、结果与讨论
4.1 喷油器打开导致的压力波动
一维管路长度为390mm，直径为1.5mm，喷孔直径为0.2mm，初始压力为60MPa。喷孔外部压力为1MPa，从0.5ms开始经过0.2ms完全打开。打开过程中，横截面积随时间的变化为线性变化。喷油器入口约位于 x＝300mm处。
喷孔打开后，一维管路内不同位置处压力随时间变化的仿真结果如图4所示，喷孔突然打开后，即使不关闭，一维管路内仍有压力波动，离喷孔较远位置处的压力变化相对于离喷孔较近位置处的压力变化有时间延迟。此外，各位置的最大压力波动幅度不同。
图4 喷孔突然打开后一维管路不同位置的压力
喷油器打开同样会引起高压油管和喷油器油路内的燃油压力发生波动。轨压为60MPa、高压油管长度和直径分别为300mm和1.5mm、喷油脉宽为1.5ms的情况下，试验得到喷油器驱动电流信号和喷油器入口处的压力波动信号如图5所示。
由电磁式共轨喷油器的原理可知，喷油器针阀开始落座(喷油器开始关闭)的时刻滞后于喷油器驱动电流开始下降的时刻（即驱动脉冲结束的时刻）。图5中，喷油器驱动电流从2.5ms开始下降，喷油器入口压力在2ms已经开始增大，而不是一直下降，这说明喷油器打开会导致油路内产生压力波动。
图5 1.5ms下喷油器驱动电流及入口压力波动
4.2 喷油器开始关闭时刻对压力波动幅度的影响
喷孔在图4中点O对应的时刻打开。390mm处压力曲线上的点A、B、C、D、E、F和G对应的时刻分别为0.7ms、1.0ms、1.25ms、1.5ms、1.7ms、2.0ms和2.2ms。为了研究喷孔开始关闭时刻对一维管路内压力波动幅度的影响，在模型中设置喷孔分别在点B、点D和点F对应的时刻开始关闭，计算得到图4中3个位置处的压力随时间的变化如图6所示。
除以上3个时刻外，还在每相邻的两个时间点之间取了多个点进行仿真，结果表明压力波动幅度随关闭时刻的变化趋势在这些中间点处以及点A、C、E和G没有发生转折，因此，不列出这些点的计算结果。
图6 喷孔在点B、点D和点F关闭后一维管路不同位置的压力
喷孔开始关闭的时刻从点O对应的时刻向点B对应的时刻移动时，一维管内压力波动的幅度逐渐增大。对比图6a和图6b可以看出，喷孔关闭时刻由1ms变为1.5ms时，喷孔关闭后，一维管路内各点压力波动幅度逐渐减小。从图6b中可以看到，喷孔关闭后，一维管路内各位置处压力波动幅度的最大值不超过2MPa。
对比图6b和图6c可以看出，喷孔关闭时刻由1.5ms变为2ms，喷孔关闭后，一维管路内各点处的压力波动幅度随喷孔开始关闭时刻的变化逐渐变大。喷孔关闭时刻由2ms(点F)变为2.2ms(点G)时，喷孔关闭后，一维管路内各点处的压力波动幅度逐渐减小。
由图6可知，如果考虑燃油黏性及其它压力损失，一维管路内各点压力波动的幅度随喷孔开始关闭时刻的变化呈现周期性的变化规律，但压力波动幅度随开始关闭时刻的推迟逐渐衰减。如果不考虑燃油的黏性以及其它压力损失，一维管路内各点的压力波动幅度随喷孔开始关闭时刻的变化呈周期性的变化规律。
图6中，喷孔打开后，一维管路中喷孔处压力曲线上的点B、点D和点F为压力随时间的变化趋势发生转折的点。喷孔打开，喷孔处压力开始下降，当喷孔开始关闭的时刻从喷孔打开时刻逐渐向喷孔处压力开始上升的点B靠近时，喷孔关闭后，一维管路内压力波动幅度逐渐增大；当喷孔开始关闭的时刻从喷孔处压力开始上升的点B向喷孔处压力开始下降的点D靠近时，喷孔关闭后，一维管路内压力波动幅度逐渐减小；当喷孔开始关闭的时刻从喷孔处压力开始下降的点D向喷孔处压力开始上升的点F靠近时，喷孔关闭后，一维管路内压力波动幅度逐渐增大。
一维管路内不同位置处的燃油压力不同，根据流体力学的相似原理可知，喷油器入口压力和喷油器内喷孔处压力也存在差异，且两者之间的差异与一维管路模型中x＝300mm和x＝390mm处压力之间的差异相似。高压共轨喷油器内燃油压力高、空间小及运动偶件之间的配合精密，导致无法在喷油器喷孔附近安装动态压力传感器来测试喷孔处的燃油压力，只能依据喷油器入口压力和喷油器内喷孔处压力之间的差异，通过喷油器入口压力来间接说明喷油器开始关闭时刻在喷油器打开后，喷油器内喷孔处压力曲线上所处的位置异相似。高压共轨喷油器内燃油压力高、空间小及运动偶件之间的配合精密，导致无法在喷油器喷孔附近安装动态压力传感器来测试喷孔处的燃油压力，只能依据喷油器入口压力和喷油器内喷孔处压力之间的差异，通过喷油器入口压力来间接说明喷油器开始关闭时刻在喷油器打开后，喷油器内喷孔处压力曲线上所处的位置。
相同的目标轨压下，喷油器开始关闭前，小脉宽对应的喷油器入口压力曲线与大脉宽对应的喷油器入口压力曲线基本重合，两条曲线开始分离的点是小脉宽喷射时喷油器开始关闭的时刻，因此可以通过压力曲线的对比来确定喷油器开始关闭的时刻。所用高压共轨系统允许的喷油器最大喷油脉宽为1.5ms，将图2中不同脉宽下的压力波动曲线与同一轨压(60 MPa)下、喷油脉宽为1.5ms时的压力波动曲线绘制在一起，如图7所示。
图7 相同轨压、不同脉宽下的喷油器关闭时刻
图7示出了不同脉宽下的压力波动曲线与1.5ms喷油脉宽对应的压力波动曲线的分离点，即喷油器开始关闭的时刻。点1、点2、点3和点4分别为0.2ms、0.6ms、1.0ms和1. 4ms 喷油脉宽对应的压力波动曲线与 1.5ms 喷油脉宽对应的压力波动曲线的分离点。在点 4 之前、 1.5ms 喷油脉宽下，喷油器没有开始关闭，因此 1.5ms 喷油脉宽对应的压力波动曲线上点 4 之前的压力波动是由喷油器的打开导致的，结合仿真结果给出的一维管路模型中 x ＝ 300mm 和 x ＝ 390mm 的差异，可以依据 1.5ms 喷油脉宽对应的压力波动曲线上点 4 之前的部分来判断喷油器开始关闭时刻在喷油器打开后，喷油器内喷孔处压力曲线上所处的位置。
喷油器打开后，喷油器内喷孔处压力随时间变化的曲线上压力开始上升的点滞后于喷油器入口压力开始上升的点，因此，60MPa轨压下，喷油器打开后喷孔处压力波动曲线上对应的点B处于图7中的点2和点3之间，且更靠近点3。喷油器内喷孔处压力随时间变化的曲线上压力开始下降的点滞后于喷油器入口压力开始下降的点，所以图7中的点4位于喷孔前压力波动曲线上相应的点D之前。结合图6显示的仿真结果可知，在60MPa轨压下，喷油脉宽由0.2ms增大到1.4ms时，喷油器关闭后管路内压力波动幅度随喷油脉宽的增大呈现先增大后减小的趋势，与图 2 的试验结果一致。
综上，一定的目标轨压下，喷油器关闭后，高压油管以及喷油器油路内压力波动幅度随喷油器开始关闭时刻的变化趋势在喷油器打开后，喷油器内喷孔处压力开始上升的点和开始下降的点处发生转折。当喷油器开始关闭的时刻从喷油器内喷孔处压力开始上升的点向压力开始下降的点移动时，压力波动的幅度逐渐减小。当喷油器开始关闭的时刻从喷油器内喷孔处压力开始下降的点向压力开始上升的点移动时，压力波动的幅度逐渐增大。
4.3 喷射参数对压力波动幅度的影响规律
4.3.1 喷油脉宽
增大轨压，喷油器打开后的压力波动频率增大，即使喷油脉宽相同，喷油器开始关闭的时刻在不同轨压下的喷油器打开后，喷油器内喷孔处压力曲线上所处的位置也不同。因此，一定的喷油脉宽变化范围、不同的轨压下，压力波动幅度随脉宽的变化会呈现出不同的规律。
与图2所示结果的条件相同，在轨压分别为20MPa和100MPa下，喷油脉宽从0.2ms增大到0.8ms的过程中，压力波动的幅度均随喷油脉宽的增加而增大，为了使图片更清楚，没有将0.2ms到0.8ms对应的压力波动曲线绘出。当喷油脉宽从0.8ms增大到1.4ms的过程中，压力波动的幅度随喷油脉宽的变化在两种轨压下呈现出不同的变化趋势，如图8所示。从图8a中可以看到，20MPa轨压下，喷油脉宽从0.8ms增大到1.4ms，压力波动幅度随喷油脉宽的增大而减小。从图8b可知，100MPa轨压下，压力波动幅度随喷油脉宽的增大先减小后增大。
图8 不同轨压下喷油脉宽对压力波动幅度的影响
4.3.2 轨压
图 9 为不同轨压下，1.0ms和1.5ms喷油脉宽对应的喷油器入口压力波动曲线，且给出两条曲线的分离点，即1.0ms喷油脉宽下喷油器开始关闭的时刻。考虑喷油器内喷孔处压力与喷油器入口压力之间的差异，由图9可以看出，与60MPa轨压下的情况相比，40MPa轨压、1.0ms喷油脉宽下，两条曲线的分离点(即1.0ms喷油脉宽下喷油器开始关闭的时刻)更靠近相应的喷油器打开后，喷油器内喷孔处压力曲线上的点B，所以40MPa、1.0ms对应的喷油器关闭后的压力波动幅度应该大于60MPa、1.0ms对应的喷油器关闭后的压力波动幅度，但图1中的试验结果却恰好相反。这说明当喷油脉宽一定时，轨压通过两种途径来影响喷油器关闭后的压力波动幅度。首先，轨压影响压力波动的频率，进而影响喷油器开始关闭时刻在喷油器打开后，喷油器内喷孔处压力波动曲线上所处的位置，所以影响压力波动的幅度。其次，轨压增大导致压力波动的能量增加，进而增大压力波动的幅度，图1中，喷油器打开后，压力下降的幅度随着轨压的增加而增大说明了这一点。
图9中，当轨压从60MPa增大到100MPa时，喷油器开始关闭的时刻在对应的喷油器打开后，喷油器内喷孔处压力曲线上向着喷油器关闭后压力波动幅度减小的方向移动，喷油器关闭后压力波动幅度随着轨压的增大而减小，如图1所示，说明喷油器开始关闭时刻在喷油器打开后，喷油器内喷孔处压力波动曲线上所处位置的改变导致的压力波动幅度的减小量大于因轨压增大而导致的压力波动幅度增大的量。此外，图8a中压力波动的最大幅度约为±2MPa，而图8b中1.2ms下的压力波动幅度最小，但也远远超过了±2MPa，因此，整体上看，压力波动幅度随轨压的增加而增大。
图9 不同轨压下1.0ms喷油脉宽喷油器开始关闭时刻
与图1相比，比1.0ms更小的喷油脉宽可以实现轨压从40MPa增大到100MPa时，压力波动幅度逐渐增大。其它条件与图1的试验条件相同，喷油脉宽为0.4ms时，不同轨压下的喷油器入口压力波动如图10所示。喷油器关闭后，入口压力波动幅度随轨压的增加而增大。
图10 不同轨压对压力波动幅度的影响
长度为l的管路，其内部燃油压力波动的周期
-20号柴油的声速与燃油压力的关系是非线性的，根据式(8)可知，管路内压力波动的周期随燃油压力的变化也是非线性的，即在不同的轨压下，相同的轨压变化量不能带来相同的压力波动周期变化量。因而，虽然压力波动幅度随轨压的增大呈现出非单调的、往复的变化，但往复变化的周期不是恒定的。相同轨压变化量带来的声速的变化量随轨压的增加逐渐减小，因此压力波动幅度随轨压的增大往复变化的频率也越来越低。
5、结论
(1)喷油脉宽的变化改变喷油器开始关闭的时刻，其它条件一定，如果喷油脉宽的变化范围有限，则高压油管以及喷油器油路内压力波动幅度随喷油脉宽的变化规律会因轨压的不同而不同，如一直增大、先增大后减小及先减小后增大；如果喷油脉宽的变化范围足够大，则燃油压力波动幅度随喷油脉宽的增大呈周期性的变化规律，且随喷油脉宽的增大而衰减。
(2)轨压的变化改变喷油器打开后压力波动的频率，即使喷油脉宽不变，轨压的变化也会导致喷油器开始关闭时刻在喷油器打开后，喷油器内喷孔处压力曲线上所处的位置不同；此外，轨压的增加会增大压力波动的能量，进而导致压力波动幅度增大；其它条件一定，当轨压在有限的范围内变化时，高压油管以及喷油器油路内压力波动幅度随轨压的变化规律会因喷油脉宽的不同而呈现出不同的规律，如一直增大、先增大后减小等；当轨压变化的范围足够大时，压力波动幅度随轨压的增加在整体上呈逐渐增大的趋势，但伴随着局部的往复变化，且往复变化的周期随轨压的增加而增大。
文献来源
[1]李丕茂,张幽彤,谢立哲.喷射参数对共轨系统高压油管压力波动幅度的影响[J].内燃机学报,2013,31(06):550-556.
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