乘用车燃油压力脉动数值分析*

黄波杨殿阁陶丽芳邓晓龙杨万里

（1.清华大学 汽车安全与节能重点实验室；2.奇瑞汽车股份有限公司）

乘用车燃油压力脉动数值分析*

黄波1，2杨殿阁1陶丽芳2邓晓龙2杨万里2

（1.清华大学 汽车安全与节能重点实验室；2.奇瑞汽车股份有限公司）

针对某乘用车出现的怠速低频噪声现象进行了分析，确定该低频噪声是由燃油压力脉动导致的。对该乘用车的燃油系统进行了一维仿真分析，研究了不同容积的外置缓冲器和不同材料的连接管路对燃油压力脉动的影响，并设计了外置缓冲器与连接管路的优化方案。噪声测试结果表明，选用优化后的橡胶管与外置缓冲器可不同程度地降低车内噪声1.3～3.2 dB（A）。

1 前言

由汽车喷油器周期性开启、关闭引起的燃油压力脉动不仅导致喷油均匀性差而影响油耗，而且在背景噪声越来越小的怠速工况下，燃油压力脉动导致的低频噪声也日益突出。国外研究人员从2000年开始对汽车燃油压力脉动噪声产生机理进行了分析与试验，如，Ka⁃zuteru Mizuno等人[1]通过优化油轨尺寸来抑制燃油压力脉动，可降低28%的燃油压力脉动噪声，但由于油轨尺寸变化较大，只适合于数据设计阶段优化；Ran⁃dall P Izydorek等人[2]设计了油轨外侧集成燃油压力脉动缓冲器，可降低66%的燃油压力脉动，同时车内噪声下降了9.4 dB（A）；Tetsuo Ogata等人[3，4]研发了内部燃油压力脉动缓冲器，但该缓冲器并不能完全解决所有发动机工作转速范围内的燃油压力脉动问题，只适合整车开发前期的优化；Kota Nakauchi等人[5]分析了燃油管路材料、管径、壁厚等参数对燃油压力脉动的影响，通过改变管路材料进而优化了乘用车燃油压力脉动噪声。我国对燃油压力脉动噪声的研究还处于起步阶段，并且相关文献资料较少。

本文借鉴国内外现有的分析思路与方法，研究了不同容积的外置缓冲器、不同材料的连接管路对燃油压力脉动的影响，并设计了外置缓冲器与连接管路的优化方案。

2 燃油压力脉动理论

喷油器周期性开启产生的水锤效应是产生燃油压力脉动的主要原因，燃油在管道内的传播过程可以描述为经典波动方程：

式中，P为液体压力；t为时间；c为液体中压力传播速度；u为液体流速；ρ为燃油密度；kf为燃油体积模量；kW为管道壁面体积模量。

对于圆柱管道，其kW为：

式中，E为管材的弹性模量；d、δ分别为管路直径和壁厚。

对于非圆柱管道，壁面的体积模量需要通过结构的有限元计算获取。

由式（3）可知，减小燃油及壁面的体积模量均可减小压力波在燃油中的传播速度。根据式（1）可知，减小传播速度则减小，即燃油压力脉动变小。但燃油体积模量在汽车应用环境下基本是恒定的，而油管与壁面的体积模量变化范围则较大，因而减小壁面体积模量可作为减小压力脉动的主要手段。

3 燃油压力脉动噪声测试

某乘用车怠速状态下噪声目标限值为43 dB，但对该乘用车进行整车性能验收检测时发现，其怠速状态下噪声总声压级超过45 dB，且在200 Hz以内出现多个超过30 dB的峰值噪声。通过噪声源识别测试分析发现，燃油管路对车内噪声的贡献值较大，即当断开车上的燃油管路而改用外接供油管路时，车内噪声值低于目标值。图1为该车驾驶员左耳处所测得的原始状态噪声曲线、整车外部供油方式噪声曲线及连接油轨油管处燃油压力曲线。

由图1可看出，燃油压力脉动峰值与噪声峰值均出现在频率为25 Hz及其倍频时，频率为25 Hz时的压力脉动最大峰值接近6 kPa，远高于其它频率压力，且噪声接近40 dB（A），也远高于其它频率噪声；频率为50 Hz、75 Hz与100 Hz的压力变化与噪声变化比较一致；频率为125～200 Hz时的压力变化与噪声变化规律有所差别。上述结果表明，燃油压力脉动是影响车内噪声的重要因素，降低燃油压力脉动有助于降低整车的怠速噪声。

4 燃油压力脉动仿真分析

4.1 计算模型

图2为该乘用车喷油系统结构图。由图2可看出，油泵泵出的燃油经加油管流入过滤器，过滤后的燃油一部分流回油泵，另一部分流入油轨并通过喷油器喷射进气缸。这是典型的半回油系统，压力调节阀布置在油泵处，使得泵后压力稳定在400 kPa（相对压力，以下压力均为相对压力）左右，因此油泵的综合作用相当于给燃油系统施加了恒定压力源。

为简化计算，一维仿真模型中以400 kPa的恒定压力源代替油泵与调节阀。该乘用车整车原始装车状态（下称原方案）时的尼龙进油管与油轨钢管同时考虑了内部流动与结构振动。喷油器的喷油规律按照1-3-4-2的喷油顺序，实际工作中喷油脉宽根据转速与负荷不同由电子控制单元自动控制，仿真中没有考虑电子控制单元，而是将喷油脉宽每次给定某个定值来计算燃油压力脉动。图3为一维仿真模型。

4.2 一维仿真模型校准

一维仿真计算的准确度很大程度依赖于输入参数的准确度。喷油器的喷油时间对燃油压力脉动影响较大，但较难通过测试获取该数值。一维仿真中先将喷油时间设置为变量，通过反复调整喷油时间，使得仿真的压力脉动峰值与测试的压力脉动峰值接近，并将此时对应的喷油时间作为输入进行后续参数变化的研究。

根据产品设计定义，喷油时间范围为0～10 ms，初始计算从0 ms开始，每隔0.5 ms计算1次压力脉动结果，并将仿真的最大压力幅值与测试的最大压力幅值相减取方差，计算得到方差最小的喷油时间为3 ms；基于第1次的结果，将喷油范围缩小为2.5～3.5 ms，再每隔0.1 ms计算1次压力脉动，将仿真的最大压力幅值与测试的最大压力幅值相减取方差，最后得到方差最小的喷油时间为2.9 ms。

图4为喷油时间为2.9 ms时计算的压力脉动值与实车测试值对比结果。由图4可看出，频率为25 Hz和50 Hz时的压力峰值与测试值相同；频率为75 Hz和100 Hz时的压力峰值稍高于测试值；频率为100 Hz以上时的压力峰值与测试值均很接近，喷油时间对压力脉动的影响不明显。将喷油时间为2.9 ms的仿真模型（原方案）作为基础模型用于后续的参数研究。

4.3 燃油压力脉动影响因素研究

根据燃油脉动理论，减小壁面体积模量是抑制燃油压力脉动的有效手段，而壁面体积模量的影响因素包括管路的壁厚、直径、长度与材料等。由式（4）可知，圆形管路的体积模量与管路的弹性模型及壁厚成正比，与管径及长度成反比。因管路的壁厚与管径调整受整车布置空间的限制，因此使用低弹性模量的管路来降低燃油压力脉动更为可行。为此，通过改变连接油轨的一段管路的弹性模量及长度来研究其对燃油压力脉动的影响，并通过外接一个不同容积的缓冲器来研究缓冲器大小对燃油压力脉动的影响。

首先假定连接管路的长度为200 mm，并将弹性模量设定为变量，即分别取为84 MPa、72 MPa、48 MPa和24 MPa。上述变量下的压力脉动与原方案的压力脉动对比结果见图5。由图5可看出，频率为25 Hz时，弹性模量大于72 MPa的燃油压力脉动峰值高于原方案，而弹性模量小于48 MPa时燃油压力脉动峰值比原方案降低55%以上。

如果将管道壁面的弹性变形对压力脉动的衰减比喻为阻尼，则管道长度就决定了此阻尼的作用范围，即管道越长，壁面对压力衰减的作用时间越长，压力脉动会越小。

假定连接管路的弹性模量为48 MPa，在此情况下研究长度变化对燃油压力脉动的影响。图6为不同长度（200 mm、300 mm和400 mm）连接管路压力波动与原方案压力波动的对比结果。由图6可看出，随连接管路的加长，燃油压力脉动会有所降低。在频率为25 Hz时，200 mm长连接管的压力峰值降低到原方案的55%；300 mm长连接管的压力峰值降低到原方案的35%，比200 mm长连接管低20%；400 mm长连接管的压力峰值降低到原方案的23%，比300 mm长连接管低12%。可见，随着管路的加长，压力脉动的降低比例会趋于减小。

如果不改变管路材料，在连接油轨处布置一个外置缓冲器，通过缓冲器薄壁的振动也能起到降低燃油压力脉动的作用。根据文献[1]，长宽比大的缓冲器降低压力脉动的效果优于长宽比小的缓冲器，同时为减小整车布置空间，设计了如图7所示的外置缓冲器，该缓冲器直径D与高度H的比为5∶1。图8为不同直径（25 mm、50 mm和100 mm）缓冲器的压力脉动与原方案压力脉动对比结果。由图8可看出，随缓冲器容积的增大，燃油压力脉动的峰值依次减小，但频率低于75 Hz时缓冲器并不能明显降低压力脉动峰值，而频率为100～200 Hz时对应的压力脉动峰值显著减小。但当直径为50 mm的缓冲器与弹性模量为48 MPa、长度为250 mm的连接管组合时，整个频段的压力脉动峰值均降低50%以上。结合图5可知，相对于增加外置缓冲器，降低连接管弹性模量对减小压力脉动的作用更大。

5 燃油压力脉动噪声优化方案验证

结合该乘用车总布置与装配工艺，分别选取3种优化方案进行样件制作并在车内驾驶员位置进行噪声测量，测试工况均为整车完全热机的怠速工况。优化方案1为将连接油轨的一截（250 mm长）管路材料由尼龙更改为橡胶；优化方案2为在连接油轨处外置直径为50 mm的缓冲器；优化方案3为同时使用橡胶管与外置缓冲器。实车装配图如图9所示。由于布置原因，4种方案管道走向稍有变动。试验结果如表1所列，外置缓冲器、更换橡胶管及其组合方案对车内驾驶员位置的噪声贡献值分别为1.3 dB（A）、1.7 dB（A）以及3.2 dB（A），3种优化方案对噪声的降低作用与仿真结果一致。

3种优化方案的的更改周期及费用如表2所列。根据改进效果、更改费用及更改周期，最终选用外置缓冲器方案。

表1 不同方案试验测试结果对比

表2 各方案更改周期及费用对比

6 结束语

减小燃油系统壁面的体积模量是降低燃油压力脉动进而降低燃油脉动噪声的有效途径。针对某乘用车开发过程中出现的怠速低频噪声问题，对燃油系统进行了一维仿真分析，仿真结果表明，使用低弹性模量的管路材料与外置缓冲器均能有效降低燃油压力脉动，并通过车内驾驶员位置的噪声测试验证了仿真计算的准确性。该仿真分析方法可运用于燃油系统的数据开发阶段，可作为预测或解决燃油脉动的有效手段。

1 Kazuteru Mizuno,Shoichiro Usui,Izumi Imura,et al.Fuel Rail with Integrated Damping,SAE 2002-01-0853.

2 Randall P Izydorek,G E Maroney.A Standard Method for Measuring Fuel System Pulse Damper Attenuation，SAE 2000-01-1086.

3 Tetsuo Ogata,Yoshiyuki Serizawa,Hikari Tsuchiya,et al.Further Pressure Pulsation Reduction in Fuel Rails,SAE 2003-01-0407.

4 Joe Z Li，Chris Treusch.Simulation of Pressure Pulsations in a Gasoline Injection System and Development of an Effec⁃tive Damping Technology,SAE 2005-01-1149.

5 Kota Nakauchi,Atsushi Ito,Takeshi Ohara,et al.Develop⁃ment of Plastic Fuel Hose with Pressure Pulsation Reduc⁃tion,SAE 2013-32-9047.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2015年5月1日。

Numerical Analysis of Passenger Car Fuel Pressure Pulsation

Huang Bo1,2,Yang Diange1,Tao Lifang2,Deng Xiaolong2,Yang Wanli2
（1.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University;2.Chery Automobile Co.,Ltd）

Analysis is made to a passenger car with low frequency noise at idle speed,it is found that this lowfrequency noise is caused by fuel pressure pulsation.1D simulation is made to fuel system of this passenger car,and the effect of externally-mounted dampers with different volume and connecting line with different materials on fuel pressure pulsation is studied,and an optimization solution for externally-mounted damper and rubber house are designed.The optimized outside damper and rubber hose can decrease the exterior noise by 1.3 to 3.2 dB(A).

Passenger Car,Fuel Pressure Pulsation,Simulation,Damper

乘用车 燃油压力脉动 仿真 缓冲器

U461.8

A

1000-3703（2015）11-0019-04

国家自然科学基金资助项目（51375252）资助。

杨殿阁（1973-），教授，博士生导师，E-mail:ydg@mail.tsinghua.edu.cn。