高压共轨系统关键参数对油压波动的影响

张熙烨，陈相安，李思哲，仲皓，张学敏

(中国农业大学工学院，北京 100083)

随着排放法规的日益严格，人们对柴油机燃烧性能、喷射喷油规律以及排放水平等方面的要求也越来越高[1]，高压共轨系统(Common Rail System，CRS)因其具有优化燃烧、可独立控制喷油压力、能有效降低排放和油耗的突出优势，已成为当前柴油机的主要研究方向[2-3]。

CRS主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器等部分组成[4-5]，其中高压油泵仅向共轨管供油维持共轨压力，采用压力-时间式燃油计量原理，用高速电磁阀控制喷射过程。但喷油器针阀受外力作用驱动，其开启回落在蓄压腔和共轨管内都会产生压力波，并随着连接管路传播扩散，造成喷油压力波动，影响喷射精确性[6]。而压力波动会引起喷油量变化，压力对喷油器内部流动状况的影响直接影响喷油质量及排放[7]。关于高压共轨系统中的油压波动问题，一直以来在世界范围内都被广泛研究。N.A.Henein等[8]采用喷油率试验台及单缸柴油机研究了柴油机喷油的压力波动特性，指出随共轨压力提高实际喷油时间与信号指令之间的间隔会缩短，增加喷油时间，造成喷油量不准确；G.M.Bianchi等[9]采用一维/三维耦合仿真的方法建立共轨系统喷油器模型，通过改变高压泵喷油压力，对不喷射、单次喷射、多次喷射情况下共轨管内的压力波动进行了研究，发现共轨控制腔内压力波动的传播和振荡对多次喷射的油量有较大的影响，建议通过改变机械结构参数降低波动的影响。马修真等[10]利用在AMESim仿真平台建立高压共轨系统数值仿真模型的方法，发现循环喷油量随着参数变化而产生波动，并指出在全工况平面内，回油压力、控制阀杆升程、进油孔直径、出油孔直径、针阀升程和喷油器流动系数为影响流量波动的6个关键参数，是高压共轨喷油系统参数优化的主要目标。

为更好地分析高压共轨系统关键参数对油压波动的影响，为后续柴油机高压共轨系统的设计开发、模拟计算等提供更加准确的数据支持和边界条件，本研究应用AMESim仿真平台对高压共轨系统进行了建模，并通过试验对模型的准确性进行验证，在此基础之上对CRS各参数对共轨管内压力波动的影响进行研究，分析影响波动的主要因素。

1 模型建立及试验验证

1.1 高压共轨系统仿真模型的建立

本试验采用的CRS900高压共轨试验台由高压共轨喷射系统、380 V三相交流变频驱动系统、控制系统、传动系统以及油路系统组成。基于对高压共轨系统的认识及对CRS900共轨试验台的实际测量分析，应用AMESim仿真平台对试验台搭载的高压共轨系统进行完整的建模[11-13]，仿真模型见图1。

图1 高压共轨系统仿真模型

模型定义了系统中油液的特性，包括密度、黏度、气体溶解量等，此次仿真液体特性选用的是0号柴油，密度为0.84 kg/L，凝点为0 ℃，沸点为180～370 ℃。

1.2 试验验证

在CRS系统中，高压油泵转速与整机转速成固定比例关系。本研究中选取转速比为1∶2，选取柴油机中间转速1 600 r/min为试验转速，此时高压油泵转速稳定在800 r/min。试验中固定转速在800 r/min，加载油压，待转速平稳且油轨油压基本稳定时开始试验。

试验中分别测定了不同条件下的喷油量。首先设定油压分别为40 MPa，60 MPa，80 MPa，100 MPa，分别记录在不同喷油脉宽、固定喷油次数条件下的喷油量；然后设定固定喷油脉宽分别为0.6 ms，0.8 ms，1.0 ms，1.2 ms，调整喷油压力，测量固定喷油次数条件下的喷油量。通过计算得出各工况下的单次循环喷油量，部分试验与仿真数据对比见表1。

由表1数据可见，各个轨压下仿真喷油量与试验值之间的平均误差小于5%，在允许范围以内，且可以看出所有工况条件下喷油量仿真值与试验值变化趋势一致，该仿真模型与CRS900试验台搭载的CRS系统喷油特性相近。由以上分析可得，该仿真模型与实际共轨系统相比具有较高吻合度、较好的准确性和较好代表性，可以利用该仿真模型来进一步模拟研究CRS900试验台所搭载的CRS系统的特性。

表1 部分试验与仿真喷油量数据对比

2 仿真试验与分析

高压共轨系统参数在生产装配和使用过程中的变化会引起循环喷油量的波动，从而造成喷油系统工作稳定性的下降。为此分别对喷油压力、喷油脉宽、共轨管直径3个主要高压共轨系统参数值对共轨管内油压波动的影响进行仿真试验，分析各参数对油压波动的影响。

2.1 喷油压力对油压波动的影响

图2示出固定共轨管和高压油管的长度和直径，脉宽1 ms，不同轨压时共轨管内的油压波动。喷油器从0 ms时刻开启喷油，持续1.2 ms后落座。由图2可知，共轨管内的油压波动幅值随着喷油压力的增大呈现增大趋势。且随着轨压逐步增大，喷油器喷油后管内油压波动频率升高。

图2 轨压对压力波动的影响

由于在相同轨压不同喷油脉宽条件下，不同脉宽对应的压力波动随时间的变化在针阀开始落座关闭前处于基本吻合的状态，所以应用此规律确定针阀开始关闭的点。

图3至图6示出4种轨压下1.0 ms以及1.5 ms喷油脉宽所对应的油压波动规律，且在图中标识出了两种脉宽的压力波动分离点A，即为1.0 ms的脉宽对应的喷油器针阀开始回位关闭的时刻。当喷油器针阀开始落座时，喷油压力开始回升，轨压逐步升高，针阀抬起后，管内压力下降幅度也随之升高，这是由于轨压增大导致燃油喷射能力增大，相同喷油脉宽下喷出的燃油量随轨压升高而增大，且单位时间内泄压量较大，进而增大了初次的油压波动幅度。随后电磁信号断开，针阀开始回位，此时共轨管内油压开始逐步回升。轨压还影响着压力波动的频率，轨压升高，压力波动频率同样升高。

图3 40 MPa轨压下的油压波动

图4 60 MPa轨压下的油压波动

图5 80 MPa轨压下的油压波动

图6 100 MPa轨压下的油压波动

因此，从整体上看，压力波动幅度随着轨压增加而增大。

2.2 喷油脉宽对油压波动的影响

图7示出喷油压力为60 MPa，高压油管长度和直径固定，不同喷油脉宽时的共轨管内油压幅值波动随时间的变化。在喷油脉宽从0.2 ms递增至0.8 ms的过程中，压力波动幅值随着脉宽的增加而增大。为了在图中表述清晰，没有将0.8 ms的波动曲线绘出。在脉宽继续从0.6 ms增大至1.0 ms的过程中，压力波动幅度随喷油脉宽的增大呈现出与之前不同的变化趋势，此时油压波动幅值随脉宽的增大而减小，当继续增大脉宽，波动幅值转而增大。

图7 60 MPa时脉宽对压力波动的影响

为了更清楚地说明喷油脉宽这一单一变量与油压波动之间的影响规律，仿真得出20 MPa和100 MPa两种相差较大的喷油压力下，喷油脉宽从0.8 ms连续变化至1.4 ms，步长为0.2 ms时，油压波动随时间的变化，结果见图8和图9。

图8 20 MPa时喷油脉宽对压力波动的影响

图9 100 MPa时喷油脉宽对压力波动的影响

在20 MPa条件下，随着脉宽从0.8 ms上升至1.4 ms，压力波动幅值随之略微减小；而在100 MPa轨压下，与图7中60 MPa条件下的情况类似，波动幅值随着脉宽的连续增大先减小再增大。这主要是因为在不同喷油脉宽条件下，针阀开始关闭落座时间不同。针阀的开启和关闭会造成喷油器内蓄压腔压力周期性波动，同样也会引起共轨管内的压力产生波动，但共轨管内的压力波动相对蓄压腔内的油压波动存在滞后。即如果针阀开始关闭的时刻处在蓄压腔压力波动幅值上升的阶段，则会促进共轨管内的波动；而如果针阀开始关闭时刻处于蓄压腔压力波动幅值下降的阶段，则会削弱共轨管内的波动，这也导致了在相同轨压不同喷油脉宽条件下，油压波动幅值的变化呈现出不同的变化趋势。所以在100 MPa轨压时，喷油脉宽从0.8 ms变化至1.4 ms过程中，由于喷油结束时间不同，油压波动幅值出现先减小再增大的情况。

2.3 共轨管直径对油压波动的影响

高压共轨系统中的共轨管直径也会影响燃油波动规律。对比不同管径下油压波动的变化应在共轨管容积不变的前提下进行，否则会导致其他重要参数发生变动，不利于对单一变量进行研究。本节仿真是基于 CRS900 试验台共轨部件的测量数据，在此基础上对共轨管直径进行单一变量研究。

实测CRS900试验台共轨管内管径为16 mm，长300 mm。表2列出仿真所选取的5种不同内管径，在保持容积不变的前提下所对应的共轨管长度。

表2 仿真共轨管内管径和长度

图10示出在60 MPa喷油压力，1.0 ms脉宽下，不同共轨管内直径下管内压力波动随时间变化的趋势。由图10可知，随着共轨管内直径增大，油压脉动幅值明显减小，但由于喷油压力和喷油脉宽是固定的，所以油压波动频率基本保持不变。在喷油器刚刚关闭时，受到针阀落座压力波影响，管内产生水击波动现象，且初次振动幅值最大。随着喷油器关闭，共轨管内油压逐渐趋于平稳，逐步收敛于设定的期望轨压。在振幅随时间递减的过程中，大管径所对应的各个周期内的振幅均小于小管径对应的振幅。综合以上分析，选择较大的共轨管直径有助于减小内部燃油波动的影响，但是也并非管径越大越好，管径过大会影响管内油压的建立响应时间。

图10 共轨管直径对压力波动的影响

3 基于R语言的油压波动影响因素分析

在数据的回归分析中，如果样本包含两个或以上的自变量，就应当归结为多元线性回归问题。针对喷油压力、喷油脉宽、共轨管直径3个自变量与因变量的仿真数据，回归分析计算量较大，分析较为繁杂，本研究借助R语言环境，将不同自变量对因变量的影响转换为标分进行回归分析。

建立多元线性回归模型：

yi=b0+b1x1+b2x2+b3x3+μi。

(1)

通过cor()函数求得脉宽、轨压和共轨管管径与波动幅度之间相关系数矩阵(见表3)。其中mk为脉宽，gy为轨压，gj为共轨管管径，volatility为波动幅度。

表3 cor(data1)相关系数矩阵

由该相关系数矩阵可以看出，轨压与波动幅度相关性达到0.89，呈强相关关系，共轨管管径与波动幅度呈现负相关，这也与仿真结果一致。

图11示出scatterplotMatrix函数输出的在非对角线区域变量间的散点相关矩阵图。矩阵图由16副小图组成，每一幅图显示了自变量之间两两对应的关系。本研究关注3个自变量(脉宽、轨压、管径)与因变量油压波动幅度之间的关系，即第4列的图形信息。从图11可以看出，波动幅度随着轨压增大而增大明显，而随着脉宽和共轨管管径在仿真数据区间内变化幅度不明显。

图11 散点相关矩阵图

在此基础上，通过应用lm()函数拟合多元线性回归模型，该函数输出结果如下：

Call:

lm(formu1a～volati1ity～mk + gy + gj, data = data1)

Residua1s:

Min 1Q Median 3Q Max

-4.363 6 -0.542 5 -0.134 0 0.413 0 5.123 5

Coefficients:

Estimate Std.Error t value Pr(<|t|)

---

signif.codes: 0 '***' 0.001 '**' 0.01'*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1

Residua1 standard error: 1.24 on 56 degrees of freedom

Mu1tiple R-squared: 0.838 5, Adjusted R-squared: 0.829 9

F-statistic: 96.93 on 3 and 56 DF,p-value:<2.2e-16

>confint(fit)

在本例中，轨压的回归系数为0.12，表示控制脉宽和管径不变时，轨压上升1%，波动幅度将会上升0.12%，它的系数在p<0.001的水平下显著不为0。

结果表明，轨压改变1%，波动幅度就在95%的置信区间[0.11,0.14]中变化。

为了进一步说明各个自变量对油压波动影响所占的权重大小，通过relweights()函数对样本数据中各个预测变量的相对重要性进行了进一步的计算，结果见图12。

图12 预测变量相对重要性

由图12可以看出，在喷油压力、喷油脉宽和共轨管管径3个影响因素中，轨压即喷油压力对油压波动幅值的影响权重高达80.74%，对油压波动的影响占据主导地位，而脉宽和管径影响较小，分别占据10.96%和8.29%。

4 结论

a)保持共轨管直径和脉宽不变，共轨管内的油压波动幅值随着喷油压力的增大呈现增大趋势，且随着轨压增大，喷油器喷油后油压波动频率升高；

b)保持共轨管直径和喷油压力不变，不同的喷油脉宽对油压波动幅值的影响具有不确定性，即随着脉宽增大，波动幅值增量为正或负；

c)保持喷油压力和脉宽不变，在保持容积不变的前提下改变共轨管直径和长度会对管内油压波动造成影响，共轨管直径增大油压脉动幅值明显减小，但由于喷油压力和喷油脉宽是固定的，所以油压波动频率基本保持不变；

d)在喷油压力、喷油脉宽和共轨管管径3个影响因素中，轨压即喷油压力对油压波动幅值的影响权重高达80.74%，对油压波动的影响占据主导地位。