试验装置如图1所示, 包括共轨燃油喷射系统、单次喷射仪、电流传感器和压力传感器等设备。采用法国EFS公司的8150-3单次喷射仪(测量范围为0~600 mm³, 精度为满量程的0.1%)测量喷油量和喷油率; 采用Kistle公司的4067C3000型动态压力传感器(测量量程为0~300 MPa, 灵敏度为0.033 V/MPa)采集喷油器入口压力信号; 采用Agilent公司的1146A型电流传感器(量程为0.1~100 A, 带宽为100 kHz)采集喷油器驱动电流。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 高压油泵试验台Fig.1 Platform of high pressure fuel pump

液力系统包括喷油器、高压油管A和液力滤波器, 如图2所示。图中, K为高压油管和喷油器入口处的一个很小的容积腔, 燃油通过容腔K经过管路I到达供油油路和控制油路的交汇容腔B, 容腔B和控制腔J之间的油路称为控制油路; D为控制腔进油孔之前的一个环形容腔; C为联接管路; 容腔B和喷孔P之间的油路称为喷油油路; 点 L为两个直径不同的管路E和F的交汇点; 管路H为容腔G和喷孔P之间的环形管路。滤波器包括容腔O和S, 阻尼孔W, 节点U, 管路T、M、N和R。滤波器在高压油管和喷油器之间, 喷油器打开后, 容腔O快速、及时地向喷油器体内补充燃油; 阻尼孔添加在分支油路的交点 U和容腔O之间, 能够使压力波动尽快衰减而不会减小单次喷油量。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 加滤波器的液力系统结构图Fig.2 Hydraulic system configuration diagram plus filter

根据波动产生的原因以及文献[12, 13]的研究成果, 设计了带有阻尼孔和容腔的滤波器, 如图3所示。滤波器一端与喷油器入口相连, 另一端与高压油管相连。同时由文献[13]可知, 容腔体积较大可以提高滤波效果, 但会降低响应速度, 因此容腔体积选取不大于共轨管容腔的1/4。研究表明^[5]:阻尼孔太小, 单次喷射喷油量会大幅度较小; 阻尼孔太大, 滤波效果不明显, 因此选择阻尼孔尺寸不超过高压油管直径。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 液力滤波器结构Fig.3 Structure of filter

为了匹配得到较佳的滤波器结构尺寸, 采用均匀设计的方法获得压力波动最小的滤波器尺寸。阻尼孔直径 h0、h1、h2、h3、h4分别为0、0.2、0.4、0.8、3 mm; 容腔体积 O1、O2、O3、O4、O5分别为0、1720、5590、12 790、28 000 mm³。

在共轨压力为100 MPa、容腔体积为28 000 mm³、喷油脉宽为1 ms的条件下进行单次喷射试验, 不同阻尼孔直径下的试验结果如图4所示。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 喷油脉宽为1 ms时, 不同阻尼孔直径下的压力波动Fig.4 Pressure fluctuation under different damping hole diameter when pulse width is 1 ms

由图4可以看出:随着阻尼孔直径的增大, 压力波动的幅度呈现先减小后增大的趋势, 这是阻尼孔的能量耗散作用造成的。滤波器阻尼孔直径变大, 使得压力波动的幅度降低, 但同时使阻尼孔的能量耗散作用减小, 所以在0~3 mm间存在使压力波动幅度最小的阻尼孔直径。整体看来, 阻尼孔直径为0.4 mm时, 压力波动幅度最小, 所以选择阻尼孔的直径为0.4 mm。

在阻尼孔直径为0.4 mm、共轨压力为100 MPa、脉宽为1 ms下进行单次喷射试验, 不同容腔体积下的试验结果如图5所示。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 喷油脉宽为1 ms时, 不同容腔体积下的压力波动Fig.5 Pressure fluctuation under different damping hole diameter when pulse width is 1 ms

由图5可以看出:波动的幅度随着容腔体积增大而减小, 但当容腔体积大于1720 mm³时, 容腔体积变化对压力波动的影响很小, 这是由于容腔中的燃油在自身弹性作用下能对油路进行燃油补充造成的。随着容腔体积的增大, 燃油补充速度也进一步提高, 但是当容腔体积增大到1720 mm³时, 补充速度变缓, 因此对波动幅度的抑制也随着变缓, 同时为了便于安装, 本文选择1720 mm³作为容腔体积。

因此, 选择阻尼孔直径为0.4 mm、容腔体积为1720 mm³作为波动幅度最小的滤波器的结构尺寸。

图6(a)(b)(c)分别为单次喷射下, 喷油脉宽为0.4 ms, 共轨压力为40、60和100 MPa情况下, 加装滤波器和未加装滤波器的压力波动幅度的比较图。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 喷油脉宽为0.4 ms时, 单次喷射引起的压力波动Fig.6 Pressure fluctuation caused by single injection when injection pulse width is 0.4 ms

为了定量分析滤波器对压力波动的抑制效果, 将图6中加装滤波器和不加装滤波器情况下的最大压力波动量与最小压力波动量之差Δ P分别提取出来, 如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同共轨压力下的Δ P Table 1 Δ P under different common rail pressure 滤波器 共轨压力/MPa 40 60 100 未加装 6.25 11.85 24.16 加装 2.88 5.58 11.92

表1 不同共轨压力下的Δ P Table 1 Δ P under different common rail pressure

由表1可以看出:在共轨压力分别为40、60和100 MPa时, 加装滤波器时的Δ P分别为不加装滤波器时的46%、47%和49%, 即共轨压力波动分别减小54%、53%和51%。出现这种变化的原因是因为滤波器的“ 削峰填谷” 作用, 使Δ P变小。后续试验结果的原因分析均是如此, 不再赘述。

采用预主喷和主后喷的喷油模式研究了滤波器在不同控制策略下对喷油量的影响。

3.3.1 预主喷模式下滤波器对喷油量的影响

预喷能够降低柴油机燃烧噪音, 改善冷启动性能和排放性能^{[14, 15]}。一般情况下, 预喷的喷油脉宽要小于主喷的喷油脉宽。同时, 燃油质量的波动量随着喷射脉宽的增大而减小^[1]。Δ t为两次喷射时刻之间的时间间隔。在试验中, 设定预喷脉宽为0.4 ms, 主喷脉宽为0.6 ms, 并依次改变预主喷时间间隔Δ t。图7(a)(b)(c)分别是共轨压力为40、60、100 MPa时, 主喷油量随预主喷时间间隔的变化规律。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 预喷脉宽为0.4 ms时主喷油量的变化Fig.7 Fuel mass of main injection when injection pulse width of pilot injection is 0.4 ms

为了定量分析液力滤波器对预主喷模式下主喷油量偏差的抑制作用, 在预主喷最小间隔时间为1.1 ms的情况下, 将图7中加装滤波器和不加装滤波器情况下的最大主喷油量和最小主喷油量之差Δ m_max提取出来, 如表2所示。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 Δ t为1.1 ms时的Δ mmax Table 2 Δ mmax when Δ t=1.1 ms 滤波器 共轨压力/MPa 40 60 100 未加装 1.99 4.26 8.28 加装 0.75 1.37 2.37

表2 Δ t为1.1 ms时的Δ mmax Table 2 Δ mmax when Δ t=1.1 ms

由表2可以看出, 在共轨压力为40、60和100 MPa时, 加装滤波器时的Δ m_max分别为不加装滤波器时的37.6%、32%和29%, 即滤波器的添加使主喷油量波动幅度分别减小了62.4%、68%和71%。

3.3.2 主后喷下滤波器对喷油量的影响

后喷能够降低碳烟和氮氧化物, 能够有效改善发动机的燃烧和排放性能^{[16, 17]}。设定主喷射脉宽为1 ms, 后喷射脉宽为0.6 ms, 并依次改变主后喷时间间隔Δ t。图8(a)(b)(c)分别是共轨压力为40、60、100 MPa时, 后喷油量随主后喷时间间隔的变化规律。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 主喷脉宽为1 ms时后喷油量的变化Fig.8 Fuel mass of post injection when injection pulse width of main injection is 1 ms

为了定量分析液力滤波器对主后喷模式下后喷油量偏差的抑制作用, 在主后喷最小间隔时间为2.5 ms的情况下, 将图8中加装滤波器和不加装滤波器情况下的最大后喷油量和最小后喷油量之差Δ m_max提取出来, 如表3所示。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 Δ t为2.5 ms时的Δ mmax Table 3 Δ mmax when Δ t=2.5 ms 滤波器 共轨压力/MPa 40 60 100 未加装 5.24 10.37 17.86 加装 0.73 1.44 2.45

表3 Δ t为2.5 ms时的Δ mmax Table 3 Δ mmax when Δ t=2.5 ms

由表3可以看出, 在共轨压力分别为40、60和100 MPa时, 加装滤波器时的Δ m_max分别为不加装滤波器时的14%、13.8%和13.7%, 即滤波器的添加使后喷油量波动幅度分别减小86%、86.2%和86.3%。