劉峰

（富成興盛汽車銷售有限公司北京102209）

共軌管參數(shù)對(duì)軌內(nèi)壓力場(chǎng)影響的數(shù)值模擬研究

劉峰

（富成興盛汽車銷售有限公司北京102209）

為適應(yīng)柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性的要求，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)以其特有的優(yōu)點(diǎn)獲得了越來(lái)越廣泛的重視和研究。高壓共軌系統(tǒng)的共軌壓力分布情況是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中著重分析了共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、尺寸等對(duì)共軌內(nèi)壓力場(chǎng)分布的影響，針對(duì)共軌管道內(nèi)的壓力分布問(wèn)題，運(yùn)用三維分析軟件Fluent，對(duì)共軌管道內(nèi)的高壓燃油流動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算分析。通過(guò)將幾種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和不同邊界條件的有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，明確了可顯著減少壓力分布不均的共軌結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向。

共軌壓力場(chǎng)數(shù)值模擬Fluent

引言

高壓共軌系統(tǒng)共軌管道內(nèi)的壓力分布情況實(shí)際上是十分復(fù)雜的，本文運(yùn)用Fluent軟件，對(duì)共軌管道內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)進(jìn)行了三維模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果反映了共軌內(nèi)壓力場(chǎng)的基本情況，并分析了共軌結(jié)構(gòu)尺寸、噴油規(guī)律對(duì)共軌內(nèi)壓力場(chǎng)的影響。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

1.1 控制方程

本文所考慮的是非定常粘性流體的流動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)還考慮了流場(chǎng)的湍流特征，忽略了溫度的影響。其控制方程如下所述[1-4]：

質(zhì)量守恒方程：

式中：ρ為燃油密度；xj為坐標(biāo)（j=1，2，3）；t為時(shí)間；uj為流速在三個(gè)坐標(biāo)上的分量；sm為質(zhì)量源項(xiàng)。

動(dòng)量守恒方程：

其中：p為流體壓力；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)；si為動(dòng)量源項(xiàng)；τij為作用在與i方向相垂直的平面上的j方向上的應(yīng)力；sij為流體變形率張量；u′為湍流脈動(dòng)速度；δij為克羅內(nèi)爾符號(hào)；μt為湍流粘性系數(shù)；k為湍流脈動(dòng)動(dòng)能；ε為湍流脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率；μeff為有效粘性系數(shù)。

密度與壓力的關(guān)系可以表示為dρ=Edρ/ρ，E為流體的彈性模量。

1.2 湍流模型

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型（系數(shù)見(jiàn)表1）：

表1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型系數(shù)

2 網(wǎng)格生成及邊界條件

利用Fluent軟件建立起共軌管的實(shí)體，并劃分網(wǎng)格和設(shè)定邊界條件。

共軌管道系統(tǒng)的實(shí)體模型根據(jù)實(shí)際特點(diǎn)和計(jì)算條件，把共軌管、供油泵出油管和共軌管分支的建模工作放在GAMBIT軟件中來(lái)完成三維幾何造型，如圖1所示。

圖1 Gambit三維實(shí)體造型

圖中供油泵出油管、共軌管道、共軌分支油管（連接到限流器）直徑和長(zhǎng)度等均參考表2給出的共軌系統(tǒng)參數(shù)。

需要說(shuō)明的是，在分支油管直徑取值上作了一定的簡(jiǎn)化，在共軌分支油管的內(nèi)徑由噴油器六個(gè)噴孔的面積等效而來(lái)，即：

其中，r1為分支油管的半徑；r2為噴油器噴孔半徑。

2.1 網(wǎng)格的劃分

在做出實(shí)體的基礎(chǔ)上，用Gambit軟件對(duì)共軌管道系統(tǒng)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。首先，做出各部分的面網(wǎng)格，由于受到物體本身的結(jié)構(gòu)和尺寸的影響，需要對(duì)其進(jìn)行不同規(guī)格的網(wǎng)格劃分，按不同的尺寸和結(jié)構(gòu)特征，共軌管道分成如下兩部分來(lái)劃分面網(wǎng)格：

1）供油泵出油管油道、共軌分支油道壁面；

2）共軌管油道壁面。

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，根據(jù)各部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及計(jì)算結(jié)果的需要，在截面變化較大的部位以及需要著重考慮的共軌、共軌分支的頭部變形處，單元分割得要小、要密一些。對(duì)截面變化較小，且不著重考慮的部分（如共軌外壁，共軌尾部等），單元分割則較為粗大。這樣，既能保證重點(diǎn)部位的計(jì)算精度，又減少了計(jì)算時(shí)間。

表2 共軌系統(tǒng)模擬計(jì)算參數(shù)

首先，根據(jù)供油泵出油管油道、共軌分支油道壁面的尺寸，采用正方形（Quad）面網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為平鋪（Pave），網(wǎng)格間距（Spacing）取0.001；

其次，劃分共軌管油道壁面，采用正方形/三角形（Quad/Tri）面網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為平鋪（Pave），網(wǎng)格間距（Spacing）取0.003。實(shí)體在劃分好面網(wǎng)格后，還需劃分體網(wǎng)格，網(wǎng)格形狀為Tet/Hybrid，網(wǎng)格類型為T型柵格（Tgrid）。網(wǎng)格間距（Spacing）取0.003。圖2為共軌管道系統(tǒng)網(wǎng)格的劃分示意。

圖2 共軌網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件的確定

運(yùn)用FLUENT6.3.26進(jìn)行燃油流通模擬計(jì)算。選用k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型，進(jìn)出口邊界采用速度邊界條件。其中，兩個(gè)供油泵出油口處的邊界條件均設(shè)定為速度流入邊界（Velocity Inlet），六個(gè)共軌油道分支均設(shè)定為流出邊界條件（Outflow）。FLUENT仿真時(shí)所用到液態(tài)柴油為0號(hào)柴油。

在設(shè)定初始條件時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力為10e×5Pa。供油泵進(jìn)油口壓力和共軌分支流出速度取值均為GT軟件計(jì)算所得，迭代次數(shù)為50。

3 三維流體流動(dòng)仿真軟件對(duì)共軌管道內(nèi)壓力場(chǎng)的分析

利用Fluent三維仿真軟件對(duì)柴油機(jī)電控共軌式燃油噴射系統(tǒng)的模擬計(jì)算與傳統(tǒng)的模擬計(jì)算有很大區(qū)別。在共軌系統(tǒng)中，多分支共軌是向各缸電控噴油器提供壓力盡可能穩(wěn)定燃油的重要部件。共軌內(nèi)燃油的流動(dòng)及壓力波動(dòng)將影響到向各缸噴油器的供油。由于共軌容積相對(duì)于循環(huán)噴油量很大，而且由于各噴油器按一定時(shí)序噴油，導(dǎo)致軌內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生脈動(dòng)和壓力波動(dòng)，具有明顯的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特征。一維計(jì)算方法只能將共軌視為集中容積，無(wú)法分析共軌的幾何參數(shù)對(duì)多分支共軌內(nèi)壓力場(chǎng)的影響，利用Fluent軟件改變了這種情況。

在網(wǎng)格劃分及邊界條件建立的基礎(chǔ)之上利用Fluent軟件進(jìn)行迭代計(jì)算。重點(diǎn)介紹的內(nèi)容包括：

1）改變共軌管道的尺寸（共軌油管管長(zhǎng)、直徑、分支管直徑等）、結(jié)構(gòu)（供油泵出油管口布置）以及軌壓等參數(shù)來(lái)分析共軌軌壓的分布和波動(dòng)情況，找到最佳共軌管結(jié)構(gòu)；

2）在此基礎(chǔ)之上分析整個(gè)噴油循環(huán)過(guò)程共軌油管空間內(nèi)的軌壓變化情況。從而為探討控制共軌內(nèi)壓力波動(dòng)，提高共軌系統(tǒng)供油質(zhì)量指明方向。

3.1 共軌管尺寸對(duì)軌壓空間分布的影響

1）油軌長(zhǎng)度為450 mm，內(nèi)徑8.5 mm，供油泵出油管道直徑4 mm；

2）油軌長(zhǎng)度為480 mm，內(nèi)徑8.5 mm，供油泵出油管道直徑4 mm；

3）油軌長(zhǎng)度為510 mm，內(nèi)徑8.5 mm，供油泵出油管道直徑4 mm；

4）油軌長(zhǎng)度為480 mm，內(nèi)徑7 mm，供油泵出油管道直徑4 mm；

5）油軌長(zhǎng)度為510 mm，內(nèi)徑7 mm，供油泵出油管道直徑4 mm；

6）油軌長(zhǎng)度為510 mm，內(nèi)徑8.5 mm，供油泵出油管道直徑3 mm；

7）油軌長(zhǎng)度為510 mm，內(nèi)徑8.5 mm，供油泵出油管道直徑6 mm。

圖3為七種情況壓力波動(dòng)隨目標(biāo)軌壓變化。

從圖中可以看出上述七種情況下，共軌內(nèi)的壓力波動(dòng)均隨著目標(biāo)軌壓的增大而增大。共軌系統(tǒng)為了滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，軌壓將會(huì)越來(lái)越高，共軌波動(dòng)的幅度也就越來(lái)越大，具體情況可以參照各個(gè)共軌內(nèi)的壓力分布情況。而隨著軌壓的升高，壓力波動(dòng)的最高值可以達(dá)到14MPa，這對(duì)噴油率的影響是非常大的，而且是負(fù)面的影響。可以說(shuō)，抑制共軌系統(tǒng)軌壓的波動(dòng)將會(huì)隨著目標(biāo)軌壓的升高變得越來(lái)越重要。

7種情況的速度矢量如圖4所示。

圖3 7種情況壓力波動(dòng)隨目標(biāo)軌壓變化

圖4 7種情況速度矢量場(chǎng)

從各速度矢量圖中可以發(fā)現(xiàn)，速度的分布還是比較平穩(wěn)，只是在入口銜接處稍有紊亂。比較1，2，3這三種情況可以發(fā)現(xiàn)，在共軌直徑不變，供油管出口不變的情況下，隨著共軌長(zhǎng)度的增大，壓力波動(dòng)的幅度降低。但是，也不能認(rèn)為共軌越細(xì)長(zhǎng)越好，由于共軌長(zhǎng)度的變化，在設(shè)計(jì)時(shí)勢(shì)必會(huì)考慮噴油器的安裝位置的影響。同樣，燃油粘性力和粘性力系數(shù)等參數(shù)也會(huì)隨共軌的長(zhǎng)度增加而增大。

從圖中比較5，6，7三種情況，可以看出，供油泵出油口的尺寸對(duì)共軌壓力波動(dòng)影響并不大，只是在供油泵出口位置與共軌銜接處有一定的壓力波動(dòng)，但這種波動(dòng)隨著出油口直徑的增加而減小。隨著出油口直徑的增加，燃油粘性力和粘性系數(shù)有減小的趨勢(shì)。

而共軌的尺寸（包括共軌容積，長(zhǎng)度，直徑等因素）對(duì)共軌壓力波動(dòng)的影響還是很大的，比如對(duì)比第3和第6種情況下的共軌長(zhǎng)度相同，但是共軌管直徑不同，共軌管道直徑越小，對(duì)共軌壓力波動(dòng)影響越大，而燃油粘性力系數(shù)和粘性力則會(huì)隨著共軌管直徑的增加而減小。

但是也不能僅僅考慮共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)和燃油流動(dòng)的問(wèn)題，如果為了避免共軌壓力波動(dòng)過(guò)大而一味增大共軌內(nèi)徑和容積就會(huì)不利于共軌軌壓的建立，這會(huì)直接影響到噴油，從圖中也可以看出，壓力場(chǎng)在共軌中的分布隨著共軌管和共軌內(nèi)徑的變化而改變，共軌管內(nèi)徑越大，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，共軌壓力場(chǎng)分布越均勻。

所以綜合考慮到共軌管道內(nèi)壓力波動(dòng)、壓力分布和燃油粘性力等因素的影響，最佳共軌長(zhǎng)度在450 mm到500 mm之間，最佳共軌管內(nèi)徑在8 mm左右，選擇第二種結(jié)構(gòu)較為合適。

3.2 噴油循環(huán)過(guò)程中的共軌壓力分析

入口邊界采用壓力邊界，即供油泵輸入壓力（近似認(rèn)為是軌壓，120 MPa）利用動(dòng)網(wǎng)格生成方法來(lái)模擬電磁閥的開(kāi)閉，借助Fluent軟件所提供的連接邊界實(shí)現(xiàn)油路的開(kāi)閉。當(dāng)電磁閥開(kāi)啟時(shí)，連接邊界相鄰兩層的邊界單元連接。當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，連接兩層的邊界單元分離，邊界轉(zhuǎn)為固壁邊界，從而實(shí)現(xiàn)分支油管的開(kāi)閉，保證在模擬計(jì)算中各分支管內(nèi)的流動(dòng)按相應(yīng)時(shí)序進(jìn)行。其中，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1 900 r/min，噴油順序?yàn)?-5-3-6-2-4，各噴油器噴油間隔120°CA，噴油脈寬2 ms。共軌尺寸結(jié)構(gòu)采取上面一節(jié)的第二種情況即油軌長(zhǎng)度為480 mm，內(nèi)徑8.5mm，供油泵出油管道直徑4 mm，出口流速為速度邊界條件。各分支管出口流速流量等相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 分支管出口相關(guān)流速流量

隨著各個(gè)噴油器噴油開(kāi)始，共軌內(nèi)壓力場(chǎng)的分布有所不同，供油泵出油口處的壓力場(chǎng)分布很不均勻。3缸和4缸由于離共軌出油口處位置較近，這種不均勻現(xiàn)象尤為明顯，這主要是出油口燃油流速過(guò)高造成的。但總體來(lái)說(shuō)，各缸噴油時(shí)共軌內(nèi)的壓力場(chǎng)和速度分布還是比較均勻的，但出口處的流速分布并不均勻，這主要是由于進(jìn)口流速和共軌內(nèi)流速的差別造成的。壓力的波動(dòng)并不是很明顯。

進(jìn)油、出油位置處的邊界條件不變，改用單供油泵出油口對(duì)共軌供油，采用這種供油泵出油管的布置方式在出油口位置處壓力有一定的波動(dòng)，而共軌管壓力分布較雙供油泵出油口形式的更為不均勻，尤其在1、4缸噴油時(shí)，從速度矢量的角度講，燃油在共軌內(nèi)的流速還是比較均勻的，但是較雙供油泵出油口結(jié)構(gòu)的共軌管來(lái)看，單一供油泵出油口的共軌管道在目標(biāo)軌壓相同的情況下，共軌內(nèi)實(shí)際軌壓和燃油流速偏低，這就說(shuō)明單一供油泵出油口的結(jié)構(gòu)在軌壓的建立上能力較弱，而且共軌壓力波動(dòng)較大，這會(huì)直接影響到噴油器的噴油效果。所以，六缸共軌式柴油機(jī)的共軌管道結(jié)構(gòu)采用雙供油泵出油口的結(jié)構(gòu)是合適的。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)地研究了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)共軌管道中的壓力分布問(wèn)題，運(yùn)用有限元分析軟件Fluent，對(duì)共軌管道中的高壓燃油流動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算分析。主要取得了如下的研究成果：

1）對(duì)供軌內(nèi)的壓力場(chǎng)建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，利用Fluent軟件對(duì)共軌管道劃分網(wǎng)格、確定了壓力場(chǎng)計(jì)算的邊界條件；

2）研究了高壓共軌系統(tǒng)中不同參數(shù)對(duì)共軌內(nèi)壓力空間分布的影響。壓力空間分布的研究主要是針對(duì)七種共軌尺寸設(shè)計(jì)方案、噴油循環(huán)過(guò)程和供油泵出油口不同布置方式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，找出了能夠減小軌壓空間分布不均勻性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方向和相關(guān)技術(shù)措施；

3）本文在涉及到共軌壓力場(chǎng)問(wèn)題，尤其是利用三維軟件仿真時(shí)，工作重點(diǎn)放在了共軌管，研究中進(jìn)一步細(xì)化了共軌系統(tǒng)的三維構(gòu)造，通過(guò)多次循環(huán)獲得了良好的效果。

1劉峰.高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)壓力波動(dòng)特征研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2014，43（2）：63～66，96

2劉峰.柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真計(jì)算研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009

3Robert Bosch Gmbh.Diesel accumulatorfuel-injection system Common Rail：Technical Instruction（Bosch Technical Library）[M].Bentley Pub，2000

4D.Descieux，M.Feidt.One zone thermodynamic model simulation of an ignition compression engine[J].Applied Thermal Engineering，2007，27（8-9）：1457～1466

Numerical Simulation Researches on the Effects of the Common Rail Parameters for the Rail Internal Pressure Field

Liu Feng
Fucengxingseng Automobile Sales Co.，Ltd.（Beijing，102209，China）

For adapting the requests of diesels'economy and emission，high pressure common rail electric control system gets more widespread attentions and researches.Researching on the situations of high pressure common rail system's distributions of pressure is one of these years'hotspots.This thesis emphatically analyzes the pressure distribution field effects which are related with common rails frame and size，focuses on the point of the common rail's internal pressure distributions,utilized the 3-dimensions analysis software Fluent to calculate and analyzes the high pressure fuel flow in the common rail.Through the contrasts with finite element analysis results of these types frame design and different boundary conditions,the common rail's frame's improving direction which can significantly reduce the uneven of the pressure distributions is confirmed.

Common rail，Pressure field，Numerical simulation，F(xiàn)luent

TK421+.4

A

2095-8234（2014）05-0024-06

2014-8-17）

劉峰（1984-），男，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)電控。