李鵬志（石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系　河北　石家莊　050081）

高壓共軌系統(tǒng)水擊壓力波動干涉型Q管濾波器*

李鵬志
（石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系河北石家莊050081）

摘要：柴油機高壓共軌系統(tǒng)多次噴射中，噴油器工作引起的水擊壓力波動直接影響到多次噴射理想噴油規(guī)律的實現(xiàn)。為降低高壓共軌系統(tǒng)水擊壓力波動的不良影響，利用流體傳輸管道動力學(xué)的基本理論和方法，依據(jù)高壓共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單且容積小的干涉型Q管濾波器。實驗結(jié)果表明：干涉型Q管濾波器對共軌系統(tǒng)水擊壓力波動和油量波動有明顯的消振和濾波作用。水擊壓力波動最大衰減率高達11.6，最大油量波動率降低27%。

關(guān)鍵詞：高壓共軌多次噴射水擊壓力波動干涉型Q管濾波器

引言

高壓共軌系統(tǒng)多次噴射過程中，噴油器關(guān)閉產(chǎn)生的水擊壓力波動影響多次噴射噴油量精確控制，進而影響共軌柴油機燃燒噪聲和排放[1-3]?，F(xiàn)有的高壓共軌發(fā)動機一般通過設(shè)計基于模型的壓力波動修正策略，編寫ECU軟件進行對噴油器噴油脈寬的調(diào)整，實現(xiàn)多次噴射的噴油量精確控制。但軟件編寫非常復(fù)雜，且不能消除系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動，因此有必要采取硬件措施對高壓共軌系統(tǒng)水擊壓力波動進行消振和濾波。

目前已有利用孔板式消振器進行高壓共軌系統(tǒng)的消振和濾波[4]，安裝于共軌和高壓管的連接處的孔板消振器對壓力波動起到了阻尼作用，使主預(yù)噴射的最大油量波動率降低約10%。但孔板消振器降低了噴射系統(tǒng)的流動效率，使共軌系統(tǒng)噴油量減小。容積型濾波器對高壓共軌系統(tǒng)水擊壓力波動具有一定作用[5]，但由于體積較大，在高壓共軌柴油機中的安裝布置具有一定難度。為降低水擊壓力波動產(chǎn)生的不良影響，提高高壓共軌多次噴射的控制精度，找到實用的高壓共軌系統(tǒng)消振濾波元件，本文根據(jù)高壓共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單、體積小的干涉型Q管濾波器進行高壓共軌系統(tǒng)濾波效果研究。

1　干涉型Q管濾波器設(shè)計

干涉型濾波器是一種并聯(lián)式的濾波器，通過并聯(lián)管間波的相互干涉，達到消除與衰減流量和壓力的波動。采用干涉型濾波器后，在管路中只有波的干涉引起的能量再分配，對振動源的影響較小。

Q管濾波器又稱管式濾波器，其結(jié)構(gòu)為兩個不同長度管道的并聯(lián)，如圖1所示。根據(jù)波的干涉原理，如果兩個波的頻率相同，相位相同，則兩個波合成后它們的振幅互相疊加；而如果頻率相同，相位相反，則合成后的振幅為兩個波的振幅之差[6]。

圖1 Q管濾波器原理

圖1中，管2和管3的長度不等。從管l來的波動波分別經(jīng)管2和管3傳到管4匯合時，匯合處經(jīng)管2和管3來的兩個波頻率仍相同，但因管長不等，兩個波之間將存在一路程差△l＝l2-l3。若△l等于半波長的偶數(shù)倍，即

則兩個波為同相，其波動幅值疊加。若△l等于半波長的奇數(shù)倍，即

則兩個波反相，波動幅值相減。即在匯合點，

若Q2=Q3，則匯合點△Q=0；若p2=p3，則△p =0。

根據(jù)共軌系統(tǒng)水擊壓力波動的特點，水擊壓力波動的波長為4倍的噴油器供油管和噴油器供油道之和。實驗中，在噴油器入口加裝三通，用一根與原系統(tǒng)供油管相同的高壓油管L1將兩個噴油器連接起來，組成了高壓共軌系統(tǒng)Q管濾波器，如圖2所示。當(dāng)一個噴油器產(chǎn)生水擊壓力波動時，壓力波沿兩路向共軌傳播，原供油管是旁通管路路程的1/2。當(dāng)旁路壓力波從共軌返回到噴油器入口時，壓力波與初始壓力波反相；此時，原供油管內(nèi)壓力波往返兩次，完成一個周期的傳播，噴油器入口壓力波與初始壓力波同相。兩路壓力波相位相反，相互抵消，達到濾波效果。

圖2　高壓共軌系統(tǒng)Q管濾波器

2　實驗結(jié)果分析

實驗使用的噴油系統(tǒng)采用Bosch電磁式第二代共軌系統(tǒng)，噴油器高壓供油管均為管長30 cm，內(nèi)徑2mm。實驗臺裝備了EFS IFR8420單次噴射儀測量多次噴射的噴油量和噴油率，Kistler4067瞬態(tài)壓力傳感器測量噴油器入口壓力。油箱內(nèi)燃油溫度控制在40±1℃。

2.1單次噴射的油量

加入Q管濾波器后對單次噴射油量產(chǎn)生了一定影響，圖3為軌壓100 MPa時加入Q管濾波器前后單次噴射油量對比。在噴油脈寬0.4~0.8 ms范圍內(nèi)，加入Q管濾波器后單次噴射油量與原系統(tǒng)單次噴射油量相比油量有所提高，噴油量提高幅度在1 mg左右。在噴油脈寬0.9~1.5ms范圍內(nèi)，加入Q管濾波器后單次噴射油量與原系統(tǒng)單次噴射油量相比油量有所降低，噴油量降低幅度最大在3.5mg以內(nèi)。在所有噴油脈寬，加入Q管濾波器后單次噴射油量變化率小于5%。

圖3加Q管濾波器前后單次噴射油量對比

圖4顯示了EFS IFR8420單次噴射儀測得的加入Q管濾波器前后單次噴射噴油特性對比，包括：針閥開啟延時，關(guān)閉延時，噴油持續(xù)期和最大噴油率。圖4a）顯示加入Q管濾波器后針閥開啟延時比原系統(tǒng)的針閥開啟延時在各種脈寬下均小，差別在10μs以內(nèi)。圖4b）顯示加入Q管濾波器后針閥關(guān)閉延時比原系統(tǒng)的針閥關(guān)閉延時在脈寬0.5~1.4 ms下均大，差別在50μs以內(nèi)。圖4c）顯示加入Q管濾波器后，脈寬0.5~1.4ms下，噴油持續(xù)期比原系統(tǒng)的噴油持續(xù)期均大，差別在60μs以內(nèi)。在0.4 ms時，Q管濾波器后噴油持續(xù)期比原系統(tǒng)的噴油持續(xù)期大180μs，在1.5 ms時大14μs。圖4d）顯示加入Q管濾波器后最大噴油率比原系統(tǒng)的最大噴油率在噴油脈寬0.4~0.7ms下均大，差別在2.6mg/ms以內(nèi)；在噴油脈寬大于0.8ms后，加入Q管濾波器后最大噴油率比原系統(tǒng)的最大噴油率小，差別在1.6mg/ms以內(nèi)。噴油量取決于噴油持續(xù)期和噴油率，噴油持續(xù)期和噴油率共同影響了不同脈寬下的噴油量特性。

圖4　加Q管濾波器前后單次噴射噴油特性對比

2.2單次噴射的壓力波動

圖5顯示了軌壓100MPa下，噴油脈寬ET0.4ms、ET0.7ms、ET1.0 ms、ET1.4 ms四種工況下加入Q管濾波器后的單次噴射壓力波動過程曲線和噴油率曲線，并與原系統(tǒng)單次噴射壓力波動曲線和噴油率進行對比。加入Q管濾波器，水擊壓力波動的振幅和周期都發(fā)生了明顯的改變。由于改變了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使得水擊壓力波動的周期由原系統(tǒng)的1.5 ms減小至1.2 ms。

通過對比加入Q管濾波器前后的壓力波動曲線，可以發(fā)現(xiàn)四種工況的單次噴射在加入Q管濾波器后壓力波動的振幅峰值顯著降低。原系統(tǒng)的最大峰-峰值為43.2 MPa，發(fā)生在ET0.7 ms；加入Q管濾波器后系統(tǒng)的最大峰-峰值為17.93 MPa，發(fā)生在ET0.7 ms。由于水擊壓力波動振幅遠大于軌壓波動振幅，因此，加入Q管濾波器后，水擊壓力波動是多次噴射噴油量波動的主要影響因素。加入Q管濾波器后在針閥開啟階段，噴油壓力下降值（約9 MPa）明顯小于原系統(tǒng)的開啟壓力下降值（約16 MPa），因此針閥開啟延時減小，關(guān)閉延時增大，延長了噴油持續(xù)期。在小脈寬時，加入Q管濾波器后的噴油過程中壓力一直高于原系統(tǒng)的噴油壓力，因此，在噴油脈寬0.4~0.7 ms下，加入Q管濾波器后最大噴油率比原系統(tǒng)的最大噴油率均大，見圖5a），5b）。在大脈寬時，加入Q管濾波器后的噴油過程后期壓力低于原系統(tǒng)的噴油壓力，這是因為原系統(tǒng)的針閥開啟產(chǎn)生的振幅較大的膨脹壓力波經(jīng)共軌返回，生成的振幅較大的壓縮壓力波到達了噴油器，增大了此時的噴油率。因此，在噴油脈寬0.8~1.5ms下，加入Q管濾波器后最大噴油率比原系統(tǒng)的最大噴油率均小，見圖5c），5d）。

圖6顯示了加入Q管濾波器前后的單次噴射壓力波動峰-峰值隨噴油脈寬的變化關(guān)系?？梢钥吹?，加入Q管濾波器后的壓力波動峰-峰值除1.2ms之外，均明顯低于原系統(tǒng)的壓力波動的峰-峰值。

圖5　加入Q管濾波器前后的單次噴射特性

圖6　加入Q管濾波器前后的壓力波動峰峰值

圖7顯示了加入Q管濾波器衰減率。加入Q管濾波器后在較大的脈寬范圍內(nèi)取得了較好的消振和濾波效果，脈寬1.5ms時衰減率達到最大值11.6；但在脈寬12 ms內(nèi)的衰減率不理想，達到最小值-3.8。

圖7　加入Q管濾波器衰減率

2.3多次噴射的油量波動

加入Q管濾波器后，進行軌壓100 MPa主預(yù)噴射0.4+0.6油量波動實驗，實驗結(jié)果如圖8a）所示。與原系統(tǒng)相比，加入Q管濾波器后預(yù)噴油量平均值由6.286 mg變?yōu)?.641 mg減少0.625 mg，主噴油量的平均值由15.947mg變?yōu)?7.580mg，增加1.633mg。加入Q管濾波器后，主噴油量波動周期變小，波動幅度顯著減小。圖8 b）顯示了主噴油量波動率，加入Q管濾波器后最大油量波動率從-44%降低到-16.7%?？梢娂尤隥管濾波器后，對主預(yù)噴射油量波動有顯著的減振作用。

圖8　加入Q管濾波器前后的主預(yù)噴射的油量波動

3　結(jié)論

1）加入干涉型Q管濾波器后對單次噴射過程中的壓力傳播和噴油器特性產(chǎn)生了影響，單次噴射的噴油量產(chǎn)生了微小的變化。

2）加入干涉型Q管濾波器對單次噴射的水擊壓力波動有明顯的消振和濾波作用，波動周期加大，衰減率最大值達到11.6。

3）加入Q管濾波器后，實驗工況的最大油量波動率降低了27%?？梢奞管濾波器對多次噴射油量波動有顯著的減振作用，有利于多次噴射油量的精確控制。

4）干涉型Q管濾波器屬于管型濾波器，結(jié)構(gòu)簡單、容積小，安裝方便，不需對原共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行較大改動。因此，干涉型Q管濾波器是實用性較強的高壓共軌系統(tǒng)濾波器。

參考文獻

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6蔡亦鋼.流體傳輸管道動力學(xué) [M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1990

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中圖分類號：TK421+.44

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0049-05

收稿日期：（2015-01-22）

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51076014）。

作者簡介：李鵬志（1971-），男，碩士，講師，主要研究方向為材料成型技術(shù)。

Q Interferometric Filter for theW ater Hammer Pressure W ave in H igh Pressure Common Rail System

LiPengzhi
DepartmentofMachinery and Electronics，Shijiazhuang Vocational Technology Institute
（Shijiazhuang，Hebei，050081，China）

Abstract：Thewaterhammer pressurewave taking place in the high pressure common rail system，which arises as a consequence of injector opening and closing and propagates inside the system，hinders the achievement of the required accuracy and repeatability in the amount of fuel injected at each pulse when the dwell time varies.Based on thebasic principlesof fluid dynamics in transmission pipelines，Q interferometric filter for high pressure common rail system is developed.Results show thatQ interferometric filter has a certain filtering effect inmulti-injection.Thewater hammer pressure wave amplitude is significantly attenuated andmaximum rate of at tenuance is 11.6.Fluctuations of injected fuel are significantly reduced andmaximum fluctuation rate is reduced by 27%.

Keywords：High pressure common rail，Multi-injecton，Waterhammer pressurewave，Q interferometric filter