高压共轨系统中的燃油温度变化及其影响

高压共轨系统中的燃油温度变化及其影响王军;金毅;张幽彤【摘要】为说明高压流动燃油温度对喷油量的影响,进行了高压共轨系统中燃油温度变化及其影响研究,建立了燃油不同的发热和热交换数学模型,构建了高压泵、共轨管和喷油器的燃油温度模型，运用液压流体仿真软件AMESim构建高压共轨系统燃油热仿真计算模型;结合试验数据,验证了高压共轨系统燃油热模型的有效性,分析了不同燃油初始温度下不同部件出口燃油温度的变化.在高压泵转速分别为400r/min和1600r/min时，高压油泵出口温度增加幅度分别约为4.5°C和23.3°C;在共轨管压力从55MPa增大到140MPa时,共轨管出口的燃油温度仅在35°C~55°C之间变化;在共轨压力为140MPa时，喷孔出口温度变化范围在90C~110C之间.燃油温度20C.40C时的压力变化较小，燃油温度0°C、60C时的压力变化较大；在低共轨压力时燃油温度引起的喷油量变化大,高共轨压力时燃油温度引起的喷油量变化小.期刊名称】《内燃机工程》年(卷),期】2018(039)003【总页数】7页(P16-22)【关键词】内燃机;热;燃油温度;高压共轨【作者】王军;金毅;张幽彤【作者单位】装甲兵工程学院机械工程系,北京100072;装甲兵工程学院机械工程系,北京100072;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081正文语种】中文【中图分类】TK413.80概述高压共轨喷油系统是柴油机最有发展前途的喷油系统之一，能实现喷油参数的灵活调节，已成为柴油机满足更严格排放法所必需的技术手段。随着高压共轨系统喷油压力的提高，燃油流经高压油泵、共轨管和喷油器等部件时温度升高，不仅会导致燃油黏度下降，系统内泄漏量增加，系统效率降低，还会使燃油密度降低造成喷油量差异，影响柴油机动力性［1］。柴油机在不同工况下，同一初始温度的燃油流经高压共轨系统各部件后的喷油温度也不同，进而影响单次喷油量均匀性。目前已开展了一些燃油温度对喷油量影响的研究，如文献［2］研究了电控组合泵燃油温度动态特性，揭示了高压泵中燃油温度变化规律；文献［3］对高压共轨柴油机燃油状态系统展开研究，说明了高压共轨喷油系统的温度变化，定性地说明了喷油量的影响这些研究宏观地说明了不同的初始温度对喷油参数的影响，但对燃油在高压共轨喷油系统中流动时温度变化的研究不多。本文以高压共轨喷油系统为对象，根据燃油流动传热的变化，分析了流经不同部件的燃油温度变化，说明了燃油温度变化对喷油压力和喷油量的影响，对保证电控喷油器喷油量的一致性有重要作用。部件传热分析在高压共轨喷油系统中，高压油泵只负责向共轨管提供高压燃油，共轨管对燃油起蓄压和稳定作用，电控喷油器实现多次喷油。燃油流经高压泵、共轨管和电控喷油器油道时，要经过体积压缩、管壁摩擦、油道管径变化，必然会产生热量和存在热交换。高压油泵是一个三柱塞的组合泵，利用柱塞压缩燃油体积将低压燃油提高到一百多兆帕的压力，在高压燃油流动时，燃油与管壁面摩擦产生热量，高温燃油热量与泵体内壁、泵体和环境发生热交换，高压油泵燃油热量传递途径如图1所示其中热交换主要是高温燃油与高压油泵内壁面之间的热对流，泵壳体与周围空气之间的热辐射较少。当高压燃油被送入共轨管内后，共轨管内高压燃油的流量、压力不断变化，其燃油热量传递途径如图2所示。由于共轨管的内径较大和长度较长，当燃油温度高于外界环境温度时，燃油与共轨管内壁之间的热对流、共轨管外壁与周围空气之间热辐射都较强，使燃油温度得以降低。当燃油进入电控喷油器内部油道内后，燃油与内壁摩擦产生热量，经喷油孔喷出，节流产热引起燃油温度升高，高压燃油通过出油孔泄漏会产生一部分热，影响燃油的温度。图1高压油泵燃油传热途径图2共轨管内燃油传热途径传热数学模型燃油温度是由燃油受热量和接触介质换热量共同决定的。燃油受热量是指燃油流动过程中产生的热量，主要影响燃油温度；接触介质的换热量是指燃油与管壁之间、管壁与大气间的热交换大小，会消耗一部分燃油的热量。摩擦生热高压燃油流经高压油管和共轨管时，由于燃油的黏性作用，在流过油道内壁面的边界层内存在内摩擦，内摩擦在整个流体内形成均匀分布的内热源。设内摩擦产生的应力为T,则整个油道中产生的热量Q为：Q二tAv二Tndlv(1)式中，l为油道的长度；d为油道内径；v为燃油的流速。燃油同壳体的对流换热燃油在高压油泵、共轨管、电控喷油器和高压油管中流动，燃油摩擦产热与壳体进行对流换热，壳体壁面与外界环境也要进行对流换热。燃油同壳体的热传导为强迫对流换热，其换热量Q1为：Q1=k1A1(Te-To)(2)k1二Nu1・h1/d1(3)式中，k1为强迫对流传热系数[4]；A1为壳体内部同燃油接触的换热面积；To为壳体部分的温度；Te为燃油温度；h1为流体的导热系数；d1为结构的特征直径;Nu1为强迫对流换热的Nusselt数。当流体状态为紊流时，Nu1=0.027Re0.8Pr0.33，其中Re为雷诺数，Pr为普朗特系数。壳体同环境间的对流换热壳体同环境间的热传导为自然对流换热，其换热量Q2为：Q2=k2A2(To-Th)(4)k2二Nu2・h1/d1(5)(6)式中，k2为自然对流传热系数；A2为壳体外部与环境之间的换热面积；Th为环境温度；Nu2为自然对流换热的Nusselt数；Ra为瑞利数，Ra=GrPr，其中Gr为格拉斯霍夫数。壳体与环境的辐射换热壳体同环境间的热辐射换热量Q3为：式中，6为材料黑度；£为斯藩-波尔兹曼常量。燃油压缩温度模型低压燃油进入高压油泵柱塞腔内，柱塞压缩燃油体积，燃油的压力、温度升高。在一定的容积腔内，燃油的内能u和焓h之间关系为u二h-p/p(8)将燃油看作流体控制体，其能量包括内能mu、动能mv2和潜能mgz。E=mu+0.5mv2+mgz(9)忽略动能和潜能，流体控制体能量简化为：E=mu(10)焓降为：(11)温度与压力变化关系为［5］：(12)式中，m为燃油容积质量；卬为比定压热容；dmhi为燃油的质焓输入流量；dmho为燃油的质焓输出流量；Qh为与外界交换的热流量；p为燃油压力；v为燃油流速；T为燃油温度；dm为通过容积的质流量；ap为体积扩大系数；p为燃油的密度；h为燃油的焓。小孔节流温度模型高压燃油经过高压油管、共轨管和小喷孔时，由于油道孔径的变化，形成节流现象，产生温度变化。当忽略动能及势能的变化时，应用稳态热力学流动能量方程描述节流过程，在这种状态下流进和流出节流装置的焓是相等的，即：hi=hout(13)Tout-Tin=V(pin-pout)/cp(14)节流孔的出口温度计算公式为［6］：Tout=V(pin-pout)/cp+Tin(15)式中，hi、hout分别为燃油节流入口和出口的输入焓和输出焓；Tin、Tout分别为节流入口和出口的温度；pin、pout分别为节流入口和出口的压力；V为燃油流入流出的体积。仿真建模以博世公司的CP3高压泵和共轨管及电装公司的EI3A电控喷油器组成高压共轨系统，采用液压仿真软件AMESim进行建模。AMESim软件广泛用于汽车和航空液压的仿真计算［7］，具有友好的人机交互界面和丰富的元件库，如机械库、信号库、热液压库、电磁库等。热液压库温度采用控制体算法计算，以热力学第一定律为基础，推导出温度与压力、流量的关系，克服了传统方法在建立数学模型方面的近似性［8］。所建立的高压共轨喷油系统热模型如图3所示，为了减少计算耗时，热模型采用单泵-单轨-单喷油器的系统，仿真计算主要参数如表1所示。图3高压共轨喷油系统热模型表1仿真计算的主要参数值项目参数泵运动件质量/g287.3柱塞直径/mmx长度/mm8x12共轨内径/mmx长度/mm16x270喷孔直径/mmx长度/mm0.18x1.00油管内径/mmx长度/mm2x300环境温度/°C20油泵转速/(「min-1)400~1600共轨压力/MPa55~140喷油脉宽/ms0.6~1.5材料黑度0.32在高压共轨喷油系统试验台架上进行喷油规律测量［9］，试验测试仪器用到了多种传感器、示波器和单次喷射仪器，其参数如表2所示。其中AkribisII喷油规律测试仪的测量范围为0~500mm3，油温范围10~160°C,分辨率在100~500mm3范围为0.1mm3/次,精度小于满量程的±0.1%,喷射次数＜5,在不同压力和喷油脉宽下测量电控喷油器的喷油温度。表2试验测试仪器参数名称规格生产厂家型号电流传感器100kHz100A安捷伦公司1146A压力传感器200MPa奇石乐公司4067A2000流量传感器0.2~1.2m3/h上海自仪九厂LWGY-10示波器100MHz安捷伦公司54624A喷油规律测试仪0-500mm3英国Inov8公司AkribisII在喷油脉宽分别为1.5、1.0和0.6ms，共轨压力分别为140、100、55MPa的条件下，初始燃油温度40C时喷油器喷孔出口油温如表3所示。从表3中看出：当共轨压力为140MPa、喷油脉宽为1.5ms时，喷孔出口燃油温度的仿真值与测试值的相对误差为2.0%;共轨压力为100MPa、喷油脉宽为1.0ms时，喷孔出口燃油温度的仿真值与测试值的相对误差为7.5%;共轨压力为55MPa、喷油脉宽为0.6ms时，喷孔出口燃油温度的仿真值与测试值的相对误差为8.6%。仿真计算相对误差都在10%以内,说明所建立的高压共轨喷油系统热模型计算结果合理。表340C下喷油器喷孔出口温度测量值与仿真值对比压力/MPa温度/C喷油脉宽1.5ms喷油脉宽1.0ms喷油脉宽0.6ms测试仿真测试仿真测试仿真14098.5100.596.999.392.596.610070.276.369.674.867.773.65556.860.254.159.453.758.3温度变化燃油温度连续变化燃油从低压系统进入高压油泵，在柱塞腔中被柱塞压缩，压力升高，汇集到出口油道中的油温升高；当燃油连续不断地送入共轨管内时，燃油在共轨管内流经不同截面的管道，出口温度会因共轨压力的不同而变化；当燃油送入喷油器中时，因燃油流经小孔径孔，燃油因节流产生温升。当给定油泵转速和初始燃油温度(油箱内燃油温度)时，燃油流经系统各部件的出口温度如表4所示。从表4看出，在同一高压油泵转速下，随着燃油入口温度的上升，喷油泵的出口燃油温度呈上升趋势；在同一初始燃油温度下，随着油泵转速的升高，燃油被压缩的频率增加，高压油泵出口油温升高，当油泵转速分别为400r/min、1600r/min时，在入口温度10°C~40°C条件下，高压油泵出口的燃油温度在14.5°C~63.3°C之间；共轨管出口燃油温度随共轨压力的升高而升高，由于高压流动摩擦和节流产热多，使得燃油温度上升；与此同时在共轨管内体积一定的条件下，喷油脉宽增加使燃油流出量增大，温度较低的燃油不断进入共轨管内，使得出口燃油温度升高不多，当共轨管压力从55MPa增大到140MPa时，共轨管出口的燃油温度仅在35~55°C之间变化，随着共轨压力和喷油脉宽增大，喷油器内燃油的节流产热作用更加明显，喷油器出口燃油温呈现出升高趋势，当共轨压力为55~140MPa时，喷油器出口燃油温度在48.6°C~100.5°C之间变化。表4高压共轨系统各部件出口燃油温度变化油泵转速/(r・min-1)参数高压油泵共轨管喷油器入口油温/°C出口油温/°C压力/MPa出口油温/°C喷油脉宽/ms出口油温/C4001014.55534.30.648.62024.35538.31.053.53033.45541.41.057.64042.35545.31.560.28001029.410037.51.057.32031.510040.61.065.43036.910043.71.072.54044.710045.31.576.212001021.312040.81.067.32031.512043.610.075.43041.312047.61.079.74054.612051.81.586.716001032.314046.41.083.42042.614049.31.093.83052.414052.01.098.44063.314054.61.5100.5燃油温升变化高压燃油压缩和孔径节流的产热是燃油温度升高的主要原因。燃油流经不同部件时，温度升高量对系统中燃油温度影响不同，下面分别对各部件的燃油温度升高幅度进行研究。4.2.1高压油泵当给定油泵转速和初始燃油温度（油箱内燃油温度）时，从表4中可以看出，在同一初始燃油温度下，随着油泵转速的升高，燃油被压缩的频率增加，高压油泵出口油温升高。当油泵转速分别为400r/min、1600r/min时，在温度10°C、40°C条件下，泵出口燃油温度增加幅度分别约为4.5C和23.3C共轨管高压燃油进入共轨管内腔，由于共轨管有多个出口接高压油管，燃油与管壁之间的摩擦和换热对温度有一定的影响。在环境温度为20°C、共轨管壁温度35C的条件下，当给定燃油压力目标值和初始燃油温度时，共轨管出口燃油温度如表5所示。从表5可知：当共轨压力较低时，随着喷油脉宽增加，共轨管出口温度上升幅度较大；而当共轨压力较高时，随着喷油脉宽的增加，共轨管出口温度上升幅度不大。主要原因是：在燃油与壳体换热相同的条件下，低压时燃油流动摩擦产热较小，共轨管出口温度较低；在高压时燃油摩擦产热较多，流经相同距离到出口时温度大于低压时出口温度。当入口温度40C、喷油脉宽为1.5ms时，共轨压力55MPa、140MPa对应的共轨管出口燃油温度分别为48.4C和56.3°C。表5共轨管出口燃油温度变化压力/MPa入口温度/C出口燃油温度/C喷油脉宽0.6ms喷油脉宽1.0ms喷油脉宽1.5ms552038.539.540.84046.247.148.46047.549.248.81002040.541.442.84044.745.245.36045.345.946.31402049.751.454.14048.652.656.36052.255.359.2高压燃油进入喷油器后，在喷油器油道中流动，经过针阀腔后，从喷孔喷出形成油束。在喷油脉宽为0.6ms、1.0ms和1.5ms时，不同共轨压力和初始燃油温度下的喷油器喷孔出口油温如表6所示。从表6可知，在同一初始燃油温度下，喷油脉宽变化对出口燃油温度的影响在5~10°C之间。随着共轨压力的上升，喷孔出口的燃油温度呈增加趋势，当共轨压力为55MPa时，喷孔出口燃油温度在53.5-62.8C范围内变化；当共轨压力为140MPa时，喷孔出口温度变化范围在90-110C之间。共轨压力较大则温升增加幅度较大，温升约在34~50C以内。这说明当喷孔结构参数不变时，燃油能量损失只与压降有关，压力越大，能量损失越大，温度升高也大。表6喷油器喷孔出口燃油温度变化压力/MPa入口温度/C喷油器喷孔出口油温/C喷油脉宽0.6ms喷油脉宽1.0ms喷油脉宽1.5ms552053.555.456.94056.359.460.26057.660.562.81002060.565.467.94073.674.876.36075.376.479.41402090.793.495.34096.699.3100.56098.3101.4109.8温度影响5.1燃油压力高压油泵能将低压燃油的压力提高到55-140MPa范围，燃油温度变化会引起燃油体积弹性模量的改变，进而影响燃油压力［10］。在不同燃油温度时，燃油压力的波动变化如图4所示。从图4中可看出：燃油温度20C、40C时的压力变化量较小，燃油温度0°C、60C时的压力变化较大。在同一温度下，随着燃油压力的升高，燃油压力变化量逐渐减小。当以温度30°C为基准时，对于不同的燃油压力值，温度逐渐降低引起的燃油压力变化量为正值，所以0°C、10°C对应的燃油压力是增加的；温度逐渐增加引起的燃油压力变化量为负值,50C、60°C对应的燃油压力是减小的，其原因是随着温度的升高，燃油体积弹性模量减小，引起的压力变化增量减小。图4不同温度的燃油压力变化喷油量温度的变化直接影响燃油体积弹性模量、密度。当温度一定时，燃油的密度随压力的升高而增加，压力越高，增加的趋势越小；当压力一定时，燃油的密度随温度的升高而减小［11］。由于温度不同引起的喷油量变化用油量变化率表示，计算公式为［12］：(16)式中,Am为喷油量变化率,%；m为某一轨压和喷油脉宽对应的喷油量；m30为基准温度30°C时相同轨压和喷油脉宽下的喷油量。当共轨压力55MPa时，不同温度的喷油量变化率如图5所示。当喷孔出口燃油温度为50C时，不同喷油脉宽的喷油量变化率差别较大，0.6ms的喷油量变化率近-13%,0.9ms的喷油量变化率接近-11%,1.2ms的喷油量变化率小于-9%,1.5ms的喷油量变化率小于-5%；当喷油温度增加到80C,所有脉宽的喷油量变化率明显减小到约-5%；在喷孔出口燃油温度为80C以后喷油量变化率稍有下降，最大喷油量变化率小于-5%。即在低共轨压力条件下，低喷油温度和小喷油脉宽对应的喷油量变化率大于高温度大脉宽的喷油量变化率。图5不同温度的喷油量变化率当共轨压力为140MPa时，喷孔出口燃油的不同温度对应的喷油量变化率如图6所示。从图6中看出：不同喷油脉宽的喷油量变化率在各个温度下的差别较小，不同温度对应的喷油量变化率在±5%以内；当共轨压力达到140MPa以上时，温度对喷油量变化的影响已经不明显了。图6不同温度的喷油量变化率结论采用经验证的仿真模型计算高压共轨系统燃油温度的变化，结果表明：在同一高压油泵转速下，随着初始燃油入口温度上升，喷油泵的出口燃油温度呈增加趋势；在共轨管内体积一定的条件下，由于高压流动摩擦和节流产热多，使得燃油温度上升，共轨管出口燃油温度随共轨压力的升高而升高，变化范围在35工~55°C之间；随着共轨压力和喷油脉宽增大，节流产热的作用更加明显，喷油器出口燃油温度在48.6°C~100.5C之间变化。当给定燃油初始温度，不同部件的出口燃油温度呈增加趋势，增加幅度各不相同；在同一初始燃油温度下，随着油泵转速的升高，燃油被压缩的频率增加，高压油泵出口油温升高幅度增大；在共轨压力较低时，随着喷油脉宽的增加，共轨管出口燃油温度上升幅度较大；而在共轨压力较高时，随着喷油脉宽的增加，由于喷油脉宽增加使燃油流出量增大，温度较低的燃油不断进入共轨管内，使得出口燃油温度升高幅度不大；在每一个初始温度下，当施加不同的喷油脉宽时，喷油器出口燃油温度变化不大，而随着共轨压力增加，喷油器出口燃油温升增加较大。随着温度的升高，燃油体积弹性模量减小，引起的压力变化增量减小；燃油温度20C、40C时的压力变化量较小，燃油温度0C、60°C时的压力变化较大。不同燃油温度带来的喷油量变化不同，在低共轨压力时温度带来的喷油量变化率大于高压时的油量变化率；当共轨压力达到140MPa以上时，温度对喷油量变化的影响已经不明显。相关文献】[1]张建明，张卫刚,王亚伟，等•柴油高压物理特性的研究J].高压物理学报,2005,19(1):41-44.ZHANGJM,ZHANGWG,WANGYW,etal.Studyonhighpressurephysicalpropertiesofdieseloil[J].ChineseJournalofHighPressurePhysics,2005,19(1)：41-44.范立云，马修真,朱元宪，等•电控组合泵燃油温度动态特性研究J].内燃机工程,2010,31(6):66-70.FANLY,MAXZ,ZHUYX,etal.Investigationondynamiccharacteristicsoffueltemperatureforelectronic-controlledassemblypump[J].ChineseInternalCombustionEngineEngineering,2010,31(6):66-70.聂枝根，申立中•高压共轨柴油机燃油状态系统的研究[J].现代车用动力，2010(1):15-18.NIEZG,SHENLZ.Researchonfuelstatesysteminhighpressurecommonraildieselengine[J].ModernVehiclePower,2010(1):15-18.杨世铭，陶文铨•传热学[M].北京:高等教育出版社，2006.⑸GONGC[美]燃油温度对直喷式柴油机燃料喷射、燃烧和排放的影响[J].颜光耀，译屆外内燃机车,2009(6):23-29.CATANIAAE,FERRARIA,MANNOM.Developmentandapplicationofacompletemulti-jetcommon-railinjection-systemmathematicalmodelforhydrodynamicanalysisanddiagnostics[J].JournalofEngineering