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高压共轨柴油机共轨压力控制研究
作者；刘永锋，田洪森，杨建伟，孙建民，朱爱华
机械电子和汽车工程学院
北京土木工程学院
北京100044,中华人民共和国
电子邮件:liuyongfeng@bucea.edu.cn
摘要 – 为了对高压共轨（CR）柴油机采用三维CFD（计算流体动力学）软件（KIVA-3V）进行轨压控制。新的控制策略基于电磁阀控制的高压CR喷射系统，该喷射系统在任何时候都可以获得高注射压力，而不仅仅是喷射期间。系统布局包括高压泵，导轨和管道，喷油器，ECU和传感器，并详细描述了每个部分。由于活塞头的柴油机（4JB1）形状不在对称轴线上，所以3600模型对应于x偏移4mm和y偏移1mm。作为模拟输入测量三种不同的轨道压力（600bar，800bar和1000bar）的三种不同的喷射率分布。最后，显示了测试台配置和发动机规格的示意图。另外，当发动机转速为2200r / min（功率50kw），气缸压力和相应的热释放率时，将具有三种不同轨道压力（600bar，800bar和1000bar）的NOx和烟灰与实验数据进行比较。准确给出了控制策略的理论和方法在定向喷射柴油机中。
关键词 - 轨压;KIVA-3V; 共轨;
I．导言
在过去的几十年中，人们的认识大幅度增长，人类行为在全球范围内对环境产生了巨大的负面影响。 仅仅考虑地球大气层，像酸雨，烟雾，臭氧层和温室效应这样的术语就是这种影响。 这些特殊问题中的一部分与用于加热和发电的碳氢化合物燃料的燃烧有关[1]。
由于燃油喷射技术的持续改进，现在可以将共轨（CR）直喷系统应用于各种柴油发动机，甚至是小排量的自然吸气发动机[2]。不同的作者已经证明[3] - [5]，近年来，共轨系统的使用与多次喷射策略的结合使用可以有效地降低不同柴油机的排气排放水平和燃烧噪音发动机类型，而不增加燃料消耗，从而有助于实现在不久的将来更严格的法规所要求的更低排放水平的目标[6]。现代发动机管理系统非常复杂：需要遵守逐渐降低的排放水平规定，已经在发动机控制单元（ECU）中产生了大量的校准参数[7]。因此，开发工程师必须面对为大量数量寻找最佳值的任务，以便同时满足不同的发动机输出要求。
本文介绍共轨喷射压力的应用经验以及在扭矩，动力，燃油经济性和噪音方面对客户的优势。 还包括共轨系统针对喷嘴的特定要求，作为系统的关键组成部分。 这项工作的目的是通过基于目标函数的优化研究来进一步扩展这一分析。 据信这是排放取得的成果和达到更严格的排放标准的可能性显示出共轨系统的潜力。
II．系统说明
机械式或电动式供油泵将燃油通过燃油过滤器输送至高压泵。 图1显示了基本系统。
- 高压泵
发动机驱动的高压泵可用作3级柱塞径向活塞泵。 当前最大系统压力为1600 bar，工作压力由压力调节阀控制。
- 轨道和管道
高压管道将高压泵与蓄能器连接起来，称为“导轨”。 安装在导轨上的是用于采集导轨压力的导轨压力传感器和压力限制器阀门，用于保护组件免受过高压力。
- 喷射器
针对不同的应用，喷油器的内部设计几乎完全相同。 但是，喷嘴，喷射方向，喷射孔的数量和直径以及喷射器本体必须特别适合所使用的发动机气缸盖的设计。 喷嘴的打开和关闭通过调节喷射控制室中的压力而受到液压控制，并且该过程由非常快速的电磁阀引导。 喷射燃料量的重现性或行程 - 行程传播在很大程度上取决于运动部件的摩擦。 因此，喷嘴针在导向装置区域涂有碳。此外，共轨喷嘴的座椅几何形状确保了引燃喷射的小量燃油量在整个发动机寿命中保持不变。
- ECU
ECU基于机械和电子部件的平台概念。 共轨系统的ECU具有先进的功率及其操作喷射器的电磁阀和轨道压力闭环控制。
E．传感器
共轨系统的所有传感器和执行器除轨道压力传感器外均取自现有的柴油喷射系统。 燃油压力由导轨压力传感器测量，并在第一代中由压力调节阀根据发动机运行条件（如发动机转速，负载和温度）调节至正确的静止或动态设定点。
图1系统布局
图2显示了高压控制功能的框图。 我们在高压控制功能中区分了三项任务：导轨压力设定值，导轨压力控制和导轨压力监控。发动机转速，喷油量，空气压力，进气温度和冷却液温度全部 对铁轨压力设定值有影响。 该设定值作为轨压控制的输入。 此外，由导轨压力传感器监测的当前导轨压力，发动机启动和冷却液温度直接传送至导轨压力控制。 导轨压力监测比较当前导轨压力和导轨压力控制的设定值。 此外，发动机转速，发动机启动，冷却液温度和钢轨压力值也直接传送到钢轨压力监测。
图2高压控制框图
III． 模拟与实验
A．数值模拟的基础
柴油发动机燃烧模拟使用改进版本的KIVA3V代码进行。 为了模拟气流场，使用Han和Reitz形式的k-RNG湍流模型。使用基于WAVE分解和TAB模型的混合模型计算雾化过程。 液滴蒸发模型通过消除“无限”燃料热导率的假设并确保液滴内部的温度均匀并等于其表面温度值而得到改进。 点火模型的发展基于Liuet al（2005）。
计算开始于125度曲轴转角BTDC（上止点之前），并在排气阀打开点处的上止点后（ATDC）结束126度。 从我们到CAD（曲轴转角）的喷射时间单位可以使用以下形式用于四冲程发动机：
其中曲柄角度，n是速度（r / min），t是时间（us）。
设定壁温（450K），使得在喷射开始之前的压缩阶段期间计算和测量的压力匹配。 计算过程中壁温保持不变。 涡流设定为发动机转速的0.5倍（r / min），与测得的涡流相对应。 喷射喷嘴位于对称轴上。 由于活塞的形状不在对称轴上，因此对3600进行建模，其对应于x偏移4mm和y偏移1mm。 图3显示了在包含63,359个单元的仿真中使用的计算网格。 这对应于在径向，轴向和方位角方向分别为0.9mm，3.5mm和30的网格分辨率。
图3模拟中使用的计算网格
喷雾计算的一个重要输入是注射速率曲线。为此，使用喷射速率计（EVI）进行测量。该装置有时被称为“博世管”，其操作使得燃料被注入到装满燃料的长（〜8m）管中。当喷射燃料时，产生与喷射速率成正比的压力波动，从而获得质量流量的测量值。在反映喷射过程中气缸压力变化的各种管压下进行测量。然而，对于这里研究的情况，注射速率曲线对背压相当不敏感的原因。这是注射速度与相对压力差的平方根成比例，并且注射压力明显高于背压。图4显示了分别对应于600巴，800巴和1000巴的钢轨压力的测量的喷射速率曲线。背压是50bar。这些形状被用作模拟的输入被呈现。
B．实验
图5显示了测试台配置的示意图。通过操作阀门和增压器手动改变EGR由外部增压供电。一种诱导空气来自Aerzen的流量计（最大流量100 m3/ h）
用于测量空气质量流量。补偿量（100L）包含在系统中以减少振荡在空气质量流量中。曲轴转角编码器是aROD 420，能够解决曲轴行程的十分之一。使用齐平安装测量缸内压力来自奇石乐（6061B型）的石英传感器。压力传感器在相对基础上非常准确，但不直接产生绝对值。在这个测量中，参考是被认为是大气压力，必须予以纠正施加的增压压力。峰值电动缸压力对压力的微小变化非常敏感
进气门关闭（IVC）。通常，最大错误在如果压力超过传感器测量的压力0.1％
换能器的极限，在这种情况下是250巴。这个导致IVC压力不准确0.25bar。为一个这里考察的典型工作点，这对应于a峰值电动压力13 bar错误，a约12 bar
典型的注射开始。因此很明显，任何尝试模拟燃烧之前必须先彻底分析压缩行程。
图5实验装置的示意图
图5实验装置的示意图
在表1中总结了引擎上的一些数据。测试引擎是四缸2.8 L 4JB1 DI发动机。该喷射系统是第三代博世共轨具有1600巴的最大注射压力。喷油器配有六孔喷嘴，每个孔的直径为0.124毫米。喷油器略微偏移（相差1.0mm）到汽缸轴线的中心，以便更好地冷却排气阀之间的窄桥。活塞形的活塞缸与活塞缸偏置，x偏置4mm，y偏置1mm。这使得型号为360度，提供精确计算完整的几何。
表一柴油机规格
|
柴油机 |
4JB1 |
|
柴油机机转速 |
2000 rpm |
|
排量 |
700cc |
|
口径 |
93毫米 |
|
行程 |
102毫米 |
|
压缩比 |
18：2 |
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连杆 |
142.3毫米 |
|
喷嘴 |
6孔 |
|
喷雾锥角 |
150度 |
|
喷射器突起 |
1毫米 |
|
燃料 |
柴油 |
IV． 有趣的是，这三种情况在点火延迟方面没有显着差异。更高的喷射压力可以产生更精细的喷雾和整体更轻的混合物。因此，当混合物在高压情况下自燃时，化学计量比更多的混合物可用。在较高的喷射压力下混合物更均匀的事实对烟灰有重要意义，如下图所示图13.较高喷射压力下的低碳烟排放是形成较少的结果，这清楚地表明在图7中。计算结果表明，随着注入压力的增加，烟灰中碳烟的减少量比实验中观察到的要小。关于这里考虑的其他污染物，与图6的上图所示的情况相反，NOx也随着注射压力的增加而减小。然而，研究图6中所示的放热痕迹，可以得出结论，随着注射压力增加，燃烧持续时间变短，即在高温下的停留时间减少。尽管在较高的喷射压力下峰值热释放速率较高，这通常会导致更多的NOx，但燃烧持续时间的减少不能得到补偿。同时减少氮氧化物和碳烟是充足潜力的一个例子的共轨喷射系统。但是，应该注意的是，在更高的喷射压力下操作高压燃油泵需要更多的能量，这反映在整体燃油消耗中。根据实验，与600巴的情况相比，在1000巴的轨道压力下相同功率输出需要大约4％的燃料。
（1）新型高压共轨系统可以进行灵活的压力控制，满足未来的排放要求。
（2）在4JB1DI发动机的一个版本中，应用了扩展火焰模型来模拟大范围的部分负载运行条件，改变喷射压力，为此扩展了一组实验数据。
承诺
本工作得到北京市自然科学基金项目3102011和北京市高校学术人力资源开发资助项目（PHR（IHLB）201008370,201106125）和北京民生大学博士基金 工程与建筑（101001604）支持。
参考
[1]世界能源评估，能源和可持续发展的挑战，联合国开发计划署，纽约，2006年
[2]刘永峰，裴蒲生，自燃和自燃的渐近分析在均相体系中氢氧混合物的爆炸极限，International Journal of Hydrogen Energy，2006,31（5），639-648
[3] Hardo Barths。柴油机和燃气轮机燃烧的仿真
使用多个火焰与详细的化学。 Shaker Verlag，亚琛，2005年，31-41
[4] Hob Barths，柴油机燃气轮机燃烧过程仿真多个火焰与详细的化学㧘振动器出版社㧘亚琛， 2005㧦1-4
[5]彼得斯诺贝特，大规模和小规模的湍流燃烧速度湍流J，流体力学[J]㧘392㧘2006㧦107-132
[6] Bongers H.扩展的固有低维流形方法扩散，燃烧研究所，2005,29,34-67
[7]仲K，在十字路口的燃烧：状态和燃烧研究所，2007,31,1-29
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