共軌管參數(shù)對軌內壓力場影響的數(shù)值模擬研究

劉峰

（富成興盛汽車銷售有限公司北京102209）

共軌管參數(shù)對軌內壓力場影響的數(shù)值模擬研究

劉峰

（富成興盛汽車銷售有限公司北京102209）

為適應柴油機燃油經濟性和排放性的要求，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)以其特有的優(yōu)點獲得了越來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前的研究熱點之一。在數(shù)值計算過程中著重分析了共軌系統(tǒng)結構、尺寸等對共軌內壓力場分布的影響，針對共軌管道內的壓力分布問題，運用三維分析軟件Fluent，對共軌管道內的高壓燃油流動進行了計算分析。通過將幾種結構設計方案和不同邊界條件的有限元分析結果進行對比，明確了可顯著減少壓力分布不均的共軌結構的改進方向。

共軌壓力場數(shù)值模擬Fluent

引言

高壓共軌系統(tǒng)共軌管道內的壓力分布情況實際上是十分復雜的，本文運用Fluent軟件，對共軌管道內的非穩(wěn)態(tài)流動進行了三維模擬計算，計算結果反映了共軌內壓力場的基本情況，并分析了共軌結構尺寸、噴油規(guī)律對共軌內壓力場的影響。

1 數(shù)學模型及計算方法

1.1 控制方程

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

質量守恒方程：

式中：ρ為燃油密度；xj為坐標（j=1，2，3）；t為時間；uj為流速在三個坐標上的分量；sm為質量源項。

動量守恒方程：

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

密度與壓力的關系可以表示為dρ=Edρ/ρ，E為流體的彈性模量。

1.2 湍流模型

本文采用標準k-ε模型（系數(shù)見表1）：

表1 標準k-ε模型系數(shù)

2 網格生成及邊界條件

利用Fluent軟件建立起共軌管的實體，并劃分網格和設定邊界條件。

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

圖1 Gambit三維實體造型

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

需要說明的是，在分支油管直徑取值上作了一定的簡化，在共軌分支油管的內徑由噴油器六個噴孔的面積等效而來，即：

其中，r1為分支油管的半徑；r2為噴油器噴孔半徑。

2.1 網格的劃分

在做出實體的基礎上，用Gambit軟件對共軌管道系統(tǒng)實體進行網格的劃分。首先，做出各部分的面網格，由于受到物體本身的結構和尺寸的影響，需要對其進行不同規(guī)格的網格劃分，按不同的尺寸和結構特征，共軌管道分成如下兩部分來劃分面網格：

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。

在進行網格劃分時，根據各部分的結構特點以及計算結果的需要，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，既能保證重點部位的計算精度，又減少了計算時間。

表2 共軌系統(tǒng)模擬計算參數(shù)

首先，根據供油泵出油管油道、共軌分支油道壁面的尺寸，采用正方形（Quad）面網格，網格類型為平鋪（Pave），網格間距（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）面網格，網格類型為平鋪（Pave），網格間距（Spacing）取0.003。實體在劃分好面網格后，還需劃分體網格，網格形狀為Tet/Hybrid，網格類型為T型柵格（Tgrid）。網格間距（Spacing）取0.003。圖2為共軌管道系統(tǒng)網格的劃分示意。

圖2 共軌網格劃分

2.2 邊界條件的確定

運用FLUENT6.3.26進行燃油流通模擬計算。選用k-ε標準模型，進出口邊界采用速度邊界條件。其中，兩個供油泵出油口處的邊界條件均設定為速度流入邊界（Velocity Inlet），六個共軌油道分支均設定為流出邊界條件（Outflow）。FLUENT仿真時所用到液態(tài)柴油為0號柴油。

在設定初始條件時，標準大氣壓力為10e×5Pa。供油泵進油口壓力和共軌分支流出速度取值均為GT軟件計算所得，迭代次數(shù)為50。

3 三維流體流動仿真軟件對共軌管道內壓力場的分析

利用Fluent三維仿真軟件對柴油機電控共軌式燃油噴射系統(tǒng)的模擬計算與傳統(tǒng)的模擬計算有很大區(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。共軌內燃油的流動及壓力波動將影響到向各缸噴油器的供油。由于共軌容積相對于循環(huán)噴油量很大，而且由于各噴油器按一定時序噴油，導致軌內的流動產生脈動和壓力波動，具有明顯的非穩(wěn)態(tài)流動特征。一維計算方法只能將共軌視為集中容積，無法分析共軌的幾何參數(shù)對多分支共軌內壓力場的影響，利用Fluent軟件改變了這種情況。

在網格劃分及邊界條件建立的基礎之上利用Fluent軟件進行迭代計算。重點介紹的內容包括：

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

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

3.1 共軌管尺寸對軌壓空間分布的影響

1）油軌長度為450 mm，內徑8.5 mm，供油泵出油管道直徑4 mm；

2）油軌長度為480 mm，內徑8.5 mm，供油泵出油管道直徑4 mm；

3）油軌長度為510 mm，內徑8.5 mm，供油泵出油管道直徑4 mm；

4）油軌長度為480 mm，內徑7 mm，供油泵出油管道直徑4 mm；

5）油軌長度為510 mm，內徑7 mm，供油泵出油管道直徑4 mm；

6）油軌長度為510 mm，內徑8.5 mm，供油泵出油管道直徑3 mm；

7）油軌長度為510 mm，內徑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隨目標軌壓變化。

從圖中可以看出上述七種情況下，共軌內的壓力波動均隨著目標軌壓的增大而增大。共軌系統(tǒng)為了滿足日益嚴格的排放標準，軌壓將會越來越高，共軌波動的幅度也就越來越大，具體情況可以參照各個共軌內的壓力分布情況。而隨著軌壓的升高，壓力波動的最高值可以達到14MPa，這對噴油率的影響是非常大的，而且是負面的影響。可以說，抑制共軌系統(tǒng)軌壓的波動將會隨著目標軌壓的升高變得越來越重要。

7種情況的速度矢量如圖4所示。

圖3 7種情況壓力波動隨目標軌壓變化

圖4 7種情況速度矢量場

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，隨著共軌長度的增大，壓力波動的幅度降低。但是，也不能認為共軌越細長越好，由于共軌長度的變化，在設計時勢必會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)也會隨共軌的長度增加而增大。

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共軌壓力波動影響并不大，只是在供油泵出口位置與共軌銜接處有一定的壓力波動，但這種波動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。

而共軌的尺寸（包括共軌容積，長度，直徑等因素）對共軌壓力波動的影響還是很大的，比如對比第3和第6種情況下的共軌長度相同，但是共軌管直徑不同，共軌管道直徑越小，對共軌壓力波動影響越大，而燃油粘性力系數(shù)和粘性力則會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壓力波動和燃油流動的問題，如果為了避免共軌壓力波動過大而一味增大共軌內徑和容積就會不利于共軌軌壓的建立，這會直接影響到噴油，從圖中也可以看出，壓力場在共軌中的分布隨著共軌管和共軌內徑的變化而改變，共軌管內徑越大，長度越長，共軌壓力場分布越均勻。

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

3.2 噴油循環(huán)過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（近似認為是軌壓，120 MPa）利用動網格生成方法來模擬電磁閥的開閉，借助Fluent軟件所提供的連接邊界實現(xiàn)油路的開閉。當電磁閥開啟時，連接邊界相鄰兩層的邊界單元連接。當電磁閥關閉時，連接兩層的邊界單元分離，邊界轉為固壁邊界，從而實現(xiàn)分支油管的開閉，保證在模擬計算中各分支管內的流動按相應時序進行。其中，柴油機轉速為額定轉速1 900 r/min，噴油順序為1-5-3-6-2-4，各噴油器噴油間隔120°CA，噴油脈寬2 ms。共軌尺寸結構采取上面一節(jié)的第二種情況即油軌長度為480 mm，內徑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參數(shù)見表3。

表3 分支管出口相關流速流量

隨著各個噴油器噴油開始，共軌內壓力場的分布有所不同，供油泵出油口處的壓力場分布很不均勻。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高造成的。但總體來說，各缸噴油時共軌內的壓力場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，這主要是由于進口流速和共軌內流速的差別造成的。壓力的波動并不是很明顯。

進油、出油位置處的邊界條件不變，改用單供油泵出油口對共軌供油，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，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，從速度矢量的角度講，燃油在共軌內的流速還是比較均勻的，但是較雙供油泵出油口結構的共軌管來看，單一供油泵出油口的共軌管道在目標軌壓相同的情況下，共軌內實際軌壓和燃油流速偏低，這就說明單一供油泵出油口的結構在軌壓的建立上能力較弱，而且共軌壓力波動較大，這會直接影響到噴油器的噴油效果。所以，六缸共軌式柴油機的共軌管道結構采用雙供油泵出油口的結構是合適的。

4 結論

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題，運用有限元分析軟件Fluent，對共軌管道中的高壓燃油流動進行了計算分析。主要取得了如下的研究成果：

1）對供軌內的壓力場建立相關數(shù)學模型，利用Fluent軟件對共軌管道劃分網格、確定了壓力場計算的邊界條件；

2）研究了高壓共軌系統(tǒng)中不同參數(shù)對共軌內壓力空間分布的影響。壓力空間分布的研究主要是針對七種共軌尺寸設計方案、噴油循環(huán)過程和供油泵出油口不同布置方式的計算結果進行對比分析，找出了能夠減小軌壓空間分布不均勻性的結構改進方向和相關技術措施；

3）本文在涉及到共軌壓力場問題，尤其是利用三維軟件仿真時，工作重點放在了共軌管，研究中進一步細化了共軌系統(tǒng)的三維構造，通過多次循環(huán)獲得了良好的效果。

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

2劉峰.柴油機高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真計算研究[D].北京：北京交通大學，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，主要研究方向為發(fā)動機電控。