内燃机高压油管的压力控制分析

张雪，庞黎静

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710000）

1 研究背景

高压油管是内燃机供油系统的重要组成部分，随着我国内燃机工业的迅速发展，高压油管被广泛应用，许多学者对高压油管进行了研究。如李旭东研究分析高压油管开裂原因；崔小林从连接方式和零件质量2个方面研究了高压油管的失效形式等。其中大多研究分析高压油管的故障问题，缺少了对油管本身工作原理及状态的分析。基于此现状，本文结合高压油管的工作原理，分析高压油管压力的影响因素，建立高压油管压力控制模型，将高压油管内的压力稳定在一定的范围，以此提高工作效率以及延长使用寿命。

2 问题分析

高压油管的工作原理如图所示，燃油由高压油泵从A处进入高压油管，再由喷油嘴从B处喷出。凸轮转动使得柱塞上下运动，柱塞向上运动时压缩高压油泵内的燃油，当油泵内的压力大于高压油管内的压力时，单向阀开启，燃油进入高压油管内。在高压油管的另一端有针阀和喷孔组成的喷油嘴，针阀进行上下往复运动过程中，会不同程度的开启喷油嘴，将高压油管内的燃油从该处喷出。喷油嘴结构如图所示。

高压油管内腔长度为，内径为，初始压力=100MPa。喷油嘴的针阀头部为球形，其直径为2.5mm，喷孔的直径为7mm，密封座是半角为9°的圆锥。当针阀高度为0时，针阀闭合，出油量为零，当针阀高度大于0时，喷油嘴开启，喷油速度为10次/s。我们要研究的问题是：在给定的喷油器工作次数、高压油管尺寸和初始压强条件下，确定凸轮的角速度，使得高压油管的压强尽可能稳定在100MPa左右。

图1 高压油管工作过程

图2 油喷嘴示意图

3 建立模型

3.1 燃油压力与密度的关系模型

由高压油管的弹性模量与燃油压力的关系拟合公式：

上述两式联立可得出燃油压力与密度之间的关系式：

3.2 凸轮高度随时间变化关系模型

凸轮等速转动使得连接在其上的柱塞做往复直线运动，此过程与油管的进油量有关。当柱塞向上运动时会压缩高压油泵内的燃油，高压油泵内的压力不断升高，直到高压油泵内的压力高于高压油管内的压力时，燃油进入高压油管；柱塞向下运动使高压油泵内的空间增大，高压油泵内的压力会逐渐减小，直到高压油泵内的压力低于高压油管内的压力时，燃油不再被吸入高压油管。

由凸轮边缘曲线拟合出凸轮高度与角度的函数关系：

图3 凸轮极径与极角关系曲线

3.3 针阀升程随时间变化关系模型

针阀升程与高压油管的喷油量密切相关，当针阀升程大于0时，喷油嘴开启，随着开启程度增大，喷嘴的喷油量也会增大，到针阀上升到一定高度时，喷油嘴完全开启，这时候喷油量达到最大，由于高压油管内的压力变化，针阀上升到一定高度之后会下降，喷油嘴开启程度减小，最终喷油嘴关闭。此过程循环往复。

由针阀运动曲线拟合出针阀高度与时间的函数关系：

图4 针阀高度与时间关系曲线

针阀的运动为周期运动，其函数关系为：

3.4 高压油管进油量模型

判断高压油管是否进油的条件：

3.5 高压油管的出油量模型

4 利用visual studio 软件编程求解

基于迭代法的思想，整理出以下求解方法：

5 结语

经大量数据整合，利用逐步逼近法则，筛选出大致符合要求的凸轮转速范围是37～38r/s。

不同转速下的压力P随时间t的变化规律图像：

图5 转速为37r/s时的压力波动曲线

图6 转速为37.2r/s时的压力波动曲线

图7 转速为36.6r/s时的压力波动曲线

图8 转速38r/s时的压力波动曲线

由上述图像分析可知，凸轮转速n=37.2r/s时，高压油管内的压力接近稳定在100MPa，此时高压油管内压力的变化范围较小，使得喷嘴所喷出的燃油量偏差小，从而保证了发动机的工作效率。