李鹏志（石家庄职业技术学院机电系　河北　石家庄　050081）

高压共轨系统水击压力波动干涉型Q管滤波器*

李鹏志
（石家庄职业技术学院机电系河北石家庄050081）

摘要：柴油机高压共轨系统多次喷射中，喷油器工作引起的水击压力波动直接影响到多次喷射理想喷油规律的实现。为降低高压共轨系统水击压力波动的不良影响，利用流体传输管道动力学的基本理论和方法，依据高压共轨系统结构特点，设计了结构简单且容积小的干涉型Q管滤波器。实验结果表明：干涉型Q管滤波器对共轨系统水击压力波动和油量波动有明显的消振和滤波作用。水击压力波动最大衰减率高达11.6，最大油量波动率降低27%。

关键词：高压共轨多次喷射水击压力波动干涉型Q管滤波器

引言

高压共轨系统多次喷射过程中，喷油器关闭产生的水击压力波动影响多次喷射喷油量精确控制，进而影响共轨柴油机燃烧噪声和排放[1-3]。现有的高压共轨发动机一般通过设计基于模型的压力波动修正策略，编写ECU软件进行对喷油器喷油脉宽的调整，实现多次喷射的喷油量精确控制。但软件编写非常复杂，且不能消除系统内的压力波动，因此有必要采取硬件措施对高压共轨系统水击压力波动进行消振和滤波。

目前已有利用孔板式消振器进行高压共轨系统的消振和滤波[4]，安装于共轨和高压管的连接处的孔板消振器对压力波动起到了阻尼作用，使主预喷射的最大油量波动率降低约10%。但孔板消振器降低了喷射系统的流动效率，使共轨系统喷油量减小。容积型滤波器对高压共轨系统水击压力波动具有一定作用[5]，但由于体积较大，在高压共轨柴油机中的安装布置具有一定难度。为降低水击压力波动产生的不良影响，提高高压共轨多次喷射的控制精度，找到实用的高压共轨系统消振滤波元件，本文根据高压共轨系统的结构特点设计了结构简单、体积小的干涉型Q管滤波器进行高压共轨系统滤波效果研究。

1　干涉型Q管滤波器设计

干涉型滤波器是一种并联式的滤波器，通过并联管间波的相互干涉，达到消除与衰减流量和压力的波动。采用干涉型滤波器后，在管路中只有波的干涉引起的能量再分配，对振动源的影响较小。

Q管滤波器又称管式滤波器，其结构为两个不同长度管道的并联，如图1所示。根据波的干涉原理，如果两个波的频率相同，相位相同，则两个波合成后它们的振幅互相叠加；而如果频率相同，相位相反，则合成后的振幅为两个波的振幅之差[6]。

图1 Q管滤波器原理

图1中，管2和管3的长度不等。从管l来的波动波分别经管2和管3传到管4汇合时，汇合处经管2和管3来的两个波频率仍相同，但因管长不等，两个波之间将存在一路程差△l＝l2-l3。若△l等于半波长的偶数倍，即

则两个波为同相，其波动幅值叠加。若△l等于半波长的奇数倍，即

则两个波反相，波动幅值相减。即在汇合点，

若Q2=Q3，则汇合点△Q=0；若p2=p3，则△p =0。

根据共轨系统水击压力波动的特点，水击压力波动的波长为4倍的喷油器供油管和喷油器供油道之和。实验中，在喷油器入口加装三通，用一根与原系统供油管相同的高压油管L1将两个喷油器连接起来，组成了高压共轨系统Q管滤波器，如图2所示。当一个喷油器产生水击压力波动时，压力波沿两路向共轨传播，原供油管是旁通管路路程的1/2。当旁路压力波从共轨返回到喷油器入口时，压力波与初始压力波反相；此时，原供油管内压力波往返两次，完成一个周期的传播，喷油器入口压力波与初始压力波同相。两路压力波相位相反，相互抵消，达到滤波效果。

图2　高压共轨系统Q管滤波器

2　实验结果分析

实验使用的喷油系统采用Bosch电磁式第二代共轨系统，喷油器高压供油管均为管长30 cm，内径2mm。实验台装备了EFS IFR8420单次喷射仪测量多次喷射的喷油量和喷油率，Kistler4067瞬态压力传感器测量喷油器入口压力。油箱内燃油温度控制在40±1℃。

2.1单次喷射的油量

加入Q管滤波器后对单次喷射油量产生了一定影响，图3为轨压100 MPa时加入Q管滤波器前后单次喷射油量对比。在喷油脉宽0.4~0.8 ms范围内，加入Q管滤波器后单次喷射油量与原系统单次喷射油量相比油量有所提高，喷油量提高幅度在1 mg左右。在喷油脉宽0.9~1.5ms范围内，加入Q管滤波器后单次喷射油量与原系统单次喷射油量相比油量有所降低，喷油量降低幅度最大在3.5mg以内。在所有喷油脉宽，加入Q管滤波器后单次喷射油量变化率小于5%。

图3加Q管滤波器前后单次喷射油量对比

图4显示了EFS IFR8420单次喷射仪测得的加入Q管滤波器前后单次喷射喷油特性对比，包括：针阀开启延时，关闭延时，喷油持续期和最大喷油率。图4a）显示加入Q管滤波器后针阀开启延时比原系统的针阀开启延时在各种脉宽下均小，差别在10μs以内。图4b）显示加入Q管滤波器后针阀关闭延时比原系统的针阀关闭延时在脉宽0.5~1.4 ms下均大，差别在50μs以内。图4c）显示加入Q管滤波器后，脉宽0.5~1.4ms下，喷油持续期比原系统的喷油持续期均大，差别在60μs以内。在0.4 ms时，Q管滤波器后喷油持续期比原系统的喷油持续期大180μs，在1.5 ms时大14μs。图4d）显示加入Q管滤波器后最大喷油率比原系统的最大喷油率在喷油脉宽0.4~0.7ms下均大，差别在2.6mg/ms以内；在喷油脉宽大于0.8ms后，加入Q管滤波器后最大喷油率比原系统的最大喷油率小，差别在1.6mg/ms以内。喷油量取决于喷油持续期和喷油率，喷油持续期和喷油率共同影响了不同脉宽下的喷油量特性。

图4　加Q管滤波器前后单次喷射喷油特性对比

2.2单次喷射的压力波动

图5显示了轨压100MPa下，喷油脉宽ET0.4ms、ET0.7ms、ET1.0 ms、ET1.4 ms四种工况下加入Q管滤波器后的单次喷射压力波动过程曲线和喷油率曲线，并与原系统单次喷射压力波动曲线和喷油率进行对比。加入Q管滤波器，水击压力波动的振幅和周期都发生了明显的改变。由于改变了系统的结构，使得水击压力波动的周期由原系统的1.5 ms减小至1.2 ms。

通过对比加入Q管滤波器前后的压力波动曲线，可以发现四种工况的单次喷射在加入Q管滤波器后压力波动的振幅峰值显著降低。原系统的最大峰-峰值为43.2 MPa，发生在ET0.7 ms；加入Q管滤波器后系统的最大峰-峰值为17.93 MPa，发生在ET0.7 ms。由于水击压力波动振幅远大于轨压波动振幅，因此，加入Q管滤波器后，水击压力波动是多次喷射喷油量波动的主要影响因素。加入Q管滤波器后在针阀开启阶段，喷油压力下降值（约9 MPa）明显小于原系统的开启压力下降值（约16 MPa），因此针阀开启延时减小，关闭延时增大，延长了喷油持续期。在小脉宽时，加入Q管滤波器后的喷油过程中压力一直高于原系统的喷油压力，因此，在喷油脉宽0.4~0.7 ms下，加入Q管滤波器后最大喷油率比原系统的最大喷油率均大，见图5a），5b）。在大脉宽时，加入Q管滤波器后的喷油过程后期压力低于原系统的喷油压力，这是因为原系统的针阀开启产生的振幅较大的膨胀压力波经共轨返回，生成的振幅较大的压缩压力波到达了喷油器，增大了此时的喷油率。因此，在喷油脉宽0.8~1.5ms下，加入Q管滤波器后最大喷油率比原系统的最大喷油率均小，见图5c），5d）。

图6显示了加入Q管滤波器前后的单次喷射压力波动峰-峰值随喷油脉宽的变化关系。可以看到，加入Q管滤波器后的压力波动峰-峰值除1.2ms之外，均明显低于原系统的压力波动的峰-峰值。

图5　加入Q管滤波器前后的单次喷射特性

图6　加入Q管滤波器前后的压力波动峰峰值

图7显示了加入Q管滤波器衰减率。加入Q管滤波器后在较大的脉宽范围内取得了较好的消振和滤波效果，脉宽1.5ms时衰减率达到最大值11.6；但在脉宽12 ms内的衰减率不理想，达到最小值-3.8。

图7　加入Q管滤波器衰减率

2.3多次喷射的油量波动

加入Q管滤波器后，进行轨压100 MPa主预喷射0.4+0.6油量波动实验，实验结果如图8a）所示。与原系统相比，加入Q管滤波器后预喷油量平均值由6.286 mg变为5.641 mg减少0.625 mg，主喷油量的平均值由15.947mg变为17.580mg，增加1.633mg。加入Q管滤波器后，主喷油量波动周期变小，波动幅度显著减小。图8 b）显示了主喷油量波动率，加入Q管滤波器后最大油量波动率从-44%降低到-16.7%。可见加入Q管滤波器后，对主预喷射油量波动有显著的减振作用。

图8　加入Q管滤波器前后的主预喷射的油量波动

3　结论

1）加入干涉型Q管滤波器后对单次喷射过程中的压力传播和喷油器特性产生了影响，单次喷射的喷油量产生了微小的变化。

2）加入干涉型Q管滤波器对单次喷射的水击压力波动有明显的消振和滤波作用，波动周期加大，衰减率最大值达到11.6。

3）加入Q管滤波器后，实验工况的最大油量波动率降低了27%。可见Q管滤波器对多次喷射油量波动有显著的减振作用，有利于多次喷射油量的精确控制。

4）干涉型Q管滤波器属于管型滤波器，结构简单、容积小，安装方便，不需对原共轨系统结构进行较大改动。因此，干涉型Q管滤波器是实用性较强的高压共轨系统滤波器。

参考文献

1Henein N A，LaiM C，Singh IP，etal.Characteristicsofa common rail diesel injection system under pilot and post injectionmodes[C].SAEPaper2002-01-0218

2Bianchi，G.M.，Falfari，S.，Pelloni，P.，etal.A mumerical and experimental study towards possible improvements of common rail injectors[C].SAEPaper2002-01-0500

3Catania A.E.，Ferrari A.，Manno，M.，etal.Experimental investigation of dynam ic effects onmultiple-injection common rail system performance[J].ASME J.Eng.Gas Turbines Power，2008，130（3）：1~13

4Mirko Baratta，Andrea Emilio Catania，Alessandro Ferrari. Hydraulic circuitdesign rules to remove the dependence of the injected fuel amount on dwell time inmultijet CR systems[J].Journalof Fluids Engineering，2008，130：1~13

5苏海峰.高压共轨系统水击压力波动及多次喷射油量波动研究[D].北京：北京理工大学，2011

6蔡亦钢.流体传输管道动力学 [M].杭州：浙江大学出版社，1990

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中图分类号：TK421+.44

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）02-0049-05

收稿日期：（2015-01-22）

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51076014）。

作者简介：李鹏志（1971-），男，硕士，讲师，主要研究方向为材料成型技术。

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