1.3 柴油機燃油系統(tǒng)的仿真研究現(xiàn)狀

柴油機性能與其燃油噴射系統(tǒng)噴油過程密切相關(guān)。對柴油機燃油噴射系統(tǒng)進行數(shù)值仿真，是設(shè)計和改進柴油機燃油噴射系統(tǒng)的重要途徑，不但可以在很大程度上減少進行試驗的工作量，而且能夠得到許多實驗研究所不能得到的一些內(nèi)在機理和內(nèi)在規(guī)律。

1937年，文獻[31]經(jīng)簡化處理后，首次將圖解法解水錘引入噴射系統(tǒng)建立了管內(nèi)流動的線性模型，并據(jù)此完成了對柴油機燃油噴射系統(tǒng)的模擬仿真。此后，出現(xiàn)了一系列關(guān)于燃油噴射系統(tǒng)噴油過程模擬仿真的文獻報道：如柴油機燃油噴射系統(tǒng)的壓力計算^[32]、燃油噴射系統(tǒng)的模擬計算及仿真^[33，34]、文獻[35]首次使用特征線法模擬仿真了高壓油管流動，并結(jié)合試驗結(jié)果進行了較為深入的分析；文獻[36]基于燃油的壓縮性、慣性和黏性，分別建立了噴油泵端、噴油嘴端及油管的數(shù)學模型，采用有限差分法進行了全面的模擬仿真，并與實驗結(jié)果進行了對比分析，得到了聲速、彈性模量、壓力損耗及噴嘴有效流通面積對計算準確性的影響規(guī)律和針閥的運動情況確定規(guī)律。文獻[37]認為，模塊化方法可大大提高不同設(shè)計結(jié)構(gòu)燃油噴射系統(tǒng)的模擬仿真時的編程效率和通用性。

進入20世紀80年代后，文獻[3843]各有側(cè)重點地模擬仿真了燃油噴射系統(tǒng)。例如，文獻[38]將壓力波傳播方程和Allievis理論相結(jié)合，成功地模擬了泵、嘴和高壓油管所組成系統(tǒng)的非定常流動。文獻[42]基于連續(xù)方程建立了針閥和閥座區(qū)間內(nèi)的壓差計算模型，并在模擬仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上給出了噴嘴孔處的流量系數(shù)計算式。文獻[43]基于燃油彈性模量和密度隨壓力和空燃比的變化規(guī)律，建立了以空燃比和壓力為自變量的彈性模量和音速的數(shù)學模型，得到了各種不同空燃比下的壓力與音速的變化規(guī)律。

隨著電控燃油噴射系統(tǒng)的迅速發(fā)展，20世紀90年代后，柴油機燃油噴射系統(tǒng)數(shù)值仿真技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。例如，一維流動理論和兩相氣液混合流動理

論^[44，45]、FIE（FuelInjectionEquipment）計算模型^[4649]、FIS一維模擬和KI-

VA三維模擬及其相互結(jié)合^[50]、采用特征線方法模擬非穩(wěn)態(tài)流動過程控制容積中的壓力分布^[51]、噴射系統(tǒng)模擬計算中的非線形彈性模量理論^[5254]。此外，國內(nèi)外眾多的學者還在基于不同的角度對柴油機燃油噴射系統(tǒng)的模擬仿真技術(shù)進行不斷地修正和完善。

對柴油機燃油噴射系統(tǒng)模擬仿真的目的長期以來主要集中在噴射壓力、噴射定時以及噴油規(guī)律形狀的控制上，只有到最近燃油噴射過程和噴霧過程才作為一個整體來研究，而噴嘴則是將二者聯(lián)系起來的關(guān)鍵。

國內(nèi)關(guān)于高壓共軌噴油系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究主要集中在采用大型商業(yè)軟件對高壓共軌噴油系統(tǒng)整體或局部特性進行數(shù)值模擬方面^[5578]。例如，文獻[55，56]采用MATLAB/Simulink仿真軟件建立了準穩(wěn)態(tài)的柴油機非線性模型和故障診斷的仿真模型，較深入地研究了柴油機的動態(tài)特性及各種控制參數(shù)對柴油機性能影響的規(guī)律。文獻[57 58]采用FLOWMASTER仿真軟件較深入地研究了兩級閥控制的高壓共軌電控噴油系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃油噴射特性的影響規(guī)律。文獻[59]采用AMESim與Simulink聯(lián)合仿真方法研究了高壓共軌系統(tǒng)，得到了影響高壓共軌系統(tǒng)性能的規(guī)律。文獻[60]采用 MATLAB/Simulink仿真軟件對高壓共軌噴油系統(tǒng)進行了仿真模擬。文獻[6163]基于高速閃光攝影技術(shù)，提出了可預測柴油機性能和排放量的準維模型，建立了高壓噴射噴霧體發(fā)展的數(shù)學模型，并較理想地實現(xiàn)了共軌柴油機的模擬仿真。文獻[64]針對共軌燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點建立了影響共軌管內(nèi)燃油壓力的數(shù)學模型，并分析了各參數(shù)對共軌管內(nèi)燃油壓力的影響程度。文獻[65]較成功地采用ANSYS軟件對設(shè)計的比例電磁閥進行了仿真分析。文獻[66]將有限元分析及試驗研究相結(jié)合，分析計算了柱塞偶件工作過程的變形及偶件間隙的泄漏量。文獻[67]采用有限容積法對建立的高壓共軌燃油系統(tǒng)各部件綜合數(shù)學模型進行了離散。文獻[68]采用BOOST軟件仿真模擬了D6114ZB柴油機在噴油量和噴油提前角相同情況下的不同噴油規(guī)律對柴油機性能的影響。文獻[69]采用AMESim軟件對高壓共軌噴油器進行了模塊化和仿真分析，并得出了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油器噴射過程的影響規(guī)律。文獻[70]對某型號六缸高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)ECU單元及其硬件系統(tǒng)進行了研究探討。文獻[71]采用 MATLAB/Simulink對建立的共軌系統(tǒng)的主要部件數(shù)學模型進行了仿真分析。文獻[72，73]采用HYDSIM軟件研究了高壓容積對系統(tǒng)壓力波動以及系統(tǒng)壓力建立過程的影響，完成了共軌系統(tǒng)物理模型的模擬仿真。關(guān)于噴油過程的計算和研究，國內(nèi)也作了一定的工作^[7478]。例如，開展了對燃油噴射系統(tǒng)進行變聲速變密度模擬計算和實驗研究，建立了變聲速變密度情況下一維管內(nèi)流動基本方程。首次引進了當量燃油密度的概念，嚴格推導了變聲速變密度情況下帶內(nèi)插的特征線計算公式，邊界計算同樣采用了精度較高的四階龍格庫塔（RungeKutta）法。

國內(nèi)的研究起步盡管很晚，但當前已有越來越多的科研單位，如無錫油泵油嘴研究所、上海內(nèi)燃機研究所、江蘇大學、上海交通大學、天津大學、湖南大學及北京理工大學等均在進行著共軌式噴射系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究，相信在不久的將來，會涌現(xiàn)越來越多的并擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的、適應(yīng)國產(chǎn)柴油機達到歐Ⅳ及其以上排放要求的高壓共軌系統(tǒng)方面的成果。