1.3 柴油机燃油系统的仿真研究现状

柴油机性能与其燃油喷射系统喷油过程密切相关。对柴油机燃油喷射系统进行数值仿真，是设计和改进柴油机燃油喷射系统的重要途径，不但可以在很大程度上减少进行试验的工作量，而且能够得到许多实验研究所不能得到的一些内在机理和内在规律。

1937年，文献[31]经简化处理后，首次将图解法解水锤引入喷射系统建立了管内流动的线性模型，并据此完成了对柴油机燃油喷射系统的模拟仿真。此后，出现了一系列关于燃油喷射系统喷油过程模拟仿真的文献报道：如柴油机燃油喷射系统的压力计算^[32]、燃油喷射系统的模拟计算及仿真^[33，34]、文献[35]首次使用特征线法模拟仿真了高压油管流动，并结合试验结果进行了较为深入的分析；文献[36]基于燃油的压缩性、惯性和黏性，分别建立了喷油泵端、喷油嘴端及油管的数学模型，采用有限差分法进行了全面的模拟仿真，并与实验结果进行了对比分析，得到了声速、弹性模量、压力损耗及喷嘴有效流通面积对计算准确性的影响规律和针阀的运动情况确定规律。文献[37]认为，模块化方法可大大提高不同设计结构燃油喷射系统的模拟仿真时的编程效率和通用性。

进入20世纪80年代后，文献[3843]各有侧重点地模拟仿真了燃油喷射系统。例如，文献[38]将压力波传播方程和Allievis理论相结合，成功地模拟了泵、嘴和高压油管所组成系统的非定常流动。文献[42]基于连续方程建立了针阀和阀座区间内的压差计算模型，并在模拟仿真结果的基础上给出了喷嘴孔处的流量系数计算式。文献[43]基于燃油弹性模量和密度随压力和空燃比的变化规律，建立了以空燃比和压力为自变量的弹性模量和音速的数学模型，得到了各种不同空燃比下的压力与音速的变化规律。

随着电控燃油喷射系统的迅速发展，20世纪90年代后，柴油机燃油喷射系统数值仿真技术也得到了飞速发展。例如，一维流动理论和两相气液混合流动理

论^[44，45]、FIE（FuelInjectionEquipment）计算模型^[4649]、FIS一维模拟和KI-

VA三维模拟及其相互结合^[50]、采用特征线方法模拟非稳态流动过程控制容积中的压力分布^[51]、喷射系统模拟计算中的非线形弹性模量理论^[5254]。此外，国内外众多的学者还在基于不同的角度对柴油机燃油喷射系统的模拟仿真技术进行不断地修正和完善。

对柴油机燃油喷射系统模拟仿真的目的长期以来主要集中在喷射压力、喷射定时以及喷油规律形状的控制上，只有到最近燃油喷射过程和喷雾过程才作为一个整体来研究，而喷嘴则是将二者联系起来的关键。

国内关于高压共轨喷油系统的数值仿真研究主要集中在采用大型商业软件对高压共轨喷油系统整体或局部特性进行数值模拟方面^[5578]。例如，文献[55，56]采用MATLAB/Simulink仿真软件建立了准稳态的柴油机非线性模型和故障诊断的仿真模型，较深入地研究了柴油机的动态特性及各种控制参数对柴油机性能影响的规律。文献[57 58]采用FLOWMASTER仿真软件较深入地研究了两级阀控制的高压共轨电控喷油系统各部件结构参数对燃油喷射特性的影响规律。文献[59]采用AMESim与Simulink联合仿真方法研究了高压共轨系统，得到了影响高压共轨系统性能的规律。文献[60]采用 MATLAB/Simulink仿真软件对高压共轨喷油系统进行了仿真模拟。文献[6163]基于高速闪光摄影技术，提出了可预测柴油机性能和排放量的准维模型，建立了高压喷射喷雾体发展的数学模型，并较理想地实现了共轨柴油机的模拟仿真。文献[64]针对共轨燃油喷射系统结构特点建立了影响共轨管内燃油压力的数学模型，并分析了各参数对共轨管内燃油压力的影响程度。文献[65]较成功地采用ANSYS软件对设计的比例电磁阀进行了仿真分析。文献[66]将有限元分析及试验研究相结合，分析计算了柱塞偶件工作过程的变形及偶件间隙的泄漏量。文献[67]采用有限容积法对建立的高压共轨燃油系统各部件综合数学模型进行了离散。文献[68]采用BOOST软件仿真模拟了D6114ZB柴油机在喷油量和喷油提前角相同情况下的不同喷油规律对柴油机性能的影响。文献[69]采用AMESim软件对高压共轨喷油器进行了模块化和仿真分析，并得出了主要结构参数对喷油器喷射过程的影响规律。文献[70]对某型号六缸高压共轨式燃油喷射系统ECU单元及其硬件系统进行了研究探讨。文献[71]采用 MATLAB/Simulink对建立的共轨系统的主要部件数学模型进行了仿真分析。文献[72，73]采用HYDSIM软件研究了高压容积对系统压力波动以及系统压力建立过程的影响，完成了共轨系统物理模型的模拟仿真。关于喷油过程的计算和研究，国内也作了一定的工作^[7478]。例如，开展了对燃油喷射系统进行变声速变密度模拟计算和实验研究，建立了变声速变密度情况下一维管内流动基本方程。首次引进了当量燃油密度的概念，严格推导了变声速变密度情况下带内插的特征线计算公式，边界计算同样采用了精度较高的四阶龙格库塔（RungeKutta）法。

国内的研究起步尽管很晚，但当前已有越来越多的科研单位，如无锡油泵油嘴研究所、上海内燃机研究所、江苏大学、上海交通大学、天津大学、湖南大学及北京理工大学等均在进行着共轨式喷射系统的数值仿真研究，相信在不久的将来，会涌现越来越多的并拥有自主知识产权的、适应国产柴油机达到欧Ⅳ及其以上排放要求的高压共轨系统方面的成果。