楊昆,周磊,王銀,聶濤,熊彪

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430033)

為滿(mǎn)足未來(lái)能源的需求和日益嚴(yán)格的排放法規(guī),必須開(kāi)發(fā)新的柴油機(jī)技術(shù)如新燃燒策略、超高壓噴射、生物燃料,以及余熱回收系統(tǒng)等[1-2]。其中, 超高壓噴射能夠促使油滴更加細(xì)化,提高霧化和可燃混合氣的質(zhì)量,縮短著火滯燃期和預(yù)混燃燒比例,推遲噴油定時(shí),有效解決NOx和PM排放的矛盾[3-5]。但是,噴油壓力的提高會(huì)造成著火延遲期內(nèi)的油量噴入過(guò)多,引起燃燒過(guò)程中的放熱率迅速增大,進(jìn)而導(dǎo)致NOx排放量的升高,這就需要通過(guò)控制噴油速率來(lái)調(diào)節(jié)油量,形成更為合理的可燃混合氣時(shí)間和空間分布。此外,為提升柴油機(jī)全工況范圍內(nèi)的性能,噴油速率應(yīng)當(dāng)隨著柴油機(jī)工況的變化調(diào)整成最優(yōu)的曲線(xiàn)形狀。為實(shí)現(xiàn)理想的噴油速率,既可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面改變噴孔兩側(cè)壓力差,又可改變噴射過(guò)程中噴油壓力獲得柔性的噴油速率,還可通過(guò)改變噴孔流通面積實(shí)現(xiàn)噴油速率的改變[6-7]。對(duì)于確定的高壓共軌系統(tǒng),通過(guò)結(jié)構(gòu)上的改變獲得變化的噴油速率是有限的,而通過(guò)控制噴油壓力實(shí)現(xiàn)噴油速率控制具有更大的潛力?；诖?提出并設(shè)計(jì)立足國(guó)內(nèi)加工能力和技術(shù)工藝的船用柴油機(jī)超高壓共軌系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)超高壓共軌系統(tǒng)),介紹系統(tǒng)工作原理,建立系統(tǒng)的仿真模型,并通過(guò)模型分析系統(tǒng)的壓力和噴油控制特性及增壓裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

1 超高壓共軌系統(tǒng)工作原理

超高壓共軌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 超高壓共軌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

相比于常規(guī)高壓共軌系統(tǒng),該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是在共軌管和噴油器之間加裝了自行設(shè)計(jì)的增壓裝置。該系統(tǒng)采用雙電磁閥控制,一個(gè)用于控制增壓裝置,另一個(gè)用于控制噴油器。通過(guò)開(kāi)啟增壓裝置電磁閥以實(shí)現(xiàn)增壓,且增壓壓力的大小由增壓裝置內(nèi)的增壓活塞面積比(以下簡(jiǎn)稱(chēng)增壓比)決定,即增壓比越大,增壓壓力越大。同時(shí),通過(guò)調(diào)整增壓裝置和噴油器電磁閥的控制信號(hào)作用時(shí)間,以實(shí)現(xiàn)噴油速率的靈活可控。

增壓裝置的結(jié)構(gòu)原理和實(shí)物見(jiàn)圖2。

圖2 增壓裝置結(jié)構(gòu)

當(dāng)需要低壓時(shí),燃油(共軌管內(nèi))分別通過(guò)單向閥和進(jìn)油環(huán)槽提供給增壓室和控制室,增壓活塞處在平衡態(tài),此時(shí)噴射低壓燃油。當(dāng)需要高壓時(shí),增壓裝置電磁閥開(kāi)啟,銜鐵/閥芯在電磁力的驅(qū)動(dòng)下向鐵芯方向移動(dòng),一方面阻斷了通過(guò)進(jìn)油環(huán)槽流向控制室的燃油,另一方面導(dǎo)致閥芯右端與閥體脫離,出油孔被打開(kāi),控制室內(nèi)壓力由于燃油的泄出而下降,這就使得增壓活塞受力失衡,增壓室內(nèi)壓力隨著增壓活塞的向下運(yùn)動(dòng)而迅速升高,此時(shí)噴射高壓燃油。當(dāng)增壓裝置的電磁閥閉合后,銜鐵/閥芯因?yàn)閺椈闪Φ淖饔孟蜻h(yuǎn)離鐵芯的方向移動(dòng),一方面使得閥芯右端壓緊閥體,形成錐面密封,阻擋控制室內(nèi)燃油的泄出,另一方面使得進(jìn)油環(huán)槽被打開(kāi),控制室內(nèi)壓力又由于共軌管內(nèi)燃油的補(bǔ)充而迅速升高,同時(shí)在復(fù)位彈簧的推動(dòng)下,增壓活塞得以復(fù)位。

2 模型建立及驗(yàn)證

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 增壓裝置

基于增壓裝置的液力及運(yùn)動(dòng)特性,建立數(shù)學(xué)模型時(shí),將其分為3大類(lèi)。

1)液壓腔。進(jìn)出液壓腔模型的流體物質(zhì)主要是燃油,因此建模是為了對(duì)在其內(nèi)部流動(dòng)的燃油進(jìn)行液壓特性分析。燃油在液壓腔內(nèi)流動(dòng)需滿(mǎn)足流體可壓縮性方程[8]。

(1)

燃油進(jìn)出液壓腔的流量計(jì)算分為泄露和不泄露兩種。

(2)

(3)

基于上述方程,燃油在液壓腔內(nèi)的壓力變化為

(4)

式中:E為燃油彈性模量;ΔV/V為燃油體積變化率;μ是流量系數(shù);A是有效流通截面積;ρ為燃油的密度;d為密封面直徑;σ為密封面的間隙;Δp為液壓變化;dp/dt為液壓腔內(nèi)燃油壓力變化率;L為密封長(zhǎng)度;η為燃油黏度;Qin為非泄漏流進(jìn)液壓腔的燃油流量;Qleakout為因泄漏流出液壓腔的燃油流量;dx/dt為運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)速度;V為液壓腔體積。

2)運(yùn)動(dòng)件。增壓裝置的運(yùn)動(dòng)件主要是指增壓活塞,其運(yùn)動(dòng)方程為

(5)

式中:Ar為增壓活塞大端面積;Ac為控制室活塞受力面積;ζ為增壓活塞阻力系數(shù);m為增壓活塞質(zhì)量;k為復(fù)位彈簧剛度;y0為復(fù)位彈簧預(yù)先壓縮長(zhǎng)度。

3)電磁閥。對(duì)于增壓裝置的電磁閥,當(dāng)外界對(duì)電磁閥線(xiàn)圈施加勵(lì)磁電壓后,線(xiàn)圈上電壓、電流以及磁通變化和銜鐵閥體組件運(yùn)動(dòng)議程為

(6)

(7)

Fh=Apcon

(8)

(9)

式中:Uc為勵(lì)磁電壓;R為線(xiàn)圈電阻;i為線(xiàn)圈電流;N為線(xiàn)圈匝數(shù);μ0為真空磁導(dǎo)率;Sa為磁通有效截面積;δ為線(xiàn)圈與銜鐵初始?xì)庀?x為閥芯位移;A為閥芯截面積;pcon為控制腔壓力;Fpre是彈簧預(yù)緊力;Fh為閥芯所受的液壓力;m為銜鐵和閥芯組件的質(zhì)量;k為彈簧剛度;λx為阻尼系數(shù)。

2.1.2 噴油器

噴油器數(shù)學(xué)模型也可歸納為液壓腔、運(yùn)動(dòng)件以及電磁閥,需要建立控制室、壓力室和盛油腔內(nèi)燃油連續(xù)性方程、針閥運(yùn)動(dòng)方程以及電磁閥的電流、電磁力和液壓力方程等,其數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程與增壓裝置類(lèi)似。

2.2 仿真模型

根據(jù)數(shù)學(xué)模型,采用AMESim建立超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型,見(jiàn)圖3。

圖3 超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型

該模型主要由高壓源、增壓裝置,以及噴油器模型構(gòu)成。建模時(shí)選取的模塊庫(kù)包含機(jī)械和液壓元件庫(kù)、設(shè)計(jì)元件庫(kù)及電磁元件庫(kù)等[9]。

2.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性,利用超高壓共軌系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架,進(jìn)行了增壓壓力的測(cè)試,臺(tái)架原理見(jiàn)圖4。

圖4 超高壓共軌系統(tǒng)驗(yàn)臺(tái)架原理示意

增壓室壓力和噴油速率能夠分別利用壓電傳感器和噴油規(guī)律測(cè)量?jī)x測(cè)得。試驗(yàn)工況設(shè)置如下:高壓油泵轉(zhuǎn)速750 r/min,共軌管壓力100 MPa,增壓裝置電磁閥控制信號(hào)范圍為1.6～3.0 ms,噴油器電磁閥控制信號(hào)范圍為1.0～2.0 ms。仿真工況與試驗(yàn)工況保持一致,增壓室壓力試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 增壓室壓力試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

由圖5可知,試驗(yàn)值和仿真值大致吻合,即表明仿真模型滿(mǎn)足計(jì)算精度。試驗(yàn)所得壓力維持在最大值的時(shí)間更長(zhǎng)是由于電磁力較小,使得增壓活塞移動(dòng)速度減慢造成的,而試驗(yàn)所得最大增壓壓力小于仿真值則是由于試驗(yàn)中電控增壓器發(fā)生漏油導(dǎo)致的,而試驗(yàn)所得最大增壓壓力小于仿真值則是由于試驗(yàn)中增壓裝置發(fā)生漏油導(dǎo)致的。

噴油速率的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖6。由圖6可知,噴油速率的試驗(yàn)值和仿真值也基本吻合。實(shí)測(cè)的峰值小于仿真值的原因在于試驗(yàn)得到的噴油壓力小于仿真值。

圖6 噴油速率試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 壓力特性

利用建立的超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行壓力特性分析,仿真工況設(shè)置如下:增壓比為3,軌壓為100 MPa,增壓裝置電磁閥啟閉時(shí)間為1.5～2.5 ms,增壓室和控制室壓力見(jiàn)圖7。

圖7 增壓室和控制室壓力

由圖7可知,增壓裝置電磁閥整個(gè)啟閉過(guò)程中,控制室壓力先下降后上升,而增壓室壓力則是先上升后下降,這是由于當(dāng)增壓裝置電磁閥開(kāi)啟后,控制室內(nèi)燃油泄出,壓力下降,增壓活塞受力失衡,隨即向增壓室方向移動(dòng),壓縮增壓室內(nèi)的燃油,導(dǎo)致其壓力上升;當(dāng)電磁閥關(guān)閉后,控制室得到了燃油的補(bǔ)充,壓力回升,同時(shí)由于復(fù)位彈簧的彈力作用,增壓活塞向控制室方向移動(dòng),增壓室容積增大,導(dǎo)致其內(nèi)部壓力隨之下降。

3.2 噴油控制特性

通過(guò)調(diào)整增壓裝置和噴油器電磁閥的控制信號(hào)(見(jiàn)圖8),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行噴油規(guī)律控制特性分析,仿真工況設(shè)置如下:共軌壓力為100 MPa,增壓脈寬(即,增壓裝置電磁閥控制信號(hào)的作用時(shí)間)為2.5 ms,噴油器電磁閥控制信號(hào)時(shí)間范圍為1.5～2.5 ms,仿真結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖8 增壓裝置和噴油器電磁閥控制信號(hào)時(shí)序示意

圖9 噴油規(guī)律控制特性

由圖9可知,當(dāng)增壓時(shí)刻提前于噴油時(shí)刻,噴油速率曲線(xiàn)形狀近似于矩形;當(dāng)增壓時(shí)刻與噴油時(shí)刻同步,噴油速率曲線(xiàn)形狀近似于斜坡形;當(dāng)增壓時(shí)刻滯后于噴油時(shí)刻,噴油速率曲線(xiàn)形狀近似于靴形,即隨著增壓時(shí)刻的滯后,噴油速率由矩形過(guò)渡到斜坡形再到靴形,證明超高壓共軌系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活可控的噴油速率曲線(xiàn)形狀。

超高壓共軌系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)噴油速率噴射,同時(shí)還能夠結(jié)合預(yù)(后)噴射,實(shí)現(xiàn)多次噴射。多次噴射時(shí)的噴油規(guī)律見(jiàn)圖10,對(duì)應(yīng)的增壓裝置電磁閥和噴油器電磁閥控制信號(hào)時(shí)序見(jiàn)圖11(其中:增壓裝置電磁閥控制信號(hào)范圍為1.5～3.0 ms,噴油器電磁閥控制信號(hào)范圍則包括3段,分別為0.3～0.5、1.0～3.0以及3.5～4.2 ms)。

圖10 多次噴射噴油規(guī)律

圖11 增壓裝置和噴油器電磁閥控制信號(hào)時(shí)序示意

由圖11可知,該系統(tǒng)完成了預(yù)噴、主噴及后噴共3次噴射,并且主噴的噴油規(guī)律近似于靴形。根據(jù)實(shí)際需要,通過(guò)改變噴油器電磁閥控制信號(hào)作用時(shí)間,超高壓共軌系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更加多次的噴射。

3.3 超高壓共軌系統(tǒng)參數(shù)影響分析

3.3.1 出油孔直徑的影響

出油孔直徑對(duì)增壓壓力的影響見(jiàn)圖12。

圖12 出油孔直徑對(duì)增壓室壓力的影響

由圖12可知,隨著出油孔直徑的增加,增壓壓力和壓力升高率均逐漸增大,這是由于當(dāng)增壓裝置電磁閥開(kāi)啟后,出油孔直徑的增加會(huì)導(dǎo)致從控制室瀉出的高壓燃油的速度加快,使得增壓活塞獲得了更大的加速度,進(jìn)而提升了增壓壓力和壓力升高率。

出油孔直徑對(duì)燃油泄漏率的影響見(jiàn)圖13。

圖13 出油孔直徑對(duì)燃油泄漏率的影響

由圖13可知,在閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,燃油泄漏率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),這是由于增壓開(kāi)始后出油孔處的壓力先上升后下降造成的。同時(shí)由圖可以看出,隨著出油孔直徑的增加,燃油泄漏率逐漸增加,并且在泄漏過(guò)程的末期,燃油泄漏率下降速度加快,這是由于出油孔直徑越大,從出油孔處泄漏出的高壓燃油的流速越高。

出油孔直徑對(duì)噴油速率的影響見(jiàn)圖14。

圖14 出油孔直徑對(duì)噴油速率的影響

由圖14可知,隨著出油孔直徑的增加,噴油速率曲線(xiàn)形態(tài)均近似于靴形,這是由于噴油在增壓之前開(kāi)始,即在噴油的過(guò)程中會(huì)由于增壓裝置的增壓作用,使得噴油壓力在某一時(shí)刻上升速度突然增大,曲線(xiàn)形態(tài)出現(xiàn)一個(gè)明顯的拐點(diǎn)造成的。同時(shí)可以看出,出油孔直徑越大,噴油速率峰值越大,但增加幅度不明顯,這是由于最大增壓壓力逐漸增大,且增幅不是很明顯(見(jiàn)圖12)。

3.3.2 增壓室容積的影響

增壓室容積對(duì)增壓室壓力的影響見(jiàn)圖15。

圖15 增壓室容積對(duì)增壓室壓力的影響

由圖15可知,隨著增壓室容積的增加,最大增壓壓力幾乎不變,但增壓室壓力達(dá)到峰值的時(shí)間和恢復(fù)到基壓的時(shí)間均逐漸延長(zhǎng),原因在于增壓過(guò)程中,隨著增壓室容積的增加,會(huì)使得增壓活塞壓縮燃油的時(shí)間延長(zhǎng);同時(shí),也會(huì)導(dǎo)致增壓過(guò)程結(jié)束后,增壓活塞復(fù)位的時(shí)間延長(zhǎng),因此,增壓室壓力達(dá)到峰值的時(shí)間和恢復(fù)到基壓的時(shí)間均延長(zhǎng)。

增壓室容積對(duì)燃油泄漏率的影響見(jiàn)圖16。

圖16 增壓室容積對(duì)燃油泄漏率的影響

由圖16可知,在閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,燃油泄漏率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),這是由于出油孔處的壓力先升高后降低造成的。隨著增壓室容積的上升,在達(dá)到峰值之前,燃油泄漏率幾乎不變,而在達(dá)到峰值之后,燃油泄漏率逐漸增加,且燃油泄漏結(jié)束的時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng),這是由于增壓室容積越大,增壓活塞壓縮燃油的時(shí)間和復(fù)位時(shí)間均越長(zhǎng)。

增壓室容積對(duì)噴油速率的影響見(jiàn)圖17。

圖17 增壓室容積對(duì)噴油速率的影響

由圖17可知,隨著增壓室容積的增加,噴油速率曲線(xiàn)形態(tài)幾乎不變,這是由于增壓室容積對(duì)最大增壓壓力的幾乎沒(méi)有影響。

3.3.3 閥芯位移的影響

閥芯位移對(duì)增壓室壓力的影響見(jiàn)圖18。

圖18 閥芯位移對(duì)增壓室壓力的影響

由圖18可知,隨著閥芯位移的增加,最大增壓壓力逐漸增大,且增壓室壓力恢復(fù)到基壓的時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。閥芯位移對(duì)燃油通過(guò)進(jìn)油環(huán)槽進(jìn)入控制室有很大影響,當(dāng)閥芯位移小于進(jìn)油環(huán)槽的開(kāi)度(0.1 mm)時(shí),電磁閥相當(dāng)于兩位兩通閥,此時(shí)控制室的出油和進(jìn)油處于連通狀態(tài),即燃油泄出的同時(shí)會(huì)有燃油的流入,影響增壓效果;當(dāng)閥芯位移大于進(jìn)油環(huán)槽的開(kāi)度時(shí),電磁閥才相當(dāng)于兩位三通閥,即控制室內(nèi)燃油泄出的同時(shí)不會(huì)有燃油的流入,并且閥芯位移越大,閥芯與閥體密封距離越長(zhǎng),密封效果越明顯。此外,閥芯位移的增加會(huì)使得增壓結(jié)束后閥芯壓緊閥體的時(shí)間延長(zhǎng),這就導(dǎo)致增壓室壓力恢復(fù)到基壓的時(shí)間延長(zhǎng)。

閥芯位移對(duì)燃油泄漏率的影響見(jiàn)圖19。

圖19 閥芯位移對(duì)燃油泄漏率的影響

由圖19可知,隨著閥芯位移的增加,在閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,燃油泄漏率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),這是由于出油孔處的壓力先升高后降低造成的。同時(shí)由圖19可以看出,隨著閥芯位移的增加,燃油泄漏率顯著上升,這是由于燃油從出油孔泄出時(shí)的面積隨著閥芯位移的增加而增大。

閥芯位移對(duì)噴油速率的影響見(jiàn)圖20。

圖20 閥芯位移對(duì)噴油速率的影響

由圖20可知,隨著閥芯位移的增加,噴油速率峰值增大,且增幅明顯,這是因?yàn)樽畲笤鰤簤毫﹄S閥芯位移的變化而顯著增加造成的。閥芯位移越大,噴油速率從峰值恢復(fù)到零的時(shí)間越短,即針落座時(shí)間更短。這是由于增壓壓力越大,當(dāng)噴油器電磁閥控制信號(hào)關(guān)閉后,控制室進(jìn)油速率越大,壓力升高越迅速,使得控制室油壓作用在針閥向下的力越大,因此,在針閥升程都達(dá)到最大的情況下,針閥下降速度更快,落座時(shí)間更短。

4 結(jié)論

1)通過(guò)改變超高壓共軌系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵部件(增壓裝置和噴油器)各自電磁閥的控制信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)靈活可控的噴油速率曲線(xiàn)形狀,同時(shí),該系統(tǒng)還能夠結(jié)合預(yù)(后)噴射,實(shí)現(xiàn)多次噴射。

2)相比于增壓室容積,出油孔直徑和閥芯位移對(duì)系統(tǒng)特性的影響較大,隨著出油孔直徑和閥芯位移的增加,增壓壓力和噴油速率峰值增大,而燃油泄漏率先上升后下降。