低速高壓共軌柴油機(jī)噴油規(guī)律計(jì)算

王征，楊建國，方文超

(1.武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢430063;2.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430063;3.中國航天科工集團(tuán)公司第九研究院技術(shù)中心，湖北武漢430040;4.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海201108)

噴油規(guī)律直接影響柴油機(jī)燃燒過程中氣缸內(nèi)壓力和溫度變化以及NOx、PM等排放物生成.確定噴油規(guī)律的方法有試驗(yàn)法、試驗(yàn)計(jì)算法和計(jì)算法［1］.目前，BOSCHR和EFSR用于試驗(yàn)法的噴油規(guī)律測量儀單次噴油量測量范圍小于0.6 mL，且無法測量多孔噴油器各噴孔噴油規(guī)律［2-3］.動量法所用的壓電薄膜測量范圍小于50 MPa，適用于噴油量小、噴射壓力較低的中小型柴油機(jī)［4-5］.試驗(yàn)計(jì)算法(壓力-升程法)根據(jù)薄壁孔口流量公式計(jì)算噴油規(guī)律［6］，該方法忽略了燃油的可壓縮性，且一般采用高壓油管壓力作為噴油孔前壓力室內(nèi)噴油壓力，數(shù)值和相位均存在一定誤差.計(jì)算法將供油和噴油過程看作一元可壓縮不定常流動，根據(jù)噴油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)對模型求解得到針閥升程、噴油量和噴油率等噴油規(guī)律數(shù)據(jù)［7］，計(jì)算過程中易產(chǎn)生誤差累積，造成計(jì)算結(jié)果偏差.

RT-Flex60C型低速柴油機(jī)采用高壓共軌(high pressure common-rail，HPCR)技術(shù)，噴油壓力高達(dá)60～100 MPa，每缸裝配3支噴油器且單只噴油器每次噴油量可達(dá)20 mL以上，噴油嘴為不同直徑多孔結(jié)構(gòu).目前暫無法直接測量其噴油規(guī)律，生產(chǎn)廠家一般使用稱重儀器測量某一穩(wěn)定工況180 s的噴油量和泄漏油量并出具《試車報告》，該方法測量精度較低，且無法測量單次噴油過程的噴油規(guī)律.因此，將試驗(yàn)計(jì)算法和計(jì)算法相結(jié)合，按設(shè)計(jì)圖紙結(jié)構(gòu)參數(shù)建立該柴油機(jī)噴油器模型，并代入連接噴油器的高壓油管出口壓力曲線計(jì)算得到噴油率、針閥升程、噴油量和噴油孔噴油壓力等噴油規(guī)律數(shù)據(jù)，不但可彌補(bǔ)試驗(yàn)計(jì)算法中測量方法的缺陷以及計(jì)算法工作量大且易產(chǎn)生誤差累積的不足，還對研究RT-Flex60C型柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)噴油規(guī)律具有一定實(shí)用價值.

1 噴油壓力測量方法

試驗(yàn)臺由RT-Flex60C型柴油機(jī)HPCR系統(tǒng)和WECS(W?rtsil? electronic control system)控制系統(tǒng)等實(shí)物搭建，可真實(shí)反映原機(jī)不同工況HPCR系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作特征.在1號缸高壓油管與噴油器連接處安裝壓阻式壓力傳感器測量噴油壓力如圖1，在噴油器內(nèi)部安裝霍爾式位移傳感器測量針閥升程以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，曲軸轉(zhuǎn)角使用絕對值角度編碼器.信號采集系統(tǒng)上位機(jī)使用NI的PXI，通過帶可編程門列陣(FPGA)的PXI7813數(shù)字采集卡實(shí)現(xiàn)多路信號不同頻率采集，信號間同步誤差小于1 s，信號采集程序在LabVIEW 8.6中開發(fā).以WECS發(fā)出的燃油噴射電磁閥開啟脈沖信號上升沿為觸發(fā)，用ASCII碼格式文件連續(xù)保存200 ms的噴油壓力、針閥升程和曲軸轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù).

圖1 噴油壓力測點(diǎn)Fig.1 Injecting pressure measuring place

試驗(yàn)過程按船用柴油機(jī)推進(jìn)特性選取典型工況進(jìn)行研究.圖2為一支噴油器50%、100%和110%負(fù)荷噴油壓力曲線.

試驗(yàn)臺不發(fā)生壓縮、燃燒等過程，無法測量噴油過程中的缸壓曲線.如圖3，將RT-Flex60C柴油機(jī)《試車報告》中各典型工況壓縮終點(diǎn)的缸壓作為噴射背壓.

圖2 不同負(fù)荷噴油壓力信號曲線Fig.2 Fuel pressure curves under different load

圖3 不同負(fù)荷壓縮終點(diǎn)壓力Fig.3 Compression pressure under different load conditions

2 噴油器模型

2.1 模型結(jié)構(gòu)

如圖4(a)噴油器包括:①進(jìn)油管;②彈簧;③針閥頂桿;④針閥;⑤閥體;⑥噴嘴.圖4(b)是使用AMESim建立的噴油器模型，⑦燃油模型;⑧壓力曲線ASCII碼文件;⑨進(jìn)油管模型;⑩針閥下腔模型;○11壓力室模型;○12噴孔模型;○13彈簧模型;○14泄漏孔模型;○15針閥及針閥頂桿運(yùn)動模型;○16針閥模型;○17閥體模型.圖5為噴油器流體力學(xué)模型算法結(jié)構(gòu)框圖.

圖4 噴油器及其AMESim模型Fig.4 Injector and its model in AMESim

圖5 流體力學(xué)模型算法框圖Fig.5 Hydromechanic model algorithm sketch

2.2 燃油模型

燃油模型采用Robert Bosch公司在溫度-30℃ ～360℃、壓力0～500 MPa范圍內(nèi)測量的柴油密度、體積模量、動力粘度等生成的絕熱柴油特性，其他模塊計(jì)算時直接查表獲得各壓力和溫度下柴油特性數(shù)據(jù).

2.3 進(jìn)油管模型

進(jìn)油管模型彌補(bǔ)噴油壓力信號的相位差，考慮了燃油流動狀態(tài)和摩擦的影響，重力和金屬體積模量等因素忽略不計(jì).該模型計(jì)算公式如下.

壓力傳播偏微分方程:

流量公式:

平均流速公式:

式中:ppipe為油管內(nèi)壓力，MPa;Bfuel為柴油體積模量，MPa;Apipe為油管截面積，m2;dpipe為管徑，m;lpipe為管長，m;μ(p)為柴油動力粘度，Pa·s;pfile為測量的噴油壓力，MPa;f為摩擦系數(shù);ρ(0)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下柴油密度，kg/m3.雷諾系數(shù) Re用式(6)計(jì)算.當(dāng)Re≤2 000時流動為層流，反之為紊流.

2.4 針閥下腔模型

針閥下腔容積隨針閥移動發(fā)生變化，初始容積按圖紙參數(shù)設(shè)為Vch(m3)，壓力微分方程為

式中:Pch為針閥下腔壓力，MPa;qleak為泄漏流量，m3/s;qneedle為進(jìn)入針閥頂桿模型的流量，m3/s;qvalve為進(jìn)入閥體模型的流量，m3/s.

2.5 針閥模型

針閥結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 針閥及閥體Fig.6 Needle and valve body

模型中主要公式如下

有效作用面積公式:

體積公式:

流量公式:

燃油壓力產(chǎn)生的作用力:

式中:lneedle為針閥升程，m;vneedle為針閥移動速度，m/s.

2.6 閥體模型

針閥與針閥座如圖7.

圖7 針閥及針閥座示意Fig.7 Needle and seat sketch

該模型計(jì)算公式如下.

針閥剛離開閥座時，閥口環(huán)形流通截面積為:

針閥抬起足夠高度時，閥口流通截面積為

因此，閥口有效流通面積為

基本流量公式:

流量公式:

體積公式:

壓力產(chǎn)生的作用力:

式中:Cv為錐閥閥口流量系數(shù)，0.8;qnozzle為進(jìn)入噴油嘴的流量，m3/s.

2.7 壓力室及噴油孔模型

將噴油嘴壓力室看作固定容積腔，容積Vnozzle按圖紙參數(shù)計(jì)算得到.

壓力計(jì)算公式為

噴油嘴5個噴油孔直徑不同，將噴油孔看作無容積的短管型孔，其兩側(cè)壓差較大時會產(chǎn)生氣穴［8］.

各孔流通面積公式:

各孔噴油量公式:

總噴油量公式:

式中:di為各噴孔直徑，m;yg為氣穴臨界系數(shù)，1.5;pback為噴射背壓，MPa;C0為短管型孔流量系數(shù)，取0.82.

2.8 泄漏及粘性摩擦力模型

將泄漏看作燃油在針閥、針閥頂桿與閥體間的工作間隙中因壓差產(chǎn)生的同心環(huán)型縫隙流動，針閥移動會改變間隙的長度.主要計(jì)算公式如下:

有效泄漏長度:

泄漏流量公式:

粘性摩擦力公式:

式中:linit為泄漏縫隙初始長度，m;cr為泄漏縫隙高度，m.

2.9 彈簧模型

忽略容積腔內(nèi)泄漏油的壓力，只計(jì)算彈簧預(yù)緊力及形變對針閥頂桿產(chǎn)生的作用力，其公式如下:

式中:F0為彈簧預(yù)緊力，N;k為彈簧剛度，N/m.

2.10 針閥及針閥頂桿運(yùn)動模型

噴油器針閥升程有最大幅度lmax限制，針閥受到的合力公式:

針閥速度微分方程:

針閥升程微分方程:

式中:M為針閥及針閥頂桿總質(zhì)量，kg.

3 噴油規(guī)律計(jì)算結(jié)果

3.1 結(jié)果驗(yàn)證

將噴射背壓設(shè)為與HIL仿真試驗(yàn)臺測量環(huán)境相同的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓計(jì)算得到的各典型工況針閥升程曲線與實(shí)測針閥升程曲線基本一致，圖8為100%負(fù)荷工況下的針閥升程曲線.

圖8 100%負(fù)荷的針閥升程曲線Fig.8 Needle lift curves under 100%load

將模型代入噴射背壓后計(jì)算的典型工況180 s噴油量和泄漏油量與《試車報告》中的測量值相比較，如圖9和圖10所示誤差小于5%.

圖9 各負(fù)荷180 s噴油量Fig.9 Injected fuel weight during 180 s

圖10 各負(fù)荷180 s泄漏油量Fig.10 Leaked fuel weight during 180 s

3.2 噴油規(guī)律計(jì)算

代入噴射背壓分別計(jì)算得到各典型工況下的噴油率和噴油孔壓力變化曲線，并根據(jù)試驗(yàn)過程中同步采集的曲軸轉(zhuǎn)角將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為角度域曲線.

圖11是不同負(fù)荷一支噴油器噴油率曲線，各工況噴油起始角不同，可實(shí)現(xiàn)RT-flex柴油機(jī)不同工況排放和燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)平衡［9］.圖12是100%負(fù)荷一支噴油器單次噴油過程各噴油孔的噴油率曲線，1#和5#噴孔直徑相同噴油率曲線重合.

圖11 不同負(fù)荷噴油率曲線Fig.11 Injecting rate curves under different loads

圖12 不同噴孔的噴油率曲線Fig.12 Injecting rates of different holes

圖13是不同負(fù)荷單次噴射過程中0.9 mm直徑噴孔內(nèi)燃油壓力變化曲線.由于各負(fù)荷噴射背壓不同，噴油開始和結(jié)束時各曲線幅值略有差異.

圖13 不同負(fù)荷噴孔壓力曲線Fig.13 Hole pressure under different loads

4 結(jié)論

1)在目前無法直接測量高壓共軌低速柴油機(jī)噴油規(guī)律的情況下，該方法可計(jì)算針閥升程、噴油器率等噴油規(guī)律特征曲線，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量數(shù)據(jù)相符，誤差在允許范圍內(nèi)，對研究該類型柴油機(jī)噴油規(guī)律具有一定實(shí)用價值.

2)該方法計(jì)算過程中以壓縮終點(diǎn)氣缸壓力作為噴射背壓，而實(shí)際噴油過程中氣缸壓力在不斷變化.在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中通過示功閥測量氣缸壓力變化曲線并代入模型可進(jìn)一步提高計(jì)算精度.

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