TBD620柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)性能研究

袁先徳，羅運(yùn)同，王 建

(1.海軍湛江地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，廣東湛江 524009;2.92854部隊，廣東湛江 524000)

德國DEUTZ公司生產(chǎn)的TBD620系列柴油機(jī)一般采用兩種噴油器:專用噴油器和標(biāo)準(zhǔn)噴油器，專用噴油器相對標(biāo)準(zhǔn)噴油器減小了噴孔直徑和壓力室容積。本文以TBD620柴油機(jī)為研究對象，利用HYDSIM軟件，對其燃油噴射過程進(jìn)行仿真計算，分析研究不同負(fù)荷工況下2種噴油器對柴油機(jī)燃油噴射特性的影響。

1 TBD620柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)簡介

TBD620柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)是傳統(tǒng)機(jī)械式泵－管－嘴燃油系統(tǒng)，主要由噴油泵、高壓油管和噴油器組成。它采用整體式P型泵，左旋，自帶凸輪軸，T型噴嘴。燃油供給壓力最小為0.15 MPa。啟噴壓力為28 MPa，高壓油管內(nèi)徑為3.1 mm。

整套系統(tǒng)最大的特點是采用了2種噴油器，其中標(biāo)準(zhǔn)噴油器 (孔徑×孔數(shù)×噴霧夾角)為D0.48×5×155°;專用噴油器為 D0.46 ×5×155°。油嘴底部的壓力室 (高壓油囊)直徑從標(biāo)準(zhǔn)型油嘴的D1.8減小為特殊型的D1.5，高度由1.78 mm減小為1.36 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］。

圖1 TBD620柴油機(jī)噴油嘴尺寸

2 仿真模型的建立

本文采用AVL公司開發(fā)的專業(yè)液壓模擬計算軟件HYDSIM進(jìn)行計算。該軟件是基于流體動力學(xué)理論和多體振動力理論的專門進(jìn)行液壓噴射系統(tǒng)的模擬計算分析的工具。

HYDSIM軟件采用模塊化的方式建立計算模型，噴油系統(tǒng)中各個部件被定義為獨立的計算單元，包括凸輪、柱塞、進(jìn) (出)油口、高壓容積、油管、出油閥、止回閥、噴嘴、針閥、電磁閥、節(jié)流閥、節(jié)流孔、液壓機(jī)械邊界條件等多種計算單元。各種計算單元之間的連接有液壓連接、機(jī)械連接、特殊連接［2］3種方式。利用這些計算單元，建立的TBD620柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)模型如圖2。

圖2 TBD620柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的HYDSIM模型

3 2種噴油器對燃油噴射系統(tǒng)性能的影響

噴油器噴油嘴結(jié)構(gòu)不僅決定噴霧質(zhì)量、油束與燃燒室的配合，而且對噴油特性有很大的影響，從而直接影響柴油機(jī)的性能［3］。TBD620柴油機(jī)采用2種不同的噴油器，本文利用建立的燃油噴射系統(tǒng)仿真模型對TBD620柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計算，深入探討這2種噴油器在1 500 r/min，25%、100%2種負(fù)荷工況下 (對應(yīng)的循環(huán)噴油量分別為0.133 g、0.441 g)對TBD620柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)性能的影響。

為了對仿真模型進(jìn)行驗證，在噴油規(guī)律試驗臺上對燃油噴射系統(tǒng)噴油規(guī)律進(jìn)行了試驗測試，測試中燃油噴射系統(tǒng)按負(fù)荷特性運(yùn)行，凸輪軸轉(zhuǎn)速750 r/min保持不變，改變油泵齒條位置。圖3為25%、100%負(fù)荷工況下噴油規(guī)律仿真值與試驗值的對比，從結(jié)果對比可知，兩條曲線起始和結(jié)束噴射的時刻基本一致，噴油速率曲線形狀、斜率基本相同，因此模型結(jié)果真實可信。

圖3 不同負(fù)荷下2種噴油器噴油規(guī)律對比

如圖3、圖4所示，在25%負(fù)荷工況下，專用噴油器的噴油持續(xù)期增大了0.8°曲柄轉(zhuǎn)角，最大噴射速率減小了0.001 1 g/°，最高噴射壓力提高了0.48 MPa，達(dá)到44.66 MPa;平均噴射壓力提高了 2.38 MPa，達(dá)到 30.37 MPa，提高了 8.50%。在100%負(fù)荷工況下，其噴油持續(xù)期增大了2.0°曲柄轉(zhuǎn)角，最大噴射速率減小了0.001 9 g/°，最高噴射壓力提高了6.53 MPa，達(dá)到81.42 MPa;平均噴射壓力提高了3.64 MPa，達(dá)到53.06 MPa，提高了7.36%。從以上數(shù)據(jù)可以看出，專用噴油器的噴孔直徑和壓力室體積變小后，噴孔的流量系數(shù)和流通幾何面積都變小，導(dǎo)致噴油速率降低，噴油持續(xù)期變長。但噴孔直徑變小后可以獲得較大的噴射壓力。同時，在25%負(fù)荷工況下專用噴油器相對標(biāo)準(zhǔn)噴油器的平均噴射壓力提高幅度更大，說明在低負(fù)荷工況下，專用噴油器對燃油系統(tǒng)噴射壓力的提高更加明顯。

圖4 不同負(fù)荷下2種噴油器燃油噴射壓力對比

從圖5、圖6可以看出，2種負(fù)荷下，專用噴油器比標(biāo)準(zhǔn)噴油器的貫穿距和噴霧錐角要小，這是因為專用噴油器噴孔直徑變小，燃油噴射壓力較大，燃油的霧化效果得到改善，油束得到了及時霧化，因此貫穿距和噴霧錐角減小。

圖7是SMD曲線，可以看出2種負(fù)荷下曲線都出現(xiàn)了2個尖峰，分別對應(yīng)噴油開始和結(jié)束的時刻，而中間部分則是低而平坦的線形，說明在整個噴射過程中，噴油開始時刻和結(jié)束時刻的噴霧質(zhì)量比較差，而噴射過程中油束SMD都比較小，且比較穩(wěn)定。因為在開始噴射和噴射即將結(jié)束這兩個階段燃油的實際噴射壓力都比較低，直接導(dǎo)致燃油霧化不良。專用噴油器對噴油開始時刻和結(jié)束時刻的噴霧質(zhì)量的改善比較明顯，這得益于噴孔直徑和壓力室容積的減小，使得壓力室油壓的建立和消退都比較快，使得這2個時刻的噴霧細(xì)微度較好，油滴索特平均直徑較小。

圖5 不同負(fù)荷下2種噴油器貫穿距對比

圖6 不同負(fù)荷下2種噴油器噴霧錐角對比

從圖7可知，在100%負(fù)荷工況下，除了噴油結(jié)束階段，整個噴射過程中2種噴油器的噴霧質(zhì)量差別較小，因為在高負(fù)荷下，噴射壓力已經(jīng)達(dá)到了一個較大的穩(wěn)定值，噴霧質(zhì)量較好，這時噴孔直徑的微小變化對燃油索特平均直徑的影響較小。

因此，在低負(fù)荷工況下，專用噴油器對燃油霧化效果的改善更為顯著，而在高負(fù)荷工況下，燃油噴射壓力已經(jīng)很高，這時專用噴油器對燃油霧化效果的改善較小。

圖7 不同負(fù)荷下2種噴油器索特平均直徑對比

4 總結(jié)

通過以上分析可知，專用噴油器在低負(fù)荷工況下能顯著提高燃油噴射壓力，改善霧化效果，而在高負(fù)荷工況下，其作用效果明顯降低。因此，對長期運(yùn)行在高負(fù)荷工況下的TBD620柴油機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)噴油器，提高做功能力，而對長期運(yùn)行在中低負(fù)荷工況下的采用特殊的噴油器，提高燃油噴射壓力，改善霧化燃燒效果。

［1］歐陽光耀，常漢寶，楊彥濤.TBD620系列柴油機(jī)［M］.北京:海潮出版社，2006:22－27.

［2］AVL，Hydsim Reference Manual Version 5.1 ［M］.AVL List，2009.

［3］何志霞，袁建平，李德桃，等.柴油機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬分析 ［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2006，24(1):35－41.