柴油機(jī)噴油規(guī)律測(cè)試系統(tǒng)的仿真研究

摘要：利用HYDSIM軟件建立了測(cè)量燃油噴射系統(tǒng)噴油量及噴油規(guī)律的仿真模型，并對(duì)測(cè)量裝置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。從仿真的角度驗(yàn)證了位移法測(cè)量噴油量及噴油規(guī)律的可行性與精確性，分析了噴油背壓對(duì)系統(tǒng)噴油量及噴油規(guī)律的影響，并指出測(cè)量裝置噴油背壓可以靠活塞向下移動(dòng)響應(yīng)延遲在容積腔所形成的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后，將相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，得到測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體數(shù)值，可用于指導(dǎo)相關(guān)零部件的加工和選型。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；噴油規(guī)律；測(cè)試系統(tǒng)；仿真；背壓

中圖分類號(hào)：TK421+.42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2012）01-0043-04

Simulation Research on Fuel Injection System Testing of Diesel Engine

WANG Teng-fei1，LI Yu-xue1，CHEN Hai-long1，LI Song-feng2

（1．College of Marine and Power，Naval Univ. of Engineering，Wuhan 430033，China；

2．Huaxing Fuel Injection Equipment Co.，LTD ，Heze 274000，China ）

Abstract: The simulation model designed for measuring fuel injection quantity and injection rate were established by using the software of HYDSIM，and the related parameters were also optimized. From the calculation of simulation，the displacement method，which is aimed at measuring the fuel injection quantity and injection rate，is verified to be feasible and accurate .The effect on fuel injection and injection rate which is caused by fuel injection back pressure was analyzed and pointed out that the fuel?injection back pressure of this measuring device can be realized by the pressure occurred in the volume when the piston moving down. Finally，by optimizing the relevant parameters，we can get the specific value of?? structural parameters of this measuring device，and this method can be used to guide the processing and selection of related parts.

Key words: diesel engine；injection rate；measurement equipment；simulation；back pressure

柴油機(jī)的噴油規(guī)律在很大程度上決定著燃油的燃燒質(zhì)量。隨著高壓共軌系統(tǒng)的逐漸普及，對(duì)噴油規(guī)律的設(shè)定有了越來(lái)越嚴(yán)格和精確的要求。而柴油機(jī)的實(shí)際噴油規(guī)律總是受到各種環(huán)境因素的影響，即標(biāo)定的噴油規(guī)律并不是實(shí)際的噴油規(guī)律，會(huì)有一定的偏差。這就需要我們進(jìn)行實(shí)際噴油規(guī)律的測(cè)定工作，以修正標(biāo)定的噴油規(guī)律，期許獲得更優(yōu)的燃燒質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)外對(duì)噴油規(guī)律測(cè)量?jī)x器的研究比較多。目前應(yīng)用較多的有德國(guó)Bosch公司生產(chǎn)的測(cè)量噴油規(guī)律儀器，即Bosch長(zhǎng)管法檢測(cè)儀器；德國(guó)IAV公司生產(chǎn)的噴射分析儀，其測(cè)量噴油規(guī)律部分采用Bosch長(zhǎng)管法的原理；法國(guó)EFS公司的EMI2瞬時(shí)噴油量測(cè)量?jī)x系列；國(guó)內(nèi)湖南大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院運(yùn)用數(shù)字處理技術(shù)，研制成具有微機(jī)控制的Bosch長(zhǎng)管法測(cè)量?jī)x器；武漢理工大學(xué)、無(wú)錫油嘴所也進(jìn)行過(guò)相關(guān)測(cè)試儀器的研發(fā)工作。

本文以仿真軟件為工具，依據(jù)實(shí)際參數(shù)，對(duì)MWM234型柴油機(jī)單個(gè)噴油器進(jìn)行了建模；依據(jù)壓力升程法基本原理，利用噴油量及噴油規(guī)律同活塞位移的關(guān)系，添加測(cè)量工具的液壓仿真模型。仿真結(jié)果表明，該測(cè)量裝置可以精確測(cè)量燃油系統(tǒng)的噴油量及噴油規(guī)律，而相關(guān)數(shù)據(jù)的優(yōu)化結(jié)果也可為裝置相關(guān)零部件的機(jī)械加工和設(shè)備選型提供數(shù)據(jù)支持。

1 噴油器及測(cè)量系統(tǒng)仿真模型的建立

1.1 測(cè)量模型的原理［1-4］

如圖1所示，將噴油器與一個(gè)帶有柱塞的缸體配合相連，缸體連通一個(gè)排油電磁閥，柱塞的位移量通過(guò)一個(gè)高精度電子位移傳感器測(cè)量并傳到信號(hào)采集儀。在燃油壓力下，盛油腔下部的運(yùn)動(dòng)柱塞克服復(fù)位彈簧力向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的位移量反映了瞬時(shí)噴油量大小。有了柱塞位移量和柱塞橫截面積，運(yùn)用公式（1）及公式（2），可把噴油量計(jì)算出來(lái)。信號(hào)采集系統(tǒng)可以根據(jù)活塞位移信號(hào)微分出速率信號(hào)，進(jìn)而間接得到噴油規(guī)律。

相關(guān)計(jì)算公式為：

V=■?仔d2·h（1）

式中：d為測(cè)量活塞直徑；h為活塞位移量。

?駐V=Vt2-Vt1（2）

式中：?駐V為t1到t2時(shí)間間隔內(nèi)的噴油量。

1.2 模型的建立

測(cè)量系統(tǒng)需要一個(gè)具體的對(duì)象來(lái)完成測(cè)量，本文的測(cè)量對(duì)象為MWM234型柴油機(jī)。為了簡(jiǎn)便，依據(jù)實(shí)際裝置的相關(guān)結(jié)構(gòu)特征和工作原理，建立了該型號(hào)機(jī)型的噴油器仿真模型，如圖2所示。整個(gè)模型分為獨(dú)立的兩部分：MWM234型柴油機(jī)噴油器模型與測(cè)量裝置模型。

根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)及預(yù)計(jì)目標(biāo)，對(duì)建立的模型做以下假設(shè)［5］：

● 燃油為一維可壓縮非穩(wěn)態(tài)流體；

● 容積單元為剛形體；

● 只考慮圓柱運(yùn)動(dòng)副的泄露；

● 工作過(guò)程中，燃油的表面張力恒為零，溫度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等熱屬性不變，密度、粘度、彈性模量等物理屬性與壓力有關(guān)。

設(shè)定模型進(jìn)行模擬測(cè)試單次噴射的噴油量及噴油規(guī)律。共軌軌壓110 MPa，噴油器電磁閥初始狀態(tài)為閉合，開(kāi)啟時(shí)間是1 ms，噴油持續(xù)到3.7 ms，即噴油持續(xù)時(shí)間為2.7 ms；除特別說(shuō)明外，測(cè)量裝置仿真模型的參數(shù)均為：活塞直徑8 mm，彈簧預(yù)緊力70 N，剛度10 N/mm，電磁閥排油持續(xù)期15~65 ms。

2 仿真結(jié)果及驗(yàn)證

由圖中數(shù)據(jù)可知，活塞位移量為2.605 57 mm，根據(jù)本文1.1節(jié)中計(jì)算公式計(jì)算可得單次噴油量V為130.972 023 mm3，而圖3中仿真噴油器實(shí)際噴油量則為129.493 mm3。雖考慮了系統(tǒng)的泄露問(wèn)題，可測(cè)量值仍比實(shí)際噴油量要大，盡管差值在可接受范圍內(nèi)。HYDSIM建模中測(cè)量裝置容積腔25的體積變化量為130.972 mm3，如圖5所示，與活塞位移量對(duì)應(yīng)體積值基本相符。測(cè)量活塞速度曲線與噴油器實(shí)際噴油規(guī)律曲線相符，仍需進(jìn)行數(shù)值標(biāo)定。

需要說(shuō)明的是，由于在HYDSIM軟件中，只能定義活塞的最大位移量，即上止點(diǎn)，而不能定義活塞的最小位移量，所以采用通過(guò)改變液力連接的方向的方法得到圖4所示的結(jié)果：測(cè)量活塞速度曲線與位移量曲線為正負(fù)相反的曲線，這樣便于將測(cè)得的噴油規(guī)律與噴油器實(shí)際噴油規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。

3 仿真結(jié)果的優(yōu)化和分析

3.1 背壓的模擬

在位移法測(cè)量噴油規(guī)律方法中，背壓的模擬一般是通過(guò)彈簧的預(yù)緊力和剛度或在活塞彈簧一側(cè)通入壓縮氮?dú)鈦?lái)實(shí)現(xiàn)的。但在仿真分析中發(fā)現(xiàn)，僅靠彈簧提供背壓會(huì)造成彈簧剛度過(guò)大，系統(tǒng)的負(fù)荷也大大增加。在本小節(jié)中，將討論活塞直徑的不同引起噴油器噴油時(shí)容積腔25內(nèi)壓力的變化，以便于我們?cè)谶x用大剛度彈簧的情況下獲得合適的背壓值。

如圖6（a）所示，在其他條件不變的情況下，僅改變測(cè)量裝置的活塞直徑，造成容積腔25內(nèi)的壓力值在噴油器噴油期間變化巨大，前后相差十幾個(gè)兆帕。

如圖6（b）所示，在測(cè)量裝置活塞直徑相同的條件下，通過(guò)調(diào)整電磁閥噴油脈寬使噴油器噴油量不同，對(duì)容積腔25內(nèi)壓力值的大小影響也很大。

以上兩點(diǎn)說(shuō)明針對(duì)不同的燃油系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)選用合適的活塞直徑以測(cè)量出最貼近實(shí)際的噴油量及噴油規(guī)律。

（b） 噴油背壓對(duì)系統(tǒng)噴油規(guī)律的影響

3.2 背壓對(duì)燃油系統(tǒng)噴油量、噴油規(guī)律的影響

噴油背壓對(duì)系統(tǒng)噴油量是有影響的。在本小節(jié)中，保證噴油器參數(shù)不變，通過(guò)改變測(cè)量活塞直徑改變噴油背壓，以直觀的分析噴油背壓對(duì)噴油器噴油量造成的影響變化，仿真結(jié)果如圖7所示。結(jié)合本文3.1小節(jié)，由仿真結(jié)果可以看出，噴油背壓對(duì)系統(tǒng)噴油量的影響明顯，隨著背壓的提高系統(tǒng)噴油量下降顯著。可見(jiàn)，在測(cè)量噴油量噴油規(guī)律的過(guò)程中，應(yīng)該把噴油背壓作為一個(gè)重要因素來(lái)考慮。

4 結(jié)論

1）仿真模型中燃油系統(tǒng)與測(cè)量裝置的建模與實(shí)際有較好的一致性，并且仿真結(jié)果與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相符，可以為下一步的實(shí)驗(yàn)研究和相關(guān)零部件的機(jī)械加工及選型提供理論支撐。

2）背壓值對(duì)燃油系統(tǒng)噴油量的大小影響明顯，測(cè)量裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)把噴油背壓作為一個(gè)重要參數(shù)來(lái)考慮。

3）位移法測(cè)噴油量與噴油規(guī)律方法中，相同條件下，不同的測(cè)量活塞直徑引起噴油背壓值相差較大；相同測(cè)量活塞直徑條件下，不同的噴油量形成的噴油背壓值也有較大不同。測(cè)試不同的燃油系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)情況適當(dāng)選型。

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