低速柴油機(jī)中壓共軌參數(shù)對噴油特性影響的模擬計(jì)算與分析

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(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇安泰動力機(jī)械有限公司，江蘇 靖江 214513)

燃油噴射系統(tǒng)是船舶柴油機(jī)最重要也是最復(fù)雜的部分，其工作性能的好壞直接影響著主機(jī)的動力性、排放性和燃油經(jīng)濟(jì)性。共軌式噴油系統(tǒng)具有更加靈活的噴油特性，其中以瓦錫蘭RT-flex機(jī)型上的高壓共軌系統(tǒng)和MAN B&W ME機(jī)型上中壓共軌系統(tǒng)最具代表性。

這方面的技術(shù)研究國外起步較早，且已經(jīng)成熟。國內(nèi)針對高壓共軌系統(tǒng)也開展了較多的研究，已取得了一定的進(jìn)展[1-6]，而對于中壓共軌系統(tǒng)的研究尚不多見。本文參考國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，嘗試?yán)肁VL公司的流體動力仿真軟件HYD SIM，研究系統(tǒng)各部件的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油特性的影響。

1 中壓共軌系統(tǒng)工作原理

中壓共軌系統(tǒng)工作原理見圖1。系統(tǒng)取消了凸輪軸，噴油與排氣門工作均由液力驅(qū)動。共軌內(nèi)始終積蓄著具有一定壓力的液壓油。主機(jī)啟動前，先用電動機(jī)帶動液壓泵對系統(tǒng)輸出液壓油，當(dāng)油壓升高到一定值后主機(jī)進(jìn)行啟動，之后曲軸帶動液壓泵持續(xù)為系統(tǒng)輸出液壓油。其中溢流閥負(fù)責(zé)動態(tài)調(diào)節(jié)軌壓，蓄能器起到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的作用，還可在必要時(shí)充當(dāng)輔助動力源。當(dāng)需要噴油時(shí)，電液比例方向閥的進(jìn)油口打開，回油口關(guān)閉，使液壓油經(jīng)過閥芯流向增壓泵的低壓腔，增壓柱塞受力被向上頂起。增壓柱塞由兩部分組成，上部為一較小面積的增壓柱塞，下部為一較大面積的液壓柱塞，根據(jù)帕斯卡原理，位于上部高壓腔內(nèi)的燃油會相應(yīng)加載到較高的壓力，當(dāng)達(dá)到一定壓力后，噴油器針閥抬起，向氣缸噴油。忽略系統(tǒng)泄漏、摩擦等因素，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定時(shí)，液壓油的壓力和增壓器兩段活塞截面的比值就決定了燃油最終的增壓壓力。當(dāng)達(dá)到預(yù)定噴油量，閥芯回位，進(jìn)口關(guān)閉，回油口打開，增壓泵卸載，噴油結(jié)束。當(dāng)需要進(jìn)行排氣時(shí)，電液比例方向閥閥芯換向到另一端，液壓油流入排氣門驅(qū)動裝置，排氣門打開。文中著重討論噴油過程。

圖1 中壓共軌系統(tǒng)工作原理示意

2 系統(tǒng)主要部件分析與模型搭建

2.1 模型構(gòu)成與計(jì)算原理

模型主要包括電液比例方向閥部分，兩級閥式噴油器部分以及燃油增壓器部分。在充分理解各個(gè)部分的工作原理與部件結(jié)構(gòu)的情況下，將系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)抽象為流體管路結(jié)構(gòu)、流體容腔結(jié)構(gòu)、活塞移動結(jié)構(gòu)、噴嘴結(jié)構(gòu)、泄漏等模塊。在模塊間建立流體連接或剛性/彈性連接。在不影響模型運(yùn)算工作和仿真精度的情況下假設(shè)液壓油壓力、溫度、流量均已穩(wěn)定并設(shè)置為邊界條件。模型構(gòu)建考慮了流體的壓縮性、管壁的變形、管壁粗糙度以及摩擦等因素[7-14]。根據(jù)噴油系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)和運(yùn)行條件進(jìn)行模型各輸入?yún)?shù)計(jì)算。基本方程采用黏性流體一維非定常流動方程。

1)流量方程。

(1)

式中：Cv——流體流量系數(shù)；

A——流通面積；

Δp——壓力差；

ρ——流體密度。

2)柱塞、針閥腔壓力方程。

(2)

式中：β——流體有效體積彈性模量；

V——容腔初始容積；

x——活塞位移；

Qin——流體流入容腔的流量；

Qout——流體流出容腔的流量。

3)柱塞、針閥等部件運(yùn)動方程。

(3)

式中：Msp——活塞等運(yùn)動件質(zhì)量；

B——耦件間阻尼系數(shù)；

f——耦件間摩擦力。

4)連續(xù)性方程。

(4)

5)耦件泄漏方程。

(5)

式中：d——耦件直徑；

h——耦件間隙寬度；

l——間隙的長度；

μ——運(yùn)動黏度；

U——耦件柱面運(yùn)動方向，耦件泄漏方程中若流體壓差流與柱面運(yùn)動方向一致時(shí)取正號，反之取負(fù)號。

2.2 電液比例方向閥模型

圖2為電液比例方向閥結(jié)構(gòu)示意圖與對應(yīng)的仿真模型。

圖2 先導(dǎo)式電液比例方向閥結(jié)構(gòu)

當(dāng)柴油機(jī)的噴油與排氣工作相繼進(jìn)行時(shí)，電液比例方向閥負(fù)責(zé)液壓油路的切換。由于工作流量較大，因此采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)。其中主閥為三位五通式液動換向閥，有一個(gè)液壓油輸入口和兩個(gè)液壓油輸出口，分別與燃油增壓器、排氣門驅(qū)動裝置相連；還有兩個(gè)回油口用于卸載。閥體采用全周開口，輸出流量與主閥芯位移成比例關(guān)系，這樣可使增壓泵的加壓過程變得可控。先導(dǎo)閥采用三位三通式高頻響伺服比例換向閥。當(dāng)接收到噴油指令時(shí)，液壓油先經(jīng)過先導(dǎo)閥內(nèi)部，先導(dǎo)閥受到電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器作用產(chǎn)生移動，使主閥芯一端的控制腔內(nèi)流入液壓油而另一端流出液壓油，從而產(chǎn)生壓力差，主閥芯操縱活塞受到壓差作用實(shí)現(xiàn)主閥的換向移動。主閥芯移動，使液壓油經(jīng)過主閥流向燃油增壓泵，液壓油推動增壓柱塞實(shí)現(xiàn)噴油。當(dāng)噴油結(jié)束時(shí)，經(jīng)過上述類似的動作，使液壓油回流，增壓泵泄壓，噴油結(jié)束。綜上，通過先導(dǎo)閥與主閥的聯(lián)動控制，可實(shí)現(xiàn)對噴油規(guī)律的控制。

2.3 兩級閥式噴油器模型

圖3為兩級閥式噴油器結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的仿真模型。啟針閥與主針閥均為空心結(jié)構(gòu)，底部開孔與針閥座構(gòu)成液力作用面。當(dāng)不進(jìn)行噴油時(shí)，電動循環(huán)泵將熱燃油經(jīng)過噴油器循環(huán)回到加壓回油柜，此時(shí)的循環(huán)泵油壓不足以克服啟針閥調(diào)壓彈簧的預(yù)緊力，啟針閥在此起到類似單體泵中的出油閥的作用。在噴油階段的初期，燃油壓力上升超過一定值時(shí)，將克服啟針閥彈簧的預(yù)緊力，使啟針閥向上抬起，推力件上的循環(huán)孔被遮住，此時(shí)，燃油得以進(jìn)入針閥導(dǎo)套內(nèi)部的主針閥閥座的周圍空間。當(dāng)燃油壓力持續(xù)上升至噴油器的設(shè)定啟噴壓力值(30～35 MPa)時(shí)，主針閥被頂起，燃油噴入氣缸。當(dāng)結(jié)束噴油時(shí)，主針閥、啟針閥依次落座。

圖3 噴油器結(jié)構(gòu)與模型

2.4 燃油增壓器模型

圖4為中壓共軌系統(tǒng)的燃油增壓器對應(yīng)的仿真模型。液壓油推動底部的液壓柱塞使得另一端的燃油壓力得到大幅增加。模型中采用一個(gè)活塞模塊并分別設(shè)置活塞的兩個(gè)不同端面面積形成增壓活塞。吸油閥為一單向閥結(jié)構(gòu)，當(dāng)容腔內(nèi)壓力減小到一定值時(shí)自動開啟，補(bǔ)充燃油。

圖4 燃油增壓器模型

3 仿真分析

3.1 計(jì)算條件和假設(shè)

為了更明確地比較噴油開始后噴油波形的變化,設(shè)定模型在開始計(jì)算時(shí)共軌中已充滿液壓油且已達(dá)到系統(tǒng)工作需要的壓力。

對應(yīng)于加到電液比例方向閥上的電流,電磁先導(dǎo)閥從開啟到全開需要13 ms，關(guān)閉需要8 ms。在本模型中直接給出電磁閥的開度曲線。

本模型采用實(shí)驗(yàn)測定的缸壓變化曲線來定義噴嘴端的燃油噴射邊界條件。

系統(tǒng)部分規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

3.2 不同增壓面積比的影響

圖5為增壓器燃油腔內(nèi)壓力變化對比。增壓面積比是增壓器上下兩段柱塞端面積的比值。當(dāng)其他結(jié)構(gòu)一定時(shí)，該比值決定了最高噴油壓力。

圖5 不同增壓面積比的影響

由圖5可見，隨著增壓比提高，噴油壓力也隨之上升。但增壓比不可過大，因?yàn)殡S著增壓比上升，同一時(shí)間所需液壓油會增加，加重了液壓輸油泵的工作負(fù)擔(dān)，還會使柱塞體積質(zhì)量增加，影響運(yùn)動靈敏性。而在過小的增壓比下，要達(dá)到一定的噴油壓力就需要較高的液壓油壓力，較大壓力會影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 不同增壓器燃油腔容積的影響

圖6為增壓器燃油腔容積變化對系統(tǒng)相關(guān)工作性能的影響。

圖6 不同增壓器燃油腔容積的影響

由圖6可見，隨著燃油腔容積的增加，對壓力波動有一定的吸收作用。燃油腔的容積首先應(yīng)保證滿足最大的噴油量需求，而額外的腔室容積也可對泵體、柱塞耦件等部件起到緩沖作用，這可以增加長期工作在交變應(yīng)力狀態(tài)下的柱塞耦件的使用壽命。但增加容積的同時(shí)也會使壓力建立與卸載的時(shí)間均有延長。同時(shí)，由圖6b)可見，較大的燃油腔容積會使斷油速度變慢，這不利于排放及燃油經(jīng)濟(jì)性。另一方面，壓力和噴油率曲線整體出現(xiàn)輕微的前大后小趨勢，這是由于隨著增壓器柱塞移動，液壓腔容積不斷變大使得壓力變小。

3.4 比例方向閥流通面積的影響

圖7為比例方向閥流通面積變化對系統(tǒng)相關(guān)工作性能的影響。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)閥口流通面積過小時(shí)會使液壓油存在嚴(yán)重的節(jié)流效應(yīng)，使其后各壓力容腔內(nèi)壓力均有較大幅度減小，增壓響應(yīng)速度變慢，導(dǎo)致啟噴時(shí)刻后移，并由于壓力降低，噴油率也隨之降低。另外，從圖中可以看出，當(dāng)閥口流通面積達(dá)到某一值后，繼續(xù)增加已無明顯效果，反而會增加閥的體積、質(zhì)量，以及閥芯上的液動力，這些因素都會大大影響閥主級的響應(yīng)速度。

圖7 不同閥芯開度的影響

3.5 不同閥芯停頓時(shí)間的影響

圖8為比例方向閥閥芯開度變化對噴油率的影響，閥芯在部分開啟位置停頓5 ms和10 ms后再全部開啟，可令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)先緩后急的靴型噴射。

圖8 閥芯不同停頓時(shí)間的影響

可見，通過調(diào)節(jié)閥芯停頓時(shí)間，可控制噴油初期噴油率的升高速度。相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)表明，此種噴射模式由于降低了燃燒初期的放熱率，可大大降低主機(jī)氮氧化物的排放，且缸內(nèi)壓力升高率降低，對主機(jī)工作粗暴的情況也有所改善，降低噪聲，延長主機(jī)使用壽命。當(dāng)閥芯部分開啟時(shí)，通過的液壓油流量較小，使得在噴油初期燃油加壓較低，在噴油中后期閥芯開啟至最大開度使壓力升高，從而實(shí)現(xiàn)了此種先緩后急噴油率。比例方向閥芯開度的控制可由電液比例控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，在流體傳動控制領(lǐng)域已有成熟的應(yīng)用，本文不再過多介紹。

3.6 不同閥芯開啟速度的影響

圖9為控制比例方向閥閥芯開啟速度對噴油特性的影響計(jì)算結(jié)果。

圖9 不同閥芯移動速度的影響

由圖9可見，隨著開啟時(shí)間的增加，燃油噴射整體響應(yīng)速度變慢，噴油始點(diǎn)出現(xiàn)延遲，這會對噴油正時(shí)的精確控制帶來不利影響。且由于閥芯開啟時(shí)間變長，使得噴油率整體受到大幅削減，最終有可能導(dǎo)致累計(jì)噴油量達(dá)不到柴油機(jī)的工作需求。同理，對于閥芯的關(guān)閉時(shí)間的影響，可以預(yù)見，隨著閥芯關(guān)閉時(shí)間延長，斷油也會出現(xiàn)延遲。因此增加比例方向閥的響應(yīng)速度是關(guān)鍵。

4 結(jié)論

1)當(dāng)共軌油源壓力一定時(shí)，增壓器柱塞增壓比對噴油壓力起著決定性作用，是中壓共軌系統(tǒng)最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2)增壓器高壓腔容積對系統(tǒng)液力響應(yīng)速度，噴油壓力等特性均有一定的影響，在決定參數(shù)時(shí)還應(yīng)結(jié)合增壓器應(yīng)力變化等因素綜合選取。

3)為了減小壓力損失，比例方向閥的流通面積不宜過小。同時(shí)還應(yīng)盡量使體積較小，以提高閥芯響應(yīng)速度。

4)通過比例控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)比例方向閥閥芯開度的控制，從而實(shí)現(xiàn)先緩后急的噴油規(guī)律，降低排放，這也是該類電控柴油機(jī)的優(yōu)勢所在。

5)中壓共軌系統(tǒng)使噴油過程脫離了凸輪固定結(jié)構(gòu)的限制，變得更加靈活可控，但噴射后期壓力會出現(xiàn)小幅下降。

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