RT-Flex型船用低速機(jī)燃油噴射控制系統(tǒng)性能仿真研究

周巍

摘 要：以RT-Flex型船用低速柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)為研究對(duì)象。利用AMESim軟件建立其高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的仿真模型，在驗(yàn)證仿真模型精度后，利用開(kāi)發(fā)的仿真模型研究關(guān)鍵參數(shù)對(duì)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)性能的影響。研究結(jié)果表明，油量活塞直徑和針閥升程的增加會(huì)增大噴油壓力和噴油率;高壓油管直徑的增加在增大噴油壓力和噴油率的同時(shí)也顯著地增加了噴油持續(xù)期;增大噴孔直徑會(huì)使噴油率明顯增大，而噴油壓力略有降低。

關(guān)鍵詞：高壓共軌燃油噴射系統(tǒng);船用低速柴油機(jī);性能仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TK421.6? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）09-0083-03

隨著經(jīng)濟(jì)全球化過(guò)程的進(jìn)行，國(guó)家之間貿(mào)易量與日俱增。作為單位運(yùn)輸成本最低的運(yùn)輸方式，船舶運(yùn)輸占據(jù)著世界貿(mào)易總運(yùn)輸量的90%以上。船用低速機(jī)體積和功率巨大，運(yùn)行過(guò)程中排放大量污染物。關(guān)于船舶柴油機(jī)排放的法規(guī)和要求越來(lái)越嚴(yán)格，也越來(lái)越難以達(dá)到[1-4]。高壓共軌燃油系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高壓噴射，并且通過(guò)噴射控制系統(tǒng)精確控制燃油噴射正時(shí)和循環(huán)噴油量，優(yōu)化噴油規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)各工況性能的優(yōu)化，降低污染物的排放，因而在當(dāng)今船用低速柴油機(jī)上應(yīng)用廣泛。通過(guò)開(kāi)展燃油噴射控制系統(tǒng)的性能影響因素研究可以為優(yōu)化系統(tǒng)性能提供理論支持[5-8]。

本文以瓦錫蘭RT-Flex型船用低速柴油機(jī)為研究對(duì)象，分析其高壓共軌電控燃油噴射控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。采用數(shù)值模擬的方法，利用AMESim軟件，建立高壓共軌燃油噴射控制系統(tǒng)模型，進(jìn)行系統(tǒng)特性仿真計(jì)算，并與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。對(duì)高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，研究系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

1 燃油噴射控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證

利用AMESim軟件建立系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)燃油噴射系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)特征選取圖形模塊來(lái)建立系統(tǒng)的模型，在建立燃油噴射控制系統(tǒng)時(shí)設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù)，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間設(shè)置計(jì)算時(shí)間，并確定計(jì)算精度[9]。燃油噴射系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

為了驗(yàn)證仿真模型仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文以噴油壓力作為主要的對(duì)比對(duì)象來(lái)驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性[10]。典型工況下仿真模型的噴油壓力數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2所示。

由于考慮燃油泄漏，在未噴射時(shí)，高壓油管內(nèi)燃油壓力有較小波動(dòng)。噴油過(guò)程中，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相位及趨勢(shì)基本一致，最高噴油壓力等數(shù)值也基本一致。噴油結(jié)束后，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的噴油壓力都經(jīng)過(guò)較大的波動(dòng)后開(kāi)始下降。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可得：本文利用AMESim軟件開(kāi)發(fā)的RT-Flex型低速柴油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)模型較為準(zhǔn)確，可以據(jù)此進(jìn)行下一步的研究工作。

2 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能影響分析

燃油噴射過(guò)程組織的好壞直接影響燃燒過(guò)程，從而對(duì)柴油機(jī)性能產(chǎn)生決定性的影響。燃油噴射系統(tǒng)性能的好壞體現(xiàn)在以上多個(gè)方面，其中燃油系統(tǒng)的噴油壓力和噴油率具有一定的代表性，本文選取它們作為分析對(duì)象。

2.1共軌壓力對(duì)噴油性能的影響

燃油噴射控制系統(tǒng)中的狀態(tài)參數(shù)主要包括燃油共軌壓力、伺服油共軌壓力和噴射脈寬。由于RT-Flex低速柴油機(jī)的共軌噴油系統(tǒng)將軌內(nèi)高壓燃油經(jīng)噴射控制單元送入各缸噴油器中實(shí)現(xiàn)高壓噴射，所以在噴射過(guò)程中，軌內(nèi)燃油壓力直接影響了噴油壓力，從而影響系統(tǒng)噴油性能。

在柴油機(jī)100%負(fù)荷下，保持噴射脈寬和伺服油軌壓不變，改變?nèi)加凸曹墘毫Γ芯科鋵?duì)系統(tǒng)噴油性能的影響。不同燃油軌壓下噴油壓力和噴油率的仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示。噴射脈寬保持不變，針閥啟閉時(shí)間無(wú)明顯變化。隨著燃油軌壓的升高，噴油過(guò)程中的峰值壓力和穩(wěn)定壓力都逐漸升高，同時(shí)，噴油率升高，噴油持續(xù)期增加。

2.2油量活塞直徑對(duì)噴油性能的影響

油量活塞是該燃油系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它起著監(jiān)測(cè)噴油量和維持容腔壓力的作用，噴油過(guò)程中油量活塞左右兩側(cè)受力相同，活塞直徑D的改變會(huì)影響系統(tǒng)的噴油性能。

在柴油機(jī)100%負(fù)荷下，保持燃油壓力、伺服油壓力和噴射脈寬等參數(shù)不變，改變油量活塞直徑，研究其對(duì)系統(tǒng)噴油性能的影響。不同油量活塞直徑下噴油壓力和噴油率的仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。不同活塞直徑時(shí)噴油壓力和噴油率的曲線變化趨勢(shì)基本相同。而隨著油量活塞直徑的增加，噴油壓力的峰值壓力和穩(wěn)定壓力都逐漸增大，噴油率也增大。這是因?yàn)楫?dāng)活塞直徑D增加，恒壓源壓力不變時(shí)，噴油壓力增加噴油率隨之增加。

2.3高壓油管直徑對(duì)噴油性能的影響

高壓油管將燃油從ICU輸送到噴油器中，它的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)影響著系統(tǒng)的噴油性能，其中高壓油管直徑是它的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。在柴油機(jī)100%負(fù)荷下，保持燃油壓力，噴射脈寬等參數(shù)不變，選取5mm、6mm、7mm、8mm四種直徑尺寸來(lái)研究其對(duì)系統(tǒng)噴油性能的影響（原型機(jī)的高壓油管直徑是6mm）。如圖5所示為不同高壓油管直徑下系統(tǒng)的噴油壓力和噴油率變化曲線。從圖中可知，噴油壓力和噴油率都隨著高壓油管直徑的增加而增加。這是因?yàn)橛凸苤睆皆黾訒?huì)使得燃油的流動(dòng)阻力變小，壓降也減小，所以噴油壓力隨著油管直徑的增加而變大。噴油終點(diǎn)時(shí)，油管直徑越大則噴油結(jié)束延遲時(shí)間越長(zhǎng)，這是因?yàn)橄嗤尼橀y開(kāi)啟壓力，噴油壓力增大，則針閥關(guān)閉時(shí)間推遲，即噴油持續(xù)期延長(zhǎng)。

2.4針閥升程對(duì)噴油性能的影響

噴油器通過(guò)針閥體的升起和關(guān)閉控制燃油的噴射，而針閥的開(kāi)啟與關(guān)閉是由燃油壓力控制的，一旦燃油壓力高于針閥開(kāi)啟壓力，燃油則經(jīng)噴油孔噴入氣缸，所以噴油器的參數(shù)對(duì)噴油性能有顯著影響。噴油器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)中，針閥升程是影響柴油機(jī)噴油性能的重要參數(shù)之一。隨著升程的增大，針閥密封座面的流通截面積增加，會(huì)影響燃油系統(tǒng)噴油性能。本文選取針閥升程為研究對(duì)象，分析其對(duì)燃油系統(tǒng)噴油壓力和噴油率的影響。在柴油機(jī)100%負(fù)荷下，保持燃油壓力、伺服油壓力和噴射脈寬等參數(shù)不變，改變針閥升程，研究其對(duì)系統(tǒng)噴油性能的影響。本文選取1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm等不同針閥升程進(jìn)行仿真計(jì)算（原型機(jī)的針閥升程是1.3mm）。不同針閥升程下噴油壓力和噴油率的仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，不同針閥升程時(shí)噴油壓力和噴油率的曲線變化趨勢(shì)基本一致。而隨著針閥升程的增加，噴油壓力的峰值壓力和穩(wěn)定壓力都略有降低。然而，噴油率隨著針閥升程的增加而增大。這是因?yàn)獒橀y升程的增大，直接增加了針閥密封座面的流通截面積與噴孔總流通截面積比值，針閥座面節(jié)流效應(yīng)略有增加，所以噴油壓力會(huì)隨著針閥升程的增加而略微減小。然而因?yàn)橹苯釉黾恿酸橀y密封座面的流通截面積，所以噴油率隨之增加。

2.5噴孔直徑對(duì)噴油性能的影響

高壓燃油經(jīng)過(guò)噴油器的噴孔進(jìn)入氣缸，噴孔直徑的參數(shù)變化將直接影響系統(tǒng)噴油性能。在柴油機(jī)100%負(fù)荷時(shí)，保持燃油壓力、伺服油壓力和噴射脈寬等參數(shù)不變，改變噴孔直徑，研究其對(duì)系統(tǒng)噴油性能的影響。本文選取0.800mm、0.825mm、0.850mm、0.875mm、0.900mm等不同噴孔直徑進(jìn)行仿真計(jì)算（原型機(jī)的噴孔直徑是0.825mm）。如圖7為不同噴孔直徑時(shí)系統(tǒng)噴油壓力和噴油率的變化曲線。從圖中可以看出，隨著噴油器噴孔直徑的增大，噴油壓力略有降低，但是變化不是很明顯。然而當(dāng)噴孔直徑增大時(shí)，噴油率增加，且變化較為明顯。

3 結(jié)論

（1）本文以瓦錫蘭RT-Flex型柴油機(jī)為研究對(duì)象，分析其高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理。利用AMESim軟件，建立高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的仿真模型。在模型中考慮了燃油的壓縮，波動(dòng)，泄露等細(xì)節(jié)，提高了模型的精確度。通過(guò)與HIL仿真平臺(tái)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，校驗(yàn)了模型的準(zhǔn)確性。

（2）利用校驗(yàn)后的仿真模型，研究了燃油噴射控制系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。研究表明，燃油軌壓的增加將影響系統(tǒng)的噴油壓力和噴油率，使其變大。油量活塞直徑、高壓油管直徑、針閥升程都會(huì)影響系統(tǒng)的噴油性能。其中，油量活塞直徑和針閥升程的增加會(huì)增大噴油壓力和噴油率;高壓油管直徑的增加在增大噴油壓力和噴油率的同時(shí)也顯著地增加了噴油持續(xù)期;增大噴孔直徑會(huì)使噴油率明顯增大，而噴油壓力略有降低。

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