基于HYDSIM的240/275柴油機E型燃油噴射系統仿真

趙慧恩 張允富 鄒昊 扈爽

摘要：本文運用HYSDIM搭建240/275柴油機E型燃油噴射系統仿真模型，并通過試驗結果校驗仿真模型，以確保仿真的精準可靠;在此基礎上，分析了柱塞副泄漏問題，優化了噴孔直徑以提升排放水平。

Abstract： This paper uses HDYSIM to build the simulation model of E-type fuel injection system for 240/275 diesel engine， and verifies the simulation model through the test results to ensure the accuracy and reliability of the simulation. On this basis， the leakage problem of plunger pair is analyzed， and the nozzle diameter is optimized to improve the emission level.

關鍵詞：HYDSIM;燃油噴射系統;仿真

Key words： HYDSIM;fuel injection system;simulation

中圖分類號：TK429? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0015-03

0? 引言

燃油噴射系統配機性能的好壞將直接影響柴油機的動力性、經濟性、排放性，我司240D/E系列柴油機燃油噴射系統一直采用E型泵管嘴系統，是在B型泵管嘴系統基礎上改進而來。隨著柴油機功率等級和排放水平的進一步提升的要求，E型泵管嘴系統的提升改進也是勢在必行。

HYDSIM軟件用于液壓系統和液力-機械系統動態分析，具有模塊化建模、可視化輸出的特點，其充分考慮燃油粘性、小孔節流損失、燃油的壓縮性及油管內壓力波傳播速度等非定常因素，仿真精度高[3]。所以運用HYDSIM軟件可在時域上研究泵管嘴系統原理，分析泵管嘴結構特點，為后續泵管嘴設計改進或故障分析提供理論依據和指導方向，具有一定的工程應用意義。

1? 建立仿真模型

本文通過HYDSIM搭建240/275柴油機E型燃油噴射系統仿真模型（如圖1所示），輸入各模塊性能參數（Properpies）、初始條件（Iinitial Conditions）以及保存結果（Store Results），設定仿真計算過程控制參數（校正計算0點為實際曲軸轉角，計算精度0.001deg，儲存250個數據等）和全局變量。

各模塊的主要性能參數如表1所列。限于篇幅，整個建模過程暫不贅述，僅對剛度、阻尼進行說明。

1.1 剛度計算

考慮整個運動件為一維運動，所以可簡化剛度計算，先分別計算每段剛度ki，再計算整體剛度k：

其中：E為彈性模型，Ai為第i段截面積，Li為第i段長度，ki為第i段剛度。

1.2 阻尼計算

阻尼運動方程：（3）

令

則阻尼運動方程變為：（4）

求解欠阻尼運動狀態的結果：

故臨界阻尼：（6）

根據阻尼比公式：（7）

最終推導出阻尼：（8）

其中：為阻尼比，一般鋼鐵材料為0.03～0.05，k為運動件剛度，m為運動件質量，c為運動件阻尼。

2? 校驗仿真計算結果

如表2所示進行7個工況試驗，并根據當前臺架試驗測試設備和測點，將循環供油量、高壓油管最高壓力、高壓油管供油提前角三個參數與仿真計算結果進行對比分析，以此校驗仿真模型的準確性和可靠性。

從圖2和圖3可以看出，除工況1因怠速時各缸著火不均勻導致轉速波動大，進而影響仿真時預行程和有效行程的選擇，導致仿真偏差較大外，其他各工況的仿真與試驗結果趨勢基本一致，偏差較小。

3? 仿真應用

3.1 仿真分析泄漏問題案例

某段反饋DF4DD型內燃機機車用16V240ZJD2型柴油機噴油泵污油回油量較大，經測量約為4kg/天。該污油回油是燃油與機油混合，其中燃油源自柱塞腔內高壓燃油沿著柱塞副間隙泄漏到柱塞套上油槽，一部分燃油通過柱塞套上油孔，回到噴油泵低壓進油腔內，稱柱塞一級泄漏Q柱塞一級;另一部分燃油沿柱塞副間隙繼續泄漏到柱塞套下油槽，重力回油到噴油泵下體內，稱柱塞二級泄漏Q柱塞二級，為柱塞實際泄漏，基本不受泵油壓力影響，通過仿真亦得到相同結果，故其泄漏速率固定;而潤滑噴油泵下體的機油通過滾輪體與噴油泵下體的間隙上竄至噴油泵下體回油腔內，隨柱塞實際泄漏的燃油一起流入污油箱。

通過引入等效功率P=pmax·Q，以此兼顧考慮柱塞副尺寸間隙對最大高壓油管壓力pmax和循環供油量Q的影響，如圖4所示，同時仿真出柱塞實際泄漏速率曲線，可以得出該段用16V240ZJD2型柴油機理論上初始燃油泄漏量為3.84～7.68kg/天，而機油含量占比較小，一般為10%左右，具體可通過成分化驗或粘度分析出機油含量，故判斷出該污油回油量在許用范圍內。

當等效功率損失百分比超過5%，如圖4中C’點，此時單柱塞泄漏速率為46g/h，則初步判別柱塞副磨損較為嚴重;隨著柱塞副磨損進一步加劇，柱塞泄漏速率出現突升拐點，如圖4中D點，此時柱塞泄漏速率為153g/h，則初步判別柱塞副將不可用，具體應以柱塞副嚴密度試驗為檢驗準則，而以噴油泵供油量試驗（循環100次，允許偏差±7mL）作為柱塞副不可用判斷準則，如圖4中E點，偏差較大。

3.2 仿真在改進設計中的應用

我司船用8240ZC型柴油機排放提升，一方面通過減小壓力室容積，降低HC排放，另一方面通過減小噴孔直徑，提高噴射壓力，有助于缸內霧化燃燒。通過仿真不同噴孔直徑方案的循環噴油量和最大油管壓力值，如圖5所示，找到PA-PB線段上PC點，在保持同一循環供油量Q0（不考慮缸內燃燒對循環供油量的影響）的前提下，最大油管壓力值將提升至1150bar，線性插值出該點噴孔直徑為0.41mm。

最終仿真8×0.41噴孔方案得到最大油管壓力為1134bar，最大貫穿距185mm，貫穿距較遠，有利于加快吸熱、蒸發、擴散、混合過程;有助于把留在燃燒室壁面上燃油燒掉，降低HC和顆粒排放。噴霧錐角最大值38.8°CA，此時曲軸轉角14.24°CA，活塞距離噴油器較近，噴霧能夠充分發展，撞擊壁面。

4? 結束語

本文通過HYDSIM對240/275柴油機E型燃油噴射系統進行仿真和校驗，研究了柱塞的泄漏機理，分析噴油泵污油回油量大的問題，并通過引入等效功率和泄漏速率預判柱塞磨損狀態，最后通過仿真找到理想噴射壓力的噴孔方案。通過仿真軟件的應用有效的減少燃油噴射系統的研究和開發成本，縮短設計和改進周期，節省試驗驗證成本。

參考文獻：

[1]BOOSTTM Hydsim Users Guide .AVL.

[2]李友峰.中速柴油機燃油系統模擬計算與試驗研究[D].上海交通大學，2006.

[3]張華林.新型中速柴油機燃油噴射系統改型設計與性能優化分析[D].武漢理工大學，2010.

[4]周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2005.