內(nèi)燃機(jī)高壓油管的壓力控制分析

2022-11-02 06:36:54張雪龐黎靜

中國(guó)設(shè)備工程 2022年20期

張雪，龐黎靜

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710000）

1 研究背景

高壓油管是內(nèi)燃機(jī)供油系統(tǒng)的重要組成部分，隨著我國(guó)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的迅速發(fā)展，高壓油管被廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者對(duì)高壓油管進(jìn)行了研究。如李旭東研究分析高壓油管開裂原因；崔小林從連接方式和零件質(zhì)量2個(gè)方面研究了高壓油管的失效形式等。其中大多研究分析高壓油管的故障問題，缺少了對(duì)油管本身工作原理及狀態(tài)的分析。基于此現(xiàn)狀，本文結(jié)合高壓油管的工作原理，分析高壓油管壓力的影響因素，建立高壓油管壓力控制模型，將高壓油管內(nèi)的壓力穩(wěn)定在一定的范圍，以此提高工作效率以及延長(zhǎng)使用壽命。

2 問題分析

高壓油管的工作原理如圖所示，燃油由高壓油泵從A處進(jìn)入高壓油管，再由噴油嘴從B處噴出。凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)使得柱塞上下運(yùn)動(dòng)，柱塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)壓縮高壓油泵內(nèi)的燃油，當(dāng)油泵內(nèi)的壓力大于高壓油管內(nèi)的壓力時(shí)，單向閥開啟，燃油進(jìn)入高壓油管內(nèi)。在高壓油管的另一端有針閥和噴孔組成的噴油嘴，針閥進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)不同程度的開啟噴油嘴，將高壓油管內(nèi)的燃油從該處噴出。噴油嘴結(jié)構(gòu)如圖所示。

高壓油管內(nèi)腔長(zhǎng)度為，內(nèi)徑為，初始?jí)毫?100MPa。噴油嘴的針閥頭部為球形，其直徑為2.5mm，噴孔的直徑為7mm，密封座是半角為9°的圓錐。當(dāng)針閥高度為0時(shí)，針閥閉合，出油量為零，當(dāng)針閥高度大于0時(shí)，噴油嘴開啟，噴油速度為10次/s。我們要研究的問題是：在給定的噴油器工作次數(shù)、高壓油管尺寸和初始?jí)簭?qiáng)條件下，確定凸輪的角速度，使得高壓油管的壓強(qiáng)盡可能穩(wěn)定在100MPa左右。

圖1 高壓油管工作過程

圖2 油噴嘴示意圖

3 建立模型

3.1 燃油壓力與密度的關(guān)系模型

由高壓油管的彈性模量與燃油壓力的關(guān)系擬合公式：

上述兩式聯(lián)立可得出燃油壓力與密度之間的關(guān)系式：

3.2 凸輪高度隨時(shí)間變化關(guān)系模型

凸輪等速轉(zhuǎn)動(dòng)使得連接在其上的柱塞做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，此過程與油管的進(jìn)油量有關(guān)。當(dāng)柱塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)壓縮高壓油泵內(nèi)的燃油，高壓油泵內(nèi)的壓力不斷升高，直到高壓油泵內(nèi)的壓力高于高壓油管內(nèi)的壓力時(shí)，燃油進(jìn)入高壓油管；柱塞向下運(yùn)動(dòng)使高壓油泵內(nèi)的空間增大，高壓油泵內(nèi)的壓力會(huì)逐漸減小，直到高壓油泵內(nèi)的壓力低于高壓油管內(nèi)的壓力時(shí)，燃油不再被吸入高壓油管。

由凸輪邊緣曲線擬合出凸輪高度與角度的函數(shù)關(guān)系：

圖3 凸輪極徑與極角關(guān)系曲線

3.3 針閥升程隨時(shí)間變化關(guān)系模型

針閥升程與高壓油管的噴油量密切相關(guān)，當(dāng)針閥升程大于0時(shí)，噴油嘴開啟，隨著開啟程度增大，噴嘴的噴油量也會(huì)增大，到針閥上升到一定高度時(shí)，噴油嘴完全開啟，這時(shí)候噴油量達(dá)到最大，由于高壓油管內(nèi)的壓力變化，針閥上升到一定高度之后會(huì)下降，噴油嘴開啟程度減小，最終噴油嘴關(guān)閉。此過程循環(huán)往復(fù)。

由針閥運(yùn)動(dòng)曲線擬合出針閥高度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系：