超高壓共軌柴油機(jī)油氣室匹配仿真研究

周磊，劉振明，楊昆，王銀，王小說(shuō)

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

通訊作者： 劉振明(1978—)，男，副教授，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)控制技術(shù)；15927668186@163.com。

高壓共軌電控噴油技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)柴油機(jī)標(biāo)志性技術(shù)之一[1-3]。燃燒理論的發(fā)展，對(duì)噴油壓力和噴油規(guī)律提出了很高的要求，以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)更加靈活的噴射控制，但傳統(tǒng)的高壓共軌系統(tǒng)噴油規(guī)律近似于矩形，且難以實(shí)現(xiàn)超高壓噴射[4-5]。實(shí)現(xiàn)超高壓力噴射主要有以下兩種方法：一是通過(guò)超高壓油泵直接產(chǎn)生超高壓[6-8]；二是在噴油器中集成液壓放大機(jī)構(gòu)產(chǎn)生超高壓[9]。但上述方法對(duì)高壓油泵的泵油能力和噴油器的加工工藝的要求很高。本研究提出了超高壓共軌系統(tǒng)，通過(guò)在共軌管和噴油器之間加裝電控增壓器，將燃油壓力放大至超高壓狀態(tài)，并且在ECU控制下，能夠產(chǎn)生靈活可控的噴油規(guī)律。

柴油機(jī)的燃燒是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，影響因素很多，這些因素可歸納為油、氣、室三要素[10]。如果僅研究某個(gè)特定的因素，就會(huì)忽略油、氣、室參數(shù)間的耦合關(guān)系，因此在超高壓共軌柴油機(jī)的研究過(guò)程中，必須要對(duì)油、氣、室三要素進(jìn)行綜合優(yōu)化匹配。本研究基于Fire軟件分別建立了進(jìn)氣道和燃燒室的仿真模型，并在驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，通過(guò)模型分析了油、氣、室參數(shù)間的匹配關(guān)系對(duì)超高壓共軌柴油機(jī)性能的影響，為進(jìn)一步改善柴油機(jī)的性能和實(shí)現(xiàn)油、氣、室參數(shù)間的優(yōu)化匹配提供了理論依據(jù)。

1 超高壓共軌系統(tǒng)工作原理

超高壓共軌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由油箱、高壓油泵、共軌管、電控增壓器以及噴油器等部件組成。

圖1 超高壓共軌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電控增壓器的性能對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超高壓噴射和可變噴油速率噴射起著決定性作用，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)部設(shè)有電磁閥、增壓活塞、單向閥以及油孔等部件。具體工作原理如下：在部分負(fù)荷時(shí)，共軌管內(nèi)燃油(基壓油)通過(guò)單向閥和進(jìn)油孔分別向增壓室和控制室供油，保證了增壓活塞兩端的壓力相等，使增壓活塞達(dá)到平衡態(tài)，此時(shí)向噴油器提供基壓燃油。在高負(fù)荷時(shí)，電控增壓器電磁閥開啟，閥芯向線圈方向運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉進(jìn)油孔的同時(shí)使得閥芯頭部與閥座脫離，高壓燃油從出油孔流回油箱，導(dǎo)致增壓活塞向增壓室方向運(yùn)動(dòng)，增壓室壓力隨即升高，此時(shí)向噴油器提供高壓燃油。當(dāng)電磁閥關(guān)閉后，來(lái)自共軌管的高壓燃油通過(guò)進(jìn)油孔流入控制室，同時(shí)在復(fù)位彈簧的作用下，增壓活塞向基壓室方向運(yùn)動(dòng)，最終又回到平衡態(tài)。

圖2 電控增壓器結(jié)構(gòu)

2 模型建立及噴嘴方案設(shè)置

2.1 進(jìn)氣道模型建立及驗(yàn)證

為了獲得不同的渦流比，設(shè)計(jì)了3種不同結(jié)構(gòu)形式的進(jìn)氣道模型，其計(jì)算網(wǎng)格見圖3。圖3a為雙切向進(jìn)氣道，圖3b為原進(jìn)氣道(包括一切向進(jìn)氣道和一螺旋進(jìn)氣道)，圖3c為雙螺旋進(jìn)氣道。為保證計(jì)算的精確性，對(duì)氣門和氣門閥座處的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。仿真過(guò)程中，通過(guò)軟件中根據(jù)氣門升程曲線進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法來(lái)確定不同結(jié)構(gòu)形式進(jìn)氣道的平均渦流比，結(jié)果見表1。

圖3 不同結(jié)構(gòu)形式的進(jìn)氣道模型計(jì)算網(wǎng)格

方案平均渦流比雙切向進(jìn)氣道1.21原進(jìn)氣道2.35雙螺旋進(jìn)氣道3.62

為驗(yàn)證所建進(jìn)氣道仿真模型的準(zhǔn)確性，搭建了氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)架，其原理見圖4。該臺(tái)架主要由電動(dòng)機(jī)、真空泵、穩(wěn)壓箱、氣缸套、氣缸蓋、孔板流量計(jì)、葉片風(fēng)速儀以及接水柱U形管壓力表等元器件組成。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)壓差法，對(duì)不同氣門升程下進(jìn)氣道的渦流比進(jìn)行測(cè)量。

圖4 氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)架原理

圖5示出原進(jìn)氣道在不同氣門升程下的渦流比仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比。由圖可知，渦流比的仿真值和試驗(yàn)值基本吻合，達(dá)到了較好的一致性，表明所建立的仿真模型較為合理。

圖5 渦流比仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比

2.2 燃燒室模型建立及驗(yàn)證

在標(biāo)準(zhǔn)型ω燃燒室的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了3種不同口徑比的燃燒室模型，分別為0.75，0.8和0.85，圖6示出了3種口徑比燃燒室對(duì)應(yīng)的計(jì)算網(wǎng)格軸向剖面。

圖6 3種口徑比燃燒室對(duì)應(yīng)的計(jì)算網(wǎng)格軸向剖面

為驗(yàn)證所建燃燒室仿真模型的準(zhǔn)確性，搭建了超高壓共軌柴油機(jī)試驗(yàn)裝置，其原理見圖7。該裝置主要由測(cè)功機(jī)及其控制系統(tǒng)、柴油機(jī)、單片機(jī)、缸壓傳感器、電荷放大器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)缸壓傳感器測(cè)量缸內(nèi)壓力，并經(jīng)過(guò)電荷放大器放大，最后傳遞到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄壓力變化。試驗(yàn)工況需要同仿真工況保持一致。

圖7 超高壓共軌柴油機(jī)試驗(yàn)裝置原理

圖8示出了燃燒室口徑比為0.80時(shí)，缸內(nèi)壓力仿真值與試驗(yàn)值的對(duì)比。由圖可知，缸內(nèi)壓力的仿真值和試驗(yàn)值基本吻合，所建模型可以用來(lái)模擬實(shí)際情況。

圖8 缸內(nèi)壓力仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比

2.3 噴嘴方案設(shè)置

為滿足噴油量的一致性，在改變噴孔直徑時(shí)，需要保證噴孔有效流通截面積不變，具體的方案設(shè)置如表2所示。仿真計(jì)算的過(guò)程中噴油壓力保持在220 MPa恒定，噴射背壓為1 MPa。

表2 噴嘴方案設(shè)置

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 渦流比與噴孔直徑的匹配研究

渦流比與噴孔直徑匹配時(shí)對(duì)超高壓共軌柴油機(jī)性能的影響見圖9。

由圖9a可知，當(dāng)渦流比為1.21時(shí)，匹配0.23 mm的噴孔直徑時(shí)獲得了最大的平均有效壓力，匹配0.26 mm的噴孔直徑次之，匹配0.30 mm的噴孔直徑最?。划?dāng)渦流比為2.35時(shí)，匹配3種噴孔直徑時(shí)獲得的平均有效壓力情況與渦流比為1.21時(shí)的一致，但三者數(shù)值相差不大；當(dāng)渦流比為3.62時(shí)，匹配3種噴孔直徑時(shí)獲得的平均有效壓力情況與前兩種情況相反，即匹配0.23 mm的噴孔直徑時(shí)獲得了最小的平均有效壓力，匹配0.30 mm的噴孔直徑最大。同時(shí)由圖可以看出，隨著渦流比的增加，匹配3種噴孔直徑時(shí)獲得的平均有效壓力均逐漸增大，且噴孔直徑越大，增大的幅度越明顯。

由圖9b可知，當(dāng)渦流比為1.21時(shí)，匹配0.30 mm的噴孔直徑時(shí)獲得了最高的NOx和Soot質(zhì)量比，匹配0.23 mm噴孔直徑時(shí)最低；當(dāng)渦流比為2.35時(shí)，匹配3種噴孔直徑時(shí)獲得的NOx和Soot質(zhì)量比情況與渦流比為1.21時(shí)的一致；當(dāng)渦流比為3.62時(shí)，匹配0.30 mm噴孔直徑時(shí)獲得了最低的NOx和Soot質(zhì)量比。同時(shí)由圖可以看出，隨著渦流比的增加，匹配3種噴孔直徑時(shí)獲得的NOx和Soot質(zhì)量比均逐漸降低，且噴孔直徑越大，降低的幅度越明顯。

圖9 渦流比與噴孔直徑匹配時(shí)對(duì)柴油機(jī)性能的影響

綜上所述，在超高壓噴射條件下，同一噴孔直徑匹配的渦流比越大(1.21～3.62范圍內(nèi))，越有利于改善柴油機(jī)的燃燒排放特性，并且噴孔直徑越大，改善的效果越明顯。當(dāng)3.62的渦流比匹配0.30 mm的噴孔直徑時(shí)，可獲得最高的平均有效壓力，并且此時(shí)具有最好的排放效果。

3.2 燃燒室口徑比與噴孔直徑的匹配研究

燃燒室口徑比與噴孔直徑匹配時(shí)對(duì)超高壓共軌柴油機(jī)燃燒排放特性的影響見圖10。

由圖10a可知，當(dāng)燃燒室口徑比為0.75時(shí)，匹配0.23 mm噴孔直徑時(shí)獲得的平均有效壓力最大，匹配0.30 mm噴孔直徑時(shí)最??；當(dāng)燃燒室口徑比為0.80時(shí)，匹配0.23 mm和0.26 mm噴孔直徑時(shí)獲得的平均有效壓力大致相同，均大于匹配0.30 mm噴孔直徑時(shí)的平均有效壓力；當(dāng)燃燒室口徑比為0.85時(shí)，匹配0.30 mm噴孔直徑時(shí)獲得了最大的平均有效壓力，匹配0.26 mm噴孔直徑時(shí)次之，匹配0.23 mm噴孔直徑時(shí)最小。同時(shí)由圖可以看出，隨著燃燒室口徑比的增大，平均有效壓力均逐漸減小，且噴孔直徑越小，減小的幅度越明顯。

由圖10b可知，當(dāng)燃燒室口徑比為0.75時(shí)，匹配0.30 mm噴孔直徑時(shí)獲得的NOx和Soot質(zhì)量比最高，匹配0.23 mm噴孔直徑次之，匹配0.23 mm噴孔直徑最低；當(dāng)燃燒室口徑比為0.80時(shí)，匹配0.23 mm的噴孔直徑時(shí)獲得的NOx質(zhì)量比仍然最低；當(dāng)燃燒室口徑比為0.85時(shí)，匹配0.30 mm的噴孔直徑時(shí)獲得了最低的NOx和Soot質(zhì)量比，且匹配0.23 mm的噴孔直徑時(shí)獲得的NOx和Soot質(zhì)量比大幅提高。同時(shí)由圖可以看出，隨著燃燒室口徑比的增加，匹配3種噴孔直徑時(shí)獲得的NOx和Soot質(zhì)量比均逐漸升高，且噴孔直徑越小，升高的幅度越明顯。

圖10 燃燒室口徑比與噴孔直徑匹配時(shí)對(duì)柴油機(jī)性能的影響

綜上所述，在超高壓噴射條件下，同一噴孔直徑匹配的燃燒室口徑比越小，越有利于改善柴油機(jī)性能，并且噴孔直徑越小，改善的效果越明顯。當(dāng)0.75燃燒室口徑比匹配0.23 mm噴孔直徑時(shí)，可獲得最佳的動(dòng)力性和排放性。

4 結(jié)論

a) 在超高壓噴射條件下，同一噴孔直徑匹配的渦流比越大(1.21～3.62范圍內(nèi))，越有利于改善柴油機(jī)性能，并且噴孔直徑越大，改善效果越明顯；當(dāng)3.62渦流比匹配0.30 mm噴孔直徑時(shí)，可獲得最高的平均有效壓力，并且此時(shí)排放效果最好；

b) 在超高壓噴射條件下，同一噴孔直徑匹配的燃燒室口徑比越小，越有利于改善柴油機(jī)性能，并且噴孔直徑越小，改善效果越明顯；當(dāng)0.75燃燒室口徑比匹配0.23 mm噴孔直徑時(shí)，可獲得最佳的動(dòng)力性和排放性。

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