惠大可，李　琦，史明偉，尹自斌

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

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柴油機(jī)電控組合泵燃油噴射系統(tǒng)匹配仿真分析

惠大可，李琦，史明偉，尹自斌

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

[摘要]利用AMESim軟件建立了某柴油機(jī)電控組合泵燃油噴射系統(tǒng)仿真模型．通過(guò)噴油特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性后，仿真分析了噴孔直徑、凸輪型線速度和柱塞直徑等主要因素對(duì)噴射性能影響規(guī)律；并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，開(kāi)展了燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化匹配分析，得到了兩組優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)方案，即噴油器孔徑0.24 mm，凸輪型線速度0.46 mm/(°AC)、柱塞直徑15 mm和噴油器孔徑0.26 mm，凸輪型線速度0.46 mm/(°AC)，柱塞直徑15 mm兩組，為燃油噴射系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)提供參考．

[關(guān)鍵詞]電控組合泵；結(jié)構(gòu)參數(shù)；匹配；仿真

0引言

燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)的重要組成部分，其作用是根據(jù)柴油機(jī)工作要求將燃油定時(shí)、定量地噴入氣缸，實(shí)現(xiàn)良好霧化并與空氣充分混合.它對(duì)柴油機(jī)的燃燒性能起著決定性作用．電控噴油系統(tǒng)因噴油定時(shí)和噴油量都可由電磁閥精確控制，具有噴油定時(shí)柔性可調(diào)的特點(diǎn)，被柴油機(jī)廣泛采用[1]．燃油噴射系統(tǒng)工作性能直接關(guān)系到柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，因此，在柴油機(jī)電控化改造過(guò)程中，有必要對(duì)燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，改善燃油噴射性能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)良好匹配．

1系統(tǒng)仿真建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.1　系統(tǒng)組成

柴油機(jī)電控化改造過(guò)程中擬采用凸輪驅(qū)動(dòng)直列式電控組合泵，泵出口高速電磁閥的通電時(shí)刻和通電持續(xù)時(shí)間控制供油提前角和噴油量．柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、凸輪相位、環(huán)境溫度等信息通過(guò)傳感器送入電控裝置(ECU)，經(jīng)過(guò)處理后得到該工況下的噴油提前角和噴油量，并轉(zhuǎn)換為高速電磁閥的控制信號(hào)輸出，控制電磁閥的通電和斷電，圖1為電控燃油噴射系統(tǒng)示意圖[2]．

1.2　系統(tǒng)仿真建模

電控組合泵系統(tǒng)是集電場(chǎng)、磁場(chǎng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和流場(chǎng)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，每個(gè)場(chǎng)通過(guò)各自的控制方程及相互作用的變量耦合在一起，通過(guò)油管內(nèi)的波動(dòng)方程，每個(gè)場(chǎng)的參數(shù)都會(huì)對(duì)最終的噴射特性直接或間接的起作用．因此，可以通過(guò)電磁場(chǎng)耦合方程、機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程、流場(chǎng)特性方程和高壓油管波動(dòng)等方程求解噴油系統(tǒng)的各種特性參數(shù)[3]．

1.2.1高壓油管波動(dòng)方程管壓力波傳播速度(m/s)；u為燃油速度(m/s)；ρ為燃油密度(g/mm3)；

(1)

(2)

其中：p為壓力(Pa)；K為粘性阻力系數(shù)；a為油

1.2.2閥桿機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程

(3)

其中：m為運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量(g)，包括銜鐵、閥桿和彈簧等零件；xl為閥桿位移(m)；Fmag為作用在銜鐵上的電磁力(N)；Ff為考慮流場(chǎng)影響受到的力(N)；k為彈簧剛度(N/m)；x0為彈簧預(yù)變形量(mm)；t為時(shí)間(s)．

1.2.3電磁場(chǎng)耦合方程

U=iR+dλ/dt

(4)

其中：U為線圈端電壓(V)；i為電磁閥工作電流(A)；R為線圈內(nèi)阻(Ω)，λ為線圈磁鏈值(Wb)，R和λ與電磁閥機(jī)構(gòu)參數(shù)有關(guān)．

1.2.4流場(chǎng)特性方程

主要包括燃油液壓流體的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量守恒方程，電控單體泵系統(tǒng)的計(jì)算主要考慮針閥腔、柱塞腔和電磁閥腔內(nèi)的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量守恒方程．

通過(guò)以上方程，再結(jié)合噴油器針閥運(yùn)動(dòng)方程、初始條件和邊界條件等就可以求解電控組合泵噴射特性各種參數(shù)，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的求解精度，本文在AMESim軟件中建立模型進(jìn)行求解，如圖2所示．搭建系統(tǒng)仿真模型草圖后，給每個(gè)原件模塊匹配合適的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，設(shè)置仿真模型中各子模型的參數(shù)如下：柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min；噴嘴噴孔數(shù)量為8個(gè)，孔徑為0.28 mm；柱塞直徑為13 mm；凸輪型線速度為0.43 mm/(°CA)；開(kāi)啟壓力為19 MPa；針閥升程為0.4 mm；燃油流量為1500 mL/30 s×10 MPa；高壓油管長(zhǎng)900 mm，內(nèi)徑2 mm；電磁閥桿升程為0.18 mm，閥桿直徑為6.98 mm；銜鐵殘余氣隙0.12 mm；運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量為14.5 g；噴油脈寬為28 ℃A.

1.3　仿真模型驗(yàn)證

仿真模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和標(biāo)定后，方可進(jìn)行仿真計(jì)算．電控化改造采用成都威特EP1000型電控組合泵，噴射特性試驗(yàn)在6PSDW300油泵試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，測(cè)量單元采用法國(guó)EFS8427瞬時(shí)油量測(cè)量?jī)x．圖3、圖4是在凸輪轉(zhuǎn)速450 r/min，循環(huán)噴油量相同時(shí)，在相同的控制參數(shù)下，噴油規(guī)律、泵端壓力和嘴端壓力實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)波形對(duì)比．由圖3、圖4可知，噴油規(guī)律以及泵端壓力和嘴端壓力的仿真值和實(shí)測(cè)值吻合良好，由此可認(rèn)為所建仿真模型較為準(zhǔn)確可信，可用于進(jìn)一步的仿真分析．

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴射特性影響仿真分析

影響燃油噴射系統(tǒng)噴射性能的主要參數(shù)有：噴油器孔徑、凸輪的型線速度、柱塞直徑以及高壓油管的長(zhǎng)度及孔徑[4]．由于高壓油管對(duì)燃油噴射性能影響相對(duì)較小，本文暫不考慮其影響．在AMESim仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，分別分析單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)噴油壓力和噴油規(guī)律的影響，并估算各參數(shù)的取值范圍，為后續(xù)匹配方案提供理論基礎(chǔ)．

2.1　噴油器孔徑的影響

圖5、圖6分別為其他參數(shù)不變，噴油器孔徑分別為0.26、0.28、0.30 mm時(shí)，嘴端壓力和噴油規(guī)律的變化情況．由圖5、圖6可見(jiàn)，噴油壓力和噴油速率峰值對(duì)噴油器孔徑變化敏感，隨噴孔直徑減小，最大噴射壓力明顯增大，而最大噴射速率減?。畧D5表明噴嘴壓力還未達(dá)到100 MPa的設(shè)計(jì)要求，可考慮適當(dāng)降低噴嘴孔徑，優(yōu)化匹配的孔徑范圍初定為0.24～0.30 mm．

2.2　柱塞直徑影響

圖7、圖8分別為其他參數(shù)不變，柱塞直徑分別為12.5、13、14 mm時(shí)，嘴端壓力和噴油規(guī)律的變化情況．從圖7、圖8可見(jiàn)，柱塞直徑增大，噴油壓力和噴油速率增大，影響顯著．由于最大噴射壓力低于100 MPa的設(shè)計(jì)要求，擬考慮增大柱塞直徑，優(yōu)化匹配的柱塞直徑范圍初定為13.5～15 mm．

2.3　凸輪型線速度影響

圖9、圖10分別為其他參數(shù)不變，凸輪型線速度分別為0.40、0.43 、0.46 mm/(℃A)時(shí),對(duì)嘴端壓力和噴油規(guī)律變化情況．由圖9、圖10可見(jiàn)，凸輪型線速度和柱塞直徑對(duì)嘴端壓力和噴油速率影響趨勢(shì)相同，凸輪型線速度增大，嘴端壓力和噴油速率增大．由于目前只開(kāi)發(fā)了以上三種凸輪型線，所以優(yōu)化匹配的凸輪型線速度在這三個(gè)參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行．

仿真分析表明：在相同噴油量下，噴孔直徑減小，使得噴油壓力升高，有利于提高霧化質(zhì)量，改善燃燒，但會(huì)增大噴油脈寬，加大后燃的可能性[5]．柱塞直徑和凸輪型線速度增大，單位時(shí)間內(nèi)供油量增加，相同的噴油脈寬下，增強(qiáng)了供油能力，提高了噴射壓力．可以通過(guò)適當(dāng)減小噴孔直徑，增大柱塞直徑或增大凸輪型線速度，從而改善燃油霧化質(zhì)量，提高柴油機(jī)燃燒性能，但過(guò)小的噴油孔徑會(huì)增加后燃可能性，過(guò)大的柱塞直徑會(huì)使柴油機(jī)工作粗暴，過(guò)大的凸輪型線速度會(huì)使凸輪面受壓增加，加快表面的磨損．因此，噴油系統(tǒng)匹配過(guò)程中應(yīng)根據(jù)柴油機(jī)性能要求選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)．

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化匹配

燃油噴射系統(tǒng)的匹配，本質(zhì)上是通過(guò)燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，獲得理想的噴油規(guī)律、噴油壓力、噴油持續(xù)期以及避免各種異常噴射，從而使燃油系統(tǒng)的機(jī)電液系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到良好的匹配．本文在初選方案基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配．燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)初選方案為：噴油器孔徑0.24，0.26，0.28，0.30 mm；型線速度0.40，0.43，0.46 mm/(℃A)；柱塞直徑13.5，14.0，14.5，15.0 mm.

3.1　仿真計(jì)算

本文需要研究多因素、多水平的影響，完全試驗(yàn)工作量較大，為了減少試驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)保證評(píng)價(jià)不同參數(shù)影響的精確度，選擇正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法．正交試驗(yàn)是采取部分試驗(yàn)來(lái)代替全面試驗(yàn)的方法，挑選出有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)代表性的試驗(yàn)結(jié)果的分析，了解全面試驗(yàn)的情況．本次試驗(yàn)包含3個(gè)因素，噴孔直徑和柱塞直徑4水平，凸輪型線速度3水平，運(yùn)用擬水平法，采用L16(45)正交表，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及仿真結(jié)果如表1所示．

表1　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及仿真計(jì)算結(jié)果

3.2　仿真計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)表1，將各因素所在列中相同水平所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值求和.為使計(jì)算簡(jiǎn)單，將表1中嘴端壓力值同時(shí)減去650，噴油量減去330，得出兩組較小的數(shù)進(jìn)行分析，與原數(shù)據(jù)效果相同，得到T1、T2、T3值，并計(jì)算該因素極差，以確定因素的影響因子大小.其中：Ti表示任一列上水平號(hào)為i(i=1,2,3,4)時(shí)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和，ti是試驗(yàn)指標(biāo)的平均值；ti=Ti/r，其中r為任一列上各水平出現(xiàn)的次數(shù)；R稱為極差，是任一列因素各水平的試驗(yàn)指標(biāo)最大值與最小值之差，即R=max(t1，t2，t3，t4)-min(t1，t2，t3，t4).R反映了各列因素在水平變動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度，R越大，說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，因此也就越重要.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

表2　計(jì)算結(jié)果分析

利用極差和方差分析法，以嘴端壓力作為試驗(yàn)指標(biāo)，得出最優(yōu)方案為A1B4C4，影響因子從大到小依次為：噴油器孔徑、型線速度和柱塞直徑；以噴油量為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，得出最優(yōu)方案為A4B3C4，影響因子從大到小依次為：柱塞直徑、凸輪型線速度和噴油器孔徑．但是A4B3C4不在正交表所列之內(nèi)，應(yīng)進(jìn)行附加實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為，嘴端壓力878.1 MPa、噴油量591.5 uL．按照設(shè)計(jì)要求噴油壓力要達(dá)到100 MPa以上，并且噴油量大于500 uL，所以只有A1B3C4，A2B3C4，符合要求．

4結(jié)論

從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可見(jiàn)，此電控組合泵燃油噴射系統(tǒng)參數(shù)匹配，以噴油器孔徑0.24 mm、凸輪型線速度0.46 mm/(°AC)、柱塞直徑15 mm和噴油器孔徑0.26 mm、凸輪型線速度0.46 mm/(°AC)、柱塞直徑15 mm兩種組合為較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)方案．但這兩中方案對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的改善，還需通過(guò)噴油特性試驗(yàn)和柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證．

[參考文獻(xiàn)]

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[2]范立云，田丙奇.電控單體泵噴射特性關(guān)鍵影響因素研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，4(9)：14-20

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(責(zé)任編輯陳敏英文審校鄭青榕)

Matching Simulation of an Electronic-controlled Assembly PumpFuel Injection System on Diesel EngineHUI Da-ke,LI Qi,SHI Ming-wei,YIN Zi-bin

(Marine Engineering Institute,Jimei University,Xiamen 361021,China)

Abstract:A simulation model of an electronic control assembly pump system of adiesel engine was established on AMESim,the accuracy was verified with the experimental data of fuel injection characteristics.Subsequently,the fuel injection performance influenced by structural parameters (fuel injector aperture,cam profile velocity and plunger diameter ) was analyzed on simulation.Besides,the structural parameters matched and optimized on fuel injection system were studied,and two structural parameter optimization projects were achieved,namely,fuel injector aperture 0.24mm,cam profile velocity 0.46m/(°AC),plunger diameter 15mm and fuel injector aperture 0.26mm,cam profile velocity 0.46m/(°AC),plunger diameter 15mm,which can provide reference for matching design of electronic-controlled assembly pump system.

Key words:electronic control assembly pump；structure parameter；matching；simulation

[中圖分類號(hào)]U 661.121

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1007-7405(2015)02-0134-06

[作者簡(jiǎn)介]惠大可(1986—)，男，碩士生，從事內(nèi)燃機(jī)性能優(yōu)化研究.通訊作者：尹自斌(1971—)，男，教授，博士，從事柴油機(jī)性能優(yōu)化、排放測(cè)量與控制方向的研究.

[基金項(xiàng)目]交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014329815080)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012J01230)

[收稿日期]2014-11-27[修回日期]2015-01-12