衡 偉，葉子梟，黃加亮,3，范金宇,3

(1.廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院航海技術(shù)系，福建 廈門(mén) 330013；2.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；3.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021)

0 引言

柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)承擔(dān)著將定量高壓燃油在預(yù)定時(shí)間點(diǎn)噴入氣缸的工作，其性能的好壞直接決定燃油霧化質(zhì)量以及與空氣混合效果，進(jìn)而影響柴油機(jī)燃燒、動(dòng)力和排放性能[1-3]。電控燃油噴射系統(tǒng)可以精確控制噴油量和噴油時(shí)間，受到了國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)研究者的廣泛關(guān)注[4-5]。由于目前仍然存在大量的機(jī)械泵式柴油機(jī)，考慮到成本以及可行性因素，柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)電控化改造受到很多廠商的青睞[6-7]。但電控化改造后，根據(jù)燃油噴射系統(tǒng)零件尺寸參數(shù)改變以及對(duì)噴油特性產(chǎn)生的影響，重新匹配燃油噴射系統(tǒng)參數(shù)是很有必要的[8-9]。本文基于4190型柴油機(jī)電控化改造，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排燃油噴射系統(tǒng)參數(shù)匹配，使得噴油壓力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(噴油壓力≥100 MPa)。并將滿(mǎn)足要求的結(jié)果代入柴油機(jī)燃燒模型中，進(jìn)行仿真計(jì)算，系統(tǒng)地分析噴油壓力提高后對(duì)燃油霧化、油氣混合、燃燒特性、動(dòng)力性和排放性產(chǎn)生的影響。

1 燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化

1.1 燃油噴射系統(tǒng)組成

4190型柴油機(jī)燃油系統(tǒng)電控化改造后的組合泵如圖1所示。中央控制單元(electronic control unit,ECU)接受來(lái)自各傳感器的柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)信號(hào)(如，轉(zhuǎn)速、凸輪相位、進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度等)，根據(jù)存儲(chǔ)于ECU儲(chǔ)存裝置內(nèi)的相關(guān)控制策略來(lái)控制高速電磁閥的通電和斷電，從而完成噴油量和噴油定時(shí)的精確控制。

1.2 系統(tǒng)仿真模型的建立及驗(yàn)證

本文利用AMESim軟件建立的燃油噴射仿真模型如圖2所示。主要包括凸輪柱塞模塊、電磁閥模塊和噴油器模塊，各模塊通過(guò)油管連接。其中，電磁閥模塊信號(hào)源模擬電磁閥啟動(dòng)電流的方式輸入，信號(hào)轉(zhuǎn)換元件接受控制信號(hào)并轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)矢量，從而輸出驅(qū)動(dòng)力。

根據(jù)電控組合泵相關(guān)控制參數(shù)和尺寸參數(shù)，設(shè)置各主要模塊的初始參數(shù)，包括：噴油脈寬為28°；柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min；柱塞直徑為14 mm；凸輪型線(xiàn)速度為0.43mm/(°)；電磁閥閥桿升程為0.18 mm，直徑為6.98 mm；銜鐵殘余氣隙為0.12 mm；高壓油管直徑為2.0 mm，長(zhǎng)度為900 mm；噴油器啟閥壓力為18.9 MPa；針閥升程為0.4 mm；噴孔直徑為0.26 mm；噴嘴噴孔數(shù)為8個(gè)；運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量為14.5 g；燃油流量為 50 mL/s。

噴射特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)6PSDW300油泵試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得，在相同的運(yùn)行參數(shù)和尺寸參數(shù)下，通過(guò)比較噴油規(guī)律和嘴端壓力曲線(xiàn)，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，仿真值和實(shí)驗(yàn)值曲線(xiàn)對(duì)比如圖3所示。從圖3可以看出，曲線(xiàn)擬合良好，確定模型可以用于仿真運(yùn)算。

1.3 燃油噴射系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化

4190型柴油機(jī)在電控化改造之初，電控組合泵采用的參數(shù)為：噴油器孔徑為0.26 mm；凸輪型線(xiàn)速度為0.43 mm/(°)；柱塞直徑為13 mm；高壓油管長(zhǎng)度為900 mm。通過(guò)油泵試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的噴油壓力為79 MPa，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值(噴油壓力≥100 MPa)，所以有必要通過(guò)匹配燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)提高噴油壓力，獲得理想的噴油規(guī)律。

本文在原參數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)廠家提供的參考資料，拓展了幾組參數(shù)作為仿真計(jì)算因素，如表1所示。并以噴油量為約束條件，以噴油壓力為優(yōu)化目標(biāo)，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排表1參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，研究各因素對(duì)噴油壓力的影響規(guī)律，并得出符合壓力要求的參數(shù)組合。

表1 水平因素表

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排仿真計(jì)算[11]，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，正交試驗(yàn)序號(hào)3和序號(hào)5的參數(shù)組合所對(duì)應(yīng)的噴油壓力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。表3極差分析結(jié)果表明，對(duì)噴油壓力的影響由強(qiáng)到弱依次為：柱塞直徑、凸輪型線(xiàn)速度、噴孔直徑、高壓油管長(zhǎng)度。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及計(jì)算結(jié)果

表3 各因素水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差影響Tab.3 The effect of level of various factors on the test results結(jié)果ResultsABCDK193.576.576.088.0K284.383.482.780.5K379.697.6106.886.5極差variance42.063.390.025.0 注:k1、k2、k3為各因素所在列所對(duì)應(yīng)噴油壓力的平均值Notes:k1、k2 and k3 are the average values of injection pressure at the same level for each column

圖4為正交試驗(yàn)序號(hào)3和序號(hào)5對(duì)應(yīng)的噴油壓力和噴油規(guī)律曲線(xiàn)圖。從圖4中可以看出，兩組參數(shù)對(duì)應(yīng)的噴油壓力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)噴油規(guī)律曲線(xiàn)在噴油初期平緩、后期曲線(xiàn)變陡，滿(mǎn)足“先緩后急”的規(guī)律，因此可以將噴油規(guī)律曲線(xiàn)導(dǎo)入燃燒模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

2 噴油壓力對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放性能的影響

2.1 仿真模型的建立

4190型柴油機(jī)的主要參數(shù)包括：額定轉(zhuǎn)速1000 r/min；缸徑190 mm，沖程為210 mm；壓縮比為14∶1；氣缸數(shù)為4；額定功率為220 kW。將柴油機(jī)燃燒室內(nèi)部中心截面二維模型導(dǎo)入到AVL_FIRE的ESE模塊中，利用ESE網(wǎng)格工具生成燃燒室剛性動(dòng)網(wǎng)格，圖5為柴油機(jī)燃燒室的網(wǎng)格圖。

燃燒模型主要選用Spray模塊和General gas phase reactions模塊。Species transport模塊自動(dòng)激活；湍流模型為T(mén)urbulence interaction model specification模型；破碎模型采用WAVE模型；蒸發(fā)模型采用Multi-component模型；液滴碰壁模型為Walljet1模型；壁面?zhèn)鳠崮Ｐ蜑镠an-reits-model模型。模型仿真值與實(shí)驗(yàn)值的缸壓曲線(xiàn)對(duì)比如圖6所示，數(shù)據(jù)吻合良好，可以用于仿真研究。

將AMESim仿真模型得出的噴油規(guī)律曲線(xiàn)導(dǎo)入到FIRE軟件求解器中，以替換軟件本身生成的噴油規(guī)律，使得燃燒模型按照導(dǎo)入的噴油規(guī)律進(jìn)行噴油燃燒。本文選用滿(mǎn)足噴油壓力要求的序號(hào)3和序號(hào)5所對(duì)應(yīng)的噴油壓力(125 MPa、105 MPa)與原機(jī)的噴油壓力(79 MPa)進(jìn)行對(duì)比，研究噴油壓力對(duì)柴油機(jī)性能的影響規(guī)律。

2.2 噴油壓力對(duì)燃燒質(zhì)量的影響

圖7為不同噴油壓力對(duì)缸內(nèi)燃燒平均壓力影響曲線(xiàn)圖；圖8為缸內(nèi)氣體湍動(dòng)功能變化趨勢(shì)圖。從圖7可以得出，缸內(nèi)燃燒平均壓力隨著噴油壓力的增大而顯著增加，且缸壓峰值相位前移。隨著噴油壓力由79 MPa提高到125 MPa，缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力由10.0 MPa升高到11.02 MPa，約升高了10.2%。造成這些變化趨勢(shì)的原因：一方面隨著噴油壓力的提高，缸內(nèi)混合氣體的湍動(dòng)能明顯升高，提高了的湍流流動(dòng)改善了缸內(nèi)油氣混合的均勻度，從而提高了油氣混合的質(zhì)量；另一方面，噴射壓力的提高，平均索特直徑變小，油滴直徑越小，霧化效果越好。燃油與空氣混合效果如圖9所示。在提前角為710°時(shí)上止點(diǎn)前10°燃油蒸發(fā)霧氣沒(méi)有碰壁，油束隨著噴油壓力的提高而擴(kuò)散，噴油壓力為125 MPa時(shí)油束最接近凹坑壁面；當(dāng)曲柄角度由720°到730°時(shí)，隨著噴油壓力的提高，燃油蒸發(fā)霧氣撞壁并向兩邊擴(kuò)散的面積增大，進(jìn)而促進(jìn)了燃油在缸內(nèi)分散的均勻度。

2.3 噴油壓力對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響

柴油機(jī)專(zhuān)業(yè)軟件仿真研究方法使得柴油機(jī)運(yùn)行處于理想狀態(tài)，往往忽略了運(yùn)動(dòng)件摩擦、熱傳遞等引起的能量損失，所以本文采用指示功率與指示油耗率量化表示柴油機(jī)動(dòng)力性。圖10為不同噴油壓力對(duì)指示功率和指示油耗率的影響。從圖10中可以看出，噴油壓力的提高使得柴油機(jī)做功能力增強(qiáng)，噴油壓力分別為125 MPa和105 MPa時(shí)相對(duì)于79 MPa時(shí)的指示功率分別提高了約27.2%和14.5%，而指示油耗率分別降低了約14.3%與7.2%。究其原因是由于噴油壓力的提高改善了燃油霧化效果，提高了油氣的混合質(zhì)量，使得缸內(nèi)燃燒充分，做功能力增強(qiáng)。

2.4 噴油壓力對(duì)NOx排放的影響

柴油機(jī)NOx的排放主要成分為NO和NO2，其中以NO為主要排放物，NO的生成條件依賴(lài)于缸內(nèi)燃燒高溫、富氧環(huán)境和高溫持續(xù)時(shí)間。NO2占排出氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常小，在燃燒過(guò)程中NO2主要是由NO氧化生成，并在高溫條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO，所以考慮忽略不計(jì)。從圖11可以看出，隨著噴油壓力的增大，NO排放量也隨之增多，噴油壓力分別為125 MPa和105 MPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的NO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)比噴油壓力為79 MPa時(shí)分別增大了約50%和11%，且NO開(kāi)始生成時(shí)間也提前了。

圖12為缸內(nèi)燃燒平均溫度曲線(xiàn)圖，從圖12可以看出，缸內(nèi)燃燒平均溫度隨著噴油壓力的升高而上升，且溫度高于 1600 K處于高溫段的時(shí)間也得到延長(zhǎng)，噴油壓力分別為125、105、79 MPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的平均溫度超過(guò)1600 K的曲軸持續(xù)轉(zhuǎn)角分別約為57°、39°和31°。圖13為溫度場(chǎng)三維切片圖，從圖13可以看出，在710°(上止點(diǎn)前10°)時(shí)，油束中心由于燃油蒸發(fā)吸熱，使得溫度低于周?chē)h(huán)境溫度；在上止點(diǎn)720°及730°時(shí)，燃油燃燒，使得溫度急劇上升，且燃燒高溫面積隨著噴油壓力的提高而增加，其中噴油壓力為79 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的高溫面積最小。所以噴油壓力提高后，促進(jìn)了油氣混合，缸內(nèi)高溫區(qū)域增大了，且高溫持續(xù)期延長(zhǎng)，滿(mǎn)足了NO的生成條件。從而使得NO排放量增加。

3 結(jié)論

1)通過(guò)AMESim軟件建立了4190型柴油機(jī)電控式燃油噴射系統(tǒng)仿真模型，以噴油壓力為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排系統(tǒng)參數(shù)匹配仿真計(jì)算，得出：參數(shù)組合為噴孔直徑0.22 mm、凸輪型線(xiàn)速度0.46 mm/(°)、柱塞直徑14 mm、高壓油管長(zhǎng)度1000 mm時(shí)，噴油壓力為125 MPa;參數(shù)組合為噴孔直徑0.26 mm、凸輪型線(xiàn)速度0.43 mm/(°)、柱塞直徑14 mm、高壓油管長(zhǎng)度800 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的噴油壓力為105 MPa，滿(mǎn)足電控組合泵設(shè)計(jì)壓力要求。且得出的噴油規(guī)律符合“先緩后急”特性。根據(jù)仿真結(jié)果極差分析，可以得出各因素對(duì)噴油壓力影響程度由強(qiáng)到弱依次為：柱塞直徑、凸輪型線(xiàn)速度、噴孔直徑、高壓油管長(zhǎng)度。

2)噴油壓力提高后，改善了燃油霧化質(zhì)量，縮短了滯燃期，使得缸內(nèi)燃燒平均壓力升高；相對(duì)于原機(jī)的噴油壓力79 MPa，噴油壓力為125 MPa和105 MPa時(shí)，所對(duì)應(yīng)的指示功率分別提高了約27.2%和14.5%，指示油耗率分別降低了約14.3%與7.2%；但NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高了約50%和11%。