曹興達，李勇，高文志，張攀，付振，葉奕翔

（天津大學(xué) 內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072）

隨著化石燃料的短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，世界各國都重視新型汽車燃料的開發(fā)與應(yīng)用。氫氣作為一種可再生的清潔燃料，具有單位質(zhì)量熱值高、點火能量低、著火界限寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁⒘闾寂欧诺忍攸c，被認為是發(fā)動機理想的替代燃料[1]。

根據(jù)氫氣噴射位置，氫氣發(fā)動機分為缸外噴射和缸內(nèi)直噴兩種。相比于缸外噴射氫發(fā)動機，缸內(nèi)直噴避免了氫氣占據(jù)氣缸容積，導(dǎo)致發(fā)動機功率下降的問題。此外，缸內(nèi)直噴可以避免出現(xiàn)回火等現(xiàn)象[2]。目前有很多學(xué)者對缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動機進行了研究。Wang等[3]采用高速紋影成像技術(shù)研究了一種氫氣發(fā)動機噴射器在不同噴射和環(huán)境壓力比下的噴射特性；Yip等[4]模擬缸內(nèi)直噴壓燃發(fā)動機條件下，通過光學(xué)方法在定容室內(nèi)研究了缸內(nèi)直噴條件下氫氣射流的演化和燃燒過程；Li等[5]分析了不同噴射參數(shù)對氫氣直噴發(fā)動機缸內(nèi)氫氣和空氣混合物形成的影響?？v觀以上研究，大都集中在發(fā)動機性能模擬方面，對噴氫系統(tǒng)的研究較少。而對于缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動機來說一個瓶頸的問題就在于氫氣噴射系統(tǒng)。由于氫氣本身的特點（脆化現(xiàn)象和無法潤滑針閥）使得市面上傳統(tǒng)的液體噴射燃料噴油器無法滿足要求，因此開發(fā)設(shè)計新型氫氣噴射系統(tǒng)非常重要[2-5]。

本文以自行設(shè)計的氣體燃料噴射系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用 AMESim建立電控氫氣噴射系統(tǒng)仿真模型，進行氫氣噴射過程的模擬，研究不同彈簧預(yù)緊力、彈簧剛度、液壓管路結(jié)構(gòu)參數(shù)、液壓油絕對粘度和供油壓力等對針閥響應(yīng)的影響，以確定適用于本噴射系統(tǒng)的主要參數(shù)，為電控氫氣噴射系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 電控氫氣噴射系統(tǒng)工作原理

氫氣噴射系統(tǒng)由ECU、電磁閥、高壓油泵、噴氫器等組成，其工作原理如圖1所示。發(fā)動機ECU根據(jù)曲軸傳感器和凸輪軸傳感器所反饋的信號進行處理和計算，發(fā)送控制信號給電磁閥，控制電磁閥的開閉。在噴氫器沒有工作時，電磁閥處于常開狀態(tài)。高壓油泵將液壓油送入穩(wěn)壓管，再由穩(wěn)壓腔分別流入噴氫器的液壓腔內(nèi)和外部的油箱。由于電磁閥處于常開狀態(tài)，噴氫器的液壓腔內(nèi)無法形成高壓液壓油，作用在液壓活塞上的液壓油壓力無法克服復(fù)位彈簧預(yù)緊力而使針閥開啟；只有電磁閥關(guān)閉時，進入油箱的油路關(guān)閉，噴嘴的液壓腔內(nèi)油壓增大，使針閥開啟，開始噴射氫氣；當(dāng)電磁閥再次開啟時，高壓油泄到油箱中，復(fù)位彈簧使針閥關(guān)閉，停止噴氫。

圖1 電控氫氣噴射系統(tǒng)工作原理

2 氫氣噴射系統(tǒng)建模

在液壓式噴氫系統(tǒng)模型中的復(fù)位彈簧、針閥可以等效為質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，在針閥運動過程中，將針閥與彈簧等效為一個質(zhì)點。采用質(zhì)量-彈簧-阻尼的運動方程求解。其運動方程[6]為

式中：m為 液壓活塞質(zhì)量和1/3彈簧質(zhì)量之和；x為軸向位移；c為阻尼；k為 彈簧剛度；F0為預(yù)緊力；F為液壓油提供的液壓力。

進入液壓腔的液壓油一部分通過泄油通道流回低壓油箱，一部分用于填充液壓活塞下行時所空出的容積；同時，隨著液壓壓力的改變液壓油密度變化也會對流量有影響。其連續(xù)性方程[7]為

式中：Qs為 流進液壓腔的液壓油體積流量；Q為通過泄油口體積流量；A為液壓端活塞面積；Ps是液壓油壓力；x為液壓活塞位移；Vs為受控壓力腔容積，包括液壓活塞下行時所空留的容積；Eβ為液壓油的體積彈性模量。

根據(jù)電控氫氣噴射系統(tǒng)的物理模型和工作原理，分別從AMESim的液動庫、機械庫、氣動庫、氣動元件設(shè)計庫中選擇合適的子模型，搭建仿真系統(tǒng)[8-10]。圖2為電控氫氣噴射系統(tǒng)的AMESim模型，主要包括電液驅(qū)動模塊和噴氫器模塊兩部分。

圖2 氫氣噴射系統(tǒng)的AMESim模型

2.1 電液驅(qū)動模塊

由控制信號、電磁閥、高壓油泵、油箱、穩(wěn)壓閥、外部液壓油管道、控制腔構(gòu)成了AMESim模型的電液驅(qū)動模塊，如圖2所示。控制信號控制電磁閥的開閉，在噴氫器沒有工作時，電磁閥處于常開狀態(tài)。高壓油泵中的高壓液壓油從進油管道分別流入噴氫器的液壓腔內(nèi)和外部的低壓油箱。這種情況下，噴氫器的液壓腔內(nèi)無法形成高壓液壓油，作用在液壓活塞上的液壓油壓力無法克服復(fù)位彈簧預(yù)緊力使針閥開啟；當(dāng)電磁閥收到關(guān)閉信號時，電磁閥關(guān)閉，高壓油泵中流出的高壓液壓油無法泄到低壓油箱中，液壓腔內(nèi)的液壓油壓力增大，形成了高壓液壓油。作用在液壓活塞上的液壓油壓力克服復(fù)位彈簧預(yù)緊力使針閥開啟；當(dāng)噴射結(jié)束，電磁閥收到開啟信號，高壓油泵中流出的高壓液壓油又可以泄到低壓油箱中。針閥液壓內(nèi)的液壓油壓力減小，復(fù)位彈簧回壓，針閥關(guān)閉。限壓閥限制高壓油泵流出的液壓油最高壓力，保證液壓系統(tǒng)安全。

2.2 噴氫器模塊

復(fù)位彈簧、液壓腔、針閥閥體、噴氫器內(nèi)部液壓油路、噴氫嘴、控制腔、噴氫器噴孔構(gòu)成了AMESim模型的噴氫器模塊，如圖2所示。噴氫器未工作時，復(fù)位彈簧提供初始預(yù)緊力使針閥壓緊在閥座上，停止噴射氫氣；當(dāng)噴氫器工作結(jié)束，復(fù)位彈簧會將開啟的針閥壓回到閥座上。根據(jù)噴嘴結(jié)構(gòu)，噴嘴選用了錐型閥座的子模型，噴孔數(shù)量設(shè)置為4個，針閥最大升程設(shè)置為1 mm。控制腔模擬了因針閥升起導(dǎo)致的容積變化，保證模擬得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3 噴射系統(tǒng)參數(shù)對針閥響應(yīng)的影響

本次模擬采用單因素分析方法，研究噴射系統(tǒng)中液壓部分和運動件部分的主要參數(shù)對針閥響應(yīng)延時的影響規(guī)律，并確定關(guān)鍵參數(shù)取值。

在不考慮電磁閥造成的響應(yīng)延時條件下，定義描述噴射系統(tǒng)針閥的響應(yīng)速度的兩個時間—針閥開啟響應(yīng)延時和針閥關(guān)閉響應(yīng)延時,如圖3所示。T1是針閥開啟響應(yīng)延時，即從控制信號開啟時刻到針閥最初到達最大位移處的時間；T2是針閥關(guān)閉響應(yīng)延時，即從控制信號停止時刻到針閥完全落座時的時間[11]。選取復(fù)位彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度、高壓油泵供油壓力、外部液壓油管道直徑、液壓油絕對粘度對針閥響應(yīng)時間的影響進行分析[12-13]，參數(shù)的選取如表1所示。

圖3 針閥響應(yīng)延時定義

表1 參數(shù)取值

其中管道a是從高壓油泵到三通的液壓油管道，管道b是從三通到噴氫器液壓油進油口之間的液壓油管道，管道c是從三通到電磁閥之前的液壓油管道，管道d是從電磁閥到油箱的液壓油管道，如圖4所示。

圖4 外部液壓油管道編號

3.1 復(fù)位彈簧預(yù)緊力和剛度的影響

圖5 、圖6為復(fù)位彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度對針閥響應(yīng)速度的影響，由圖可知，隨著復(fù)位彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度的增大，針閥開啟響應(yīng)延時逐漸增大，關(guān)閉響應(yīng)延時逐漸減小。這是因為復(fù)位彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度的增大，都會使針閥在運動過程中所受到的向下的作用力的合力增大。這樣針閥在開啟時，作用在活塞上的液壓力增加到與向下的作用力的合力相等的時刻就越靠后，同時針閥向上運動的加速度減小，速度增加慢，到達最大位移處的時間也就變長；在針閥關(guān)閉時，其向下運動的加速度增大，速度增加快，針閥落座的時間就變短。

圖5 不同彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度針閥的開啟響應(yīng)延時

圖6 不同彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度針閥的關(guān)閉響應(yīng)延時

復(fù)位彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度對針閥響應(yīng)速度的影響趨勢雖然相似，但由于兩者在取值范圍的不同和針閥對兩參數(shù)變化的敏感程度不一樣，為了更清楚地比較復(fù)位彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度對針閥響應(yīng)延時的影響程度，定義了針閥響應(yīng)延時影響因子[14-15]，其計算公式為

式中：St為復(fù)位彈簧預(yù)緊力或彈簧剛度在噴射脈寬為t時對電磁閥響應(yīng)延時的影響因子； ΔTt為在對應(yīng)的噴射脈寬下該參數(shù)因取值變化所產(chǎn)生的響應(yīng)延時變化量；Tt為在對應(yīng)噴射脈寬下該參數(shù)取基準(zhǔn)值時的響應(yīng)延時；Xmax為 該參數(shù)變化時的最大值；Xmin為該參數(shù)變化時的最小值；Xmed為該參數(shù)的基準(zhǔn)值。由于針閥的響應(yīng)延時分為開啟延時和關(guān)閉延時兩部分，因此在比較復(fù)位彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度對針閥響應(yīng)速度的影響程度時，分為開啟延時影響、關(guān)閉延時影響和總延時影響3種情況，如圖7所示。復(fù)位彈簧預(yù)緊力在對針閥開啟延時影響、關(guān)閉延時影響程度上要比彈簧剛度更加明顯，但是在對針閥總響應(yīng)延時的影響程度上彈簧剛度要比復(fù)位彈簧預(yù)緊力更加明顯。

圖7 復(fù)位彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度響應(yīng)延時影響因子

3.2 高壓油泵供油壓力的影響

高壓油泵供油壓力從7 MPa增大到10 MPa，其余參數(shù)選取上述基準(zhǔn)值，得到針閥響應(yīng)延時變化如圖8所示?？砂l(fā)現(xiàn)隨著供油壓力的增大，針閥開啟響應(yīng)延時的逐漸減小，關(guān)閉延時逐漸增大。且開啟響應(yīng)延時的減小程度逐漸變緩，關(guān)閉響應(yīng)延時的增大程度沒有明顯變化。

圖8 不同供油壓力下針閥響應(yīng)延時

如圖9所示，在1 ms時，電磁閥關(guān)閉，針閥開啟并向最大升程移動。不同供油壓力下的針閥液壓腔內(nèi)液壓曲線都出現(xiàn)了一個壓力峰值。這是由于電磁閥關(guān)閉后，管道中的液壓油流動速度和方向發(fā)生急劇變化。由于液流慣性，液壓油迅速流向針閥液壓腔。導(dǎo)致液壓腔內(nèi)的液壓力突然升高[16-17]；之后液壓腔內(nèi)的液壓壓力減小，這是因為當(dāng)針閥開啟，液壓腔活塞移動，液壓腔容積變大，導(dǎo)致液壓壓力降低。如圖10所示，當(dāng)針閥升程減小，即液壓腔容積變化程度減小，液壓壓力減小程度也在減小。在圖9中，針閥液壓腔內(nèi)液壓壓力減小導(dǎo)致針閥速度減小，這使得針閥上升到最大升程時間變長，針閥開啟響應(yīng)延時增大。最后液壓壓力增加到最大，是因為針閥達到最大升程，系統(tǒng)內(nèi)液壓油不再流動，針閥液壓腔內(nèi)壓力穩(wěn)定，等于高壓油泵供油壓力。

圖9 不同油壓下針閥開啟過程液壓力變化和針閥運動速度

圖10 不同針閥下針閥開啟過程液壓缸內(nèi)液壓力變化

3.3 外部液壓管道和液壓介質(zhì)的影響

由于噴射系統(tǒng)中管道的相對粗糙度對針閥響應(yīng)速度的影響不明顯，因此主要考慮外部液壓管道的直徑和液壓油絕對粘度對針閥響應(yīng)快慢可能造成的影響，其余參數(shù)選取上述基準(zhǔn)值。

3.3.1 外部液壓管道直徑的影響

對上述4個管a、b、c、d的直徑進行了調(diào)整測試，規(guī)定在1 ms時ECU發(fā)出針閥開啟控制信號，在4 ms時ECU發(fā)出針閥關(guān)閉信號。如圖11a）所示，管a直徑從3 mm增大到5 mm，針閥開啟響應(yīng)延時減小，關(guān)閉響應(yīng)延時增大。這是因為在管長不變的情況下，管道a直徑的變化造成系統(tǒng)壓力損失的變化。當(dāng)管道a直徑減小時，系統(tǒng)壓力損失增大，導(dǎo)致針閥液壓腔內(nèi)液壓壓力建立慢，針閥開啟響應(yīng)延時增大；當(dāng)管道a直徑增大時，系統(tǒng)壓力損失減小，針閥液壓腔響應(yīng)延時減小，針閥開啟響應(yīng)延時減小。當(dāng)管a直徑選6 mm時，從圖11a）中可以看出針閥在規(guī)定的開啟時刻之前已經(jīng)開啟，并在規(guī)定的關(guān)閉時刻后出現(xiàn)針閥無法關(guān)閉的現(xiàn)象。原因如圖11b）中所示，管a作為進油管道，當(dāng)其直徑過大時，在規(guī)定的針閥開啟時刻前，針閥液壓腔內(nèi)液壓壓力就已經(jīng)達到克服針閥預(yù)緊力的水平，導(dǎo)致針閥提前開啟；在規(guī)定的關(guān)閉時刻后，由于泄油管道直徑不變，在增大進油管道直徑的情況下，液壓腔內(nèi)液壓油泄油速度變慢。導(dǎo)致針閥液壓腔內(nèi)液壓油沒有完全泄掉，液壓壓力還維持在一個較大的值，使得復(fù)位彈簧無法將針閥壓回到閥座上，針閥最終沒有關(guān)閉。當(dāng)管a直徑選2 mm時，從圖11a）中可以看出針閥在出現(xiàn)了開啟過程明顯變慢。原因如圖11b）中所示，管a作為進油管道，當(dāng)其直徑過小時，在規(guī)定的針閥開啟時刻后，針閥液壓腔內(nèi)液壓壓力建立高壓過程變慢，導(dǎo)致針閥開啟過程緩慢。其他三條管道參數(shù)變化對針閥響應(yīng)延時影響不大，在這里不做說明。

圖11 不同管a直徑下針閥位移和液壓腔內(nèi)液壓力變化

3.3.2 液壓油黏度對針閥響應(yīng)速度的影響規(guī)律

因為黏度是選擇液壓介質(zhì)的首要因素，在相同的工作壓力下，黏度過高，在管道內(nèi)流動阻力增加，因此，有必要開展液壓油黏度對針閥響應(yīng)影響的研究。在AMESim中，液壓油的黏度大小由絕對黏度μ來 表征（μ =ρν，ν是液壓油運動黏度）[10]。只改變液壓油絕對黏度，其他參數(shù)選取上述基準(zhǔn)值的情況下，得到針閥開啟和關(guān)閉延時的變化，如圖12所示。絕對黏度增大會使針閥開啟和關(guān)閉的響應(yīng)延時都變長，且針閥關(guān)閉響應(yīng)延時增加程度比開啟響應(yīng)延時的增加程度更大。原因是針閥開啟過程中液壓油流經(jīng)的管道長度比針閥關(guān)閉過程中液壓油流過的管路長度少了泄油管路的部分，所以液壓油黏度增大，其流動性變差對泄油過程影響更明顯。

圖12 不同液壓油絕對黏度下針閥響應(yīng)延時變化

4 結(jié)論

本文建立了缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動機的噴射系統(tǒng)AMESim仿真模型，對噴射過程進行了模擬。研究了復(fù)位彈簧預(yù)緊力、彈簧剛度、供油壓力、液壓管道直徑、液壓油絕對粘度對噴氣系統(tǒng)針閥響應(yīng)延時的影響規(guī)律。通過對模擬結(jié)果的分析比較可以看出，復(fù)位彈簧預(yù)緊力在對針閥開啟延時影響、關(guān)閉延時影響程度上要比彈簧剛度更加明顯，但是在對針閥總響應(yīng)延時的影響程度上彈簧剛度要比復(fù)位彈簧預(yù)緊力更加明顯；隨供油壓力的增大，會使針閥開啟響應(yīng)延時逐漸減小。但受針閥最大升程和外部液壓管道的限制，其減小程度會逐漸變緩；外部液壓管道a直徑太大會使針閥提前開啟和無法正常關(guān)閉，直徑太小會增加系統(tǒng)液壓損失，導(dǎo)致針閥開啟延時過大，針閥運動不理想；液壓油絕對粘度增大會使針閥響應(yīng)速度變慢，且液壓油絕對粘度變化對泄油過程影響更加明顯。最終決定選取復(fù)位彈簧預(yù)緊力210 N、彈簧剛度190 N/mm、供油壓力10 MPa、液壓管道a直徑4 mm、液壓油絕對粘度51 cp作為缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動機匹配的氫氣噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。