周 磊,楊 昆,趙建華,聶 濤

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

1 引言

高壓共軌系統(tǒng)能夠基于對(duì)共軌壓力的閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)供油和噴油過程的相對(duì)獨(dú)立[1-3],已成為柴油機(jī)節(jié)能減排發(fā)展的前沿技術(shù),更柔性可控的噴油規(guī)律則是高壓共軌系統(tǒng)優(yōu)化過程中的發(fā)展方向[4,5]。然而,常規(guī)的共軌系統(tǒng)要求保持油壓不變,噴油規(guī)律呈矩形,無法實(shí)現(xiàn)噴油規(guī)律的靈活改變?；诖?海軍工程大學(xué)設(shè)計(jì)了增壓裝置,并將其加裝在常規(guī)高壓共軌系統(tǒng)的共軌管和噴油器之間,構(gòu)成超高壓共軌系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙電磁閥控制,分別用于控制增壓裝置和噴油器,通過調(diào)整增壓裝置和噴油器電磁閥的相對(duì)控制信號(hào)時(shí)序,能夠?qū)崿F(xiàn)柔性可控的噴油規(guī)律[6]。

眾所周知,想要提升柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和降低排放,就必須要改善燃燒過程,而燃燒過程與共軌噴射系統(tǒng)的噴油特性直接相關(guān)[7,8],國內(nèi)外學(xué)者圍繞共軌系統(tǒng)的噴油特性進(jìn)行了相關(guān)研究,Dong Q等[9]對(duì)不同噴射壓力和噴嘴結(jié)構(gòu)下的高壓氣體噴射過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并且利用紋影成像方法研究了氣體射流的宏觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:提高噴射壓力并不能明顯提高噴嘴的穿透力,同時(shí),孔徑的增大不能直接改善引氣效果,也不能提高燃?xì)馍淞鞯钠骄?dāng)量比;蘇海峰等[10]通過試驗(yàn)研究和仿真分析相結(jié)合的方法,開展了控制參數(shù)對(duì)共軌噴油器噴油特性的影響研究,獲取了噴油速率和噴油持續(xù)期等隨軌壓和噴油脈寬的變化規(guī)律。范立云等[11]以電控單體泵為研究對(duì)象,分析了系統(tǒng)噴射特性隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律,結(jié)果表明:對(duì)噴射壓力、循環(huán)噴油量以及噴油持續(xù)期影響最為明顯的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為凸輪速度、噴油器流量以及柱塞直徑。但上述研究都只針對(duì)常規(guī)高壓共軌系統(tǒng),超高壓共軌系統(tǒng)能夠同時(shí)調(diào)整增壓裝置和噴油器控制參數(shù),增壓脈寬如何影響該系統(tǒng)的噴油特性還未系統(tǒng)解析和探明,故開展超高壓共軌系統(tǒng)增壓特性隨增壓脈寬的影響研究,對(duì)實(shí)現(xiàn)燃油噴射的精確控制以及柴油機(jī)性能的整體提升具有重要意義。

基于此,為探明超高壓共軌系統(tǒng)噴油特性隨增壓脈寬的影響規(guī)律和成因機(jī)理,在介紹系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,建立了超高壓共軌系統(tǒng)的仿真模型,并利用性能試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性,分析了在不同共軌壓力下,增壓脈寬對(duì)超高壓共軌系統(tǒng)噴油特性的影響。

2 超高壓共軌系統(tǒng)模型建立及驗(yàn)證

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 增壓裝置

根據(jù)增壓裝置的工作原理,可將其分為液壓腔和運(yùn)動(dòng)件進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立。

1)液壓腔

增壓裝置的液壓腔主要包括控制室和增壓室,基于流體的可壓縮性方程、伯努利方程以及泄漏方程[12],對(duì)于控制室,其燃油連續(xù)性方程可表示為

(1)

其中:Vcon為控制室容積;Pc為控制室壓力;Q1為基壓室至控制室的油量;Q2為控制室至電磁閥室的油量;Q3為控制室泄油量;Scon為控制室截面積。

同理,對(duì)于增壓室,燃油連續(xù)性方程可表示為

(2)

其中:Vzy是增壓室容積;Pz是增壓壓力;Q4為基壓室到增壓室的油量;Q5是增壓室泄油量;Q6為增壓室到噴油器的油量;Az是增壓活塞小端面積;h為增壓活塞行程。

2)運(yùn)動(dòng)件

增壓裝置的運(yùn)動(dòng)件主要是指增壓活塞,其運(yùn)動(dòng)方程可表示為

(3)

其中:Ar為增壓活塞大端面積;Ac為控制室活塞面積;?為增壓活塞阻力系數(shù);m為增壓活塞質(zhì)量;k為復(fù)位彈簧剛度;y0為復(fù)位彈簧預(yù)壓縮量。

2.1.2 噴油器

噴油器數(shù)學(xué)模型也可分為液壓腔和運(yùn)動(dòng)件二大類,需要建立的方程主要包括控制室、壓力室內(nèi)燃油連續(xù)性方程、針閥運(yùn)動(dòng)方程等,由于其數(shù)學(xué)模型的建立過程與增壓裝置相似,故此處不再詳細(xì)說明。

2.2 仿真模型

基于增壓裝置和噴油器的數(shù)學(xué)模型,建立的超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。模型主要由增壓裝置模型和噴油器模型兩大部分組成。其中,模塊23為高壓源,用于替代高壓油泵和共軌管,為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的共軌壓力;模塊8、9分別為閥芯帶環(huán)槽活塞和閥芯右側(cè)錐頭,這是兩位三通滑閥式電磁閥的重要部件;模塊12、14以及15分別為增壓裝置的基壓室、控制室以及增壓室;模塊28-31構(gòu)成了噴油器針閥組件;模塊34和36則分別為噴油器的控制室和壓力室。

圖1 超高壓共軌系統(tǒng)仿真模型

2.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性,利用超高壓共軌系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)架,進(jìn)行了噴油速率的測(cè)試,試驗(yàn)臺(tái)架原理圖如圖2所示,主要由超高壓共軌系統(tǒng)、電控單元、噴油規(guī)律測(cè)試儀以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成,利用噴油規(guī)律測(cè)試儀可以測(cè)量出噴油速率,通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集噴油速率的測(cè)量結(jié)果。試驗(yàn)工況設(shè)置如下:共軌壓力為100MPa,增壓裝置電磁閥控制信號(hào)范圍為1.6-3ms,噴油器電磁閥控制信號(hào)范圍為1-2ms。仿真工況與試驗(yàn)工況保持一致。

圖2 超高壓共軌系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)架原理圖

噴油速率的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖如圖3所示,由圖可知,噴油速率的試驗(yàn)值和仿真值基本吻合,證明了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖3 噴油速率仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 小噴油脈寬條件下

當(dāng)噴油脈寬為0.8ms(噴油器電磁閥控制信號(hào)范圍為1-1.8ms),控制時(shí)差(增壓裝置電磁閥控制信號(hào)開始時(shí)刻與噴油器電磁閥控制信號(hào)開始時(shí)刻之差,下同)為0.5ms時(shí)(即增壓裝置電磁閥控制信號(hào)開始時(shí)刻為1.5ms),在不同共軌壓力下,增壓脈寬對(duì)噴油速率的影響如圖4所示,由圖可知,隨著增壓脈寬的增加,噴油速率曲線形態(tài)近似于靴形,且保持不變。

圖4 增壓脈寬對(duì)噴油速率的影響

為解釋上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因,以共軌壓力為100MPa為例,作出了不同增壓脈寬下的噴油器壓力室壓力曲線(見圖5),由圖可知,當(dāng)噴油脈寬較小(0.8ms)時(shí),在不同的增壓脈寬下,整個(gè)噴油過程(從開始噴油到噴油結(jié)束)均被包含在壓力室壓力從共軌壓力上升到最大增壓壓力的時(shí)間段內(nèi),由于這段時(shí)間,壓力室壓力的上升曲線趨勢(shì)保持不變,因此,噴油過程僅僅取決于噴油控制參數(shù),即當(dāng)噴油時(shí)刻、噴油脈寬等不變時(shí),噴油速率曲線形態(tài)保持不變,曲線形態(tài)近似于靴形則是在噴油的過程中由于增壓裝置的增壓作用使得噴油壓力升高造成的。

圖5 不同增壓脈寬下的噴油器壓力室壓力(共軌壓力為100MPa)

根據(jù)上述分析,作出了在不同共軌壓力下,增壓脈寬對(duì)噴油特性參數(shù)(噴油壓力、噴油量、噴油開啟延遲、噴油關(guān)閉延遲以及噴油持續(xù)期)的影響如圖6所示,由圖可知,隨著增壓脈寬的增加,噴油特性參數(shù)均保持不變,只是隨著共軌壓力的變化而發(fā)生變化。

圖6 增壓脈寬對(duì)噴油特性參數(shù)的影響

3.2 大噴油脈寬條件下

當(dāng)噴油脈寬為2ms(噴油器電磁閥控制信號(hào)范圍為1-3ms),控制時(shí)差為0.5ms時(shí)(即增壓裝置電磁閥控制信號(hào)開始時(shí)刻為1.5ms),在不同共軌壓力下,增壓脈寬對(duì)噴油速率的影響如圖7所示,由圖可知,隨著增壓脈寬的增大,噴油速率曲線形態(tài)在達(dá)到最大噴油速率前保持不變,而在達(dá)到最大噴油速率之后,噴油速率維持在最大值的時(shí)間延長(zhǎng),且基本保持穩(wěn)定,并出現(xiàn)了類似于“倒靴形”的曲線形態(tài)。

圖7 增壓脈寬對(duì)噴油速率影響

為解釋上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因,以共軌壓力為100MPa為例,作出了不同增壓脈寬下噴油器壓力室壓力曲線(見圖8),由圖可知,當(dāng)噴油脈寬較大(2ms)時(shí),在不同的增壓脈寬下,整個(gè)噴油過程(從開始噴油到噴油結(jié)束)均包含了壓力室壓力從共軌壓力開始上升到恢復(fù)到共軌壓力的階段,由于噴油過程的前期,壓力室壓力的上升曲線趨勢(shì)保持不變,因此,噴油速率曲線形態(tài)保持不變。當(dāng)達(dá)到最大噴油速率之后,由于增壓脈寬的增大,使得壓力室壓力維持在最大值的時(shí)間延長(zhǎng)且基本保持穩(wěn)定,這就造成了噴油速率維持在最大值的時(shí)間延長(zhǎng)且基本保持穩(wěn)定。噴油速率出現(xiàn)了類似于“倒靴形”的曲線形態(tài)則是由于在噴油還沒有結(jié)束時(shí),增壓裝置電磁閥控制信號(hào)的關(guān)閉使得增壓壓力迅速下降,并傳遞到噴油器壓力室中,使得壓力室壓力迅速下降,即噴油壓力迅速下降導(dǎo)致的。由于這種情況的發(fā)生,會(huì)極大的影響缸內(nèi)油氣混合,造成霧化不良和燃燒過程的惡化,因此應(yīng)避免這種情況的發(fā)生,這就要求噴油過程應(yīng)當(dāng)在增壓壓力開始下降前完成。

圖8 不同增壓脈寬下的噴油器壓力室壓力(共軌壓力為100MPa)

4 結(jié)論

1)在小噴油脈寬條件下,隨著增壓脈寬的增加,噴油速率曲線形態(tài)近似于靴形,且保持不變。同時(shí),噴油特性參數(shù)隨增壓脈寬的改變均保持不變,只是隨著共軌壓力的變化而發(fā)生變化。

2)在大噴油脈寬條件下,隨著增壓脈寬的增加,噴油速率可能會(huì)出現(xiàn)類似于“倒靴形”的曲線形態(tài),這是由于在噴油還沒有結(jié)束時(shí),增壓裝置電磁閥控制信號(hào)的關(guān)閉使得增壓壓力迅速下降導(dǎo)致的,為避免這種情況的發(fā)生,噴油過程應(yīng)當(dāng)在增壓壓力開始下降前完成。