二甲醚發(fā)動機低壓共軌系統(tǒng)軌壓特性研究

張光德，李 夢，謝 露，孫 敬

（武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北武漢，430081）

二甲醚發(fā)動機低壓共軌系統(tǒng)軌壓特性研究

張光德，李 夢，謝 露，孫 敬

（武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北武漢，430081）

以二甲醚發(fā)動機燃油系統(tǒng)為研究對象，建立發(fā)動機低壓共軌系統(tǒng)的仿真模型，分析影響共軌管壓力建立時間和壓力波動的主要因素，并探討了共軌管內(nèi)的燃油壓力特性。結(jié)果表明，共軌管的容積、內(nèi)徑、長度、長徑比、油泵供油壓力對共軌壓力特性的影響較大，合理地選擇共軌管尺寸和供油壓力，既能維持共軌壓力的穩(wěn)定，也能保持較短的壓力響應(yīng)時間。

二甲醚；發(fā)動機；軌壓特性；仿真

二甲醚十六烷值較高，自燃溫度低，滯燃期比柴油短，很適合作為柴油機的替代燃料。二甲醚含氧量高，能有效抑制碳煙生成，實現(xiàn)零碳煙排放，等質(zhì)量二甲醚的汽化潛能為柴油的1.64倍，可大幅度減低柴油機的最高燃燒溫度，減少NOX的排放；二甲醚低熱值為柴油的64.7%，為獲得良好的動力性，必須將每個循環(huán)供油量增至柴油的1.9倍（體積）。二甲醚理論混合氣熱值與柴油基本相當(dāng)，二甲醚發(fā)動機的升功率可達(dá)到柴油機的同等水平。

二甲醚可壓縮性較高，若直接用于常規(guī)的泵－管－嘴形式的燃油供給系統(tǒng)，致使其泵端和嘴端壓力上升及下降都比柴油慢，壓力上升始點延遲，實際噴油始點滯后，噴油后油管中有較大的殘余壓力，引起二甲醚的二次噴射，造成熱效率的急劇下降和排放的增加［1］。因此常規(guī)的泵－管－嘴形式的噴射系統(tǒng)不適合作為二甲醚的供油系統(tǒng)。基于二甲醚沸點低、飽和蒸汽壓高、黏度低等特點，結(jié)合內(nèi)燃機均值燃燒（HCCI）理論，本研究設(shè)計了低壓電控燃油噴射系統(tǒng)，構(gòu)建二甲醚可控預(yù)混合燃燒（CPC）系統(tǒng)［2］。此系統(tǒng)主要由主燃燒室和預(yù)混合室組成，噴油器在壓縮行程初期將二甲醚噴入預(yù)混合室，由于二甲醚具有良好的揮發(fā)性，因此可以將噴油器的噴射壓力控制在10 MPa左右。為此，本文以二甲醚發(fā)動機燃油系統(tǒng)為研究對象，建立二甲醚低壓共軌系統(tǒng)的仿真模型，并分析共軌管結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變和供油壓力等因素對軌壓特性的影響，以期為低壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 二甲醚低壓共軌供油系統(tǒng)

1.1 工作原理

為解決二甲醚低黏度導(dǎo)致的磨損問題，用隔膜泵取代傳統(tǒng)噴油泵，使用磨損自補償噴油器代替?zhèn)鹘y(tǒng)噴油器，所構(gòu)建低壓共軌燃油系統(tǒng)如圖1所示。二甲醚發(fā)動機低壓共軌系統(tǒng)主要由儲液罐、隔膜泵、共軌管、磨損自補償噴油器和電控單元（ECU）等部件組成。氮氣瓶給儲液罐內(nèi)的二甲醚加壓2 MPa使其保持液體，低壓油從儲液罐進(jìn)入隔膜泵，加壓后經(jīng)油管進(jìn)入共軌管，再經(jīng)油管分配到噴油器入口處。ECU綜合分析各種傳感器信號，發(fā)出指令控制噴油器電磁閥的開啟時刻和持續(xù)時間，控制噴油器的噴油時刻和噴油脈寬，并控制噴油泵壓力調(diào)節(jié)閥的信號輸入，使噴油泵輸出燃油保持合理的壓力。壓力傳感器能實時監(jiān)測共軌管內(nèi)的壓力，并將壓力信號反饋到ECU。限壓閥是共軌管的安全閥，當(dāng)共軌壓力過大時，開啟限壓閥進(jìn)行泄壓。

圖1 低壓共軌燃油系統(tǒng)簡圖Fig.1 Low－pressure common－rail fuel system

1.2 數(shù)學(xué)描述

低壓共軌系統(tǒng)模型由容器類模型、運動件模型、管類模型、電磁類模型和流體特性子模型等組成。對于系統(tǒng)中的管道模型，燃油在油管內(nèi)的流動主要考慮連續(xù)方程（質(zhì)量守恒）、動量方程（動量守恒）和物態(tài)方程［3－4］。

1.2.1 連續(xù)方程（質(zhì)量守恒）

連續(xù)方程建立在質(zhì)量守恒的基礎(chǔ)上，時間和位置的偏微分方程為

式中：ρ為燃油密度，kg／m3；U為燃油流速，m／s；A為流通面積，m2；x為位置，m；t為時間，s。

1.2.2 動量方程（動量守恒）

動量方程是在動量守恒的基礎(chǔ)上建立的。對黏性阻力的圓管內(nèi)燃油層流流動，若取一黏阻系數(shù)K，則可得到如下方程：

式中：P為壓力，Pa；K為黏阻系數(shù)，它與流動狀態(tài)有關(guān)，其大小與流動的雷諾數(shù)有關(guān)。

1.2.3 物態(tài)方程（燃油壓縮性方程）

物態(tài)方程為

式中：a為音速，m／s。音速的值取變量，它是壓力的函數(shù)，用經(jīng)驗公式來表示。

2 低壓共軌系統(tǒng)仿真模型

通過綜合比較各種流動仿真軟件，選用IMAGINE公司開發(fā)的AMESim軟件實現(xiàn)供油系統(tǒng)的建模和仿真。AMESim軟件具有友好的人機交互界面，包含豐富的元件庫，參數(shù)設(shè)置方便，可極大地減少對系統(tǒng)設(shè)計分析的工作量，能較好地進(jìn)行建模和仿真分析［5］。低壓共軌系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2 低壓共軌系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of low－pressure common－rail system

2.1 隔膜泵模型

本文主要研究影響共軌壓力特性的因素，對隔膜泵模型作相應(yīng)簡化。將隔膜泵簡化為單向變量泵，驅(qū)動機構(gòu)簡化為調(diào)速電機，輸出壓力的大小由溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 管道模型

建立合理的共軌管模型，能確保計算結(jié)果及結(jié)論如實反映實際情況。在研究低壓共軌系統(tǒng)中，采用“短管＋T型接頭”的建模方式，既保持共軌管容積的連續(xù)性，又能體現(xiàn)共軌管的進(jìn)油、出油狀況，其中T型接頭本身容積為0，只起連接作用，從而保證壓力在共軌管內(nèi)傳播的連續(xù)性，較為準(zhǔn)確地模擬共軌管的工作狀況。管道模型的選擇范圍是根據(jù)其所連接的兩個液壓模塊的變化而改變。考慮到共軌管的結(jié)構(gòu)特征，將其定義為集中參數(shù)模型（Lumped parameter）。影響管道模型選擇的量包括長度直徑比（L／D）、耗散數(shù)（Dn）、管道內(nèi)波沿管道傳輸?shù)臅r間（Twave），參照管道模型選擇過程，為各種尺寸的共軌管選擇合適的管道模型［6］。

2.3 磨損自補償噴油器模型

為解決噴油器的泄漏與磨損問題，我們設(shè)計一種新型二甲醚噴油器［7］，精簡了傳統(tǒng)噴油器的精密偶件和回油管道，閥芯的閥桿與閥體接觸面磨損不會產(chǎn)生燃油泄漏，閥芯錐面的磨損通過閥芯彈簧的預(yù)緊力進(jìn)行補償，確保密封錐面可靠密封。建模時，將彈簧腔及油孔簡化為油管模型；閥芯在工作時經(jīng)受彈簧腔、壓力腔及噴射腔的油壓，可將其簡化為活塞、質(zhì)量塊和錐閥模型；將噴射腔和壓力油腔簡化為可變?nèi)莘e。通過實驗表明，該噴油器各項工作性能正常，符合低壓共軌系統(tǒng)的工作要求。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 共軌管容積

共軌管容積設(shè)定以發(fā)動機燃油的需求量為基礎(chǔ)，同時考慮油泵的供油流量。圖3為共軌管長徑比為25，共軌管內(nèi)徑為10、12、14 mm，對應(yīng)的容積分別為20、34、54 m L時管內(nèi)壓力隨時間的變化曲線。共軌管的壓力建立時間隨容積的增加而延長，壓力波動幅度隨容積的增大而減小。共軌管容積能有效地減小噴油泵供油和噴油器噴油造成的壓力波動，但過大的容積會降低共軌管的壓力響應(yīng)速度。

圖3 不同容積的壓力特性隨時間的變化曲線Fig.3 Pressure characteristic curves of different volumes

3.2 長度

圖4為共軌管內(nèi)徑保持為10 mm、長度分別設(shè)定為200、300、400 mm時仿真得到的壓力特性曲線。共軌管長度越大，容積就越大，軌壓建立時間延長，壓力波動幅度逐漸變小。另外，共軌管的長度設(shè)定，需考慮與發(fā)動機結(jié)構(gòu)的匹配，長度應(yīng)介于最小安裝間隔和發(fā)動機最大長度之間。

3.3 內(nèi)徑

圖5為共軌管長度為200 mm、內(nèi)徑分別為8、10、14、20 mm時的共軌管壓力特性曲線。隨著共軌管內(nèi)徑的增大，容積相應(yīng)增加，軌壓建立時間延長，噴油時共軌壓力波動幅度有減小的趨勢。

圖4 不同長度的壓力特性隨時間的變化曲線Fig.4 Pressure characteristic curves of different lengths

圖5 不同內(nèi)徑的壓力特性隨時間的變化曲線Fig.5 Pressure characteristic curves of different diameters

3.4 共軌管形狀

圖6為共軌管容積保持為19.6 m L時，在不同長徑比的情況下仿真得到的壓力建立時間和軌壓波動的變化曲線。由圖6可看出，在長徑比分別為6.1、14.5、25、48.8時，直徑越大，長度越小，壓力波動幅度越小，壓力建立時間基本相當(dāng)，表明共軌管的形狀對其壓力特性有較大影響，細(xì)長的共軌管比短粗的共軌管的壓力波動大，而軌壓建立時間受長徑比的影響較小。

圖6 不同長徑比的壓力特性隨時間的變化曲線Fig.6 Pressure characteristic curves of different L／D

3.5 供油壓力

圖7為當(dāng)共軌管尺寸不變、油泵供油壓力為8、10、14、20 MPa時的共軌管壓力特性曲線。由圖7可看出，供油壓力越高，軌壓建立時間越長；噴油器噴油階段，供油壓力越大，軌壓波動幅值也越大；噴油結(jié)束后，供油壓力越小，軌壓的穩(wěn)定程度越高。

圖7 不同供油壓力下的軌壓隨時間的變化曲線Fig.7 Pressure characteristic curves under various supply pressures

3.6 柴油與二甲醚的軌壓特性對比

圖8為共軌管內(nèi)徑為10 mm、長度為250 mm、油泵供油壓力為10 MPa時，柴油和二甲醚共軌管壓力特性曲線。由圖8可看出，由于二甲醚可壓縮性較柴油大，二甲醚的壓力建立時間比柴油壓力建立時間長；噴油器剛開始噴油時，二甲醚壓力有很大幅度的波動，但整個工作循環(huán)內(nèi)的平均壓力波動幅度比柴油小。

圖8 柴油與二甲醚壓力特性隨時間的變化曲線Fig.8 Pressure characteristic curves of diesel and DME

4 仿真與實驗結(jié)果對比

經(jīng)過綜合比較，當(dāng)共軌管直徑為10 mm、長度為300 mm、容積為23.6 m L時，共軌管壓力建立時間和壓力波動狀況比較合理。為驗證低壓共軌系統(tǒng)的共軌壓力特性，在二甲醚燃油系統(tǒng)試驗臺上進(jìn)行實驗。圖9為噴射壓力為5.5 MPa、共軌管溢流壓力為8.5 MPa時低壓共軌系統(tǒng)噴油器入口處的壓力特性曲線。由圖9可看出，仿真分析和實驗結(jié)果基本接近，驗證了仿真模型的合理性，仿真分析的結(jié)果可為低壓共軌系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

圖9 仿真與實驗壓力特性對比Fig.9 Pressure characteristic curves of simulation and experiment

5 結(jié)論

（1）仿真結(jié)果表明，共軌管的結(jié)構(gòu)對共軌壓力建立時間、壓力波動特性有較大影響，合理地選擇共軌結(jié)構(gòu)參數(shù)，可保證供油系統(tǒng)良好的壓力特性。

（2）實驗結(jié)果驗證了仿真結(jié)果的合理性，所建的模型能模擬二甲醚低壓共軌系統(tǒng)的工作過程。運用AMESim進(jìn)行仿真計算，節(jié)省了實驗的時間和成本，能為實際供油系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

（3）建模過程中對部分模型進(jìn)行了一定的簡化，后期研究中將建立更完善的模型，并制定相應(yīng)的壓力控制策略。

［1］ 張煜盛，田威，鄭瑞.二甲醚發(fā)動機燃油噴射過程的數(shù)值模擬及其試驗研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，33（12）：27－30.

［2］ 張光德，夏新祥.二甲醚發(fā)動機電控低壓燃料噴射系統(tǒng)的設(shè)計［J］.內(nèi)燃機，2004（5）：5－8.

［3］ 虞金霞.柴油機高壓共軌噴油系統(tǒng)仿真與研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2002.

［4］ 張光德，吳旭峰，王衛(wèi)華，等.二甲醚發(fā)動機燃料噴射過程的試驗與仿真［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，31（1）：15－17

［5］ 付永領(lǐng).AMESim系統(tǒng)建模和仿真［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：2－17.

［6］ 張鳴遠(yuǎn).流體力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2010：135－175.

［7］ J Min，Y Qiliang，W Weihua，et al.Simulation study on injection characteristics of a new type of DME injector［C］／／2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering，2011：5 322－5 325.

Fuel pressure characteristics of low－pressure common－rail system of the dimethyl ether engine

Zhang Guangde，Li Meng，Xie Lu，Sun Jing
（College of Automobile and Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

The fuel system of the dimethyl ether（DME）engine was studied，and the simulation model of low－pressure common－rail system of the DME engine was established.Main factors that influence the set－up time of the pressure and the pressure waves of common rail were analyzed，and the fluid pressure characteristics in the common－rail were discussed.The result shows that the volume，inner diameter，length，L／D of common－rail and supply pressure have significant influence on common－rail pressure characteristics.In order to keep a steady pressure of common－rail and a short pressure response time，suitable common－rail size and supply pressure should be selected.

DME；engine；common－rail pressure characteristics；simulation

TK46

A

1674－3644（2012）03－0211－05

［責(zé)任編輯 徐前進(jìn)］

2011－11－29

國家自然科學(xué)基金資助項目（50975212）；武漢科技大學(xué)校青年基金資助項目（2009xz30）.

張光德（1964－），男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E－mail：gd－zhang＠wust.edu.cn