(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,南京210037)
共軌管壓力波動對噴油率影響的仿真研究
代蒙蒙,張永輝
(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,南京210037)
利用仿真軟件GT-Suit構(gòu)建了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的仿真模型,分析了不同長徑比下的共軌管內(nèi)的壓力波動規(guī)律、平均壓力波動規(guī)律、噴油壓力波動規(guī)律,進而分析了對噴油率的影響。通過仿真數(shù)據(jù)對比,在共軌管長為310 mm、長徑比為16時,可使噴油系統(tǒng)的穩(wěn)定性最優(yōu)。
高壓共軌 GT-suit壓力波動 仿真分析
高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)是提高現(xiàn)代柴油機經(jīng)濟性、改善排放的重要手段之一。高壓共軌噴射系統(tǒng)參數(shù)對燃燒和排放性能有著重要的影響[1,2]。高壓共軌系統(tǒng)主要由電控單元、高壓油泵、蓄壓器(共軌管)、電控噴油器以及各種傳感器組成。高壓泵和噴油器相互獨立控制,高壓泵控制共軌管中的油壓,噴油量和噴射規(guī)律由通電脈寬和通電時刻來控制。根據(jù)車用發(fā)動機不同工況的要求,可實現(xiàn)對噴油規(guī)律的最佳控制,以滿足不斷強化的節(jié)能與排放法規(guī)要求[3]。高壓共軌噴射系統(tǒng)已成為車用柴油機的發(fā)展趨勢。
燃油系統(tǒng)中的共軌管利用蓄壓器效應(yīng)抑制來自高壓油泵和噴油器中的壓力波動[4]。共軌管內(nèi)壓力的波動主要由2個因素引起,一是來自于高壓泵的高壓油的流入,二是高壓油向噴油器的流出。共軌管內(nèi)壓力的波動將引起發(fā)動機不同工況下的噴油特征和噴油流率變化。Ramamurthi和Patnaik[5]研究了周期性的壓力擾動對燃油噴射的影響。Yuan和Schnerr[6]進行了噴射壓力波動對噴孔內(nèi)氣穴形成過程影響的數(shù)值分析。汪翔和蘇萬華[7]通過數(shù)值研究分析了高壓燃油壓力波動對噴孔內(nèi)氣液兩相流的影響。已有明確的試驗證據(jù)表明,現(xiàn)實中柴油機噴射系統(tǒng)中在接近噴嘴入口處,壓力呈現(xiàn)高頻振動特征[8]。共軌管的設(shè)計參數(shù)對高壓燃油的噴射有著重要影響[9]。確定合適的共軌管結(jié)構(gòu),降低共軌壓力波動
以實現(xiàn)燃油的精確控制與噴射至關(guān)重要[10]。
來稿日期:2013-09-20 基金項目:江蘇省大學(xué)生實踐創(chuàng)新項目(164106861)作者簡介:代蒙蒙(1989-),男,本科,主要研究方向為汽車應(yīng)用技術(shù)。
流體分析軟件(CFD)已成為高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)分析及開發(fā)的重要工具。比如,利用AVL公司的HYDSIM軟件建立高壓共軌噴射系統(tǒng)模型[11],基于GT-Suite建立柴油機燃油共軌系統(tǒng)模型,研究不同噴油器數(shù)量對壓力波動的影響[10]。利用AVL-FIRE軟件建立TBD234柴油機高壓共軌燃燒過程仿真計算模型,分析噴射系統(tǒng)主要參數(shù)對高壓共軌柴油機燃燒和排放性能的影響[1]。對不同尺寸噴嘴進行CFD流場計算,研究高壓共軌壓力波動對噴嘴內(nèi)部流場及噴油規(guī)律的影響[12];利用AMESim建立高壓共軌系統(tǒng)的模型,分析共軌管參數(shù)對高壓共軌系統(tǒng)的壓力建立和壓力波動的影響[13]?,F(xiàn)有研究成果,對共軌管系統(tǒng)建模提供了研究基礎(chǔ),對共軌管內(nèi)壓力波動規(guī)律及對噴油流率的影響研究不夠深入。
2.1 基于GT-SUITE的共軌系統(tǒng)建模
GT-Suiter7.0主要包括GT-Power、GT-Suite-MP、GT-Suite、GT-Suite-RT、GT-Power-lab等主要模塊,可完成發(fā)動機的功率、扭矩等性能仿真和噪聲、尾氣后處理系統(tǒng)計算,以及整車熱管理系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、曲柄機構(gòu)、配氣機構(gòu)、車輛動力學(xué)、供油系統(tǒng)的仿真、空調(diào)/制冷系統(tǒng)仿真和硬件在環(huán)仿真等功能。利用此軟件,結(jié)合長城某款電控高壓共軌柴油機,建立模型見圖1。四缸柴油機高壓共軌系統(tǒng),在resevoir中設(shè)置初始環(huán)境:壓力是一個大氣壓,溫度是300 K,以及柴油成分,然后燃油經(jīng)過高壓油泵加壓(加壓到150 MPa),通過壓力調(diào)節(jié)器和damper后進入共軌管,最后燃油通過噴油器進入各氣缸。共軌管內(nèi)的目標(biāo)壓力設(shè)置為140 MPa,額定流量Q=750 mL/r,噴油孔直徑D=0. 3568 mm,共軌管總長L=310 mm。
2.2 模型驗證
根據(jù)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的原理,發(fā)動機轉(zhuǎn)速對共軌管內(nèi)壓力沒有影響。以下分別研究了發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min、3 500 r/min和4 000 r/min時的共軌管中平均壓力的變化,其中共軌管直徑選取的是10 mm,如圖2所示。
圖2 共軌管壓力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系
圖1 高壓共軌燃油系統(tǒng)模型
根據(jù)仿真結(jié)果,隨著轉(zhuǎn)速的升高,共軌管中燃油壓力雖有所升高,最大增加49 MPa,但因轉(zhuǎn)速升高引起的共軌管壓力升高率僅為3.5%,可以認為所建高壓共軌模型是合理可靠的?;谶@個結(jié)論,以下對共軌管容積改變所做的研究,均以發(fā)動機轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的條件下進行。
2.3 分析參數(shù)的設(shè)定
設(shè)定共軌管的長徑比為結(jié)構(gòu)參數(shù),以平均壓力波動和瞬態(tài)壓力波動率為共軌管內(nèi)壓力波動的評價參數(shù),分析共軌管內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動及結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓力波動的抑制水平的情況。
(1)共軌管長徑比
式中,
α——共軌管的長徑比;
L——共軌管的管長;
D——共軌管的內(nèi)徑。
(2)平均壓力波動量
式中,
β——平均壓力波動量;
Pmax——共軌內(nèi)最大的壓力波動量;
Pmin——共軌內(nèi)最小的壓力波動量。
平均壓力波動可以反映在極值條件下共軌壓力的波動情況。平均壓力波動值越小說明平均的壓力波動程度越低,越接近輸入的額定壓力。
本仿真實驗是通過改變共軌管直徑來改變共軌管容積,以下分別研究了管徑為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm和30 mm的情形。
3.1 共軌容積的變化所引起的壓力波動
發(fā)動機處于工作狀態(tài)時,噴油器不斷向氣缸內(nèi)噴油,共軌內(nèi)就會產(chǎn)生壓力波動,而共軌內(nèi)的壓力大小又反過來會影響噴入氣缸內(nèi)的燃油量。以質(zhì)量流率(mass flow rate)表示噴入氣缸內(nèi)燃油量,單位為kg/s。圖3為共軌管直徑分別為5 mm至30 mm時軌壓的波動情況。從中可以看出隨著共軌容積的增大,壓力振幅減小,管內(nèi)壓力愈趨于平緩,波動愈小。當(dāng)直徑達到20 mm時,隨著直徑的增大,壓力變化將不再明顯。
根據(jù)圖3中曲線的數(shù)值,計算出不同長徑比下軌壓平均波動量,見圖4??梢钥闯?,共軌管直徑選取20 mm是相比于其他直徑較理想的選擇。此時的共軌管容積不僅能消減共軌管供油而引起的壓力波動,而且又使共軌管容積不至于太大,從而保證了燃油能快速地跟蹤柴油機工況的變化。
3.2 平均軌壓與最高軌壓變化分析
電控燃油系統(tǒng)共軌管內(nèi)壓力大小是由壓力調(diào)節(jié)閥直接控制,有效提高共軌管內(nèi)壓力對改善噴油霧化和燃燒有重要意義。共軌管的容積大小決定了其蓄油能力的大小,對油壓將產(chǎn)生一定影響。由于高壓共軌系統(tǒng)中燃油壓力是不斷變化的,用平均壓力與最高壓力定性地描述不同共軌管容積下的燃油壓力。
圖3 不同直徑下共軌管內(nèi)的壓力波動圖
圖4 長徑比與軌壓平均波動量的關(guān)系
圖5 不同管徑下平均軌壓
圖5展示了管徑分別為10 mm、20 mm和30
mm時,共軌管和連接噴油器高壓管路的平均壓力。用同樣方法,可以得到其他直徑下的平均軌壓,見圖6。從圖中可以看出,隨著共軌管直徑的增大,平均軌壓在不斷地增大。在直徑大于20 mm后,平均軌壓趨于穩(wěn)定。
由于共軌管容積參數(shù)的變化,引起噴油器入口端壓力的變化,噴油器附近最高壓力如圖7所示。從圖中可以看出,雖然通過高壓油管(從共軌管連接噴油器的高壓管)的入口最高壓力不同(隨著共軌管直徑的增大而減?。邏河凸艿某隹谧罡邏毫s隨著共軌管直徑的增大而增大。這個壓力可以看作噴油器的噴油壓力,將影響到噴油特征和噴油器的質(zhì)量流率。
共軌管容積的變化引起共軌系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動,而壓力波動對噴油器的噴油過程是有一定影響的。通過研究共軌容積變化對噴油器質(zhì)量流率的影響,找到二者之間的關(guān)系,對精確控制燃油噴射有重要意義。
圖6 平均軌壓與管徑的關(guān)系
圖7 噴油器入口端的最高燃油壓力
圖8 不同共軌管直徑下的質(zhì)量流率與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系
圖8為不同共軌直徑下,一缸噴油器的質(zhì)量流
率與曲軸轉(zhuǎn)角的對應(yīng)曲線圖。通過對仿真數(shù)據(jù)的處理,可以得到管徑分別為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm和30 mm時,一缸噴油器的質(zhì)量流率,見圖9。隨著共軌容積的增大,噴油器的質(zhì)量流率增大,隨后增長速率越來越??;管徑為20 mm下噴油器的質(zhì)量流率增加趨勢逐漸趨緩。由此可以得出隨著共軌容積的增大,噴油器的質(zhì)量流率增大,隨后增長速率越來越小,趨于平穩(wěn)。
圖9 質(zhì)量流率與共軌管直徑關(guān)系
利用GT-suit軟件構(gòu)建了高壓共軌噴油系統(tǒng)的仿真模型。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高,共軌管中燃油壓力有所升高,但升高不大,可以粗略認為轉(zhuǎn)速對共軌管壓力無影響。由此可以大幅度減少柴油機供油壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化,同時減少柴油機的缺陷。
通過仿真數(shù)據(jù)的處理分析,共軌管內(nèi)平均壓力波動量隨著長徑比的減少逐漸趨于平緩。根據(jù)此共軌模型的仿真結(jié)果,長徑比為16是比較合適的選擇。隨著共軌容積的增大,共軌系統(tǒng)內(nèi)的平均壓力在不斷增大,噴油器的最高壓力也在不斷增大。共軌管長徑比與噴油器的質(zhì)量流率存在對應(yīng)關(guān)系。仿真數(shù)據(jù)表明,隨長徑比的減少,質(zhì)量流率趨于平穩(wěn)。
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Simulation Investigation on Effect of Pressure Fluctuation in High Pressure Common Rail on Injection Rate
Dai Mengmeng,Zhang Yonghui
(College of Automobile and Traffic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)
High pr essure common rail fuel injection system was established by using simulation software GT-suit.The pressure fluctuation and mean pressure fluctuation in a high pressure common rail system as well as injection pressure fluctuation were analyzed under different length-diameter ratios.The impact of these fluctuations on the fuel injection rate was further analyzed.It resulted from comparing the simulation data that fuel injection system stability was optimal when the common rail pipe length is 310 mm and length-diameter radio is 16.
high pressure common rail,GT-suit,pressure fluctuations,simulation analysis
10.3969/j.issn.1671-0614.2013.04.002