缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)液壓式氫氣噴射系統(tǒng)仿真

曹興達(dá)，李勇，高文志，張攀，付振，葉奕翔

（天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

隨著化石燃料的短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，世界各國(guó)都重視新型汽車燃料的開(kāi)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(diǎn)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(diǎn)，被認(rèn)為是發(fā)動(dòng)機(jī)理想的替代燃料[1]。

根據(jù)氫氣噴射位置，氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，缸內(nèi)直噴避免了氫氣占據(jù)氣缸容積，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降的問(wèn)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(duì)缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)條件下，通過(guò)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(guò)程；Li等[5]分析了不同噴射參數(shù)對(duì)氫氣直噴發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氫氣和空氣混合物形成的影響。縱觀以上研究，大都集中在發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬方面，對(duì)噴氫系統(tǒng)的研究較少。而對(duì)于缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)一個(gè)瓶頸的問(wèn)題就在于氫氣噴射系統(tǒng)。由于氫氣本身的特點(diǎn)（脆化現(xiàn)象和無(wú)法潤(rùn)滑針閥）使得市面上傳統(tǒng)的液體噴射燃料噴油器無(wú)法滿足要求，因此開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型氫氣噴射系統(tǒng)非常重要[2-5]。

本文以自行設(shè)計(jì)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(jìn)行氫氣噴射過(guò)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(duì)粘度和供油壓力等對(duì)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(jì)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(dòng)機(jī)ECU根據(jù)曲軸傳感器和凸輪軸傳感器所反饋的信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，發(fā)送控制信號(hào)給電磁閥，控制電磁閥的開(kāi)閉。在噴氫器沒(méi)有工作時(shí)，電磁閥處于常開(kāi)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(kāi)狀態(tài)，噴氫器的液壓腔內(nèi)無(wú)法形成高壓液壓油，作用在液壓活塞上的液壓油壓力無(wú)法克服復(fù)位彈簧預(yù)緊力而使針閥開(kāi)啟；只有電磁閥關(guān)閉時(shí)，進(jìn)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(kāi)啟，開(kāi)始噴射氫氣；當(dāng)電磁閥再次開(kāi)啟時(shí)，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(yùn)動(dòng)過(guò)程中，將針閥與彈簧等效為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。采用質(zhì)量-彈簧-阻尼的運(yùn)動(dòng)方程求解。其運(yùn)動(dòng)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(jìn)入液壓腔的液壓油一部分通過(guò)泄油通道流回低壓油箱，一部分用于填充液壓活塞下行時(shí)所空出的容積；同時(shí)，隨著液壓壓力的改變液壓油密度變化也會(huì)對(duì)流量有影響。其連續(xù)性方程[7]為

式中：Qs為 流進(jìn)液壓腔的液壓油體積流量；Q為通過(guò)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(shí)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(dòng)庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、氣動(dòng)庫(kù)、氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)庫(kù)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(dòng)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(dòng)模塊

由控制信號(hào)、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(dòng)模塊，如圖2所示?？刂菩盘?hào)控制電磁閥的開(kāi)閉，在噴氫器沒(méi)有工作時(shí)，電磁閥處于常開(kāi)狀態(tài)。高壓油泵中的高壓液壓油從進(jìn)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(wú)法形成高壓液壓油，作用在液壓活塞上的液壓油壓力無(wú)法克服復(fù)位彈簧預(yù)緊力使針閥開(kāi)啟；當(dāng)電磁閥收到關(guān)閉信號(hào)時(shí)，電磁閥關(guān)閉，高壓油泵中流出的高壓液壓油無(wú)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(kāi)啟；當(dāng)噴射結(jié)束，電磁閥收到開(kāi)啟信號(hào)，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(shí)，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(huì)將開(kāi)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(gè)，針閥最大升程設(shè)置為1 mm?？刂魄荒M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(duì)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(yùn)動(dòng)件部分的主要參數(shù)對(duì)針閥響應(yīng)延時(shí)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(shí)條件下，定義描述噴射系統(tǒng)針閥的響應(yīng)速度的兩個(gè)時(shí)間—針閥開(kāi)啟響應(yīng)延時(shí)和針閥關(guān)閉響應(yīng)延時(shí),如圖3所示。T1是針閥開(kāi)啟響應(yīng)延時(shí)，即從控制信號(hào)開(kāi)啟時(shí)刻到針閥最初到達(dá)最大位移處的時(shí)間；T2是針閥關(guān)閉響應(yīng)延時(shí)，即從控制信號(hào)停止時(shí)刻到針閥完全落座時(shí)的時(shí)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(duì)粘度對(duì)針閥響應(yīng)時(shí)間的影響進(jìn)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(shí)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(jìn)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(hào)

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(duì)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(kāi)啟響應(yīng)延時(shí)逐漸增大，關(guān)閉響應(yīng)延時(shí)逐漸減小。這是因?yàn)閺?fù)位彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度的增大，都會(huì)使針閥在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的向下的作用力的合力增大。這樣針閥在開(kāi)啟時(shí)，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(shí)刻就越靠后，同時(shí)針閥向上運(yùn)動(dòng)的加速度減小，速度增加慢，到達(dá)最大位移處的時(shí)間也就變長(zhǎng)；在針閥關(guān)閉時(shí)，其向下運(yùn)動(dòng)的加速度增大，速度增加快，針閥落座的時(shí)間就變短。

圖5 不同彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度針閥的開(kāi)啟響應(yīng)延時(shí)

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(shí)

復(fù)位彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度對(duì)針閥響應(yīng)速度的影響趨勢(shì)雖然相似，但由于兩者在取值范圍的不同和針閥對(duì)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(duì)針閥響應(yīng)延時(shí)的影響程度，定義了針閥響應(yīng)延時(shí)影響因子[14-15]，其計(jì)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(shí)對(duì)電磁閥響應(yīng)延時(shí)的影響因子； ΔTt為在對(duì)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(shí)變化量；Tt為在對(duì)應(yīng)噴射脈寬下該參數(shù)取基準(zhǔn)值時(shí)的響應(yīng)延時(shí)；Xmax為 該參數(shù)變化時(shí)的最大值；Xmin為該參數(shù)變化時(shí)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(shí)分為開(kāi)啟延時(shí)和關(guān)閉延時(shí)兩部分，因此在比較復(fù)位彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度對(duì)針閥響應(yīng)速度的影響程度時(shí)，分為開(kāi)啟延時(shí)影響、關(guān)閉延時(shí)影響和總延時(shí)影響3種情況，如圖7所示。復(fù)位彈簧預(yù)緊力在對(duì)針閥開(kāi)啟延時(shí)影響、關(guān)閉延時(shí)影響程度上要比彈簧剛度更加明顯，但是在對(duì)針閥總響應(yīng)延時(shí)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(shí)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(shí)變化如圖8所示?？砂l(fā)現(xiàn)隨著供油壓力的增大，針閥開(kāi)啟響應(yīng)延時(shí)的逐漸減小，關(guān)閉延時(shí)逐漸增大。且開(kāi)啟響應(yīng)延時(shí)的減小程度逐漸變緩，關(guān)閉響應(yīng)延時(shí)的增大程度沒(méi)有明顯變化。

圖8 不同供油壓力下針閥響應(yīng)延時(shí)

如圖9所示，在1 ms時(shí)，電磁閥關(guān)閉，針閥開(kāi)啟并向最大升程移動(dòng)。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(gè)壓力峰值。這是由于電磁閥關(guān)閉后，管道中的液壓油流動(dòng)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?yàn)楫?dāng)針閥開(kāi)啟，液壓腔活塞移動(dòng)，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(shí)間變長(zhǎng)，針閥開(kāi)啟響應(yīng)延時(shí)增大。最后液壓壓力增加到最大，是因?yàn)獒橀y達(dá)到最大升程，系統(tǒng)內(nèi)液壓油不再流動(dòng)，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(kāi)啟過(guò)程液壓力變化和針閥運(yùn)動(dòng)速度

圖10 不同針閥下針閥開(kāi)啟過(guò)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(duì)粗糙度對(duì)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(duì)粘度對(duì)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(duì)上述4個(gè)管a、b、c、d的直徑進(jìn)行了調(diào)整測(cè)試，規(guī)定在1 ms時(shí)ECU發(fā)出針閥開(kāi)啟控制信號(hào)，在4 ms時(shí)ECU發(fā)出針閥關(guān)閉信號(hào)。如圖11a）所示，管a直徑從3 mm增大到5 mm，針閥開(kāi)啟響應(yīng)延時(shí)減小，關(guān)閉響應(yīng)延時(shí)增大。這是因?yàn)樵诠荛L(zhǎng)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(shí)，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(kāi)啟響應(yīng)延時(shí)增大；當(dāng)管道a直徑增大時(shí)，系統(tǒng)壓力損失減小，針閥液壓腔響應(yīng)延時(shí)減小，針閥開(kāi)啟響應(yīng)延時(shí)減小。當(dāng)管a直徑選6 mm時(shí)，從圖11a）中可以看出針閥在規(guī)定的開(kāi)啟時(shí)刻之前已經(jīng)開(kāi)啟，并在規(guī)定的關(guān)閉時(shí)刻后出現(xiàn)針閥無(wú)法關(guān)閉的現(xiàn)象。原因如圖11b）中所示，管a作為進(jìn)油管道，當(dāng)其直徑過(guò)大時(shí)，在規(guī)定的針閥開(kāi)啟時(shí)刻前，針閥液壓腔內(nèi)液壓壓力就已經(jīng)達(dá)到克服針閥預(yù)緊力的水平，導(dǎo)致針閥提前開(kāi)啟；在規(guī)定的關(guān)閉時(shí)刻后，由于泄油管道直徑不變，在增大進(jìn)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(méi)有完全泄掉，液壓壓力還維持在一個(gè)較大的值，使得復(fù)位彈簧無(wú)法將針閥壓回到閥座上，針閥最終沒(méi)有關(guān)閉。當(dāng)管a直徑選2 mm時(shí)，從圖11a）中可以看出針閥在出現(xiàn)了開(kāi)啟過(guò)程明顯變慢。原因如圖11b）中所示，管a作為進(jìn)油管道，當(dāng)其直徑過(guò)小時(shí)，在規(guī)定的針閥開(kāi)啟時(shí)刻后，針閥液壓腔內(nèi)液壓壓力建立高壓過(guò)程變慢，導(dǎo)致針閥開(kāi)啟過(guò)程緩慢。其他三條管道參數(shù)變化對(duì)針閥響應(yīng)延時(shí)影響不大，在這里不做說(shuō)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(duì)針閥響應(yīng)速度的影響規(guī)律

因?yàn)轲ざ仁沁x擇液壓介質(zhì)的首要因素，在相同的工作壓力下，黏度過(guò)高，在管道內(nèi)流動(dòng)阻力增加，因此，有必要開(kāi)展液壓油黏度對(duì)針閥響應(yīng)影響的研究。在AMESim中，液壓油的黏度大小由絕對(duì)黏度μ來(lái) 表征（μ =ρν，ν是液壓油運(yùn)動(dòng)黏度）[10]。只改變液壓油絕對(duì)黏度，其他參數(shù)選取上述基準(zhǔn)值的情況下，得到針閥開(kāi)啟和關(guān)閉延時(shí)的變化，如圖12所示。絕對(duì)黏度增大會(huì)使針閥開(kāi)啟和關(guān)閉的響應(yīng)延時(shí)都變長(zhǎng)，且針閥關(guān)閉響應(yīng)延時(shí)增加程度比開(kāi)啟響應(yīng)延時(shí)的增加程度更大。原因是針閥開(kāi)啟過(guò)程中液壓油流經(jīng)的管道長(zhǎng)度比針閥關(guān)閉過(guò)程中液壓油流過(guò)的管路長(zhǎng)度少了泄油管路的部分，所以液壓油黏度增大，其流動(dòng)性變差對(duì)泄油過(guò)程影響更明顯。

圖12 不同液壓油絕對(duì)黏度下針閥響應(yīng)延時(shí)變化

4 結(jié)論

本文建立了缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射系統(tǒng)AMESim仿真模型，對(duì)噴射過(guò)程進(jìn)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(duì)粘度對(duì)噴氣系統(tǒng)針閥響應(yīng)延時(shí)的影響規(guī)律。通過(guò)對(duì)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(duì)針閥開(kāi)啟延時(shí)影響、關(guān)閉延時(shí)影響程度上要比彈簧剛度更加明顯，但是在對(duì)針閥總響應(yīng)延時(shí)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(huì)使針閥開(kāi)啟響應(yīng)延時(shí)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(huì)逐漸變緩；外部液壓管道a直徑太大會(huì)使針閥提前開(kāi)啟和無(wú)法正常關(guān)閉，直徑太小會(huì)增加系統(tǒng)液壓損失，導(dǎo)致針閥開(kāi)啟延時(shí)過(guò)大，針閥運(yùn)動(dòng)不理想；液壓油絕對(duì)粘度增大會(huì)使針閥響應(yīng)速度變慢，且液壓油絕對(duì)粘度變化對(duì)泄油過(guò)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(duì)粘度51 cp作為缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的氫氣噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。