重型車輛柴油機(jī)啟動(dòng)工況燃油噴射仿真研究

楊紹卿, 徐冬冬, 王 雪

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系， 北京 100072； 2. 95969部隊(duì)， 湖北 武漢 433220)

重型車輛柴油機(jī)啟動(dòng)過程具有較大的不穩(wěn)定性，而提升柴油機(jī)啟動(dòng)過程的穩(wěn)定性和成功率已成為目前的研究焦點(diǎn)，重型柴油機(jī)啟動(dòng)過程的研究方向也逐漸向進(jìn)氣、噴霧和燃燒等方面轉(zhuǎn)移。機(jī)械噴油泵的重型車輛柴油機(jī)在啟動(dòng)過程中產(chǎn)生較大不穩(wěn)定性的原因?yàn)椋恨D(zhuǎn)速變化幅度大，使得啟動(dòng)工況各循環(huán)過程的噴油壓力和噴油速率不穩(wěn)定且變化顯著，進(jìn)而導(dǎo)致啟動(dòng)過程中的缸內(nèi)燃燒狀況不穩(wěn)定[1-2]。目前，一些研究者嘗試通過試驗(yàn)手段對極低轉(zhuǎn)速工況下的機(jī)械泵燃油噴射規(guī)律進(jìn)行研究，但過程復(fù)雜且結(jié)果不確定性較大[3-4]。因此，通過仿真手段研究極低轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)的燃油噴射規(guī)律，成為分析柴油機(jī)啟動(dòng)過程噴油和轉(zhuǎn)速變化規(guī)律的重要手段。筆者通過建立柴油機(jī)機(jī)械泵燃油噴射仿真模型，分析啟動(dòng)工況下循環(huán)噴油量、循環(huán)泄漏量占比以及低轉(zhuǎn)速噴油規(guī)律，為進(jìn)一步分析機(jī)械泵柴油機(jī)的啟動(dòng)過程提供可靠的理論依據(jù)。

1 機(jī)械泵燃油噴射仿真模型的建立

針對某150 mm缸徑重型柴油機(jī)機(jī)械泵啟動(dòng)過程，利用GT-suit搭建燃油噴射仿真模型，如圖1所示。該型柴油機(jī)燃油流動(dòng)過程為：燃油由油箱開始，依次通過低壓油管、柱塞泵和噴油泵，最后經(jīng)高壓油管進(jìn)入噴油器儲油槽，待油壓達(dá)到噴油器開啟壓力后噴射進(jìn)入氣缸。

該仿真模型建模時(shí)，其核心模型主要包括柱塞模型、供油模型(包括高壓油管和低壓油管)和噴油模型。同時(shí)，由于機(jī)械泵在啟動(dòng)過程中存在顯著的燃油泄漏現(xiàn)象，需要加入燃油泄漏模型[5]。噴油泵和噴油器的主要參數(shù)分別如表1、2所示。

表1 噴油泵主要參數(shù)

表2 噴油器主要參數(shù)

1.1 柱塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律

表3為150 mm柴油機(jī)凸輪參數(shù)。

表3 150 mm柴油機(jī)凸輪參數(shù)

當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)角α≤第1段圓弧最大凸輪轉(zhuǎn)角(即α≤36.883°)時(shí)，噴油泵的供油處于第1階段，此時(shí)柱塞升程[6]

h1= (r1-r0)(-cosα+1/a1×

(1)

柱塞速度

(2)

柱塞加速度

(3)

式中:a1=(r1-r0)/(r1+rp)；ωk=2πnk/60，為凸輪軸角速度,其中nk為凸輪轉(zhuǎn)速。

當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)角α>第1段圓弧最大凸輪轉(zhuǎn)角(即α>36.883°)時(shí)，噴油泵的供油在第2階段結(jié)束，此時(shí)柱塞升程

h2=(r0+hmax-r2)(cos(θ-α)+1/a2×

(4)

柱塞速度

v2= (r0+hmax-r2)ωk(sin(θ-α)+

(5)

柱塞加速度

j2= -(r0+hmax-r2)(cos(θ-α)+

(6)

式中:a2=(r0+hmax-r2)/(r2+rp)。

1.2 加油齒桿位置

該型150 mm缸徑重型柴油機(jī)機(jī)械泵采用機(jī)械離心式全程調(diào)速器，調(diào)速器的支持力P與恢復(fù)力E決定齒桿位置，其齒桿運(yùn)動(dòng)方程為[7]

(7)

式中：M為齒桿質(zhì)量；s為齒桿位置；f為摩擦力；fr為液體阻尼力。

1.3 噴油規(guī)律計(jì)算

為提高模型計(jì)算效率，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，對噴油規(guī)律模型進(jìn)行如下簡化[8]：1)忽略管道內(nèi)液體摩擦損失；2)假設(shè)噴油過程中燃油溫度恒定；3)假設(shè)噴油過程中燃油密度和黏度恒定。

該型機(jī)械泵的泵-管-嘴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對于泵-管-嘴系統(tǒng)，噴油速率可表示為

dVp/dt=f(t)=Apvp,

(8)

計(jì)入燃油噴射過程中壓縮導(dǎo)致的體積變化，定義β為單位壓力下燃油體積V的相對變化，則β可表示為

(9)

式中：p為燃油壓力。

選取噴油泵為研究對象，其內(nèi)部燃油流動(dòng)的連續(xù)性方程為

(10)

噴油速率可表示為

(11)

式中：μ為噴油器的噴孔流量系數(shù)；Af為噴孔流通截面積；px為缸內(nèi)背壓；ρ為燃油密度。

以燃油質(zhì)量流量表示噴油規(guī)律，即

dmp/dt=ρdVp/dt。

(12)

式中：mp為燃油質(zhì)量。

1.4 噴油泵泄漏計(jì)算

在啟動(dòng)過程中，受噴油泵和調(diào)速器的性能限制，各個(gè)噴油循環(huán)間的噴油壓力和柱塞相對速度變化顯著，噴油泵存在一定量的泄漏。因此，要精確地計(jì)算啟動(dòng)過程的噴油規(guī)律，必須計(jì)入泄漏的影響[7]。

噴油過程中，瞬時(shí)泄漏量Qleak的表達(dá)式為[8]

(13)

1.5 噴嘴平均流量系數(shù)修正

啟動(dòng)過程中，由于轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，導(dǎo)致噴油壓力變化較大，這直接影響噴油器的最大流量系數(shù)，并顯著影響噴油持續(xù)期。通過建立噴油泵轉(zhuǎn)速與流量系數(shù)的關(guān)系，對噴嘴平均流量系數(shù)進(jìn)行修正。采用蟻群算法對噴油泵不同轉(zhuǎn)速條件下的噴嘴平均流量系數(shù)Cavg進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為

(14)

式中：pmax_1為試驗(yàn)實(shí)測噴油壓力峰值；pmax_2為計(jì)算噴油壓力峰值。

蟻群算法優(yōu)化后，噴油泵不同平均轉(zhuǎn)速下Cavg變化曲線如圖3所示?？梢钥闯觯弘S著噴油泵平均轉(zhuǎn)速的增大，Cavg呈上升趨勢，但上升速率逐漸下降。這是因?yàn)椋弘S著噴油泵轉(zhuǎn)速的增大，噴油器壓力增大，通過噴嘴的燃油質(zhì)量流量變大，表現(xiàn)為Cavg的增大；與此同時(shí)，壓力的增大會導(dǎo)致燃油流過噴嘴時(shí)壓力損失變大，表現(xiàn)為Cavg增幅變緩。

2 燃油噴射仿真模型的驗(yàn)證

利用燃油噴射試驗(yàn)對燃油噴射仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。所選取測點(diǎn)的噴油泵轉(zhuǎn)速分別為145.5、242.3、394.1、549.9、648.6、703.5 r/min，其噴油速率仿真值與試驗(yàn)值的對比結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯簢娪退俾史抡嬷蹬c試驗(yàn)值的最大誤差分別為3.92%、4.85%、2.23%、4.34%、4.89%、4.66%，說明燃油噴射仿真模型的精度較為可靠。

3 燃油噴射仿真結(jié)果及分析

3.1 循環(huán)噴油量分析

在噴油泵試驗(yàn)臺上測量了噴油泵循環(huán)噴油量隨噴油泵平均轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯寒?dāng)噴油泵平均轉(zhuǎn)速低于300 r/min時(shí)，循環(huán)噴油量隨平均轉(zhuǎn)速的增大出現(xiàn)明顯的上升趨勢，并在350 r/min附近達(dá)到峰值。這是因?yàn)椋簢娮靸?nèi)壓力隨轉(zhuǎn)速的增大而上升，且由于調(diào)速器還未起效，循環(huán)噴油量上升未受限制；當(dāng)噴油泵平均轉(zhuǎn)速高于350 r/min時(shí)，調(diào)速器對噴油泵的限制開始生效，驅(qū)動(dòng)油量控制機(jī)構(gòu)使循環(huán)噴油量保持在200 mg附近；由于調(diào)速器對轉(zhuǎn)速的響應(yīng)存在一定的遲滯，循環(huán)噴油量開始呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。

3.2 燃油循環(huán)泄漏分析

采用燃油噴射仿真模型對啟動(dòng)工況下燃油循環(huán)泄漏量進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)環(huán)境溫度為25 ℃，大氣壓力為101 kPa，油門齒桿位置20%，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為700 r/min。燃油循環(huán)泄漏量占噴油量之比的變化曲線如圖6所示?？梢钥闯?

1) 在啟動(dòng)工況前期(即平均轉(zhuǎn)速較低時(shí)),燃油循環(huán)泄漏量占比較大，隨著循環(huán)次數(shù)和平均轉(zhuǎn)速的增大，循環(huán)泄漏量占比逐漸減小。這是因?yàn)椋恨D(zhuǎn)速低時(shí)噴嘴內(nèi)壓力較小，流經(jīng)泄漏開口處的燃油壓力損失較小，燃油泄漏量較大；反之，當(dāng)平均轉(zhuǎn)速增大時(shí)噴嘴內(nèi)壓力增大，流經(jīng)泄漏開口處的燃油壓力損失變大，燃油泄漏量減小。

2) 當(dāng)平均轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，噴嘴內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定，循環(huán)泄漏量占比也趨于穩(wěn)定，在0.82%附近波動(dòng)。

3.3 低轉(zhuǎn)速噴油規(guī)律分析

利用燃油噴射仿真模型對啟動(dòng)工況低轉(zhuǎn)速下的噴油規(guī)律進(jìn)行仿真。選取噴油泵轉(zhuǎn)速為50、55、60、65、70 r/min進(jìn)行計(jì)算，得到的噴油速率變化曲線如圖7所示。可以看出：隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增大，曲軸轉(zhuǎn)角幅度變大，即噴油持續(xù)期逐漸變長，噴油速率峰值顯著上升，且對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐漸后移。這是因?yàn)椋弘S著轉(zhuǎn)速的增大，噴油壓力變大，使得燃油流速及噴油速率峰值顯著上升；而由于噴面壓力的增長，使得寬噴油器針閥開啟時(shí)間延長，導(dǎo)致噴油持續(xù)期變長和噴油量增大，進(jìn)而使噴油速率峰值隨噴油持續(xù)期的延長而后移。