柴油機(jī)噴油器積碳特征參數(shù)檢測計(jì)算方法

王憲成， 張永峰， 王 雪， 趙文柱， 劉海濤

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系， 北京 100072； 2. 特種警察學(xué)院軍政訓(xùn)練系， 北京 102211)

柴油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)是柴油機(jī)上最重要、制造與調(diào)節(jié)精度最高的部件之一。由于工作環(huán)境惡劣，噴油器噴孔內(nèi)部殘余燃料形成的薄油膜在高溫高壓影響下，極易發(fā)生裂化反應(yīng)生成積碳[1]，從而造成噴油器流量損失增大、噴霧質(zhì)量下降等問題[2-3]。在噴油器的實(shí)際工作過程中，多種參數(shù)共同影響噴油過程，導(dǎo)致噴油器積碳特征參數(shù)值及其對(duì)噴油的影響難以通過試驗(yàn)定量確定。

柴油機(jī)燃料供給系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)相比，雖然存在一定誤差，但仿真具有調(diào)整參數(shù)方便、運(yùn)行速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，可以從物理過程上研究柴油機(jī)的工作過程，在不受時(shí)空限制的條件下進(jìn)行各種變參數(shù)研究。筆者基于GT-SUITE軟件，通過仿真分析不同轉(zhuǎn)速下噴油器積碳特征參數(shù)對(duì)噴油壓力和噴油規(guī)律的影響，提出了一種通過檢測噴油規(guī)律和噴油壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際噴油器積碳特征參數(shù)的檢測計(jì)算方法，此方法可為噴油器積碳的檢測提供理論依據(jù)，亦可提高噴油器積碳檢測的準(zhǔn)確性和效率，減少維修保障時(shí)間。

1 燃料供給系統(tǒng)仿真模型

柴油機(jī)燃料供給系統(tǒng)中，高壓柴油泵、高壓油管和噴油器是完成供油任務(wù)的關(guān)鍵部件[4-5]，可將其簡化為泵-管-嘴系統(tǒng)。針對(duì)某型裝甲車輛柴油機(jī)燃料供給系統(tǒng)，筆者采用GT-SUITE仿真軟件，建立了燃料供給系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示。表1為燃料供給系統(tǒng)仿真模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 燃料供給系統(tǒng)仿真模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 噴油器積碳表征

2.1 噴油器積碳分類及對(duì)噴油的影響

趙文柱等[6]依據(jù)積碳分布情況，將噴油器噴孔積碳分為2種：1)外部積碳，噴口外圍形成的積碳圈會(huì)呈圓弧狀分布在出口周圍，導(dǎo)致噴孔長度延長；2)內(nèi)部積碳，噴孔內(nèi)部的積碳顆粒會(huì)導(dǎo)致噴孔內(nèi)部粗糙度增大。

關(guān)于噴油器噴孔積碳對(duì)噴油的影響，國內(nèi)外學(xué)者開展過一系列研究[1,6-7]，表2為噴孔積碳對(duì)噴油影響的試驗(yàn)研究總結(jié)，表3為噴孔積碳對(duì)噴霧影響的仿真研究總結(jié)。

表2 噴孔積碳對(duì)噴油影響的試驗(yàn)研究總結(jié)

表3 噴孔積碳對(duì)噴霧影響的仿真研究總結(jié)

注：SMD(Sauter Mean Diameter)為索特平均直徑。

2.2 噴油器積碳特征參數(shù)提取

噴油器產(chǎn)生積碳后，形貌特征變化，噴孔長度和粗糙度增加，故研究噴孔長度和粗糙度對(duì)噴油的影響。通過查閱文獻(xiàn)[2,8-10]和仿真計(jì)算，總結(jié)得到噴油器噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴油的影響，如表4所示。

表4 噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴油的影響

注：d為噴油器噴孔直徑。

分析表2-4可得噴孔結(jié)構(gòu)與積碳參數(shù)關(guān)系，如圖2所示，噴孔長度和噴孔粗糙度對(duì)噴油的影響，分別與內(nèi)部積碳和外部積碳一致。因此，分別提取噴孔內(nèi)部粗糙度Ra和噴孔延長量ΔL作為表征噴油器噴孔內(nèi)、外部積碳的特征參數(shù)。

3 噴油器積碳特征參數(shù)檢測計(jì)算

3.1 噴油器積碳對(duì)噴油影響仿真分析

通過仿真分析不同轉(zhuǎn)速下噴孔延長量ΔL和噴孔內(nèi)部粗糙度Ra對(duì)噴油的影響，來研究噴油器積碳對(duì)噴油的影響。仿真條件如下：環(huán)境溫度25 ℃，環(huán)境壓力101 kPa，干凈噴油器噴孔直徑0.35 mm，噴孔長度1.83 mm。

當(dāng)Ra=0時(shí)，分別選取ΔL=0，0.1，0.2，0.3，0.4 mm[6]對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行仿真。噴孔延長量對(duì)噴油速率峰值的影響曲線如圖3所示，可見：ΔL的增加使噴油速率峰值降低，且高轉(zhuǎn)速下更明顯。噴孔延長量對(duì)噴油壓力峰值的影響曲線如圖4所示，可見：ΔL的增加使噴油壓力峰值增大。

當(dāng)ΔL=0 mm時(shí)，分別取Ra=0，5，10，15，20 μm對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行仿真。噴孔內(nèi)部粗糙度對(duì)噴油速率峰值的影響曲線如圖5所示，可見：Ra的增加使噴油速率峰值降低，且高轉(zhuǎn)速下更明顯。噴孔內(nèi)部粗糙度對(duì)噴油壓力峰值的影響曲線如圖6所示，可見：Ra的增加使噴油壓力峰值增大。

3.2 基于仿真的噴油器積碳特征參數(shù)檢測計(jì)算方法

3.2.1 歸一化分析

x′=(x-xmin)/(xmax-xmin)，

(1)

式中:x為待歸一化的參數(shù)值；x′為對(duì)應(yīng)x的歸一化數(shù)值。

表5 歸一化特征參數(shù)值

總結(jié)圖7，得到噴油器積碳特征參數(shù)對(duì)噴油的影響及程度，如表6所示。

3.2.2 檢測計(jì)算方法

根據(jù)表6，設(shè)計(jì)積碳特征參數(shù)檢測計(jì)算方法。先利用噴油壓力峰值的仿真值與試驗(yàn)值誤差確定ΔL；再利用n≥150 r/min時(shí)噴油速率峰值仿真值與試驗(yàn)值誤差確定Ra。表7為試驗(yàn)檢測方案。

表6 噴油器積碳特征參數(shù)對(duì)噴油的影響及程度

注：n為噴油泵轉(zhuǎn)速。

表7 試驗(yàn)檢測方案

當(dāng)ΔL=ΔL1時(shí)，對(duì)Ra∈[0，20] μm內(nèi)運(yùn)用二分法，逐次運(yùn)行n=300 r/min時(shí)的燃料供給系統(tǒng)模型，使噴油壓力峰值的仿真值逼近pmax1，精度為1 μm，最終得到該積碳噴油器的噴孔內(nèi)壁粗糙度Ra1。

4 燃料供給系統(tǒng)技術(shù)狀況特征參數(shù)檢測計(jì)算方法的驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分別使用干凈噴油器和2個(gè)積碳噴油器進(jìn)行燃料供給系統(tǒng)試驗(yàn)，穩(wěn)定噴油泵轉(zhuǎn)速分別為300、500 r/min，油門位置為20%，測量高壓油管嘴端壓力信號(hào)。試驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度為25 ℃，大氣壓力為101 kPa。圖8為試驗(yàn)所用噴油器，其中2個(gè)積碳噴油器已進(jìn)行400 h耐久性試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，可見：同轉(zhuǎn)速下，與干凈噴油器相比，積碳噴油器的噴油速率峰值下降，噴油壓力峰值上升。ΔL和Ra對(duì)噴油規(guī)律和噴油壓力的影響與積碳是一致的，證明了噴油器積碳特征參數(shù)提取的合理性。

表8 試驗(yàn)結(jié)果

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過n=300 r/min時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用積碳特征參數(shù)檢測計(jì)算方法，分別確定2個(gè)積碳噴油器的積碳特征參數(shù)，如表9所示。

表9 試驗(yàn)噴油器積碳特征參數(shù)

將得到的特征參數(shù)輸入燃料供給系統(tǒng)模型，通過n=500 r/min的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。圖9為500 r/min時(shí)積碳噴油試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比,可見：當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，積碳噴油器1的噴油規(guī)律和噴油壓力最大誤差分別為1.47%和2.53%，積碳噴油器2的噴油規(guī)律和噴油壓力最大誤差分別為2.14%和2.71%，誤差均小于3%,驗(yàn)證了燃料供給系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)而驗(yàn)證了噴油器積碳特征參數(shù)檢測計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

筆者采用理論分析、仿真計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)噴油器積碳特征參數(shù)的表征及檢測計(jì)算方法進(jìn)行了研究。此方法可為噴油器積碳的檢測提供理論依據(jù)，提高了噴油器積碳檢測的準(zhǔn)確性和效率，減少了維修保障時(shí)間。

筆者提取噴孔內(nèi)部粗糙度Ra和噴孔延長量ΔL作為表征噴油器積碳的特征參數(shù)；通過仿真分析，提出了一種通過檢測噴油壓力和噴油規(guī)律計(jì)算噴油器積碳特征參數(shù)的檢測計(jì)算方法；通過臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了噴油器積碳特征參數(shù)檢測計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，積碳噴油器的噴油規(guī)律和噴油壓力仿真值與試驗(yàn)值誤差均小于3%。

在下一步的研究中，筆者將建立特征參數(shù)與噴油器積碳的定量關(guān)系，并研究此積碳檢測計(jì)算方法對(duì)其他型號(hào)噴油器的適用性。