船用中速柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)特性分析

王勤鵬 王英杰 楊建國(guó) 辛 東 余永華

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)

0 引 言

高壓共軌燃油噴射技術(shù)對(duì)缸內(nèi)燃油霧化效果和混合氣的形成影響顯著，較高的燃油噴射壓力可使油液破碎更加細(xì)化，顯著縮短缸內(nèi)燃燒的滯燃期，提升擴(kuò)散燃燒期的油氣混合速度，有效降低氮氧化物排放，其已成為降低柴油機(jī)燃油消耗率和排放污染的重要機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)之一[1-2].文獻(xiàn)[3]對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)排放做了明確要求，開(kāi)展船用中速柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)特性分析研究，可為船用中速柴油機(jī)舊機(jī)改造(機(jī)械式噴油系統(tǒng)改造為高壓共軌噴射系統(tǒng))技術(shù)，以及內(nèi)河船用發(fā)動(dòng)機(jī)低排放控制技術(shù)研究提供機(jī)內(nèi)排放最小化技術(shù)支撐.

國(guó)外船用高壓共軌燃油噴射技術(shù)較為成熟，共軌腔內(nèi)壓力普遍維持在120～160 MPa.船用高壓共軌電控中、高速柴油機(jī)著名制造商都有相應(yīng)的產(chǎn)品實(shí)船應(yīng)用[4-6].國(guó)內(nèi)在船用柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)方面的研究起步較晚，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝，以及控制策略等方面與世界先進(jìn)水平的差距較大，國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究所及高校如中船重工第七一一研究所、武漢理工大學(xué)、海軍工程大學(xué)和無(wú)錫油泵油嘴研究所等單位均已展開(kāi)了中、高速船用柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射術(shù)的相關(guān)研究，研究主要集中在共軌電控噴射系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和標(biāo)定、零部件的優(yōu)化調(diào)整、燃油匹配，以及特性分析和燃油系統(tǒng)仿真計(jì)算等方面，有關(guān)機(jī)械式噴油向高壓共軌式噴油系統(tǒng)改造方面的研究較少[7-9].

本文研究在保持原目標(biāo)柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、氣缸結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及其他輔助系統(tǒng)不變的情況下，以共軌式噴油系統(tǒng)替換原機(jī)械式的燃油噴射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶柴油機(jī)機(jī)械式噴油向高壓共軌式噴油系統(tǒng)的改造.以MAN 6L16/24船用中速柴油機(jī)為研究對(duì)象，在滿(mǎn)足原機(jī)結(jié)構(gòu)空間合理利用的前提下，為了保證共軌壓力穩(wěn)定，采用“分段式”船用中速機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)(額定工況軌壓160 MPa)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).在開(kāi)展相關(guān)研究的過(guò)程中，建立了原機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)仿真模型，利用經(jīng)驗(yàn)證的機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)仿真模型的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)并建立高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型，同時(shí)對(duì)兩個(gè)仿真模型進(jìn)行了對(duì)比，分析了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的性能，并研究了共軌軌腔容積參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性的影響，提出了不同軌腔容積的設(shè)計(jì)方案.

1 機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)仿真計(jì)算

仿真對(duì)象柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 船用中速油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)的燃油經(jīng)過(guò)燃油濾清器后由低壓油泵輸送到高壓油泵進(jìn)口端，高壓油泵通過(guò)凸輪軸驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)柱塞壓縮吸入燃油，通過(guò)燃油系統(tǒng)的高壓油管，將一定壓力的燃油送到各氣缸噴油器入口處，待噴射的燃油壓力超過(guò)噴油器針閥啟閥壓力時(shí)，燃油以細(xì)化油粒的方式通過(guò)噴油嘴以一定的噴射錐角注入到氣缸內(nèi)進(jìn)行燃燒.根據(jù)機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，將整個(gè)機(jī)械式燃油噴射仿真模型劃分為噴油泵模塊，噴油器模塊以及出油閥模塊利用HYDSIM軟件建立的仿真模型見(jiàn)圖1.

圖1 機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)模型

通過(guò)專(zhuān)業(yè)機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械式噴射系統(tǒng)仿真模型的正確性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.試驗(yàn)臺(tái)架原理圖和實(shí)物圖見(jiàn)圖2.

圖2 機(jī)械式噴射系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架

以高壓油管的出口端壓力對(duì)比為例，不同調(diào)速器位下仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比見(jiàn)表2.模型仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在2%范圍以?xún)?nèi)，達(dá)到了預(yù)期精度，驗(yàn)證了仿真計(jì)算方法的正確性，可進(jìn)行相關(guān)機(jī)械式噴射系統(tǒng)特性研究.

表2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

基于機(jī)械式燃油系統(tǒng)的仿真模型，計(jì)算柴油機(jī)額定負(fù)荷和部分負(fù)荷下的噴油特性，額定工況下的噴油特征參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 機(jī)械式燃油系統(tǒng)噴射特性

2 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)

根據(jù)原機(jī)裝配特點(diǎn)，為了使設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安裝尺寸與原機(jī)適配，采用兩臺(tái)高壓燃油油泵和三段共軌管的方式，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.

圖3 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的高壓燃油泵采用軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)，利用燃油泵進(jìn)油端比例閥開(kāi)度的變化來(lái)改變?nèi)加捅眠M(jìn)口流通面積進(jìn)而達(dá)到高壓燃油泵的供油量調(diào)節(jié)的目的.為了達(dá)到與原機(jī)相同的額定功率，同時(shí)提高燃油軌壓力的穩(wěn)定性，燃油泵采用“三作用”型凸輪，凸輪軸旋轉(zhuǎn)一周，可驅(qū)動(dòng)燃油泵的柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)三次，降低其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩峰值，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的均勻分布，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)振幅，進(jìn)而改善高壓共軌燃油系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲.根據(jù)高壓燃油泵的工作原理和概念設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立的高壓油泵三維結(jié)構(gòu)模型，見(jiàn)圖4.

電控噴油器由噴油器體、噴嘴、液壓控制腔、銜鐵、電磁閥線(xiàn)圈、節(jié)流孔、挺桿及針閥耦件等部件組成，其三維結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖5[10].

圖4 高壓油泵三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 電控噴油器三維結(jié)構(gòu)示意圖

共軌總成由共軌管、軌壓傳感器、限壓閥，限流器等部件組成，其三維結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6.共軌總成儲(chǔ)存形成的高壓燃油，并向各氣缸內(nèi)電控噴油器分配高壓燃油，在進(jìn)行燃油噴射時(shí)起到穩(wěn)定噴射壓力的作用.共軌總成中在共軌管和電控噴油器之間集成了限流器，以防止出現(xiàn)油管破裂或噴油器不閉合等故障；在一側(cè)的共軌管端安裝了高壓溢流閥，防止共軌系統(tǒng)內(nèi)燃油壓力過(guò)高，超過(guò)整個(gè)系統(tǒng)所能承受的安全壓力，以維持高壓共軌系統(tǒng)的安全.

圖6 共軌總成三維結(jié)構(gòu)示意圖

3 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真計(jì)算

根據(jù)由簡(jiǎn)入繁、循序漸進(jìn)的原則，利用HYDSIM仿真軟件在建立高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)性能仿真模型.在進(jìn)行系統(tǒng)建模時(shí)，進(jìn)行以下的條件假定.①假定高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)工作時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的溫度為一定值，無(wú)熱量傳遞，仿真計(jì)算忽略熱力相關(guān)的計(jì)算；②假定高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)內(nèi)回油腔為恒壓源；③假定高壓共軌燃油系統(tǒng)內(nèi)的各部件工作時(shí)不發(fā)生彈性變形；④在仿真模型中，忽略壓力傳播時(shí)間，假定單個(gè)腔室內(nèi)的壓力相同；⑤將電控噴油器中的電磁閥簡(jiǎn)化為開(kāi)關(guān)閥；⑥在仿真模型中忽略平面密封和錐面密封因加工精度而造成的泄漏.

建立的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)性能仿真模型，見(jiàn)圖7.

圖7 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)性能仿真模型

基于建立的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)性能仿真模型，按照柴油機(jī)發(fā)火順序開(kāi)展相關(guān)仿真計(jì)算，同步高壓燃油泵和電控噴油器的供、噴時(shí)刻，并均衡系統(tǒng)的供油量、噴射油量和泄露油量.在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，高壓燃油泵柱塞開(kāi)始上升時(shí)(凸輪型線(xiàn)零點(diǎn))對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角被設(shè)定為仿真的零點(diǎn)位置，計(jì)算得到的共軌系統(tǒng)性能參數(shù)主要包括柴油機(jī)各工況下各段共軌管內(nèi)的壓力、燃油泵泵腔壓力、燃油泵供油量、電控噴油器噴油量、噴霧錐角、噴射貫穿距，控制腔壓力以及蓄壓腔壓力等.由于本文篇幅所限，只介紹柴油機(jī)額定工況(轉(zhuǎn)速1 000 r/min、軌壓160 MPa)下共軌系統(tǒng)的相關(guān)性能.

1) 共軌管內(nèi)壓力波動(dòng) 仿真模型計(jì)算得的柴油機(jī)額定工況下三段共軌軌腔內(nèi)的壓力波動(dòng)見(jiàn)圖8.

圖8 共軌管內(nèi)壓力波動(dòng)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，提取了柴油機(jī)額定工況下(轉(zhuǎn)速1 000 r/min、軌壓160 MPa)三段軌內(nèi)的壓力波動(dòng)的特征參數(shù)，見(jiàn)表4.

表4 三段軌腔內(nèi)壓力波動(dòng)特征值 MPa

2) 高壓燃油油泵仿真特性 高壓共軌系統(tǒng)中有兩個(gè)高壓燃油泵，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝尺寸一致，兩者供油角度相差60°凸輪轉(zhuǎn)角.利用仿真模型得到的柴油機(jī)額定工況下高壓油泵泵腔壓力和凸輪赫茲應(yīng)力見(jiàn)圖9.

圖9 高壓燃油泵泵腔壓力和凸輪赫茲應(yīng)力

仿真計(jì)算得到的高壓油泵特性參數(shù)見(jiàn)表5，泵腔供油壓力大于160 MPa，凸輪計(jì)算的赫茲應(yīng)力為1 676.48 MPa，在設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足許用赫茲應(yīng)力1 900 MPa以?xún)?nèi)，設(shè)計(jì)滿(mǎn)高壓油泵的供油量、安全以及使用壽命的要求.

3) 燃油噴射仿真特性 以仿真計(jì)算得到的第一缸電控噴油器特性參數(shù)為例，其噴油油粒直徑、控制室壓力、蓄壓腔壓力、噴霧錐角和燃油貫穿距等噴射特性參數(shù)見(jiàn)圖10.

表5 高壓油泵供油特征參數(shù)

圖10 第一缸電控噴油器特性參數(shù)

根據(jù)仿真結(jié)果，提取與電控噴油器燃油噴射特性相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表6.

將高壓共軌燃油噴射特性參數(shù)與機(jī)械式燃油系統(tǒng)噴射參數(shù)相比較，額定工況下高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)噴油時(shí)間縮短，燃油噴射壓力顯著提高，噴油油粒直徑較機(jī)械式燃油系統(tǒng)小的多，噴射霧化均勻，可以預(yù)測(cè)高壓共軌燃油系統(tǒng)柴油機(jī)的燃燒性能和排放性能會(huì)更好.

表6 電控噴油器噴射特性

4 高壓共軌管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

利用已建立的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型型，進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)各部件或系統(tǒng)性能影響的研究，其中包括高壓油泵結(jié)構(gòu)參數(shù)，共軌管結(jié)構(gòu)參數(shù)，高壓油管結(jié)構(gòu)參數(shù)，噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)等各種參數(shù)，但是由于其中噴油器是根據(jù)柴油機(jī)的性能需求所選型的，而高壓油泵是根據(jù)共軌系統(tǒng)的容積和噴油器的噴油和回油等參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算確定的.在高壓油泵和噴油器的大致結(jié)構(gòu)參數(shù)基本確定的前提下，共軌管作為共軌系統(tǒng)燃油的存儲(chǔ)單元，共軌管內(nèi)高壓燃油的傳遞波動(dòng)對(duì)共軌壓力的波動(dòng)的影響最大，并且直接影響共軌系統(tǒng)的性能.同時(shí)由于篇幅所限，文中只介紹不同軌腔容積下對(duì)共軌系統(tǒng)性能的影響.

共軌管儲(chǔ)存高壓燃油，起到穩(wěn)定燃油噴射壓力的作用，不同的軌腔容積會(huì)影響軌壓建立的時(shí)間，還會(huì)影響軌內(nèi)壓力的波動(dòng)，軌腔容積是進(jìn)行高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)研究的參數(shù).基于共軌系統(tǒng)擬匹配柴油機(jī)的安裝空間和布局的限制，在保持共軌管長(zhǎng)度不變的情況下，研究改變共軌管直徑時(shí)其腔室內(nèi)的壓力波動(dòng)狀況.仿真計(jì)算方案為，設(shè)定共軌管內(nèi)腔長(zhǎng)度為220 mm，軌腔直徑分別設(shè)定為28，32，36，38和40 mm，計(jì)算得到的不同軌腔容積下共軌管1和共軌管2內(nèi)壓力波動(dòng)幅度變化見(jiàn)圖11.通過(guò)對(duì)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論：當(dāng)軌腔容積相同時(shí)，共軌管2內(nèi)的壓力波動(dòng)小于共軌管1；隨著軌腔容積不斷增加，共軌管2內(nèi)壓力波動(dòng)不斷減小，共軌管1內(nèi)壓力波動(dòng)總體呈下降趨勢(shì)，當(dāng)管內(nèi)直徑大于38 mm時(shí)，壓力波動(dòng)反而增加.

圖11 不同容積下共軌管1和2內(nèi)壓力波動(dòng)幅度

共軌管內(nèi)的平均壓力波動(dòng)隨共軌管直徑的變化見(jiàn)圖12，隨著共軌管直徑增加，軌腔內(nèi)平均壓力波動(dòng)隨之減小.

圖12 共軌系統(tǒng)平均壓力波動(dòng)

船用高壓共軌系統(tǒng)中共軌管內(nèi)壓力的波動(dòng)應(yīng)被控制在設(shè)定目標(biāo)壓力值的3.5%即11.2 MPa之內(nèi)，即在額定工況的160 MPa壓力下，其壓力波動(dòng)應(yīng)當(dāng)在11.2 MPa以?xún)?nèi).由于本文的高壓共軌系統(tǒng)采用了分段式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，每段軌腔內(nèi)壓力不盡相同，軌壓傳感器安裝在不同的位置，反饋的軌壓數(shù)值也不一樣，因此可采用兩種共軌管容積的設(shè)計(jì)方案.

1) 如果以共軌管2的壓力作為整個(gè)共軌系統(tǒng)壓力優(yōu)化目標(biāo)，則可選的共軌管內(nèi)徑為28～32 mm.此方案的共軌管1和共軌管3壓力波動(dòng)超出了目標(biāo)值1～2 MPa，但在相同的噴射脈寬下，各缸噴油器循環(huán)噴油量相差在1%以?xún)?nèi).且各噴油器噴油率相差也較小，見(jiàn)圖13.

圖13 噴油器的噴油率曲線(xiàn)

2) 如果以共軌管1壓力或共軌管3壓力或各段軌的平均軌壓為優(yōu)化目標(biāo)，則共軌容積應(yīng)選取的大一些，共軌管內(nèi)徑選36～38 mm較為合適，此時(shí)單個(gè)共軌腔的容積為223.8～249.3 mL.

5 結(jié) 束 語(yǔ)

以MAN 6L16/24機(jī)械式噴射系統(tǒng)的船用中速柴油機(jī)為研究對(duì)象，建立其機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)的性能仿真模型，利用油泵試驗(yàn)臺(tái)架的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真模型建模方法的合理性和正確性.在分析機(jī)械噴射系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了額定工況軌壓為160 MPa的“分段式”高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，建立了基于-機(jī)-液-電-磁的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)仿真模型，分析了高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的性能特征，研究了軌腔容積對(duì)系統(tǒng)特性的影響，對(duì)高壓共軌管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，提出了工程化研制的軌腔容積優(yōu)化方案.