高壓油泵阻尼孔對(duì)燃油系統(tǒng)壓力特性的影響研究

顧遠(yuǎn)琪, 范立云, 苗秋露, 郭巨壽, 王芳

(1.哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001; 2.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司,山西 大同 037036)

柴油機(jī)廣泛應(yīng)用于車輛、船舶、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和國(guó)防領(lǐng)域,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮了重要作用[1-5]?！半p碳”目標(biāo)大背景下,提高柴油機(jī)效率、實(shí)現(xiàn)二氧化碳與污染物協(xié)同減排,是短期內(nèi)柴油機(jī)降碳減污的主要發(fā)展方向。燃油噴射系統(tǒng)對(duì)混合氣的形成起著決定性的作用,對(duì)柴油機(jī)的燃燒過程、發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、油耗、廢氣成分和燃燒噪聲等特性十分重要[6]。

燃油系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況的需要,將適量的清潔燃油在一定的時(shí)間內(nèi)以適當(dāng)?shù)撵F化狀態(tài)噴入燃燒室。其中,高壓的產(chǎn)生過程由高壓油泵完成。出油閥偶件是高壓油泵的核心性能元件,對(duì)燃油系統(tǒng)基本性能及產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的影響[7-8]。隨著柴油機(jī)對(duì)噴射壓力需求的不斷提高,等容出油閥雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但因其固定的減壓容積設(shè)計(jì)導(dǎo)致其變工況適應(yīng)性若匹配不當(dāng),在高速大負(fù)荷時(shí)可能因卸壓能力不足而造成二次噴射,而在低速小負(fù)荷時(shí)又可能因?yàn)樾秹哼^度而造成穴蝕。等壓出油閥是在等容出油閥的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。近年來(lái),一些學(xué)者針對(duì)高壓油泵等容出油閥或等壓出油閥開展了相關(guān)研究。賈豐濤等[9]對(duì)影響油泵一致性的相關(guān)因素開展了研究,指出出油閥的開啟壓力是主要因素之一。李勇等[10]針對(duì)一裝有PMD噴油泵的發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)困難的問題,通過采取等壓出油閥代替原機(jī)泵的等容出油閥等措施,改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)性能和急速的穩(wěn)定性,分析認(rèn)為等壓閥的使用,提高了噴油泵怠速噴油量。李明海等[11]從針閥、柱塞偶件、等壓出油閥幾個(gè)方面對(duì)一燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)研究,通過采用等壓出油閥代替原等容出油閥,有效地改善了燃油噴射系統(tǒng)的穴蝕現(xiàn)象。陳光利等[12]針對(duì)3種噴油泵加裝阻尼閥裝置后的供油規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,相對(duì)于等容閥,采用阻尼閥裝置能獲得較高的泵端壓力和嘴端壓力,同時(shí)又能消除二次噴射現(xiàn)象,并能有效降低燃油消耗率。任憲豐等[13]在對(duì)某柴油機(jī)降低煙度的優(yōu)化過程中,發(fā)現(xiàn)匹配等壓出油閥的噴油器在燃油噴射后期的霧化效果要優(yōu)于原出油閥,出油閥對(duì)煙度的優(yōu)化效果較為明顯。鄭大遠(yuǎn)等[14]對(duì)柴油機(jī)噴油系統(tǒng)振動(dòng)噪聲開展了仿真研究,發(fā)現(xiàn)改變凸輪型線可以降低機(jī)械激勵(lì),而管內(nèi)流體激勵(lì)稍有降低,與之相比,將出油閥改為等壓型式可以大大降低噴油系統(tǒng)中燃油的脈動(dòng),故更能有效降低噴油系統(tǒng)引起的發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲。綜上,等壓出油閥在提高噴射壓力、改善系統(tǒng)二次噴射和穴蝕現(xiàn)象以及降低燃油系統(tǒng)振動(dòng)噪聲等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái),為實(shí)現(xiàn)更高的熱效率、更優(yōu)的排放,柴油機(jī)的噴射壓力不斷提高。高壓油泵等壓出油閥中阻尼孔大小的選取對(duì)燃油系統(tǒng)壓力的衰減、穩(wěn)定控制等具有重要影響。該阻尼孔一方面要具有所期望的節(jié)流效果,而另一方面要盡可能避免壓力波反射,確保在所有的運(yùn)行條件下高壓油管中的穩(wěn)定壓力在噴油間隔期間盡可能保持不變。通過選用合適的阻尼孔大小,既可以防止高速大負(fù)荷時(shí)的二次噴射,又可以避免低速小負(fù)荷時(shí)噴油不穩(wěn)定現(xiàn)象?；诖?本文主要針對(duì)等壓出油閥中的阻尼孔開展相關(guān)研究,分析阻尼孔對(duì)系統(tǒng)噴射特性的影響,以及不同阻尼孔大小對(duì)應(yīng)的高壓油管內(nèi)殘余壓力的波動(dòng)特性。

1 高壓油泵工作原理

本文研究的高壓油泵主要由凸輪組件、柱塞偶件和等壓出油閥組件3部分組成,如圖1所示。其中,等壓出油閥組件內(nèi)包括一個(gè)出油閥和一個(gè)回油閥,均采用球閥結(jié)構(gòu)。油泵具體工作過程描述如下。當(dāng)柱塞向上運(yùn)動(dòng),其頂面棱邊關(guān)閉進(jìn)油孔時(shí),柱塞腔內(nèi)就開始建立高壓,這個(gè)時(shí)間點(diǎn)被稱為“供油始點(diǎn)”。柱塞繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng),從而使系統(tǒng)內(nèi)燃油壓力升高,噴油器打開,開始噴油;當(dāng)柱塞上升到其斜槽的控制棱邊再次打開進(jìn)油孔時(shí),柱塞腔內(nèi)燃油泄出,高壓瞬間消失,噴油器針閥落座,噴油過程結(jié)束。進(jìn)油孔關(guān)閉到再次打開所對(duì)應(yīng)的柱塞行程即高壓油泵供油的“有效行程”。有效行程越大,供油量或噴油量也就越多。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷改變時(shí),通過調(diào)節(jié)齒桿帶動(dòng)柱塞旋轉(zhuǎn),進(jìn)而改變柱塞控制棱邊相對(duì)于進(jìn)油孔的位置,也就改變了高壓油泵供油的有效行程。

注:1.噴油器,2.高壓油管,3.等壓出油閥組件,4.出油閥,5.回油閥,6.柱塞腔,7.進(jìn)油孔,8.柱塞,9.柱塞套,10.凸輪,11.阻尼孔,12.鋼球,13.回油閥彈簧上座,14.回油閥彈簧,15.回油閥彈簧下座。圖1 高壓油泵原理Fig.1 Schematic of high pressure fuel pump

圖1中,阻尼孔與出油閥串聯(lián),在高壓油泵供油的過程中,回油閥彈簧上座抬起,球閥關(guān)閉,即阻尼孔在供油方向上不起節(jié)流作用。在供油過程結(jié)束、出油閥落座以后,回油閥會(huì)附加開啟,即阻尼孔在回油方向上會(huì)產(chǎn)生阻尼效果。若達(dá)到關(guān)閉壓力,則回油閥彈簧就關(guān)閉回油閥,從而保持高壓油管中的壓力不變。

2 模型建立及驗(yàn)證

根據(jù)高壓油泵結(jié)構(gòu)及工作原理,利用AMESim仿真平臺(tái)建立如圖2所示的高壓油泵仿真模型,該模型主要包括柱塞單元、回油閥、出油閥、高壓油管、噴油器幾個(gè)部分。其中,采用2個(gè)滑閥模塊分別模擬柱塞腔的吸油過程與供油過程,通過設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)2個(gè)滑閥分別與低壓油路的連通與切斷,用來(lái)實(shí)現(xiàn)柱塞斜槽對(duì)進(jìn)油和供油過程的控制功能;采用帶錐面密封的球閥模塊模擬出油閥和回油閥。

圖2 高壓油泵仿真模型Fig.2 Simulation model of high pressure fuel pump

為更好地捕捉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,高壓油管采用較為復(fù)雜的分布參數(shù)子模型,并考慮其容性、阻性與感性。此外,仿真模型中還考慮了油泵柱塞偶件以及噴油器控制柱塞偶件的間隙內(nèi)泄漏情況,柱塞偶件的高壓變形情況亦被考慮在內(nèi)。模型主要參數(shù)見表1。

表1 模型主要參數(shù)Table 1 Parameters of the model

圖3為額定工況下,泵端壓力與嘴端壓力的試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比?？梢钥闯?對(duì)應(yīng)壓力曲線的變化趨勢(shì)具有良好的一致性,所建立的仿真模型能夠較好地捕捉到泵端壓力、嘴端壓力的時(shí)序關(guān)系,以及系統(tǒng)工作過程中閥門開閉引起的水擊現(xiàn)象等。其中,試驗(yàn)測(cè)得泵端、嘴端峰值壓力分別為76、85.2 MPa,計(jì)算得到的壓力峰值分別為79.6、83.7 MPa,誤差分別為4.7%、1.76%,表明該仿真模型能夠滿足精度要求,可以用于高壓油泵供油過程的研究。

圖3 模型驗(yàn)證Fig.3 Validation of the model

3 阻尼孔對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響

圖4為系統(tǒng)工作過程時(shí)序圖。在柱塞向上運(yùn)動(dòng)的過程中,出油閥和針閥陸續(xù)打開;供油行程結(jié)束后,出油閥首先關(guān)閉,針閥隨后關(guān)閉且相對(duì)出油閥關(guān)閉有一定的液力延遲。回油閥則在供油結(jié)束后可能數(shù)次打開來(lái)不斷調(diào)整高壓油管內(nèi)的殘余壓力,直到系統(tǒng)壓力維持在目標(biāo)值。由4條壓力曲線可以看到,柱塞腔內(nèi)燃油壓力峰值最高,由于出油閥處節(jié)流等損失,高壓油管泵端壓力峰值較之有所下降;而由高壓油管嘴端壓力到噴油器盛油槽燃油壓力損失較小,二者壓力波動(dòng)趨勢(shì)也大體一致,與泵端壓力相比相位均有所滯后。

圖4 系統(tǒng)工作過程時(shí)序圖Fig.4 Time sequence diagram of working process of the fuel system

由上述分析可知,由于液力延遲以及運(yùn)動(dòng)件的慣性,在出油閥關(guān)閉、系統(tǒng)壓力以回油閥調(diào)節(jié)為主的噴射末期,噴油器仍以較高的壓力和較大的流率進(jìn)行燃油噴射。阻尼孔作為回油閥的主要結(jié)構(gòu),不同阻尼孔大小必然對(duì)系統(tǒng)噴射特性產(chǎn)生較大影響。

3.1 阻尼孔對(duì)噴射特性的影響

為研究出油閥阻尼孔大小對(duì)燃油系統(tǒng)噴射特性的影響,本文在典型工況下對(duì)阻尼孔在直徑0.1～3 mm范圍內(nèi)進(jìn)行了研究。圖5為阻尼孔大小對(duì)循環(huán)噴油量的影響,在阻尼孔由0.1 mm增大到2 mm過程中,循環(huán)噴油量減少了54 mm3,繼續(xù)增大阻尼孔,循環(huán)噴油量變化不大。以0.1、1.0以及3.0 mm阻尼孔為例,圖6展示了噴油器的噴油速率曲線,圖7為對(duì)應(yīng)的針閥位移和噴油器盛油槽內(nèi)燃油壓力曲線。

圖5 循環(huán)噴油量Fig.5 Cyclic injected volume

圖6 噴油速率Fig.6 Injection rate

圖7 針閥位移和噴油器盛油槽壓力Fig.7 Needle displacement and fuel pressure in delivery chamber

結(jié)合圖6、7,阻尼孔較小時(shí),噴油器的噴油持續(xù)期相對(duì)較長(zhǎng)、噴油量多,這源于兩方面原因。一方面阻尼孔較小時(shí),高壓油管內(nèi)殘余壓力相對(duì)較高,使得噴油開始時(shí)刻相對(duì)提前;另一方面,不同阻尼孔大小對(duì)噴油末期影響非常顯著,阻尼孔較小時(shí),噴油器關(guān)閉時(shí)刻相對(duì)滯后。這是因?yàn)?阻尼孔較大時(shí),噴油末期盛油槽內(nèi)燃油壓力下降速度快(如圖7),針閥落座較快;相反地,阻尼孔較小時(shí),系統(tǒng)內(nèi)壓力下降得慢,使得針閥落座速度也較慢,且在整個(gè)針閥落座過程中,盛油槽內(nèi)燃油壓力變化不大,噴油規(guī)律也因此相應(yīng)地出現(xiàn)一段“平臺(tái)”(圖6圈出部分)。此外,由圖6還可以觀察到在阻尼孔直徑0.1 mm時(shí),由于過小的阻尼孔卸壓能力不足,導(dǎo)致燃油系統(tǒng)還存在二次噴射現(xiàn)象。由以上分析可知,阻尼孔大小對(duì)噴油器噴射特性的影響,根本上是不同阻尼孔對(duì)應(yīng)的高壓油管殘余壓力大小不同,以及不同阻尼孔大小對(duì)系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)的速度不同。

3.2 阻尼孔對(duì)高壓油管殘余壓力的影響

為分析不同直徑阻尼孔的阻尼效應(yīng)以及對(duì)供油結(jié)束后系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)特性,圖8展示了阻尼孔直徑為0.1、1.0以及3.0 mm時(shí),阻尼孔前后的燃油壓力曲線。其中,阻尼孔前的燃油壓力即高壓油管泵端壓力,阻尼孔后燃油壓力即回油閥腔內(nèi)燃油壓力。圖9、10分別為對(duì)應(yīng)的回油閥閥芯位移曲線和阻尼孔流率曲線。

圖8 阻尼孔的阻尼效應(yīng)Fig.8 Damping effect of orifice

結(jié)合圖8～10,阻尼孔直徑為3 mm時(shí),回油閥閥芯位移相對(duì)較大,通過阻尼孔流回高壓油泵柱塞腔的燃油流率也更大,因此回油閥對(duì)系統(tǒng)殘余壓力的調(diào)整速度快,在一個(gè)工作循環(huán)中,回油閥約打開2次后便不再運(yùn)動(dòng),即高壓油管內(nèi)的壓力已經(jīng)調(diào)整到設(shè)定的壓力。調(diào)整后阻尼孔前后壓力幾乎沒有差異,阻尼孔的節(jié)流效應(yīng)不明顯。與之相比,阻尼孔直徑1.0 mm時(shí),回油閥閥芯的工作頻率更高,調(diào)整的時(shí)間略長(zhǎng),但僅在出油閥剛剛關(guān)閉之后的一小段時(shí)間內(nèi),高壓油管殘余壓力略高于回油閥腔內(nèi)燃油壓力。而對(duì)于0.1 mm阻尼孔,阻尼效應(yīng)最為明顯,回油閥閥芯位移較小,高壓油管流回高壓油泵柱塞腔的燃油流速也較小,阻尼孔前后壓力有明顯差異,且直到高壓油泵下一次供油這種差異一直存在。

整體上看,對(duì)于直徑0.1 mm的阻尼孔,其對(duì)應(yīng)的高壓油管內(nèi)的殘余壓力(黑色線)明顯高于1.0 mm和3.0 mm阻尼孔對(duì)應(yīng)的高壓油管殘余壓力,但與1.0 mm和3.0 mm阻尼孔相比,0.1 mm阻尼孔明顯衰減了高壓油管內(nèi)燃油壓力波動(dòng)的一部分高頻成分。此外,阻尼孔直徑3.0 mm時(shí),明顯存在零壓區(qū),即卸壓過度,燃油系統(tǒng)可能存在穴蝕現(xiàn)象。

為進(jìn)一步分析不同阻尼孔大小對(duì)應(yīng)的高壓油管殘余壓力波動(dòng)情況,對(duì)嘴端壓力作212點(diǎn)的FFT,圖11(a)為去除趨勢(shì)項(xiàng)后的高壓油管嘴端壓力曲線,(b)為FFT變換后得到的嘴端壓力頻譜。表2統(tǒng)計(jì)了不同阻尼孔大小對(duì)應(yīng)的高壓油管殘余壓力平均值、波動(dòng)能量值以及傅里葉變化得到的主頻率。

表2 高壓油管殘余壓力情況Table 2 Residual pressure in high pressure fuel pipe

由表2中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看到,阻尼孔較小時(shí),高壓油管內(nèi)有較高的穩(wěn)定殘余壓力,直徑為0.1 mm時(shí),高壓油管殘余壓力達(dá)到了10 MPa,超過了噴油器開啟壓力,顯然是阻尼孔過小導(dǎo)致卸壓能力不足,會(huì)造成不利的二次噴射現(xiàn)象;增大阻尼孔直徑,高壓油管殘余壓力減小,但過大的阻尼孔,使得殘余壓力較低,不利于下一循環(huán)噴油器的快速打開。表2中的能量值反映了高壓油管中燃油壓力在殘余壓力平均值上下的波動(dòng)劇烈程度,結(jié)果表明,阻尼孔直徑1.5 mm時(shí),高壓油管內(nèi)壓力僅在平均值上下作微小波動(dòng),相對(duì)穩(wěn)定,這對(duì)在固定工況下,各循環(huán)的供油始點(diǎn)和供油量保持相對(duì)穩(wěn)定是十分有利的。

由嘴端壓力的傅里葉變換結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),阻尼孔直徑在0.1～0.5 mm內(nèi)時(shí),高壓油管中的壓力波動(dòng)主頻率為830 Hz或2 563.5 Hz左右。而該供油系統(tǒng)中出油閥固有頻率為210.8 Hz,該主頻值與出油閥的運(yùn)動(dòng)存在較強(qiáng)的相關(guān)性,可分別近似認(rèn)為是4倍、12倍的出油閥固有頻率。因此,可以推斷阻尼孔較小時(shí),出油閥的運(yùn)動(dòng)是高壓油管內(nèi)壓力脈動(dòng)的主要原因。當(dāng)阻尼孔直徑在1.0～1.5 mm范圍內(nèi)時(shí),高壓油管中的壓力波動(dòng)主頻率為2 465 Hz左右,次主頻在805 Hz左右。而該供油系統(tǒng)中針閥固有頻率為269 Hz,該主頻及次主頻值可分別近似認(rèn)為是9倍、3倍的針閥固有頻率。因此,可以推斷阻尼孔在1.0～1.5 mm內(nèi)時(shí),噴油器針閥的運(yùn)動(dòng)是高壓油管內(nèi)壓力脈動(dòng)的主要原因。除此之外,該供油系統(tǒng)中回油閥固有頻率為353.3 Hz。阻尼孔直徑為2.0 mm時(shí),壓力波動(dòng)主頻值為781 Hz,阻尼孔直徑2.5 mm時(shí),主頻率為2 343 Hz,阻尼孔直徑3.0 mm時(shí),高壓油管中的壓力波動(dòng)主要包含頻率為2 441、756.8、1 489、366、1 147 Hz的成分,以上這些成分均可近似認(rèn)為是回油閥固有頻率的不同倍頻成分。由此推斷當(dāng)阻尼孔直徑大于2 mm時(shí),回油閥的運(yùn)動(dòng)是高壓油管內(nèi)壓力脈動(dòng)的主要原因。

4 結(jié)論

1)典型工況下,出油閥阻尼孔由0.1 mm增大至2 mm時(shí),噴油器循環(huán)噴油量降低了54 mm3,這是由于阻尼孔較小時(shí),噴油器開啟時(shí)刻提前且落座時(shí)刻滯后,噴油持續(xù)期延長(zhǎng),根本上是不同阻尼孔對(duì)應(yīng)的高壓油管殘余壓力大小不同,以及不同阻尼孔大小對(duì)系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)的速度不同的結(jié)果。

2)阻尼孔較小時(shí),阻尼效應(yīng)較為明顯,表現(xiàn)為:回油閥流率小,供油結(jié)束后高壓油管內(nèi)燃油壓力調(diào)整速度慢;高壓油管殘余壓力高,阻尼孔前后壓差較大,且這種差異存在于整個(gè)供油循環(huán)中,但較小的阻尼孔明顯衰減了高壓油管壓力波動(dòng)中的一部分高頻成分。

3)對(duì)高壓油管內(nèi)殘余壓力的分析顯示:殘余壓力隨著阻尼孔的增大而減小;此外,不同直徑的阻尼孔對(duì)應(yīng)的高壓油管內(nèi)燃油壓力波動(dòng)劇烈程度不同,其中阻尼孔直徑為1.5 mm時(shí),高壓油管內(nèi)燃油壓力保持在50 bar水平線上作小幅波動(dòng),相對(duì)最為穩(wěn)定,對(duì)固定工況下燃油系統(tǒng)多循環(huán)的噴油穩(wěn)定性是十分有利的。

4)對(duì)高壓油管殘余壓力的頻域分析發(fā)現(xiàn):供油系統(tǒng)中多種閥件的運(yùn)動(dòng)是高壓油管內(nèi)殘余壓力脈動(dòng)的主要原因,不同阻尼孔大小對(duì)應(yīng)的壓力波動(dòng)頻率不同;阻尼孔較小時(shí),出油閥的運(yùn)動(dòng)是高壓油管內(nèi)壓力脈動(dòng)的主要原因;阻尼孔較大時(shí),回油閥的運(yùn)動(dòng)是其壓力脈動(dòng)的主要原因。