周 磊,杨 昆,赵建华,聂 涛

(海军工程大学动力工程学院,湖北 武汉 430033)

1 引言

高压共轨系统能够基于对共轨压力的闭环控制,实现供油和喷油过程的相对独立[1-3],已成为柴油机节能减排发展的前沿技术,更柔性可控的喷油规律则是高压共轨系统优化过程中的发展方向[4,5]。然而,常规的共轨系统要求保持油压不变,喷油规律呈矩形,无法实现喷油规律的灵活改变。基于此,海军工程大学设计了增压装置,并将其加装在常规高压共轨系统的共轨管和喷油器之间,构成超高压共轨系统。该系统采用双电磁阀控制,分别用于控制增压装置和喷油器,通过调整增压装置和喷油器电磁阀的相对控制信号时序,能够实现柔性可控的喷油规律[6]。

众所周知,想要提升柴油机经济性和降低排放,就必须要改善燃烧过程,而燃烧过程与共轨喷射系统的喷油特性直接相关[7,8],国内外学者围绕共轨系统的喷油特性进行了相关研究,Dong Q等[9]对不同喷射压力和喷嘴结构下的高压气体喷射过程进行了试验研究,并且利用纹影成像方法研究了气体射流的宏观结构。结果表明:提高喷射压力并不能明显提高喷嘴的穿透力,同时,孔径的增大不能直接改善引气效果,也不能提高燃气射流的平均当量比;苏海峰等[10]通过试验研究和仿真分析相结合的方法,开展了控制参数对共轨喷油器喷油特性的影响研究,获取了喷油速率和喷油持续期等随轨压和喷油脉宽的变化规律。范立云等[11]以电控单体泵为研究对象,分析了系统喷射特性随结构参数的变化规律,结果表明:对喷射压力、循环喷油量以及喷油持续期影响最为明显的结构参数分别为凸轮速度、喷油器流量以及柱塞直径。但上述研究都只针对常规高压共轨系统,超高压共轨系统能够同时调整增压装置和喷油器控制参数,增压脉宽如何影响该系统的喷油特性还未系统解析和探明,故开展超高压共轨系统增压特性随增压脉宽的影响研究,对实现燃油喷射的精确控制以及柴油机性能的整体提升具有重要意义。

基于此,为探明超高压共轨系统喷油特性随增压脉宽的影响规律和成因机理,在介绍系统数学模型的基础上,建立了超高压共轨系统的仿真模型,并利用性能试验验证了模型的准确性,分析了在不同共轨压力下,增压脉宽对超高压共轨系统喷油特性的影响。

2 超高压共轨系统模型建立及验证

2.1 数学模型

2.1.1 增压装置

根据增压装置的工作原理,可将其分为液压腔和运动件进行数学模型的建立。

1)液压腔

增压装置的液压腔主要包括控制室和增压室,基于流体的可压缩性方程、伯努利方程以及泄漏方程[12],对于控制室,其燃油连续性方程可表示为

(1)

其中:Vcon为控制室容积;Pc为控制室压力;Q1为基压室至控制室的油量;Q2为控制室至电磁阀室的油量;Q3为控制室泄油量;Scon为控制室截面积。

同理,对于增压室,燃油连续性方程可表示为

(2)

其中:Vzy是增压室容积;Pz是增压压力;Q4为基压室到增压室的油量;Q5是增压室泄油量;Q6为增压室到喷油器的油量;Az是增压活塞小端面积;h为增压活塞行程。

2)运动件

增压装置的运动件主要是指增压活塞,其运动方程可表示为

(3)

其中:Ar为增压活塞大端面积;Ac为控制室活塞面积;ς为增压活塞阻力系数;m为增压活塞质量;k为复位弹簧刚度;y0为复位弹簧预压缩量。

2.1.2 喷油器

喷油器数学模型也可分为液压腔和运动件二大类,需要建立的方程主要包括控制室、压力室内燃油连续性方程、针阀运动方程等,由于其数学模型的建立过程与增压装置相似,故此处不再详细说明。

2.2 仿真模型

基于增压装置和喷油器的数学模型,建立的超高压共轨系统仿真模型如图1所示。模型主要由增压装置模型和喷油器模型两大部分组成。其中,模块23为高压源,用于替代高压油泵和共轨管,为系统提供稳定的共轨压力;模块8、9分别为阀芯带环槽活塞和阀芯右侧锥头,这是两位三通滑阀式电磁阀的重要部件;模块12、14以及15分别为增压装置的基压室、控制室以及增压室;模块28-31构成了喷油器针阀组件;模块34和36则分别为喷油器的控制室和压力室。

图1 超高压共轨系统仿真模型

2.3 模型验证

为验证仿真模型的准确性,利用超高压共轨系统性能试验台架,进行了喷油速率的测试,试验台架原理图如图2所示,主要由超高压共轨系统、电控单元、喷油规律测试仪以及数据采集系统等组成,利用喷油规律测试仪可以测量出喷油速率,通过数据采集系统能够实时采集喷油速率的测量结果。试验工况设置如下:共轨压力为100MPa,增压装置电磁阀控制信号范围为1.6-3ms,喷油器电磁阀控制信号范围为1-2ms。仿真工况与试验工况保持一致。

图2 超高压共轨系统性能试验台架原理图

喷油速率的仿真结果与试验结果对比图如图3所示,由图可知,喷油速率的试验值和仿真值基本吻合,证明了仿真模型的准确性。

图3 喷油速率仿真结果与试验结果对比图

3 仿真结果与分析

3.1 小喷油脉宽条件下

当喷油脉宽为0.8ms(喷油器电磁阀控制信号范围为1-1.8ms),控制时差(增压装置电磁阀控制信号开始时刻与喷油器电磁阀控制信号开始时刻之差,下同)为0.5ms时(即增压装置电磁阀控制信号开始时刻为1.5ms),在不同共轨压力下,增压脉宽对喷油速率的影响如图4所示,由图可知,随着增压脉宽的增加,喷油速率曲线形态近似于靴形,且保持不变。

图4 增压脉宽对喷油速率的影响

为解释上述现象出现的原因,以共轨压力为100MPa为例,作出了不同增压脉宽下的喷油器压力室压力曲线(见图5),由图可知,当喷油脉宽较小(0.8ms)时,在不同的增压脉宽下,整个喷油过程(从开始喷油到喷油结束)均被包含在压力室压力从共轨压力上升到最大增压压力的时间段内,由于这段时间,压力室压力的上升曲线趋势保持不变,因此,喷油过程仅仅取决于喷油控制参数,即当喷油时刻、喷油脉宽等不变时,喷油速率曲线形态保持不变,曲线形态近似于靴形则是在喷油的过程中由于增压装置的增压作用使得喷油压力升高造成的。

图5 不同增压脉宽下的喷油器压力室压力(共轨压力为100MPa)

根据上述分析,作出了在不同共轨压力下,增压脉宽对喷油特性参数(喷油压力、喷油量、喷油开启延迟、喷油关闭延迟以及喷油持续期)的影响如图6所示,由图可知,随着增压脉宽的增加,喷油特性参数均保持不变,只是随着共轨压力的变化而发生变化。

图6 增压脉宽对喷油特性参数的影响

3.2 大喷油脉宽条件下

当喷油脉宽为2ms(喷油器电磁阀控制信号范围为1-3ms),控制时差为0.5ms时(即增压装置电磁阀控制信号开始时刻为1.5ms),在不同共轨压力下,增压脉宽对喷油速率的影响如图7所示,由图可知,随着增压脉宽的增大,喷油速率曲线形态在达到最大喷油速率前保持不变,而在达到最大喷油速率之后,喷油速率维持在最大值的时间延长,且基本保持稳定,并出现了类似于“倒靴形”的曲线形态。

图7 增压脉宽对喷油速率影响

为解释上述现象出现的原因,以共轨压力为100MPa为例,作出了不同增压脉宽下喷油器压力室压力曲线(见图8),由图可知,当喷油脉宽较大(2ms)时,在不同的增压脉宽下,整个喷油过程(从开始喷油到喷油结束)均包含了压力室压力从共轨压力开始上升到恢复到共轨压力的阶段,由于喷油过程的前期,压力室压力的上升曲线趋势保持不变,因此,喷油速率曲线形态保持不变。当达到最大喷油速率之后,由于增压脉宽的增大,使得压力室压力维持在最大值的时间延长且基本保持稳定,这就造成了喷油速率维持在最大值的时间延长且基本保持稳定。喷油速率出现了类似于“倒靴形”的曲线形态则是由于在喷油还没有结束时,增压装置电磁阀控制信号的关闭使得增压压力迅速下降,并传递到喷油器压力室中,使得压力室压力迅速下降,即喷油压力迅速下降导致的。由于这种情况的发生,会极大的影响缸内油气混合,造成雾化不良和燃烧过程的恶化,因此应避免这种情况的发生,这就要求喷油过程应当在增压压力开始下降前完成。

图8 不同增压脉宽下的喷油器压力室压力(共轨压力为100MPa)

4 结论

1)在小喷油脉宽条件下,随着增压脉宽的增加,喷油速率曲线形态近似于靴形,且保持不变。同时,喷油特性参数随增压脉宽的改变均保持不变,只是随着共轨压力的变化而发生变化。

2)在大喷油脉宽条件下,随着增压脉宽的增加,喷油速率可能会出现类似于“倒靴形”的曲线形态,这是由于在喷油还没有结束时,增压装置电磁阀控制信号的关闭使得增压压力迅速下降导致的,为避免这种情况的发生,喷油过程应当在增压压力开始下降前完成。