二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)低壓共軌系統(tǒng)軌壓特性研究

1、 二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)低壓共軌系統(tǒng)軌壓特性研究張光德，李夢，謝露，孫敬（武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢，）摘 要：以二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立發(fā)動(dòng)機(jī)低壓共軌系統(tǒng)的仿真模型，分析影響共軌管壓力建立時(shí)間和壓力波動(dòng)的主要因素，并探討了共軌管內(nèi)的燃油壓力特性。結(jié)果表明，共軌管的容積、內(nèi)徑、長度、長徑比、油泵供油壓力對(duì)共軌壓力特性的影響較大，合理地選擇共軌管尺寸和供油壓力，既能維持共軌壓力的穩(wěn)定，也能保持較短的壓力響應(yīng)時(shí)間。關(guān)鍵詞：二甲醚；發(fā)動(dòng)機(jī)；軌壓特性；仿真二甲醚十六烷值較高，自燃溫度低，滯燃期比柴油短，很適合作為柴油機(jī)的替代燃料。二甲醚含氧量高，能有效抑制碳煙生成，實(shí)現(xiàn)零碳煙排放，等

2、質(zhì)量二甲醚的汽化潛能為柴油的倍，可大幅度減低柴油機(jī)的最高燃燒溫度，減少的排放；二甲醚低熱值為柴油的，為獲得良好的動(dòng)力性，必須將每個(gè)循環(huán)供油量增至柴油的倍（體積）。二甲醚理論混合氣熱值與柴油基本相當(dāng)，二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率可達(dá)到柴油機(jī)的同等水平。二甲醚可壓縮性較高，若直接用于常規(guī)的泵管嘴形式的燃油供給系統(tǒng)，致使其泵端和嘴端壓力上升及下降都比柴油慢，壓力上升始點(diǎn)延遲，實(shí)際噴油始點(diǎn)滯后，噴油后油管中有較大的殘余壓力，引起二甲醚的二次噴射，造成熱效率的急劇下降和排放的增加。因此常規(guī)的泵管嘴形式的噴射系統(tǒng)不適合作為二甲醚的供油系統(tǒng)?；诙酌逊悬c(diǎn)低、飽和蒸汽壓高、黏度低等特點(diǎn)，結(jié)合內(nèi)燃機(jī)均值燃燒（）理論，

3、本研究設(shè)計(jì)了低壓電控燃油噴射系統(tǒng)，構(gòu)建二甲醚可控預(yù)混合燃燒（）系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由主燃燒室和預(yù)混合室組成，噴油器在壓縮行程初期將二甲醚噴入預(yù)混合室，由于二甲醚具有良好的揮發(fā)性，因此可以將噴油器的噴射壓力控制在 左右。為此，本文以二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立二甲醚低壓共軌系統(tǒng)的仿真模型，并分析共軌管結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變和供油壓力等因素對(duì)軌壓特性的影響，以期為低壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)。二甲醚低壓共軌供油系統(tǒng)工作原理為解決二甲醚低黏度導(dǎo)致的磨損問題，用隔膜泵取代傳統(tǒng)噴油泵，使用磨損自補(bǔ)償噴油器代替?zhèn)鹘y(tǒng)噴油器，所構(gòu)建低壓共軌燃油系統(tǒng)如圖所示。二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)低壓共軌系統(tǒng)主要由儲(chǔ)液罐、隔膜泵、共軌管、磨損

4、自補(bǔ)償噴油器和電控單元 （）等部件組成。氮?dú)馄拷o儲(chǔ)液罐內(nèi)的二甲醚加壓使其保持液體，低壓油從儲(chǔ)液罐進(jìn)入隔膜泵，加壓后經(jīng)油管進(jìn)入共軌管，再經(jīng)油管分配到噴油器入口處。綜合分析各種傳感器信號(hào)，發(fā)出指令控制噴油器電磁閥的開啟時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間，控制噴油器的噴油時(shí)刻和噴油脈寬，并控制噴油泵壓力調(diào)節(jié)閥的信號(hào)輸入，使噴油泵輸出燃油保持合理的壓力。壓力傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測共軌管內(nèi)的壓力，并將壓力信號(hào)反饋到。限壓閥是共軌管的安全閥，當(dāng)共軌壓力過大時(shí)，開啟限壓閥進(jìn)行泄壓。數(shù)學(xué)描述低壓共軌系統(tǒng)模型由容器類模型、運(yùn)動(dòng)件模型、管類模型、電磁類模型和流體特性子模型等組成。對(duì)于系統(tǒng)中的管道模型，燃油在油管內(nèi)的流動(dòng)主要考慮連續(xù)方程（質(zhì)

5、量守恒）、動(dòng)量方程（動(dòng)量守恒）和物態(tài)方程。連續(xù)方程（質(zhì)量守恒）連續(xù)方程建立在質(zhì)量守恒的基礎(chǔ)上，時(shí)間和位置的偏微分方程為動(dòng)量方程（動(dòng)量守恒）動(dòng)量方程是在動(dòng)量守恒的基礎(chǔ)上建立的。對(duì)黏性阻力的圓管內(nèi)燃油層流流動(dòng)，若取一黏阻系數(shù)，則可得到如下方程：低壓共軌系統(tǒng)仿真模型通 過 綜 合 比 較 各 種 流 動(dòng) 仿 真 軟 件 ，選用公司開發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)供油系統(tǒng)的建模和仿真。軟件具有友好的人機(jī)交互界面，包含豐富的元件庫，參數(shù)設(shè)置方便，可極大地減少對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析的工作量，能較好地進(jìn)行建模和仿真分析。低壓共軌系統(tǒng)仿真模型如圖所示。隔膜泵模型本文主要研究影響共軌壓力特性的因素，對(duì)隔膜泵模型作相應(yīng)簡化。將隔膜泵簡化為

6、單向變量泵，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡化為調(diào)速電機(jī)，輸出壓力的大小由溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。管道模型建立合理的共軌管模型，能確保計(jì)算結(jié)果及結(jié)論如實(shí)反映實(shí)際情況。在研究低壓共軌系統(tǒng)中，采用“短管型接頭”的建模方式，既保持共軌管容積的連續(xù)性，又能體現(xiàn)共軌管的進(jìn)油、出油狀況，其中型接頭本身容積為，只起連接作用，從而保證壓力在共軌管內(nèi)傳播的連續(xù)性，較為準(zhǔn)確地模擬共軌管的工作狀況。管道模型的選擇范圍是根據(jù)其所連接的兩個(gè)液壓模塊的變化而改變?？紤]到共軌管的結(jié)構(gòu)特征，將其定義為集中參數(shù)模型（）。影響管道模型選擇的量包括長度直徑比（）、耗散數(shù)（）、管道內(nèi)波沿管道傳輸?shù)臅r(shí)間（），參照管道模型選擇過程，為各種尺寸的共軌管選擇合適的管道模

7、型。磨損自補(bǔ)償噴油器模型為解決噴油器的泄漏與磨損問題，我們設(shè)計(jì)一種新型二甲醚噴油器，精簡了傳統(tǒng)噴油器的精密偶件和回油管道，閥芯的閥桿與閥體接觸面磨損不會(huì)產(chǎn)生燃油泄漏，閥芯錐面的磨損通過閥芯彈簧的預(yù)緊力進(jìn)行補(bǔ)償，確保密封錐面可靠密封。建模時(shí)，將彈簧腔及油孔簡化為油管模型；閥芯在工作時(shí)經(jīng)受彈簧腔、壓力腔及噴射腔的油壓，可將其簡化為活塞、質(zhì)量塊和錐閥模型；將噴射腔和壓力油腔簡化為可變?nèi)莘e。通過實(shí)驗(yàn)表明，該噴油器各項(xiàng)工作性能正常，符合低壓共軌系統(tǒng)的工作要求。仿真結(jié)果分析共軌管容積共軌管容積設(shè)定以發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的需求量為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮油泵的供油流量。圖為共軌管長徑比為，共軌管內(nèi)徑為、，對(duì)應(yīng)的容積分別為、時(shí)管

8、內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化曲線。共軌管的壓力建立時(shí)間隨容積的增加而延長，壓力波動(dòng)幅度隨容積的增大而減小。共軌管容積能有效地減小噴油泵供油和噴油器噴油造成的壓力波動(dòng)，但過大的容積會(huì)降低共軌管的壓力響應(yīng)速度。長度圖為共軌管內(nèi)徑保持為、長度分別設(shè)定為、時(shí)仿真得到的壓力特性曲線。共軌管長度越大，容積就越大，軌壓建立時(shí)間延長，壓力波動(dòng)幅度逐漸變小。另外，共軌管的長度設(shè)定，需考慮與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的匹配，長度應(yīng)介于最小安裝間隔和發(fā)動(dòng)機(jī)最大長度之間。內(nèi)徑圖為共軌管長度為、內(nèi)徑分別為、時(shí)的共軌管壓力特性曲線。隨著共軌管內(nèi)徑的增大，容積相應(yīng)增加，軌壓建立時(shí)間延長，噴油時(shí)共軌壓力波動(dòng)幅度有減小的趨勢。共軌管形狀圖為共軌管容積保

9、持為時(shí)，在不同長徑比的情況下仿真得到的壓力建立時(shí)間和軌壓波動(dòng)的變化曲線。由圖可看出，在長徑比分別為、時(shí)，直徑越大，長度越小，壓力波動(dòng)幅度越小，壓力建立時(shí)間基本相當(dāng)，表明共軌管的形狀對(duì)其壓力特性有較大影響，細(xì)長的共軌管比短粗的共軌管的壓力波動(dòng)大，而軌壓建立時(shí)間受長徑比的影響較小。供油壓力圖為當(dāng)共軌管尺寸不變、油泵供油壓力為、時(shí)的共軌管壓力特性曲線。由圖可看出，供油壓力越高，軌壓建立時(shí)間越長；噴油器噴油階段，供油壓力越大，軌壓波動(dòng)幅值也越大；噴油結(jié)束后，供油壓力越小，軌壓的穩(wěn)定程度越高。柴油與二甲醚的軌壓特性對(duì)比圖為共軌管內(nèi)徑為 、長度為、油泵供油壓力為 時(shí)，柴油和二甲醚共軌管壓力特性曲線。由圖可

10、看出，由于二甲醚可壓縮性較柴油大，二甲醚的壓力建立時(shí)間比柴油壓力建立時(shí)間長；噴油器剛開始噴油時(shí)，二甲醚壓力有很大幅度的波動(dòng)，但整個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的平均壓力波動(dòng)幅度比柴油小。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比經(jīng)過綜合比較，當(dāng)共軌管直徑為、長度為、容積為時(shí)，共軌管壓力建立時(shí)間和壓力波動(dòng)狀況比較合理。為驗(yàn)證低壓共軌系統(tǒng)的共軌壓力特性，在二甲醚燃油系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖為噴射壓力為 、共軌管溢流壓力為 時(shí)低壓共軌系統(tǒng)噴油器入口處的壓力特性曲線。由圖可看出，仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本接近，驗(yàn)證了仿真模型的合理性，仿真分析的結(jié)果可為低壓共軌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。結(jié)論（）仿真結(jié)果表明，共軌管的結(jié)構(gòu)對(duì)共軌壓力建立時(shí)間、壓力波動(dòng)特性有較大影響，合理地選擇共軌結(jié)構(gòu)參數(shù)，可保證供油系統(tǒng)良好的壓力特性。（）實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的合理性，所建的模型能模擬二甲醚低壓共軌系統(tǒng)的工作過程。運(yùn)用進(jìn)行仿真計(jì)算，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和成本，能為實(shí)際供油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。（）建模過程中對(duì)部分模型進(jìn)行了一定的簡化，后期研究中將建立更完善的模型，并制定相應(yīng)的壓力控制策略。參 考 文 獻(xiàn)張煜盛，田威，鄭瑞二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射過程的數(shù)值模擬及其試驗(yàn)研究華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)