（机械工程专业论文）小型高速直喷式柴油机喷油规律建模、仿真及排放试验.pdf

兰塑窒望查兰三堡堡主童些堂垡堡苎 小型高速直喷式柴油机 喷油规律建模、仿真及排放试验 摘要 摘要 本文探索了利用动态仿真软件对供油系统喷油规律进行动态模拟及 分析的方法，并以威孚公司最新开发的p l 泵与成都内燃机厂生产的4 9 0 z q 柴油机的匹配为研究对象，研究了喷油规律及其对小型高速直喷式柴油 机排放的影响，本文内容主要包括： 1 小型高速直喷式柴油机燃油系统参数的合理选配 f 以威孚p l 泵与成都内燃机厂4 9 0 z q 直喷式柴油机匹配为例，通过燃 油系统参数的计算和p l 泵工作能力的计算，初步确定p l 泵与成内4 9 0 z o 柴油机的匹配参数范围。v 7 2 燃油喷射仿真模型建立及模拟计算 ：建立了泵一管一嘴燃油喷射过程的基本方程，包括泵端和喷嘴端的基 本方程、高压油管内流动的基本方程。利用h y d s i m 动态仿真程序对p l 泵的四个初选方案进行了泵端压力、嘴端压力和喷射率的模拟计算，结 合本文绪论中所提到的一些柴油机排放控制对策，初步确定柴油机试验 方案。1 ， 3 威孚p l 泵喷油规律实测试验和柴油机性能及排放试验 f 对威孚p l 泵的四个初选方案进行了泵端压力、嘴端压力和喷射率的 实测试验，通过喷油规律的实测数据和模拟计算数据的比较分析，确定 两个方案进行柴油机的性能和排放试验。实验验证了喷油规律对成内 4 9 0 z q 柴油机性能和排放影响。在总结喷油规律对小型高速直喷式柴油 机排放影响的基础上。对威孚p l 泵提出了改进意见，为下一步小型高 4 通过本课题的研究工作，作者从理论和实验两方面论证了威孚p l 泵的工作能力，并且本课题的方案4 已被成都内燃机厂所采用，作为成 内4 9 0 z q 柴油机以后满足欧一i 排放的最佳喷油泵方案。 关键词：喷油规律，直喷式柴油机，喷射系统仿真，柴油机排放 ! 塑窒望查兰王堡堡主主、业兰些堡苎 竺翌墨型翌二一 t h em o d e l l n go ff u e ll n j e o t i o nr a t e a n dt h ei n v e s t l g a t l 0 n0 ne m i s s i o n sf o r s m a l l g hs p e e dd i r e c t l n j e o t l o nd i s e le n g i n e a b s t r a c t i no r d e rt or e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf u e li n j e c t i o nr a t ea n d s m a l lh i g hs p e e dd i r e c ti n j e c t i o nd i s e le n g i n ee x h a u s te m i s s i o n s am e t h o dt o s i m u l a t et h ef u e li n j e c t i o nr a t ei si n t r o d u c e d i ti su s e dt ot h em a t c h i n go f t h ew e i f u sp lt y p ep u m pw it ht h e4 9 0 z od i s e le n g i n ep r o d u c e db yc h e n g d o u i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ef a c t o r y t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e a s f 0 1 1 0 w s ： 1 t h es e l e c t i o no ff u e li n j e c t i o ns y s t e mp a r a m e t e r s f o rs m a l lh s d id i s e l e n g i n e t om e e tt h er e q u i r e m e n to f4 9 0 z qe n g i n e sp e r f o r m a n c e ，t h e p lp u m pi s d e v e l o p e d t oc a l c u l a t e t h ep r i m a r yp a r a m e t e r s ，t h ef u e li n j e c t i o ns y s t e m c a l c u l a t i o ne q u a t i o n si sg i y e n 2 t h em o d e li n ga n ds i m u l a t i o no ff u e li n j e c t i o ns y s t e m t h eb a s i ce q u a t i o n sd e a lw i t hp u m ps i d e ，n o z z l es i d ea n dh i g hp r e s s u r e p i p ea r ee s t a b l i s h e d f o u rs c h e m e so fp lt y p ep u m pi sc a r r i e do u tt os i m u l a t e t h ep u m ps i d ep r e s s u r e ，n o z z l es i d ep r e s s u r ea n di n j e c t i o nr a t e t oa n a l y s et h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ep r i m a r yt e s ts c h e m eo fe n g i n e i sd e c i d e d 3 t h et e s t so nf u e li n j e c t i o nr a t e ，d i s e le n g i n ep e f o r m a n e ea n de x h a u s t e m i s s i o n s t h ep u m ps i d ep r e s s u r e ，n o z z l es i d ep r e s s u r ea n di n j e c t i o nr a t eo ff o u r p r i m a r ys c h e m e sa r et e s t e d a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so nt h es i m u l a t i o nr e s u l t a n dt e s td a t a ，t w os c h e m e sa r e s e l e c t e dt om a t c hw i t ht h e4 9 0 z qd i s e l e n g i n e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td a t at h a tt h ee f f e c to ff u e li n j e c t i o n r a t e o np e r f o r m a n c ea n de x h a u s te m i s s i o n so fd i s e le n g i n e ，t h em o d i f i c a t i o no fp l p u m pw a sm a d e s ot h a tt h ep lp u m pc a nm e e te u r o ie m i s s i o nr e g u l a t i o nt o t a ll y a f t e r w a r d i i i 卜海变通大学工程硕士专业学位论文 a b s t i 乙c t 4 i th a sb e e np r o v e dt h a tt h ep lp u m pc a r ls a t i s f yt h en e e do ft h er e d u c t i o i 7 o fe x h a u s te m is s i o n sa n dt h ei m p r o v e m e n to fp e r f o r m a n c ef o rs m a llh s d id is e l e n g i t i e k e yw o r d s ：f u e i n j e c t i o nr a t e ，d id i s e le n g i n e ，f u e l i n j e c t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n ，e x h a u s te m i s s i o n i v 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 自1 8 9 7 年德国工程师r u d o l fd i s e l ( 1 8 5 8 1 9 1 3 ) 发明第一台柴油机以来，柴油 机一直是当今世界内燃机的主流型式。由于它具有体积小、重量轻、热效率高、工 作可靠、排放和振动噪声低等优点，而在工业、农业、商业、交通运输业等国民经 济和国防建设各部门得到广泛应用。一百多年来，随着柴油机用途的不断扩大和人 们对它的要求不断提高，柴油机工业取得了飞速发展，柴油机技术有了极大的提高。 在过去的将近4 0 年间，柴油机的综合性能得到了很大提高，其强化指标平均有效压 力对高速强化型柴油机而言最大已 经达到了3 o m p a ，升功率已经达 到了4 0 k w l 以上，比油耗已经降 低到1 9 0 9 k w h 以下j 。对中小 型车用柴油机来说，发动机比油耗 已由5 0 年代的2 8 6g k w h 下降到 9 0 年代的1 8 9g k w h “】。图卜1 为过去4 0 年间日本日野汽车公司 发动机比油耗的演变过程。 在进入二十一世纪之际，人 类面临着人口急剧增长，工业生产 迅速发展，资源大量耗费且日见短 缺，环境日益恶化等一系列重大问 题。特别是近几年来，由于地球的 温室效应引起的灾害性天气不断增 加，使环境保护工作变得越来越重 ，o0 i s 那 g 撼麓 卦日懒 土 擎 t 时 i i , - i 辊摹列 ：暮# i：连幽 k 1 名 - 压中f l i 、 1 9 s s6 i6 st ai 5 ib 59 i t g 5 , i l f 蛋1 1 0 年旧目砰生甘机比抽艴曲下降l 皇 f i g u r e l - ld i e s e le n g i n ef u e lc o m s u p t i o n 要。实现经济一社会一生态复合系统的持续、稳定和健康发展即可持续发展已 经成为全球的共识而日益受到重视，人们对保护环境、节省资源的意识和要求不断 提高。【3 】一方面，要求不断提高发动机的燃烧效率以节省燃油消耗，另一方面，世 界各国纷纷制订排放法规来限制和降低有害气体排放、保护我们赖以生存的环境， 而且执行的排放法规日益严格。如在欧洲，欧共体已从2 0 0 0 年开始实施欧一i i l 排放 标准，美国已经开始执行t i e r2 超低排放标准，日本也在实施9 8 长期排放法规。 如果说前一段时期车用直喷式柴油机燃烧系统改进的目标主要是为了降低燃油 消耗，那么现在降低有害排放和燃油消耗已成为当今世界内燃机研究开发过程中最 主要的任务。 我国政府也非常重视节能和环境保护工作，把可持续发展作为我国的发展战略 而载入史册。我国已经制订了等效采用欧一i 、欧一i i 的发动机和汽车的排放标准，并 计划从2 0 0 0 年开始分阶段实施。另外，我国还准备实施汽车的“费改税”( 把征收 矧 川 咖 j旦訾箦塞 卜海交通大学工程硕士专业学位论文笙二至 养路费改为征收燃油税) 的政策。因此，提高柴油机性能、降低燃油消耗和排放已 迫在眉睫。 但是，无论是降低燃油耗还是降低排放，关键是如何有效组织燃烧过程，使燃 烧系统、进排气系统和燃油喷射系统之间实现合理、优化的匹配。实践表明，燃烧 系统的改进所带来的比油耗和排放的降低占有相当大的比例。而喷油系统是柴油机 的心脏，它对燃烧过程的改进起着决定性的作用。所以在柴油机的开发、匹配、研 究和改进过程中喷油系统参数的合理选择及其与柴油机进排气系统和燃烧室之间的 优化匹配始终是最重要的研究工作。 过去，由于受到制造技术、燃烧技术，特别是燃油喷射技术的限制，在小型高 速柴油机上多采用涡流( 分隔式) 燃烧室，其优点是燃烧过程容易组织，对喷油系 统的要求低，排放也相对容易满足要求，而其缺点是油耗高、起动性差等。因此， 在发达国家对小型高速直喷式柴油机的制造技术、燃烧技术，特别是燃油喷射技术 开展了大量的研究，取得了突破性进展，小缸径柴油机在多年前就基本上实现了直 喷化。而在国内，小缸径高速柴油机正处在由涡流型向直喷型发展的转型期，面临 着柴油机燃油系统与燃烧系统之间进行匹配、优化等诸多问题。因此，对小缸径高 速直喷式柴油机用燃油系统的选型、匹配、喷射过程及其对柴油机性能和排放等的 影响进行深入研究具有很大的实际意义。 1 2 国内外排放法规介绍 自1 9 2 4 年德国的曼恩公司首次将柴油机应用于载重汽车以来，柴油机使用范围 不断延伸，除城市公交大量采用柴油车替代汽油车外，中型车和轿车采用柴油机作 为动力的也越来越多，现在全世界每年生产上千万台的柴油机，大约一半用于公路 交通车辆上，目前全世界车辆保有量已超过7 亿辆，车辆的猛增，带来的影响也在 增大；排放、噪声、交通事故等等都是人们日益关注的问题，据资料报导，美国大 气中8 2 c 0 、9 8 n o ，、5 8 h c 来自汽车排出的废气。日本更严重；9 9 c o ，9 8 n o ，和 3 6 h c 来自汽车排放。而目前我国汽车尾气年排放量c o 达1 0 0 0 万吨，h c 和n 0 、排 放量分别达到i 0 0 万吨以上，北京市机动车辆排放量在污染物总排放量中的比重c 0 达5 8 4 ，h c 达8 6 8 ，n o x 达4 6 t 6 o 6 0 年代中期，废气排放的极限值第一次在美国加利福尼亚生效，随后在整个美 国和许多工业发达国家都通过了类似的法规，随着环境保护意识的不断加强，各国 对汽车排出的废气限制法规日益严格，我国从1 9 8 3 年起有了自己的排放标准，但从 与柴油机有密切关系的n o x 和附来看，比发达国家相对宽松些，这从一个侧面说明 排放控制在我国任重道远。1 9 9 9 年3 月1 0 日国家技术监督局又颁布了四个强制性 标准压燃式发动机和装用压燃式发动机车辆排气污染物限值和测量方法、汽车 污染物排放限值和测量方法、汽车发动机净功率测试方法、压燃式发动机和装 用压燃式发动机车辆排气可见污染物限值和测量方法，这四个相当于欧洲i 号标准 法规的颁布标志着中国汽车工业排放控制正逐步向世界汽车工业接轨。表卜1 给出 了美国汽车的排放标准【1 3 j 表卜2 给出了欧洲当前及未来的标准，表卜3 给出了我 国的排放标准。由于测试方法的不同，美国的标准和欧洲的标准严格程度有一定的 差异，大体上9 4 年标准与欧洲i i 号标准相当，9 8 年标准与欧洲i n 号标准相当，我 国9 9 年标准与欧洲i 号标准相当。从美国和欧洲的标准可以看到，对柴油机的排放 2 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章 要求是分阶段的，在n o x 降低到一定程度后，对p m 提出了更严格的要求。 表卜1 美国汽车排放限值 际准 c oh cn o xp mp m试验实施 g k w h；k w hg k w hg k w hg k w h程序时间 e p a 9 42 0 51 7 46 7 10 1 3 40 1 3 4瞬态1 9 9 4 e p a 9 82 0 51 7 45 3 6o 1 3 40 0 6 7瞬态1 9 9 8 e p a 2 0 0 02 0 51 7 43 2 1 6o 1 3 40 0 6 7瞬态2 0 0 0 对柴油机来讲，主要的排气有害物是n 0 。和颗粒，而c 0 和h c 相对比较少，有 资料表明，柴油机的c o 排放仅为汽油机的1 3 0 ，对大气污染不产生严重影响，而 且比较容易通过燃烧系统的完善加以解决，n o 。和p m 是柴油机排放控制的关键问题。 表卜2 欧洲排放限值 标准 c oh cn o xp mp m试验 实施 g k w hg k w hg k w hg k w hg k w h程序时间 e u o1 1 22 41 4 4e c e r 4 9 1 9 8 8 e u i4 51 18 00 3 60 6 1e c e r 4 91 9 9 2 e u i i4 01 17 oo 1 5o 2 5e c e r 4 91 9 9 5 e u i i i2 1o 6 65 o0 10 1 3e s cl r t2 0 0 0 表l 一3 中国排放限值 标准 c oh cn o xp mp m试验 实旌 g k w hg k w hg k w hg k w hg k w h程序时间 g b l 7 6 94 51 18 o0 6 1o 1 5e c e r 4 9 2 0 0 0 l 一9 9 g b l 7 6 94 o1 17 0o 3 6o 1 5e c e r 4 9 2 0 0 5 l - 9 9 注：( 1 ) 在欧洲标准中，微粒控制标准按发动机单缸排量执行两种标准，对于 小于0 7 升单缸排量发动机执行放宽限值。 ( 2 ) 在美国标准中，执行美国瞬态测试循环，试验标准比欧洲标准更符合发动机 实际使用工况。 ( 3 ) 在美国标准中，微粒控制标准发动机应用种类执行两种限值标准，城市公共 汽车发动机执行较严格的限值标准。 从整机性能优化的角度来看，这里存在两个大的矛盾点： ( 1 ) n o 。降低和颗粒减少是矛盾的。 英国r i c a r d 公司对柴油机在采用各种技术措施后n o 。和颗粒排放量之间的关 系进行了统计，统计结果表明了柴油机排出的n o 。和颗粒排放量之间的矛盾关系， l ：海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章 这给柴油机排气中有害成分全面满足排放标准带来了困难。统计数据也表明通过采 用不同的技术，n o i 和颗粒的总体排放水平在不断降低。增压、中冷、高压喷射、 电子控制、低润滑油消耗等措施都对降低n o , 和颗粒排放带来好处。【5 1 ( 2 ) 燃油经济性和降低n o ；是矛盾的。 例如，采取延迟喷油是控制n o x 的常用方法之一，但这类措施对燃油经济性有 不利影响，有研究认为1 6 1 油耗会增加约8 - 1 0 。要使未来的柴油机不但满足排放要 求，而且保证富有竞争力的优越的燃油经济性( 这同时是未来c 0 2 排放要求) ，完成 这样的任务是有相当难度的。 面对严格的排放标准，特别是美国1 9 9 1 年和1 9 9 4 年重型柴油机标准的挑战， 世界各发动机公司进行了大量的研究和发展工作。现在可以说，通过改善燃烧室设 计，改进燃油系统的特性，采用低的进气温度和特别注意机油消耗，采用或不采用 电子装置都可以满足美国9 1 年或是欧洲一i 排放法规，同时，满足此排放标准规定， 可以不采用排气后处理装置【8 】。 1 3 柴油机中n o x 与颗粒的生成 1 3 1n o x 与颗粒的组成和生成机理 n o x 是各种氮氧化物的总称，其中包括n o 、n 2 0 ：、n z 0 3 、n 2 0 、n 2 0 n 及n 0 。等。内燃 机中从排气管排出的氮氧化物中n 0 占9 0 9 5 ，n o 仅有少景存在，其他成分可以忽 略，n o 与大气中的氧相遇后进一步氧化为n o ， s l o 据资料介绍 s i p n o , 总体上有三种生成机理：热n o x ，“即时”n 0 。和“燃油”n o , 。 热n 0 ，是指高温燃烧过程中因离解反应同时生成氧和氮的原子和分子，根据 z e l d o v i c h 理论，这些原子和分子接着形成的氮氧化物，“即时”n 0 。是指，预混合 燃烧的贫氧火焰层中的化学反应产生h c 根，它与氮分子一起形成氰化物，而后通过 副反应从氰化物形成氮氧化物。“燃油”n o 。是指在相对较低温度下燃烧期间从燃油 边界区脱离的氮生成的氮氧化物，在柴油机中热n o , 占主要的，即时”n o 。和“燃 油”n 0 ，则微不足道。 通常，认为n o ，主要产生在缸内局部高温区，受燃烧温度和滞留时间以及当地 氧的浓度这三个因素影响。关于n o x 生成尚有一些新的研究，例如文献聃1 中通过光 导纤维来反应缸内的情况，经光谱分析后认为n o , 的生成与一种中间产物c n 的相关 系数较大，而与燃烧温度的相关性值得怀疑。相信这些工作对将来迸一步研究n o 。 的生成机理有所帮助。 与n 0 。不同，颗粒大量生成于燃烧前期，在燃烧后期部分被氧化而使总的排出 量减少，它的构成很复杂，根据美国联邦政府对重型柴油机车量的测定结果表明： 碳烟占整个颗粒重量百分比的3 2 ；未燃滑油占4 1 ；未燃燃油占7 ；碳化物、水 分占1 4 ；硫酸盐占6 。具体的数值在不同的机型中会有一定差异，但总体上未燃 油和碳烟( 包括来自润滑油的) 占了相当大的比例。 颗粒物的生成相当复杂，总的来说是由于碳氢燃料的不完全燃烧而成。碳烟的 生成据信是由于碳氢燃料在缺氧的条件下，经高温加热分解成甲烷和乙烯之类的低 分子碳氢化合物，这些化合物一面进行脱氢反应，一面聚合成2 0 一3 0 纳米的碳烟颗 粒，最后小颗粒进一步成长为5 0 2 0 0 纳米的大颗粒【5 】。 4 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章 132 影响n 0 。与颗粒排放的因素 ( 1 ) 进气温度和进气涡流的影响 降低进气温度是控制n o ，的传统方法之一，显然，低的进气温度使柴油机工作 循环起点温度降低，则循环的最高温度亦降低。另一方面低温使进气密度增大，导 致过量空气系数也增大。国外的试验数据表明低温进气是改善n o 。和碳烟好方法， 但达到一定温度后再降低温度对n o 。的改善不明显了阳1 。 关于进气涡流的影响，一般认为降低涡流会削弱燃油喷雾冲量的渗透率以及未 燃涡流对正在燃烧的喷雾区域的补充，因而n o 。降低，基于同样考虑，碳烟会恶化。 在采用高压喷油装置的燃烧系统中，为不使n o 。恶化，常常采用较低的涡流值】。 关于直喷式柴油机进气涡流比的研究可在许多文献中看到 1 0 1 。 ( 2 ) 喷油定时的影响 采用延迟喷油控制n o ，也是一个传统的措施，但它对经济性有不利影响。随着 喷油的延迟，n o 。的排出量减少，但颗粒的排出量从整体上讲会增加，同时发动机功 率下降，h c 和c 0 的排量上升1 6 j o ( 3 ) 喷油压力的影响 高的喷油压力与可变喷油定时一样对减少排放量是极其重要的。高的喷油压力 可在根本上把碳烟保持在最低水平，然而为了确保好的燃油经济性，需要把高压喷 射下的喷油持续期进行优化 6 1 0 高的喷射压力下n o ，有一定的增加，这是由于喷油压力提高后而滞燃期不变，但 在滞燃期内卷吸入喷雾中的空气量增加，这意味着初期放热率升高，导致发动机压 力升高比上升，n o ，的排放量增加。 高的喷油压力对于低涡流、直喷式发动机更为重要：雾化主要靠燃油喷射来完 成。因此这类发动机常常选用单体泵，以使最大喷油压力能达到1 5 0 0 b a r 以上。 ( 4 ) 滞燃期内喷入的油量的影响 滞燃期内喷入的油量对于减少n o 。的效果是很显著的，它是混合过程中影响n o 。 生成的重要因素。当然，油束周围的局部混合气体形成及着火延迟也很重要。文献【8 l 认为减少滞燃期内喷入的油量，使得着火延迟较小，成为降低n o ，的支配因素。 ( 5 ) 其他因素的影响 影响柴油机排放的因素有很多，如柴油机燃烧中的溢流扰动的影响、柴油机压 缩比的影响、增压压力的影响、机油耗的影响、喷油系统中喷油持续时间、喷孔的 结构、喷嘴启喷压力、燃料成分等都是影响因素，另外还有两个有效措施：废气再 循环、排气后处理。由于目前小缸径高速直喷式柴油机暂时不考虑废气再循环和排 气后处理方法，以上因素和措施就不再展开。 1 4 直喷式柴油机排放控制对策 进入九十年代，柴油机的经济性提高的幅度没有七、八十年代显著，主要是因为 随着车辆的迅速增加，排放已成为一个主要问题，当前燃烧和燃油喷射技术在兼顾 油耗，使得柴油机的动力经济性水平不降低的情况下，正向降低排放方向发展。表 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章 14 给出了美国康明斯( c u m m i n s ) 公司降低柴油机排放措施的演变历程。从表中 可以看出燃料喷射系统的改进及油、气、室三者的匹配是重要的一个方面。 表卜4 、美国c u m m i n s 公司降低柴油机排放方案 年份 n o x微粒配气系统燃料喷射燃烧系燃料废气处 g k w系统统 理 h 1 9 7 0n o +增压中冷控制空燃提高气 h c比，采用 缸零件 1 9 8 41 0 o固定定时强度 的机械喷 射系统 1 9 8 51 0 7o 6提高增压采用小压提高压 压力力室喷油缩比 1 9 8 9降低进气嘴，喷射 温度压力达到 9 1 9 8 m p a 1 9 9 06 o0 6增压中冷延迟喷射研究改含硫量 高速透平定时的机进活塞 0 2 5 - 响应械喷射系燃烧室0 1 0 统，两级形状 定时控制 1 9 9 15 o0 2 5增压空气电子控制优化压含硫量 中冷喷射定时缩比，0 1 0 1 9 9 3 喷射压力减小燃芳香烃 达到1 1 9 烧室余 3 5 1 2 6m p a隙容 积，控 制润滑 油耗量 1 9 9 45 o0 1 0增压空气电子控制 研究燃含硫量市区车 市区中冷喷射定时烧室形0 0 5 辆采用 1 9 9 5车辆 进一步提和喷射率状，控芳香烃微粒捕 为高增压压形状，喷制润滑3 5 捉器， o 0 5 力射压力到油耗量采用优 1 4 0m p a 质燃 0 0 7 料。 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第一章 1 9 9 84 0o 1 0增压器采进一步实 进一步 市区用陶瓷转现电子控控制含 车辆制硫量及 为芳香烃 o 0 5 含量 o 0 7 目前传统的燃油喷射系统与电控燃油喷射系统共存，所以对燃油喷射系统参数 的优化控制，主要有两个方向： ( 1 ) 传统形式供油系统的优化和控制 ( 2 ) 高液压电控喷油系统的控制 例如r o b e r tb o s c h 公司为满足1 9 9 1 1 9 9 4 年的排放极限值，提出喷射系统的发展 方向 2 6 1 一嘴端喷射压力1 9 9 1 年达到1 2 0 0 i 1 4 0 0 b a r ，1 9 9 4 年达到1 3 0 0 1 5 0 0 b a r ： 一减小喷油嘴的压力室容积，并采用孔数为6 8 个，喷孔直径小，长度短的 喷油嘴 一在标定工况时，喷油持续期控制 2 1 0 一 在3 0 。曲轴转角； lll 一根据需要，按照发动机负荷、转 ijif 速、气温及大气压力来控制喷油定卜1 俨矗p 扎十一一 时。 ij1 |l 而世界上著名的发动机研究所 夏脚l l 圭墼il ( 如a v l ，r i c a r d o 等) 面对日益严 蓑 lf i 础il 曩篥藉赣鋈器篆暴磊裹粟雾檠，荽銎。l 兰多至三r 坷 放柴油机喷油系统的技术方案。其h ，h 主要趋势表现为： j杉乒 表面粗 糙度值 毛、，i 、一二一u 】 ，一一i 如 ? j多，7 1 、一7 图2 - 3 油膜厚度计算 f i g u r e 2 3 l u b et h i n k n e s sc o u n t 从式( 2 1 2 ) 可以推断，卷吸速度u 对油膜厚度影响最大，如果滚轮不滚动，卷 吸速度1 2 就会减小5 0 ，很容易造成凸轮表面擦伤。 2 4 2 许用最高转速的限制 转速超过一定值，在负加速度段往复运动件惯性力超过弹簧力后，滚轮与凸轮 就会脱开，产生刺耳的噪声，并损坏凸轮和滚轮，这限制了油泵的最高使用转速。 ( 1 ) 滚轮与凸轮的脱开现象 图2 4 是笔者在b o s c hm 型喷油泵上实测的柱塞升程曲线。该泵额定转速为 2 4 0 0 r m i n ，最高空转为2 7 0 0 r m i m 。图中实线为1 5 0 0 r m i n ，虚线是提高转速实测 的柱塞升程曲线。从3 0 0 0 r m i n 开始，升程曲线在顶点附近出现凸起，显然是滚轮 脱开了凸轮。根据脱开点的升程算出此点弹簧力为2 9 4 n ，根据实测的加速度算出此 点惯性力为3 0 6 n ，这证明了惯性力超过弹簧力后挺柱与凸轮就会脱开。脱开后再重 新接触时产生撞击，接触表面很快被撞出麻点而损坏。笔者用一台i 号泵做试验， 实测脱开转速后提高l o o r m i n 运转l 小时，拆开检查时发现凸轮表面已出现严重的 麻点。 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第二章 ( 2 ) 脱开转速的确定 油泵设计者应该计算弹簧力与惯 性力之间的关系，并确定滚轮脱开凸 轮的转速。p l 泵在2 2 6 0 r m i n 下的弹 簧力与惯性力曲线见图2 5 。在凸轮 顶点处，惯性力已达到弹簧力，这就 是p l 泵的脱开转速，油泵在任何工况 下，都不允许超过此转速。 ( 3 ) 凸轮型线与弹簧参数的合理 匹配 脱开转速只要略高于最高空车转 速就可以了。以p l 泵为例，目前所有 配套的机型最高空车转速不超过 2 0 0 0 r m i n ，脱开转速只要达到2 0 5 0 就可满足要求。因此可以采用较软的 弹簧，以降低弹簧钢丝剪切应力和弹 簧力产生的滚轮对凸轮的接触应力。 也可以加大凸轮型线的负加速度，以 缩短负加速度段的延续角，从而加大 切线段延续角，以取得更高的供油速 率。 缩短负加速度段的延续角的另一 条途径是用足弹簧力储备，即在脱开 转速下，负加速度段的所有点上惯性力与弹簧力都相等，以图2 - 5 为例，如果负加 速度段的惯性力与弹簧力曲线完全重合，负加速度曲线围成的面积就会增加，根据 正负加速度面积相等的原则，负加速度段的延续角必定减小。惯性力与弹簧力相等 的条件写成方程为： ( 2 - 1 3 ) i l l 惯性质量；h 凸轮升程；t 时间；c 弹簧刚度；h o 弹簧预压缩行程； 求解式( 2 - 1 3 ) 可得出负加速度段的凸轮升程表达式： 一盯 h = ( b m + h o ) c o s p o h o- ( 2 - 1 4 ) p = 1 f 三 c olm h m 凸轮最大升程：( - ) 脱开转速对应的凸轮角速度；o 从凸轮顶点开始的凸 轮转角； 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第二章 8 u 函数凸轮28 柱塞弹簧9 柱塞颓幸亍程33 d2 2 6 0 r m i n | 一 j 卜 惯性女 j 、 7 卜 弹簧力 = 23456 挺柱升程( 砷) 图2 - 5 凸轮脱开转速 f i g u r e 2 - 5c o m ea w a yv e l o c i t yo f c a m 2 5 本章小结 通过以上估算，并结合生产实际，我们选择如下表2 - 3 所示的燃油系统的主要 匹配参数范围来与成内4 9 0 z q 柴油机进行配试： 表2 - 3 成内4 9 0 z q 柴油机燃油系统主要匹配参数范围 匹配参数取值范围 喷油泵型号p l 泵 柱塞直径( m m )9 9 5 凸轮升程( m m ) 8 5 9 出油阀减压容积( m i l l 3 ) 4 5 2 出油阀直径( m m ) 5 出油阀减压升程( m i l l ) 2 3 喷油嘴孔数 5 喷油嘴孔径( m m ) o 2 3 高压油管尺寸( f i l m ) 十6 十1 6 4 3 0 、4 6 m 1 8 ( 外径内径长度) 4 3 0 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第二章 通过以上燃油系统参数的估算和以前配试结果表明，利用本文给出的燃油系统 参数的估算方法得到的参数范围具有足够的精确度。同时，柴油机也获得了令人满 意性能指标。利用这一方法使我们大大减少了配试所选用的参数的组合方案数，从 而也使我们的配试工作量大大减少，不但提高了配试效率和成功率，而且也降低了 产品开发成本，加快了产品开发进程，掌握了产品推向市场实现商品化的主动权。 同时，通过以上燃油系统参数的估算，为下面供油系统参数的优化匹配打下了 基础。 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第三章 第三章小型高速直喷式柴油机燃油系统喷射过程仿真建模 3 1 引言 众所周知，燃油喷射过程与柴油机的动力经济指标，排放和噪声密切相关。随 着内燃机工作者认识到燃油喷射的重要性以及计算机技术的发展。早在7 0 年代，世 界上就开展了燃油喷射仿真计算工作。进入8 0 年代，已基本实用化。以前通过试验 研究，不但要花费大量的人力、物力，而且试验局限于一定的范围，不可能带有普 遍的意义，尤其是在试制新产品时，试验往往带有探索性。利用计算机对燃油的喷 射过程进行模拟，可以分析影响喷射过程的各种主要因素，而且可以在很短的时间 内对不同的方案进行分析比较，以发现设计的缺陷和优化的方向，无疑会节省大量 的成本。因此目前这种方法已成为设计和改进燃烧系统的有效手段之一。 目前存在于计算中的最主要的问题是如何尽量全面的考虑影响喷射各种因素， 以提高计算的精度。另外，就是提高程序的模块化程度，以适应不同喷射系统的需 要，高耶尔( g o y a l ) 是最先指明模块化编程的人之一，模块化编程的好处是可以减 少由于系统设计的改变而带来的大量工作量。为模拟一个燃油喷射系统的喷射过程， 必须求解整个系统的压力波以及流动，尤其是求解泵端到嘴端的压力传播必须具备 足够的精度。因此，任何仿真计算程序必须包括两大核心，即油管内液体流动方程 的求解和机械部件的动力学计算。所有仿真模型的差别不在于所建立的数学方程， 而在于如何求解描述高压油管内液体流动的偏微分方程。最流行的计算方法是特征 线法，w y l i e 等 2 9 1m a t s u o k a 等d ”、g o y a l 【3 1 i 、g i b s o n1 3 2 1 、等都采用此种方法。 另外一种常用的方法是有限差分网格，例如龙格一库塔法，s c u l l e n h a m e s l 2 5 1m a r c i c 和k o v a c i c 2 5 1 等就采用了此种方法，其他象k u m a r 等人则使用了两步松弛温德罗夫 ( w e n d r o f f ) 法。同时在他的论文中也用特征线法作了对比验证，此外还有蛙跳及 牛顿一拉斐森( n e w t o n r a p h s o n ) 法。 每一种方法既有它的优点又有它的缺点。例如特征线性法在处理系统中可能发 生的空泡现象时，就会出现问题，而有限差分网格法则正好相反。在有限差分网格 法，时间也是一个需要考虑的重要因素，不过牛顿一拉斐森法较特殊，它对时间因素 要求不高。 对每一种方法而言，可以采取不同精度的假定。例如，对流项和输项在动量守 恒方程一般是忽略的，因为忽略这两项精度降低很少，相反如果加上这两项，模型 将过于复杂，m a t s u o k a 等人“们在他们的论文中指出，忽略这两项带来的误差小 于2 。另一个重要的假定是忽略零部件( 包括高压油管) 的弹性变形，原因与上 面相同。然而象燃油体积模量和密度随压力的变化，一般是要考虑的。尽管有时它 被假定为常数。可以采用d o w 和f i n k 2 5 1 推荐的表达式。此外，m a t s u o k a 等人曾 提出一个修正公式，即在泵端与油管连接处存在压力波的阻尼现象。另外两个应当 考虑的现象是燃油泄漏和燃油喷射系统中尤其是高压油管中的空泡现象。g i b s o n 、 m a r c i c 和k o v a c i c 等人总结出了计算燃油泄漏的经验公式13 2 1 ，主要应用在柱塞腔 和嘴端高压腔，空泡现象的发生是在压力降低到低于零和保持在零以下时，空泡 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第三章 体积的计算用质量连续方程，在体积减少到零时空泡结束。在发生空泡时，燃油密 度，体积模量和声速都要相应地加以调节。在c a r c o u m a n i s 和r j f a i r b r o t h e r 的 论文中提到了这一修正方法。 3 2 泵一管一嘴燃油系统喷射仿真数学模型 为模拟喷油规律，一般要将燃油系统抽象为理想的系统，包括下列主要的部件： 供油腔；柱塞腔；出油阀和出油阀腔；高压油管：喷油嘴高压腔和针阀；嘴端压力 室和喷孑l 。对应每一部件相应有不同的输入模块和计算模块。如图3 - 1 所示。 6 油嘴压力室 7 针阀 图3 - 1 喷射系统组成及其简化的理想模型 f i g u r e 3 - ls t r u c t u r e a n dm o d e lo f l n e c f i o n s y s t e m 在众多因素中，有些因素对于最终的计算结果影响不大或没有影响。本文针对 现有的p l 泵，作了如下的假设： ( 1 ) 忽略动量守恒方程中的对流和输运项； ( 2 ) 忽略喷油系统各刚性零部件( 包括高压油管) 的弹性变形； ( 3 ) 忽略柱塞偶件、针阀偶件等径向间隙处的泄漏； ( 4 ) 在一次燃油喷射过程中燃油的温度保持恒定： ( 5 ) 在被研究的微小区域内同一瞬时压力处处相等； ( 6 ) 在一被研究的闭区域内压力小于零时，则产生“空泡”； ( 7 ) 节流部分的流量系数取为固定值。但喷油嘴孔处流量系数最好采用试验值； ( 8 ) 在选定工况下，认为燃油的密度和粘度为常数； ( 9 ) 不考虑弹簧振动的影响。 符号说明 常用符号： 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第三章 r 一燃油比重，k g m 3 g 一重量加速度，m s 2 a 一燃油的声速，m s t 一时间，s 与泵，高压油管，喷油器有关的符号： v 一体积，m 3 u 一速度，m s s 一面积i l l 2 k 一弹簧刚度，k g m u 一流量系数 y 一弹簧的运动位移 下标： c 一柱塞或柱塞室 n 一油嘴针阀或油嘴蓄压室 p i n 一进油孔 d a 一柱塞室与出油阀室之间的连接孔 n c 一油嘴喷孔部分 l i n 一出油阀室出口或油管进口 s a c 一油嘴压力室 3 2 1 基本方程 一、连续方程 如图3 2 所示。在每一个容积， 应考虑液体的可压缩性。 q i = q 。t + d q p 一燃油密度，k g f 1 1 1 3 e 一燃油弹性体积模数，k g m 2 k 一油管内的阻力系数，i s p 一压力，k g m 2 x 一距离，m m 一运动系统等效质量k g s 2 m c 一阻尼系数，k g s m b 一有效承压系数 y 。一弹簧的预紧长度 d 一出油阀或出油阀室 l 一高压油管 p o u t 一出油孔 n a ，n b 一油嘴针阀 d e 一油嘴针阀承压有效系数 l o u t 一油嘴蓄压室进口或油管出口 要用到下面的连续方程以平衡流量。同时 流量随位置的变化率与密度随时间的变化率有关。 流动的古典欧拉方程推得，即 a 百a p1 。z 百a p1 。百= 0 d o ( 3 1 ) 此关系可以一维非定常液体 。0 0 u t 图3 - 2 高压油管燃油流动示意图 f i g u r e 3 - 2 s k e t c hm 印o f f u e lf l o wi np i p e 高压油管内运动方程 在高压油管计算中，d a r c y w e i s b a c k 用牛顿第二运动定律，1 得到了下面 上海交通大学工程硕士专业学位论文 第三章 的方程。 应= 一a 嚣一去应2 寺 其中，式子右端第一项为压力梯度项。第二项为摩擦力项。 三、承受弹簧力的阀的运动方程 m y = ap - a f 1 一f 2 f3 ( 3 4 ) f 。一弹簧力，k yf 2 一弹簧预紧力，k y 。f 3 一阻尼力，c y