（动力机械及工程专业论文）中高速柴油机燃油喷射系统设计与数值计算研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 柴油机燃油喷射系统是影响柴油机动力性、经济性、排放 性的重要因素。在设计新型柴油机和对老机型升级改造的过程 中，对燃油喷射系统的设计必须足够重视。 目前使用的燃油喷射系统主要有应用在大中型机上的传 统泵一管一嘴系统和应用在中小型机上的共轨系统。本文针对一 种在中高速柴油机上装用的燃油喷射系统进行了设计计算，给 出了关键结构尺寸。并使用数值计算软件对燃油系统喷射过程 进行了分析，针对影响燃油喷射系统性能的结构参数，结合设 计要求对其进行了设计优化。 通过对燃油喷射系统的模拟数值计算发现，凸轮型线、柱 塞直径、柱塞有效行程、高压油管直径、针阀升程、喷孔截面 积是决定燃油喷射系统的最高喷油压力、累积喷油量、喷油持 续时间等关键性能的主要因素。文中针对这些参数做了多次对 比计算，力图从中找出其变化规律用以对今后是设计工作加以 指导。 计算结果显示，用传统的柱塞直径与油管直径的关系来确 定较高喷射压力下所需油管直径的方法精确度比较低，在选择 油管直径时除了考虑柱塞直径外还应该适当考虑最高喷油压 力的影响，特别是在目前喷射压力普遍增高的情况下。 关键词：柴油机：燃油喷射系统；数值计算 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef u e li n j e c t i o ns y s t e m ( f i s ) i sav e r yi m p o r t a n tp a r to fa d i e s e le n g i n e ，w h i c ha f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo fp o w e r ，e c o n o m i c a n de x h a u s to fa ne n g i n e i ti sm u s tp a ya t t e n t i o nt ot h ef i sw h e n t h en e we n g i n ew o u l dt ob ed e s i g n e d ，o ra no l do n ew o u l dt ob e r e d e s i g n e d n o wt h e r ea r et w ot y p e sf i st ob eu s e di nt h ew i d e l yf i e l d o n ei st h e s y s t e mo fp u m p l i n e o r i f i c e ，w h i c h i su s e di nt h e h i g hp o w e re n g i n e s ；t h eo t h e ri s t h ec o m m o n r a i lf i sw h i c hi s u s e di nt h el o wp o w e re n g i n e s t h et h e s i s d e s i g n s an e wf i s w h i c hi su s e di nam i d d l e - h i g hs p e e dd i e s e le n g i n e ，a n dg i v e st h e k e y s t r u c t u r ed i m e n s i o n so ft h e d e s i g n t h e n t h e k e y s w e r e a n a l y z e db yh y d s i m ，t h es p e c i a ls o f t w a r ef o rf i s t h ef a c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i sw e r ef o u n d ，a n dt h e d e s i g nw a so p t i m i z e d t h et h e s i sf i n g e r so u tt h a it h ec a mp r o f i l e ，t h ed i a m e t e ro f p l u n g e r ，t h e e f f e c t s h a f t i n g o f p l u n g e r ，t h e d i a m e t e ro ft h e h i g h - p r e s s u r el i n e ，t h e l i f to ft h en e e d l ea n dt h et o t a ls e c t i o n a r e ao ft h eo r i f i c ea r et h ek e y sf o rt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i s t h et h e s i s f i n g e r s o u tt h a ti ti s i m p r e c i s et o d e c i d e dt h e d i a m e t e ro ft h eh i g h - p r e s s u r el i n eu s i n gt h ee x p e r i e n t i a lr e l a t i o n b e t w e e nt h ed i a m e t e ro ft h e p l u n g e ra n dt h a t o fh i g h - p r e s s u r e l i n e a n dt h et h e s i s s u g g e s t s t h a tt h em a x p r e s s u r e o ft h e i n j e e t i o n s h o u l db ec o n s i d e r e dw h e nt h e d e s i g n e r c h o i c et h e d i a m e t e ro ft h eh i g h p r e s s u r el i n e ，e s p e c i a l l yf o rah i g hi n j e c t i o n p r e s s u r es y s t e m k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；f i s ：n u m b e r i o u sa n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日 期：却d 笋年6 月f 弓e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 柴油机及其喷射系统发展概况 柴油机在1 8 9 7 年由德国的d i e s e l 发明。第一台柴油机为缸径 2 5 0 m m 的单缸机，是用6 m p a 的压缩空气将燃料喷入气缸，高压空气是 在由柴油机带动的两级式压缩机中产生的，其耗油率为3 2 6 9 ( k w h ) ， 热效率为2 6 2 。 在发明了柴油机三十年后，由r o b e r tb o s c h 研制的直列式喷油泵 于1 9 2 7 年在德国的b o s c h 公司开始批量生产，这是柴油机发展史上的 一个重要突破。由于直列泵使得原来带有笨重压缩机的柴油机重量大 为减轻，使得柴油机能够广泛的应用到船舶、车辆等运输工具中，从 而使柴油机工业也很快发展起来。r b o s c h 发明的喷油泵，其主要的 创新之处是解决了用柱塞在柱塞套中形成高压油并用螺旋槽调节喷油 量的问题，这一基本原理一直沿用至今。喷油设备的发展促进了柴油 机的发展，特别是近5 0 多年来，各种用途的柴油机都有突飞猛进的发 展，柴油机的强化指标( p 。c 。) 不断提高。 提高功率，节约能源和改善排放已成为当今柒油机发展的必然趋 势。作为影响柴油机性能的关键性系统之一的燃油喷射系统的性能也 越来越受到重视，为了与高性能柴油机整机相配合，必然要求燃油喷 射系统也向高性能化发展。 本文即在柴油机燃油系统的设计、数值计算、模拟分析方面尝试 进行一些探讨。本文所研究的燃油喷射系统是指由喷油泵，高压油管 和喷油器所组成的高压系统部分，而不包括输油泵、滤清器等低压部 分。 为了保证柴油达到完全燃烧，要求喷油器的喷油嘴喷入气缸内的 燃油具有良好的雾化状态，并且分布到整个燃烧室中，这种由油泵、 高压油管和喷油器构成的喷油系统也称为泵一管一嘴喷油系统。现代 柴油机对喷油系统提出了如下的基本要求： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 高喷油压力； 2 高喷油速率； 3 可调的喷油持续期； 4 根据负荷和转速的变化，能自动调节喷油始点和喷油量； 随着柴油机强化程度的提高和向节能，低排放方向的发展，喷油 系统的喷油压力呈不断提高的趋势。在中小功率的柴油机上，喷射压 力一般为7 0 1 2 0 m p a 1 ，国内由一汽无锡油泵油嘴研究所与无锡柴油 机厂同国外合作，已经在c a 6 1 1 0 增压中冷柴油机上实现了最高1 2 0 m p a 的喷射压力 2 。在大型船用和机车用主机上，目前装机实用的喷射压 力为1 5 0 1 8 0 m p a 1 。 提高喷油压力以后可以带来以下三个方面的好处： l ，提高喷射压力以后可以使耗油率降低； 2 ，喷油压力对喷油喷雾的油粒尺寸油非常大的影响，油粒直径随 喷射压力的提高雨显著减小； 3 ，提高喷油压力可以降低排放指标。柴油机在燃烧过程中的不完 全燃烧和燃烧中间产物，如一氧化碳、碳氢化合物、二氧化硫、氮氧 化合物以及微粒等，大部分都是有毒有害的，会对人体健康和周围环 境造成严重危害。对于装车用柴油机而言，由于汽车保有量数量巨大， 其产生的总排放量也非常惊人。因此世界上许多国家都制订了严格的 排放法规限制车辆的排污量，世界各国的柴油机生产厂商为满足法规 要求不断在此方面投入大量人力物力进行研究，通过改进柴油机配气 系统、燃料喷射系统、燃烧系统、燃料及排气后处理措旌等降低氮氧 化合物和微粒的排放。其中，在燃料喷射系统方面采取的最主要措施 是不断提高喷射压力，实行高压喷射。实验证明 1 ：随着喷射压力的 不断提高，微粒排放和氮氧化合物排放量都星降低趋势。这主要是由 于采用了高压喷射以后使得燃油雾化质量大大提高，从而改善了燃烧 过程，降低了有害污染物的排放。 1 2 常规喷油系统 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 1 柱塞泵式燃油喷射系统 根据柴油机结构形式和用途的不同，发展了各类喷油系统。现代 柴油机上常用的喷油系统，按照燃油加压方法可以分为柱塞式喷油泵 喷油系统、分配式喷油泵喷油系统和蓄压式( 共轨式) 燃油系统。 柱塞泵式喷油系统是以柱塞式喷油泵为特点的，燃油经输送泵由 油箱抽提至过滤器内滤除水分、颗粒等杂质，再输往喷油泵，在泵内 由柱塞加压，经过出油阀、高压油管由喷油器喷入燃烧室中。柱塞则 以凸轮驱动。 柱塞泵结构简单，工作可靠，目前已经发展出多个系列，能够满 足较大范围的功率需要，因此在各种规格的柴油机上应用广泛。 1 2 2 共轨式燃油喷射系统 但是柱塞泵由于其结构上的限制，使得喷油压力、供油正时等诸 多影响燃烧的关键因素不可随运行工况自动调节，而近年来一种新的 喷油系统逐渐发展起来，即共轨式喷油系统( 又称蓄压式喷油系统) 。 共轨式喷油系统由以下主要部件构成：能控制燃油量的高压泵、 油轨( 又称蓄压器) 、高压油管、喷油器、电子控制装置、各种传感器( 用 以获取发动机转速、发动机凸轮轴相位、加速踏板位置、增压器压力、 空气温度、冷却液温度、空气质量流量等相关数据) 和执行器( 主要是 控制喷嘴启闭的电磁阀) 。输油泵将燃油从油箱中抽提出来，经滤清后 送至高压泵中，由高压泵将燃油泵送到高压油轨中。高压油轨的体积 远大于一次喷射所需的燃油体积，因此高压油轨中的压力波动受喷射 的影响非常小，基本能保持压力稳定。油轨上装有压力传感器，能将 所测得的压力值传送给电子控制装置。高压泵、油轨压力传感器、电 子控制装置形成一个油轨压力的闭环控制回路。电予控制装置将测得 的油轨压力实际值与根据柴油机转速和喷油量而定的设定值相比较， 并据此调节高压泵的泵送量以使油轨内压力保持在最小偏差范围内。 并且，电子控制装置根据上述传感器获得的发动机实时运行工况 与装置本身储存的数据相比对，计算出最佳喷油量和最佳喷油正时， 适时发出指令，控制喷油器内的电磁阀的启闭来实现喷油，其供油正 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时由开启时刻确定，供油量大小则由开启持续时间确定。 显而易见，共轨系统由于高压产生方式的不同使得系统比传统的 喷油系统具有更大的灵活性。这样使得柴油机具有如下优点： 1 】 1 0 】 一【1 6 】【2 2 1 - 2 4 】 1 ，可实现喷油定时、喷油持续期和喷油压力独立变化； 2 ，可进行多级喷射： 3 ，不依赖发动机转速，可进行高速喷射； 4 ，泵驱动转矩小； 5 ，机械噪声小。 6 ，结构简单、可靠性好，适用性强，可以在新老发动机上应用， 对原来应用柱塞泵喷油系统的柴油机无须做重大改动即可用共轨系统 替代原有系统。 这些特点，特别使第一点，使得共轨式燃油喷射系统可以很方便 的应用电控装置对其进行喷油压力、喷油量和喷油定时等因素实施独 立控制，而这些因素的独立控制在以往的柱塞泵上是不可能实现的。 这样就可以根据柴油机不断变化的工况灵活控制其喷油特性，力求达 到最佳喷油状态。这种喷油控制特性，可以使发动机在各种工况下始 终保持较强的动力性、较佳的经济性和较低的污染物排放以及低噪声 等特性。特别适合工况多变的车用柴油机，并且车用柴油机对经济性 和排放特性要求也比较严格，因此共轨式系统出现后，在车用柴油机 领域内发展速度非常快。 目前在共轨式燃油喷射系统的控制方面。国内外都做了大量工作。 最早电控喷射系统是简单的位置控制式，维持传统的脉冲供油原理， 通过改变齿条和滑套等机构的位置调节供油量和定时，并采用以电脑 为核心的位置伺服控制系统实现这一调节。其执行频率响应慢，控制 频率低，控制精度不稳定。到上世纪9 0 年代初，采用了时间控制式电 控喷射系统，采用新型高速强力电磁阀取代传统的齿条螺旋槽、定时 滑套等直接对高压燃油进行数字式高频调节，由电磁阀的关闭时刻和 闭合时间决定喷油定时和油量。到9 0 年代中期，又开发出了新的电控 燃油喷射系统，以压力时间式燃油计量原理取代以往的脉冲高压供油 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 原理，并通过公共油道油压的连续控制和各缸喷油过程的电磁阀控制 结合的方式实现喷油控制【2 】。 在控制原理方面，目前已经能够做到对压力和时间实行真正意义 上的独立控制【2 4 】。各种算法已经被大量报道【9 】【1 4 】【1 8 】【2 0 】【2 5 】一 【2 8 】【3 2 】，应用于共轨燃油喷射系统电控装置的各种e c u 硬件的研究 也开展的很多并取得相当的成果【l5 】【1 7 】【2 2 】【3 0 】【3 1 】【3 3 】【3 4 】。同时 对共轨系统的关键核心部件，如电磁阀、弹簧等也进行了原理、特性 等方面的分析，力求从中找出对喷油过程的影响因素并加以解决 1 0 1 一 【1 2 】1 8 】【2 0 】【2 9 】。国内还对共轨燃油喷射系统进行了装机试验并取得 定效果【3 4 】。 但是共轨式系统也有其自身的缺点，主要是【1 0 】：1 ，有高压燃油 的泄漏的危险，耐久性和安全性较柱塞泵差；2 ，难以实现靴型喷油率 以抑制氮氧化物的形成。 不过这些缺点比起其优点来说是不足道的。共轨式系统将首先在 车用领域取得成功，并且由于其在提高动力性、降低燃油消耗率、降 低碳烟、控制噪声等方面的突出表现而应用日益广泛。目前。车用柴 油机还基本局限于商用车领域，但是毫无疑问，柴泊机固有的燃油经 济性好，污染物排放低的优点，会被如今愈加重视节能环保的现代社 会所看重，将逐步向原来被高速汽油机牢牢占据着的乘用车，特别是 轿车发动机市场挺进，而柴油机燃油系统采用共轨式的趋势，也必将 加快这一进展。 但是目前对共轨燃油喷射系统的研究还都集中于车用中高速柴油 机上，在大功率柴油机上还比较少见。目前应用在大功率柴油机上的 喷射系统仍然以传统的直列式柱塞泵为主。同时对这种系统的优化设 计、技术改进等工作也一直在进行中，包括对喷油正时的优化设计 【3 5 】，对柱塞泵油过程中节流与泄露现象的分析计算【8 】等。 1 3 燃油喷射系统的设计分析方法 柴油机的燃油是通过燃油系统喷射入燃烧室形成最适合于燃烧的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 混合气的。燃油的喷射过程是否适当( 包括喷油正时、喷射压力、喷 射持续时间、累积喷油量、喷射速度以及是否有滴落、二次喷射等异 常喷射现象等) ，对柴油机的燃烧，和由此而引起的对柴油机经济性、 动力性、排放特性、热负荷和机械负荷的影响是非常大的。由上述可 知，柴油机的喷射装置结构复杂，影响燃油喷射过程的因素很多。以 前很早就有人利用简化的方法对燃油喷射过程进行理论计算等工作。 但是限于条件其结果难以解决实际问题。判断柴油机燃油喷射系统不 同结构参数对燃油喷射过程的影响效果，主要是依赖长期大量的实验 工作，这种方法显然消耗大量人力物力，对柴油机的改进设计来说消 耗时间也较长。 由于电子计算机的广泛应用和计算机软件技术的发展，大量专业 软件不断出现，加之大量试验积累的实践经验使得利用软件模拟分析 喷油过程成为现实。在通常的柴油机燃油系统的设计中，需要根据设 计要求凭经验选择系统主要参数，然后设计确定装景中其他参数，进 行试制、试验，而利用专业软件对燃油系统进行数值计算以后，就可 以方便的比较在不同结构参数下喷油过程有哪些变化，从而找出结构 参数与系统性能之间的内在联系，实现燃油系统设计的最优化，并且 这一过程不需要或仅需要很少的关键性试验，因而节约投资，加快了 产品开发步伐。 本文即据此展开工作，首先简要介绍一下燃油系统数值计算的几 个常用方法，然后利用现有软件系统针对一个具体机型上的燃油系统 进行模拟数值分析，找出影响喷射系统性能的结构因素并力图掌握其 间的内在联系。在此基础上确定该燃油系统的主要结构参数，最后给 出该系统主要零部件的设计方案。从而完成该系统的设计计算和数值 分析工作。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章燃油喷射系统数值计算的理论基础 2 1 喷油系统数值计算的几种常用算法 燃油从喷油泵到喷油器的流动过程，是在高压下进行的，并且在 高压油管中存在压力波动现象。由于这一现象的存在，使得实际的喷 油规律与柱塞的几何供油规律相差很大 1 ，而燃油喷射质量的高低好 坏很大程度上就取决于燃油在油管内的流动特性。进行喷油过程的模 拟计算，也主要是针对高压油管内的燃油流动特性进行的。这种模拟 计算的主要步骤是建立物理模型，将物理模型转化为数学模型，选择 数值方程的求解方法，确定边界条件。 应用于喷油过程的数值计算方法主要有图解法、小扰动法和特征 线法，这几种算法发展都比较早，属于传统算法。此外还有有限差分 法和有限容积法，这两种算法是近些年才发展起来的，目前以有限差 分法应用的比较广泛 1 ，但是有限容积法将会占有越来越重要的地位 3 6 。 2 1 1 图解法 这种方法是用做图的方法来求解高压油管压力波动效应。它利用 表示压力一速度变化关系的状态平面图来说明高压油管内压力波反射 的物理现象 1 3 6 3 7 。 图解法所用的高压油管内的流动控制方程为； 坐：兰 ( 2 一1 ) a ua 式中；矽一油管内压力增量； “一油管内速度增量： e 一燃油弹性模量； a 一一燃油音速。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在喷油压力比较低时，e 和a 的变化很小，基本是常数。因此， 式( 2 - 1 ) 说明，在喷油过程中高压油的压力增量与速度增量之比为常 数。在p 一掰( 压力一速度) 状态平面图上做喷油嘴特性曲线( 即喷嘴的压 力一流量或压力一流速关系曲线，由小孔流量公式确定) ，然后，以油管 f 初始条件( 通常“= 0 ，p 为残余压力) 为坐标原点，按斜率口= a r c t g ( 兰) 口 作直线至泵端边界条件( 流速则由柱塞速度确定) 得交点，这个过程为 p 前进波的传播；再自该交点作斜率为口= a r c t g ( 一竺) 的直线与喷嘴特性 t l 线相交得到另外一个交点，这个过程为反射波的传播。这一过程按顺 序进行，直到压力降至低于喷嘴的开启压力，燃油即停止喷射。这一 系列的交点即决定了泵端和喷嘴端的压力波和速度波。 图解法是一种很粗略很原始的分析高压油管内压力波动效应的方 法。简洁明了概念清晰，能够直观的揭示高压油管内流动的燃油非定 常流动的物理本质，一般常用来定性分析各种不正常喷射现象，如二 次喷射、断续喷射、隔次喷射、断流现象、滴漏现象、空泡穴蚀等。 但是，在高压的作用下，上述的e 与a 其实都不是常量，将其作为常 量处理必然会导致误差的出现。因此这种方法不能用于定量分析。 2 1 2 小扰动法 小扰动法依据的是线性声波原理。在声学中，声波传播所涉及的 是小振幅的压力波，因此，当所讨论的管内流体状态变化幅度比较小 时就可以利用声波传播的理论来解决管内流动问题 3 6 。 假定所讨论的管内流体状态变化仅涉及小振幅的扰动，这种扰动 在流体中以声速( 远大于管内流体流速) 传播，另外，在整个流动过程 中，假定流体密度和声速是常数。则管内流动控制方程为： 害耐丝c q x ( 2 _ 。) 望+ d o u ：0 彘a t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 将( 2 - 2 ) 的解写成d a 1 e m b e r t 形式： p = p 。+ f o 一言) 一形( f + 言)口口 。+ 去一矽( ，+ 翻口口 其中f ( t 一与为自泵端向嘴端传播的前进压力波，w ( t + - x ) 3 q 自嘴 口a 端向泵端传播的反射压力波，其具体内容由实际问题的边界条件和初 始条件给出。 在考虑了流体沿管道流动时的粘性阻力后，波动控制方程为： 其中七为燃油的管壁粘阻系数。 方程( 2 3 ) 的解为： p = 风+ e 一“【f ( f 一与一矽o + 与】 口口 “：+ 土e n 【f o 一兰) + 矿( r + 三) 】 p a 口口 小扰动法是研究管内一维非定常流动的一种老式算法，能在一定 精度的范围内反映管内流动的实际情况。它的使用具有一定局限性， 仅适用与小振幅的扰动波的传播，可考虑的影响因素比较少，当管内 流动的压力波波幅较大时，该方法会带来比较大的误差。 2 1 3 特征线法 特征线法的思想来源于流体力学方程组( 为双曲线型方程组) 存在 特征线( 即小扰动沿其传播的曲线) 以及扰动( 或信息) 以特征速度( 声 速) 沿特征线传播的独特特点 3 6 4 1 。具体来说，就是在x t ( 空间一 时间) 半平面上，引进一族特殊曲线一一特征线，在这些特征线上将偏 9 门 却 枷 碟夸 印一西印一苏 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i l l 微分方程归结为常微分方程的特征关系式的求解方法。它是一种比较 严格的求解管内一维非定常流动方程的方法。该方法首先应用于流体 力学领域，在2 0 世纪4 0 年代中期开始应用于内燃机领域。5 0 年代末 至6 0 年代初，由于计算机技术的广泛应用，求解微分方程的数值算法 越来越成熟，求解精度不断提高，算法的稳定性增强以及求解的时间 空间成本不断降低，使得特征线法得到越来越广泛的采用。 r s b e n s o o n 等人在内燃机领域的管内气体流动计算中采用特征线法 作了大量工作，并在1 9 6 2 年首次编制了特征线法的计算程序。 特征线法所用的控制方程为： 在控制方程( 2 - 4 ) 中，因为”宴o w 等l* 詈 l ，字o p 等= 詈 1 ，因此， o lnt o ln 在精度要求不太高的计算中，为了求解方程的方便，往往忽略材娑和 ”罢，而将方程( 2 - 4 ) 简化为方程( 2 - 3 ) 的形式。方程( 2 - 3 ) 的特征线为 出 两条直线( 别毋= 口和别盔= 一口) 。国内采用特征线法对喷油系统工作过 程进行模拟计算研究开始于7 0 年代，而且由于当时采用的供油压力比 较低，流动控制方程采用了简化形式的方程( 2 - 3 ) 的形式。随着喷油压 力的不断提高，燃油系统的设计也不断完善，在对燃油系统进行模拟 计算时，需要考虑的因素也越来越多，控制方程的形式也采用了( 2 4 ) 表示的精确形式。文献 4 2 采用了特征线为曲线 ( 出西= u + d 和级西= “一口) 的精确数值计算法来求解高压油管内的压 力波动方程，判明了比值“拿譬和“宴笔随喷油泵转速的提高而大幅 o u f o f印i o l 度增加的事实，指出在高速、高喷射率工况下应该采用式( 2 4 ) 表示的 控制方程。 1 0 卸 枷 鬃 上矿 钆一跏抛一t毽 哈尔滨工程大学硕士学位论文 特征线法在求解一阶双曲型拟线性偏微分方程组( 管流控制方程 组) 时在理论上也具有比较严格的体系，可考虑的影响因素比较多，而 且容易得到稳定的收敛解，在计算机上编程实现时也比较简便，对压 力波的模拟较准确。但是特征线法在处理边界条件时比较麻烦，而且 据文献 4 3 介绍，特征线法计算结果的流量误差比较大，特别是在非 等熵严重的地方( 如三通边界，收缩或扩张边界等) ，因特征线弯曲严 重，流量误差会更大。 2 1 4 有限差分法 有限差分法的基本思想是利用合适的差分格式，对偏微分方程在 时间域和空间域上进行离散，将偏微分方程化成与其具有相似适定性 的差分方程进行数值求解 1 3 6 。差分格式的构造有很多种方法，但 是并不是任意构造一个差分格式就可以用来替代原来的偏微分方程作 近似计算的，只有与偏微分方程的适定性相类似的差分方程才可以得 到有物理意义的数值解，也就是当差分格式确定后，差分方程初值的 微小变化只引起差分解的微小变化，而不会造成误差的无限增长，这 样的差分格式才是稳定可用的。对有限差分格式的另一个要求是计算 精度，计算精度往往与时间域、空间域的离散阶数有关，一般阶数越 高，精度也越高。为了提高计算精度经常采用二阶差分精度的差分格 式，二阶精度的差分格式通常以中心差分格式为基础建立，而这种格 式是不稳定的，为了对差分格式产生的非物理性震荡进行耗散，往往 需要添加人工粘性项，但是由于耗散项的人为因素很多，而且耗散量 的多少选择较难，所以最终会造成差分格式在整个求解域内精度的下 降。因此，有限差分法在计算稳定性和计算精度之间存在矛盾，但是 在计算速度和计算精度上都优于特征线法。正是由于有限差分法的这 个优点，目前在国内外用来计算喷油过程的诸多软件中，该算法应用 的比较广泛。本文也选用该算法作为求解方法，关于该算法的详细理 论将在下节中介绍。 2 1 5 有限容积法 3 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宣皇i i i 毫| e ；i j 昌嗣每| 葺| 皇薯j 皇目i 瞄墨i j i i i i ；宣；i i i i i i i ；宣i i 有限容积法的基本思想是将流动控制方程所依赖的计算区域离散 化为有限个较小体积的控制容积( 或称控制体) ，然后将控制方程在每 个控制容积上对时间和空间域积分并选择适当的差分格式将偏微分方 程组转化为离散的守恒型的线性代数方程组( 连续的函数变量被离散 成有限个结点值) 进行数值求解。 在选择差分格式时，应注意使离散方程与原偏微分方程有同样的 物理内容和基本性质，即应当使差分方程与偏微分方程有相似的适定 性( 解稳定、唯一) ，也就是要求差分方程初值的微小变化只引起差分 解的微小变化( 差分格式的稳定性) ，并晟终收敛于唯一解。其实此处 对差分格式的要求和有限差分法中对差分格式的要求是一致的。有限 容积法将偏微分方程在控制体上作积分，这一点和有限元法相似，但 是在离散方法和离散方程形式上则更象有限差分法。由于偏微分方程 在控制体上作积分，因此，偏微分方程包含的守恒性质在每个控制体 上也都严格遵守，只要设法使相邻两控制体在共同界面上的物理量值 相等以及其导数连续，那么显然在整个计算域上就都能保持守恒，即 使离散网格比较粗也没有问题。因此。从理论上讲，有限容积法可以 避免流量计算的误差。但实际上数值计算过程的稳定性和精度还取决 于控制体界面物理量的输运通量计算格式的稳定性及误差的累积程 度。不同的差分格式对计算结果会产生较大的影响。上风差分格式可 以给出数值通量的稳定解法因而被广泛应用。 有限差分法与有限容积法在压力波模拟精度上差别不大，但是有 限容积法比有限差分法计算速度快，流量误差小，在计算结点的安排 以及边界条件的处理上也比有限差分法简单。 有限容积法在多维气流流动研究中一直占据重要地位，在内燃机 迸排气系统仿真研究中有所应用，但是从目前来看在内燃机燃油系统 仿真方面的应用尚不广泛。 2 1 6 喷油过程的计算模型 除了占绝对因素的高压油管内燃油的流动计算以外，喷油过程的 模拟计算还应该包括喷油泵和喷油器内的燃油流动过程的计算，而且， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在越来越高的喷油压力作用下，这些部位的计算也要比以往考虑更多 的问题。在早期的模拟计算中，由于计算手段低下，为满足基本的计 算需求( 主要受由计算时间控制的计算成本的影响) ，以往研究者都采 用最简单的流动方程控制形式，如公式( 2 - 1 ) 一( 2 - 3 ) 的形式，因为方程 本身做了相当大的化简，必然导致计算精度的降低，这使得模拟计算 在燃油系统的设计过程中不能发挥应有作用。随着计算机软硬件水平 的飞速提高，以及在求解偏微分方程方面算法理论的不断深入研究， 一些算法稳定性高求解速度快的数值算法被提出并完成了计算机软件 编制，如公式( 2 4 ) 的表示精度比较高的控制方程获得了广泛应用，成 为模拟计算的主流。 在对流动方程改进的同时，为使模拟计算更符合实际情况，整个 喷射系统内的其他因素也被考虑在内。当燃油系统中某局部压力瞬时 出现低于燃油中轻质馏分饱和蒸汽压的情形时，燃油中就会析出蒸汽 泡，这一现象被成为空泡现象。空泡现象是非正常喷射的一种，在喷 油的过程中，燃油中空气和蒸汽泡的析出破坏了燃油流动的连续性， 使描述管内燃油流动的控制方程不能再无条件应用。因此，在许多计 算中都提出或采用了空泡模型 1 ，现有的专业软件也给出了模块化的 空泡模型 4 0 4 1 ，非常方便使用。当喷油压力比较高时，燃油的物 性参数如密度、弹性模量、声速、粘度等已经不是常量，而是压力的 函数，如果仍取做常量则会给计算带来较大误差，因此，在一些计算 中已经将这一变化体现了出来。此外，在喷油泵内，当燃油在柱塞作 用下高速高压流动时，柱塞和泵体间隙以及在进油阀孔被螺旋边封闭 的过程中，燃油势必会产生节流与泄漏现象。这种节流与泄漏效应的 大小并且和喷射压力直接相关 8 ，压力越高节流和泄漏对喷射过程的 影响越显著，因此在燃油喷射系统的喷射压力不断提高的情况下，对 这种节流和泄漏的现象也应该加以考虑，文献 8 对此做了较为详细的 分析其计算结果表明，考虑了节流与泄漏效应的计算模型精度较高， 对不同转速工况的计算结果与试验有较好的吻合，能较准确的表达喷 油过程压力波主喷射后的反射余波。另外，对管截面变化的影响给予 了考虑 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目前，在柴油机燃油喷射系统中，采用电控喷射的趋势越来越明 显，特别是采用时间控制方式的电控燃油系统由于具有比传统燃油系 统更好的性能而得到发展，这使得燃油喷射系统的控制方式也发生了 变化，在进行模拟计算的时候对此必然要加以考虑。这些考虑中以电 磁模型的加入为明显特征。在这些计算模型中包括了容积法模型、欧 拉法模型、一维管流模型 4 0 4 1 。对一维管流模型控制方程的求解 一般用特征线法，在计算过程中，不同程度的考虑了燃油的变声速、 变密度、变弹性模量以及空泡、泄露等因素。随着国内外对中、高压 共轨系统研究的兴起，对共轨系统的模拟计算研究也多了起来，一般 是对喷油系统设计参数对喷油特性的影响进行计算，同时对系统中各 个元件的特性也做了细致分析，并研究分析了不同控制方式对喷射过 程的影响。 文献 4 4 对方程( 2 - 4 ) 作了详细考察，认为方程( 2 - 4 ) 是由连续性 方程和动量方程表示的考虑了管壁粘性摩擦的一阶拟线性双曲型偏微 分方程组，这一方程组的采用，实际意味着承认管内流动为等熵( 可逆 绝热) 流动，事实上，由于存在管壁粘性摩擦。使得流动过程中的能量 转换存在着耗散效应，有序能变成无序能，其过程必不可逆。因此， 考虑管壁粘性摩擦而又只用连续性方程和动量方程来描述管内流动过 程的做法是不严格的。这样处理所带来的误差会随着燃油密度的增大、 压力和管流速度的升高而增大。只有在不考虑管壁粘性摩擦的情况下， 上述处理方法才是严格的。为此，文献 4 4 从流体运动所必须遵循的 质量守恒定律出发，结合描述流体系统物理量状态的全导数公式，推 导出适合于这种喷油系统( 包括共轨系统) 管道流动的三方程模型。 三方程模型形式如下： 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 塑+ o ( p u ) ：旦一旦丝一丝丝 i a f缸一出a 出4 缸 l旦逊+坌鲤：盟max(m；,o)uz,cosa-inimax(-mb,0) 办 苏a d x ( 2 5 ) 一丝a 丝o t 一血a 詈一咖( 妒2 酬圳i西o l 学+ t o ( p e u + p u ) 喇+ 百e bm b 一了p e 可o at p e u + p u 嚣一2 枷2 其中，p 为密度，u 为流速，r 为时间，x 为沿管轴方向的坐标，爿 为管道截面积- p 为压力，m b 为管道支管流体的质量流量，为管道 支管流体的流速，口为支管轴线与坐标x 负方向的夹角，k 为管壁粘性 阻力系数，e 为单位质量流体的总能量，盯为单位时间内单位质量流 体与外界的换热量。 三方程模型的特点是：1 ，是欧拉坐标系中具有弹性的缓变截面管 壁、考虑管壁摩擦、分支流体和熵改变的守恒形式的拟线性一维非定 常流动的偏微分方程组，考虑因素全面；2 ，是由连续性方程、动量方 程和能量方程构成的最通用的流动控制方程组，从三方程组模型出发， 忽略不同的因素，可以得到以往喷油过程模拟计算中所有的一维偏微 分控制方程；3 ，因为能量方程的加入而使得管内流动规律的描述更合 理。 为简化计算，改进的二方程模型也被提出。是通过省略三方程模 型中的能量方程而人为将管内流动作为等熵流动得到的。改进的二方 程模型与三方程模型的区别在于它省略了能量方程，因而从对管内流 动过程描述的合理性上讲，精度不如三方程模型，但是仍然比以往所 用的二方程模型的精度要高，这主要是因为改进的二方程模型所考虑 的因素比以往的二方程模型要全面，从改进的二方程模型出发，忽略 不同的因素就可以得到以往喷油过程模拟计算中所用的所有二方程模 型。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 7 小- 结 ( 1 ) 图解法和小扰动法因为计算精度太低而一般不会再在模拟计 算中被采用，只会用作一般原理性分析。 ( 2 ) 特征线法在求解燃油系统管内流动方程中占有绝对重要的地 位。这主要是因为特征线法在求解一阶双曲型拟线性偏微分方程组( 管 流控制方程组) 时在理论上具有比较严格的体系，可考虑的影响因素比 较多，而且容易得到稳定的收敛解，在计算机上编程实现时也比较简 便。因此在一定时间内仍得到广泛应用。但是该计算方法带来的流量 计算误差比较大，而且边界条件处理麻烦，将来可能会被更有效的方 法取代。 ( 3 ) 从对控制方程的离散过程来看，有限差分法和有限容积法比特 征线法更优越，而且在计算速度和计算精度上也优于特征线法。有限 差分法与有限容积法在压力波模拟计算上差别不大，但是有限容积法 比有限差分法计算速度快，流量误差小，物理意义更明确。而且有限 容积法在计算节点的安排以及边界条件的处理上比有限差分法简单。 因此可以预见有限容积法将逐步在燃油系统流动过程的模拟计算中占 有越来越重要的地位。 ( 4 ) 在控制方程方面，三方程模型的引入和改进的二方程模型因为 考虑的影响因素更多更直接，且阻往各种方程模型都是它们不同程度 的简化，必然会更加方便使用。 2 2 有限差分法的理论基础 从以上对燃油系统数值计算的发展历史的分析可以看出，目前燃 油系统的模拟计算分析仍然是以有限差分法为主，至于该方法在速度 上与有限容积法相比的缺点在目前的计算机软硬件水平上影响是不大 的，在流量上的误差也是相对而言，仍在可接受的范围内。因此本文 即采用该方法为基本计算方法。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 1 管内流体的流动模型 燃油在高压油管内的流动可认为是粘性流体的一元不稳定流动。 燃油受到压缩时，其密度的变化由下列微分方程表示： 咖：e d p( 2 6 ) p 式中，p 一一压力( m p a ) ； p 一一燃油密度( 姆m 3 ) ； e 一一燃油弹性模数， e ：粤( m r 口) l p l p o ，p 由于燃油不能承受拉应力，当出现负压力时，就要产生空泡。按 照勃郎( b r o w n ) 等给出的空气模型，这时燃油蒸汽在空腔内呈颗粒状 均匀分布。假定颗粒充分小，使得我们不必考虑空气的微观结构，依 然考虑流体是一个一相的连续体。根据这个假定，当出现空腔时，燃 油的压力为零，而它的密度小于无压缩状态的密度风。 将式( 2 - 6 ) 积分，得到状态方程： 一c p ， 慨泼身 z ， 我们知道，在定常、不受压层流的情况下，圆管内一元粘性流动 的流速对半径成抛物线形分布。如图2 1 。现在近似地假定在油管内 流速也是这样分布的。这样，连续流动方程和运动方程就是： 望+ 曼逊；o( 2 8 ) 研舐 p e + “鼽罢一了8 z p u ( 2 - 9 ) 式中，“一一燃油流速( c m s ) ； 一一燃油粘性系数( p a j ) ； f 一一油管内截面面积( c m 2 ) 。 方程( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) 是计算管内流动的基本方程组。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 圭、 ” 二l 。7 ， 图2 1 圆管内流速分布 图2 - 2 油管变截面处 如果在油管中有截面的突变，那么，在截面变化处，应附加以下 两个边界条件： p - 一q 一= p 冉+ p - + i 1 雎一2 ：n + ( 1 + 善) 譬k 2 + i 雎”一2 n + ( 1 + 亏) 等k ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) 式中，善一一油管截面变处的压力损失系数，其中i e g - - 与负号分 别代表截面两边的量。流动方向由负端向正端，如图2 - 2 所示。 2 2 2 喷油泵内计算方程 哈尔滨工程大学硕士学位论文 品 p 图2 - 3 油泵示意图 图2 - 3 是油泵的结构式示意图。我们可以列出包含未知变量 p p , p ，b 。，b ，z ，k ，的常微分方程组。这个常微分方程组不是独立可 解的，它对油管内流动的偏微分方程组( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 来说，起着边界 条件的作用。 假设：p 。一一油泵柱塞腔压力； 曰。一一油泵柱塞燃油质量( k g ) ； 办一一出油阀腔压力； 既一一出油阀腔燃油质量( k g ) ： z 一一出油阀升程( c m ) ； 残一一从油泵柱塞套进( 出) 油孔流向柱塞腔的燃油流速 ( c m s ) ； n 一一从柱塞腔流向出油阀腔的燃油流速( c m s ) 。 变量口，与p ，b y 与办之间的关系是： p p = ( 丑p 0 ) ( 2 1 2 ) p ，= 妒( 邬) ( 2 一1 3 ) 其中 = 。一只肖+ b z ( 2 - 1 4 ) 巧= 。一一z ( 2 - 15 ) 式中，一一油泵柱塞腔体积( c m 3 ) ； 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k 。一一油泵柱塞腔初始体积( c m 3 ) ( 柱塞升程x ：o 时) ； k 一一出油阀腔体积( c 聊3 ) 。一一出油阀腔初始体积( 出油阀关闭) ( c m 3 ) ； z 一一油泵柱塞升程( 册) ； t 一一油泵柱塞截面积( c m 2 ) ： 凡一一出油阀截面积( e r a 2 ) 。 为了计算这些变量，需要五个常微分方程，它们是： z 。砖+ 寺k i k i = ( p 。一p p ) ( 2 1 6 ) 山 p 0 o 吃+ 寺砭i k i = ( p r p p ) ( 2 1 7 ) d o 雪。= 风k 。厶( x ) k + 唧矗( z ) 】 ( 2 1 8 ) 台r = 一p o 口y ( z ) 吃一f p ( o ，t ) u ( o ，r ) ( 2 1 9 ) m p 2 + 以2 + c r z + k p = ( p p p r ) ( 2 2 0 ) 式中，见一一迸油压力( m p a ) ； 风一一压力为零时的燃油密度( 培m 3 ) ； ，。一一油泵进( 出) 油孔壁厚( c m ) ； t ，一一出油阀阀座长度( c 埘) ； 口。矗( x ) 一一油泵进( 出) 油孔有效流通面积( c m 2 ) 群( o f ) 一一油管与油泵出油阀交界处的流速( e r a i s ) p ( o r ) 一一油管与油泵出油阀腔交界处的燃油密度， p ( o ，t ) = b ， 当油泵凸轮外形给定，并且凸轮轴转速给定时，油泵柱塞的升程 x = x ( f ) 是已知函数。 方程( 2 一1 6 ) ( 2 2 0 ) 并非在整个运动过程中都成立。由于出油阀的 运动受到限制器和阀座的限制，z 的变化只能在区间( 0 ，z 一) 之内。当 z = o 时，出油阀只能向上运动而