二甲醚发动机低压共轨系统轨压特性研究

1、 二甲醚发动机低压共轨系统轨压特性研究张光德，李梦，谢露，孙敬（武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，）摘 要：以二甲醚发动机燃油系统为研究对象，建立发动机低压共轨系统的仿真模型，分析影响共轨管压力建立时间和压力波动的主要因素，并探讨了共轨管内的燃油压力特性。结果表明，共轨管的容积、内径、长度、长径比、油泵供油压力对共轨压力特性的影响较大，合理地选择共轨管尺寸和供油压力，既能维持共轨压力的稳定，也能保持较短的压力响应时间。关键词：二甲醚；发动机；轨压特性；仿真二甲醚十六烷值较高，自燃温度低，滞燃期比柴油短，很适合作为柴油机的替代燃料。二甲醚含氧量高，能有效抑制碳烟生成，实现零碳烟排放，等

2、质量二甲醚的汽化潜能为柴油的倍，可大幅度减低柴油机的最高燃烧温度，减少的排放；二甲醚低热值为柴油的，为获得良好的动力性，必须将每个循环供油量增至柴油的倍（体积）。二甲醚理论混合气热值与柴油基本相当，二甲醚发动机的升功率可达到柴油机的同等水平。二甲醚可压缩性较高，若直接用于常规的泵管嘴形式的燃油供给系统，致使其泵端和嘴端压力上升及下降都比柴油慢，压力上升始点延迟，实际喷油始点滞后，喷油后油管中有较大的残余压力，引起二甲醚的二次喷射，造成热效率的急剧下降和排放的增加。因此常规的泵管嘴形式的喷射系统不适合作为二甲醚的供油系统。基于二甲醚沸点低、饱和蒸汽压高、黏度低等特点，结合内燃机均值燃烧（）理论，

3、本研究设计了低压电控燃油喷射系统，构建二甲醚可控预混合燃烧（）系统。此系统主要由主燃烧室和预混合室组成，喷油器在压缩行程初期将二甲醚喷入预混合室，由于二甲醚具有良好的挥发性，因此可以将喷油器的喷射压力控制在 左右。为此，本文以二甲醚发动机燃油系统为研究对象，建立二甲醚低压共轨系统的仿真模型，并分析共轨管结构参数的改变和供油压力等因素对轨压特性的影响，以期为低压共轨系统的优化提供依据。二甲醚低压共轨供油系统工作原理为解决二甲醚低黏度导致的磨损问题，用隔膜泵取代传统喷油泵，使用磨损自补偿喷油器代替传统喷油器，所构建低压共轨燃油系统如图所示。二甲醚发动机低压共轨系统主要由储液罐、隔膜泵、共轨管、磨损

4、自补偿喷油器和电控单元 （）等部件组成。氮气瓶给储液罐内的二甲醚加压使其保持液体，低压油从储液罐进入隔膜泵，加压后经油管进入共轨管，再经油管分配到喷油器入口处。综合分析各种传感器信号，发出指令控制喷油器电磁阀的开启时刻和持续时间，控制喷油器的喷油时刻和喷油脉宽，并控制喷油泵压力调节阀的信号输入，使喷油泵输出燃油保持合理的压力。压力传感器能实时监测共轨管内的压力，并将压力信号反馈到。限压阀是共轨管的安全阀，当共轨压力过大时，开启限压阀进行泄压。数学描述低压共轨系统模型由容器类模型、运动件模型、管类模型、电磁类模型和流体特性子模型等组成。对于系统中的管道模型，燃油在油管内的流动主要考虑连续方程（质

5、量守恒）、动量方程（动量守恒）和物态方程。连续方程（质量守恒）连续方程建立在质量守恒的基础上，时间和位置的偏微分方程为动量方程（动量守恒）动量方程是在动量守恒的基础上建立的。对黏性阻力的圆管内燃油层流流动，若取一黏阻系数，则可得到如下方程：低压共轨系统仿真模型通 过 综 合 比 较 各 种 流 动 仿 真 软 件 ，选用公司开发的软件实现供油系统的建模和仿真。软件具有友好的人机交互界面，包含丰富的元件库，参数设置方便，可极大地减少对系统设计分析的工作量，能较好地进行建模和仿真分析。低压共轨系统仿真模型如图所示。隔膜泵模型本文主要研究影响共轨压力特性的因素，对隔膜泵模型作相应简化。将隔膜泵简化为

6、单向变量泵，驱动机构简化为调速电机，输出压力的大小由溢流阀进行调节。管道模型建立合理的共轨管模型，能确保计算结果及结论如实反映实际情况。在研究低压共轨系统中，采用“短管型接头”的建模方式，既保持共轨管容积的连续性，又能体现共轨管的进油、出油状况，其中型接头本身容积为，只起连接作用，从而保证压力在共轨管内传播的连续性，较为准确地模拟共轨管的工作状况。管道模型的选择范围是根据其所连接的两个液压模块的变化而改变。考虑到共轨管的结构特征，将其定义为集中参数模型（）。影响管道模型选择的量包括长度直径比（）、耗散数（）、管道内波沿管道传输的时间（），参照管道模型选择过程，为各种尺寸的共轨管选择合适的管道模

7、型。磨损自补偿喷油器模型为解决喷油器的泄漏与磨损问题，我们设计一种新型二甲醚喷油器，精简了传统喷油器的精密偶件和回油管道，阀芯的阀杆与阀体接触面磨损不会产生燃油泄漏，阀芯锥面的磨损通过阀芯弹簧的预紧力进行补偿，确保密封锥面可靠密封。建模时，将弹簧腔及油孔简化为油管模型；阀芯在工作时经受弹簧腔、压力腔及喷射腔的油压，可将其简化为活塞、质量块和锥阀模型；将喷射腔和压力油腔简化为可变容积。通过实验表明，该喷油器各项工作性能正常，符合低压共轨系统的工作要求。仿真结果分析共轨管容积共轨管容积设定以发动机燃油的需求量为基础，同时考虑油泵的供油流量。图为共轨管长径比为，共轨管内径为、，对应的容积分别为、时管

8、内压力随时间的变化曲线。共轨管的压力建立时间随容积的增加而延长，压力波动幅度随容积的增大而减小。共轨管容积能有效地减小喷油泵供油和喷油器喷油造成的压力波动，但过大的容积会降低共轨管的压力响应速度。长度图为共轨管内径保持为、长度分别设定为、时仿真得到的压力特性曲线。共轨管长度越大，容积就越大，轨压建立时间延长，压力波动幅度逐渐变小。另外，共轨管的长度设定，需考虑与发动机结构的匹配，长度应介于最小安装间隔和发动机最大长度之间。内径图为共轨管长度为、内径分别为、时的共轨管压力特性曲线。随着共轨管内径的增大，容积相应增加，轨压建立时间延长，喷油时共轨压力波动幅度有减小的趋势。共轨管形状图为共轨管容积保

9、持为时，在不同长径比的情况下仿真得到的压力建立时间和轨压波动的变化曲线。由图可看出，在长径比分别为、时，直径越大，长度越小，压力波动幅度越小，压力建立时间基本相当，表明共轨管的形状对其压力特性有较大影响，细长的共轨管比短粗的共轨管的压力波动大，而轨压建立时间受长径比的影响较小。供油压力图为当共轨管尺寸不变、油泵供油压力为、时的共轨管压力特性曲线。由图可看出，供油压力越高，轨压建立时间越长；喷油器喷油阶段，供油压力越大，轨压波动幅值也越大；喷油结束后，供油压力越小，轨压的稳定程度越高。柴油与二甲醚的轨压特性对比图为共轨管内径为 、长度为、油泵供油压力为 时，柴油和二甲醚共轨管压力特性曲线。由图可

10、看出，由于二甲醚可压缩性较柴油大，二甲醚的压力建立时间比柴油压力建立时间长；喷油器刚开始喷油时，二甲醚压力有很大幅度的波动，但整个工作循环内的平均压力波动幅度比柴油小。仿真与实验结果对比经过综合比较，当共轨管直径为、长度为、容积为时，共轨管压力建立时间和压力波动状况比较合理。为验证低压共轨系统的共轨压力特性，在二甲醚燃油系统试验台上进行实验。图为喷射压力为 、共轨管溢流压力为 时低压共轨系统喷油器入口处的压力特性曲线。由图可看出，仿真分析和实验结果基本接近，验证了仿真模型的合理性，仿真分析的结果可为低压共轨系统的设计提供理论依据。结论（）仿真结果表明，共轨管的结构对共轨压力建立时间、压力波动特性有较大影响，合理地选择共轨结构参数，可保证供油系统良好的压力特性。（）实验结果验证了仿真结果的合理性，所建的模型能模拟二甲醚低压共轨系统的工作过程。运用进行仿真计算，节省了实验的时间和成本，能为实际供油系统的设计提供理论依据。（）建模过程中对部分模型进行了一定的简化，后期研究中将建立更完善的模型，并制定相应的压力控制策略。参 考 文 献张煜盛，田威，郑瑞二甲醚发动机燃油喷射过程的数值模拟及其试验研究华中科技大学学报