柴油机高压喷射过程的计算方法

柴油机高压喷射过程的计算方法

喷油法对发动机的性能有重要影响。为了节约能源，喷油机的趋势是明显的。然而，直喷式喷油的排放必须达到欧洲和欧洲的标准。燃油系统的高压喷射是主要技术之一。高压喷射可以促进喷雾液的滴注，并与空气混合充分混合和燃烧，从而抑制碳烟的生成。同时，由于喷嘴使油时间延长，延迟喷油的时间，减少停滞期和燃烧持续时间。此外，增加喷射压力可以降低对原油空气运动的要求，减少空气运动造成的热量损失，这不仅使收割机能够获得良好的动力性和经济性，还有利于减少nox排放。在通常的柴油机泵—管—嘴供油过程模拟计算中,高压油管中压力波的传播速度(音速)和燃油密度常被假定为常数.但是,随着柴油机喷油压力的迅速提高,造成系统内燃油压力变化范围扩大、燃油温升和燃油音速与密度变化等一系列问题.因此,在喷油过程计算中有必要对其进行变音速、变密度的处理,以便使高喷油压力下的模拟计算与实际情况尽可能地接近.虽然,有的文献也提出了变音速、变密度的计算方法,但只是将压力波传播速度取为两个平均值,即当有空穴产生时,音速取为900m/s;当无空穴时,音速取为1250m/s,因此,这种方法仍有其局限性,而且程序复杂,计算时间较长.在高压供油过程中,系统各点的压力是不断变化的,柴油是可压缩的,燃油的密度和压缩系数是压力的函数,音速又是密度和压缩系数的函数,因此,音速也是压力的函数.本文基于这一观点提出了一种新的且比较简单的计算方法.1流量系数kθ—油泵凸轮转角;P—燃油压力;PH—柱塞泵腔压力;PM—出油阀室压力;PT—油管残余压力;Pφ—针阀腔压力;Pg—燃烧室背压;T—燃油温度;u—燃油速度;a—音速;x—油管长度坐标;t—时间;ρ—燃油密度;α—压缩系数;μB—进油孔流量系数;μM—出油阀流量系数;μL—油管泵端流量系数;μ′L—油管嘴端流量系数;μc—喷孔流量系数;fB—进油孔流通面积;fo—回油孔流通面积;fM—出油阀流通面积;fn—出油阀截面积;fφ—针阀截面积;fL—油管泵端流通面积;f′L—油管嘴端流通面积;VH—柱塞泵腔集中容积;VM—出油阀室集中容积;Vφ—针阀腔集中容积;H—柱塞升程;Z—出油阀升程;Zo—出油阀弹簧预压缩行程;y—针阀升程;yo—针阀弹簧预压缩行程;m1—出油阀运动质量;m2—针阀运动质量;C1—出油阀弹簧刚度;C2—针阀弹簧刚度;d—高压油管内径;s—高压油管壁厚;E—高压油管弹性模量;K—燃油阻力系数;ζ、ε—控制出油阀、针阀升程的阶跃函数.2标准的模拟计算方法2.1弹簧刚度的校核(1)不考虑系统各零件(高压油管除外)的弹性变形和弹簧的自振.(2)各腔为集中容积,同一瞬间压力、密度处处相等.(3)燃油的摩擦系数和弹簧刚度取为常数.(4)不考虑平面密封和锥面密封处的泄漏,只考虑圆柱运动副的泄漏及其对各腔压力的影响.2.2压力波传播速度函数首先将高压油管分成若干等份,其结点为(i-1),(i),(i+1),……,在结点i上的压力、密度、压缩系数、音速分别为p(i)、ρ(i)、α(i)、a(i).(1)燃油压缩系数是压力和温度的函数,即α(i)=a0+a1p(i)+a2p2(i)(1)式中a0=b01+b02(T-273)+b03(T-273)2,a1=b11+b12(T-273),a2=b21.T为燃油温度,对于柴油,上式系数为b01=61.1×10-6b02=0.258×10-6b03=0.921×10-6b11=-29.6×10-9b12=-0.151×10-9b21=16.4×10-12(2)燃油密度是压力的函数,即dρ/ρ-α·dp(2)(3)压力波传播速度(音速)是密度和压缩系数的函数(当考虑高压油管的弹性变形时),即a(i)=1ρ(i)⋅[α(i)+E⋅d/s](3)a(i)=1ρ(i)⋅[α(i)+E⋅d/s](3)(4)变音速、变密度的有限元处理在区间[i-1,i+1]上,音速、密度取为常数,应为(i-1)、(i)、(i+1)三点的平均值,只要油管长度划分得足够小,这种近似是成立的.在区间[i-1,i+1]上的音速、密度、压缩系数分别是:a¯(i)=a(i−1)+a(i)+a(i+1)3ρ¯(i)=ρ(i−1)+ρ(i)+ρ(i+1)3α¯¯(i)=α(i−1)+α(i)+α(i+1)3a¯(i)=a(i-1)+a(i)+a(i+1)3ρ¯(i)=ρ(i-1)+ρ(i)+ρ(i+1)3α¯(i)=α(i-1)+α(i)+α(i+1)32.3ux+a2p+pt燃油在高压油管内的流动过程,在计及摩擦的情况下,可用下列微分方程表示:∂p∂x+ρ∂u∂x+2ρku=0∂u∂x+1a2p+∂p∂t=0∂p∂x+ρ∂u∂x+2ρku=0∂u∂x+1a2p+∂p∂t=0在这两个方程中,音速a和密度ρ在油管长度区间[i-1,i+1]和时间区间[t-Δt,t+Δt]内可看成为常数,即为a¯a¯(i)、ρ¯ρ¯(i),则在这个长度和时间区间内可把以上两个方程看成常微分方程组,就可用差分法求解.2.4喷油敞口针阀运动方程喷油过程的初始状态假定高压油管内的燃油速度及导数为零,即u(x⋅t)t=0=(∂u∂t)t=0=0u(x⋅t)t=0=(∂u∂t)t=0=0并假定柱塞泵腔压力PH等于进油压力PB,出油阀初始压力PM和针阀腔初始压力均等于油管中的残余压力PT,即(PH)t=0=PB,(PM)t=0=(Pφ)t=0=PT.柱塞腔连续方程aVHdPHdt=fHdHdt−(μBfB+μ0f0)2ρ(PH−PB)−−−−−−−−−−√−μMfM2ρ(PH−PM)−−−−−−−−−−√⋅ζ⋅fn⋅dzdtaVΗdΡΗdt=fΗdΗdt-(μBfB+μ0f0)2ρ(ΡΗ-ΡB)-μΜfΜ2ρ(ΡΗ-ΡΜ)⋅ζ⋅fn⋅dzdt出油阀腔连续方程αVM⋅dPMdt=μMfM2ρ(PH−PM)−−−−−−−−−−√−μLfL+ζ⋅fn⋅dzdtαVΜ⋅dΡΜdt=μΜfΜ2ρ(ΡΗ-ΡΜ)-μLfL+ζ⋅fn⋅dzdt出油阀运动方程m1d2zdt2=fn(PH−PM)−C1(Z+Z0)m1d2zdt2=fn(ΡΗ-ΡΜ)-C1(Ζ+Ζ0)喷油嘴压力室连续方程αVφ⋅dPφdt=μ′Lf′L−μcfc2ρ(Pφ−Pg)−−−−−−−−−−√−ε⋅fφ⋅dydtαVφ⋅dΡφdt=μ′Lf′L-μcfc2ρ(Ρφ-Ρg)-ε⋅fφ⋅dydt喷油嘴针阀运动方程m2d2ydt2=fφ⋅pφ−C2(y+y0)m2d2ydt2=fφ⋅pφ-C2(y+y0)2.5空穴产生的模拟计算在喷油系统存在空穴的运转情况下,其燃油的流动过程是两相状态下的流体流动过程,对系统压力传播速度及其变化规律有严重的影响.为此,假定当计算压力低于零时有空穴产生,此时燃油的连续性受到破坏.现假设空穴集中在某两区段的交界处,其反射压力波按开口端的边界条件处理,而在燃油充填空穴过程中被填满之处,因无残余空穴存在,都可直接用纯燃油音速,即可用以上公式计算.喷油过程的模拟计算框图(见图1)3计算结果表明与实际测量值的比较模拟计算了280柴油机(直喷式,增压中冷)的供油过程,该柴油机喷油系统的基本参数见表1,并将计算结果与实际测量值进行了比较,见图2.4残余压力波动值与实测结果的比较(1)本模拟计算方法考虑了高压喷油系统内燃油音速和密度的连续变化,与未考虑音速、密度变化的计