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使用FLOWMASTER模拟和优化柴油机的供油系统
作者:党德功 张天强 高清秀
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发动机展厅
汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ...
摘要:使用商业软件FLOWMASTER 对柴油机供油系统及其工作过程进行模拟,并用之于某些参数的优化匹配。
关键词:柴油机,供油系统,模拟计算,优化匹配

1 前言

柴油机的供油系统是整机的重要组成部分,与整机性能十分密切。供油系统的任务是定时定量向气缸供给高压燃油。这些燃油通过喷油器的小喷孔以高压高速喷入燃烧室,雾化成细小的微粒;喷孔的方向、个数与燃烧室的形状相适应,加以适当的空气流动,使燃油与空气快速混合,实现高效的燃烧。可以说追求高效率低油耗是内燃机研发的一个永恒主题,但最近数十年来,由于污染物对环境的影响,内燃机的排放受到高度重视。各国都在相继制定排放法规,且越趋严格。但有些降低排放的措施往往会使效率恶化、油耗增加,为使排放达标同时保持甚至降低油耗,生产厂家及科研机构都投入大量的人力物力,对燃烧系统进行改进,取得了长足的进展。在供油系统方面,主要措施是高压喷射和电控。有的系统已可提供160MPa 左右的喷油压力。电控系统则从电子调速到喷油定时,再发展到可同时进行油量、时间及压力控制的高压共轨系统。高压共轨系统具有很大的灵活性,可以根据发动机运行工况提供最佳的喷油压力,选择最佳的供油时间甚至进行多次喷射、控制喷油率曲线的形状,使发动机在所有运行工况都得到最佳性能。在国外,共轨系统已进入实用阶段。目前国内应用最多的还是传统的供油系统,或配以电子调速,通过适当提高喷射压力及系统的优化匹配来满足性能的要求。有关科研机构及院校也在加紧开发电控燃油喷射系统,甚至高压共轨系统。

2 模拟计算及其在供油系统研发中的运用

随着计算机的出现和发展,计算模拟技术应运而生,并且快速发展。在各种各样新软件不断出现的同时,已有的软件也不断地更新换代和升级。所以使用更方便,功能更强大。这些专业计算软件用于科研开发,发挥出越来越重要的作用。可以说模拟计算已成为研发过程不可或缺的部分。在内燃机行业,则有各种各样的发动机性能模拟计算程序,及针对发动机工作过程的计算流体力学软件或模块。同样,不少学者对柴油机的喷油系统进行模拟计算;商业软件也相继出现,如AVL 的HYDSIM,GAMMA TECHNOLOGIES 的GT - FUEL,RICARDO 的相应软件等。运用这些软件,可在结构设计前对系统进行计算分析,根据已有的边界条件,通过优化、调整计算得出比较合理的结构参数;也可配合设计调整,根据需要随时进行计算分析。特别是优化计算,只需对有关参数进行调整,作相应的计算。相比之下,若要对各方案进行试验对比,则样件加工的成本和周期都要大大增加。随着计算机及计算技术的发展,计算速度越来越快,计算的准确度也越来越高,因而模拟计算在研发中的效果更为显著。

在国内,供油系统的开发,大部分还是通过简单的设计计算和试验调整来进行。所做的试验一般有供油量调整,高压油管压力波测量分析,然后进行配机试验。通过对发动机性能分析,再做进一步的改进调整。可想而知,开发过程需要做大量的试验,并且要经过多次的反复。所以开发周期长,资源耗费量大,经济效率较低。但随着模拟计算的作用逐渐得到认识和重视,有的单位进行了软件开发,有的则开始引进一些国外的商业软件。商业软件的特点是系统化,通用化,界面好,数据处理及表现多样。不同的系统只要根据不同的结构组成选用不同的模块和相应的结合来建立模型,灵活直观,使用方便。

3 使用FLOWMASTER 模拟喷油系统

FLOWMASTER 是一套一维的流体管路系统计算程序,可用于流体输送、冷却系统、润滑系统、空调系统及液压系统等各方面。为使该软件适于发动机的供油系统,新近又增加了一些相应的新模块。

本文涉及的研究对象是一个比较传统的供油系统,采用直列高压泵。为了改善性能,喷油压力有所提高。但试验发现,结果并不很理想,主要表现在嘴端压力总是低于泵端压力,并且相差的幅度较大。

对于结构一定的喷油器,嘴端压力的高低直接影响燃油喷射质量。嘴端压力高,喷入的燃油获得的能量大,有利于雾化及与空气混合,改善燃烧。经验表明,设计合理的供油系统,嘴端压力会大大高于泵端压力(达上百个大气压)。在这种情况下,可在充分发挥高压泵负荷承载潜力的条件下,获得尽量好的喷油质量。

以此判断,该供油系统需要进一步的结构优化设计,从而使嘴端压力高于泵端压力。拟采取的方案是保持高压泵的结构不变,而对高压油管的管长、内径及喷油器的喷孔大小进行优化匹配,找出最佳组合,达到改善喷油特性的目的。

为此,也曾做过一些试验,但总的来说,加工得到的配置种类数量有限,数据比较零散,不易做系统性的优化工作,难以得出规律性的结果。且零件的加工开销大,时间长。

而模拟计算则不受这些限制,不同的配置只是代表不同的参数组合而已,因而也易做系统的分析。因此,决定使用FLOWMASTER 软件来进行系统的优化工作。

燃油喷射系统内存在复杂的液力现象。首先在高压泵中,当凸轮推动柱塞上行,逐渐关闭进油孔,泵腔内的燃油被压缩。当压力上升到足以克服高压油管内的残余压力和出油阀的弹簧力时,出油阀打开,泵腔内的燃油进入高压油管。柱塞继续上升,首先使泵端管内出现局部高压;柱塞的连续运动则形成连续的压力波。压力波以声速在高压油管内向喷油器方向传播,到达嘴端以后会产生一个反射波,向泵端传播。同样,此反射波到泵端后,会再一次反射。压力波的各部分都会在高压油管内传播反射。当然由于管内损耗,幅度逐渐下降。所以管内各点的压力在不断变化,每个时刻的压力可能是由某个原始波与其它反射波叠加的结果。在声速基本不变的情况下,管长决定压力波传播反射的周期。如果对管长进行调整,就有可能找到一个合适的值,使得在喷射期间,各个压力波在嘴端叠加后获得最高峰值,甚至高于泵端的峰值压力。如果通过参数调整,尽量减弱针阀落座后的压力波幅度,就可避免二次喷射。而适当地控制泄压过程,则可减弱和避免穴蚀。进行优化计算的目标就在于此。但本次优化计算的目标仅限于有效地利用喷油能量,即在系统允许的负荷条件下,在高压油管的嘴端获得尽量高的峰值压力。

当然,油管长度和内径会影响压力损失及系统的高压容积,这将影响管路各点压力。喷孔大小则影响喷油器压力室与气缸之间节流的程度。这些因素将影响泵端与嘴端压力之间的相对关系。

为对供油系统进行模拟计算及优化匹配,首先要建立模型,这是根据系统的实际构成来实现的。如图1 所示,系统主要包含3 大部分,即高压泵、出油阀和喷油器。系统由部件组成,而部件由元件组成,每个元件则用独立的模块来描述,元件之间的联结用节点表示。由图1 可见,元件及节点均有编号,元件标号使用较大的字体。

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图1 供油系统结构摸拟示意图

高压泵由下列元件组成:对各元件动作实施控制的凸轮14,容积随柱塞运动而变化的高压泵油腔32,进油阀及泄油阀5 等。还有代表低压油路的恒压压力源6。出油阀由一个流通截面随阀体位置变化的液压阀20 来代表。出油阀的运动由所受的各种作用力决定,而这些力也由相应的元件模块来代表:即代表液压力的活塞元件25;代表摩擦力的阻尼元件18;代表弹簧力的弹簧元件8;代表惯性力的质量元件9。此外还有容积元件33、34 和离散损失元件28 等。喷油器的针阀与出油阀类似,所以具有类似的元件。此外,离散损失元件11 代表喷孔,压力源4 代表燃烧室。高压泵与出油阀之间的连接用油管2 来实现。出油阀到喷油器之间的高压油管为管件7,为优化模拟计算的对象之一。此外,各部件内部的孔道也用管件代表,而充有燃油的空间用容积模块表示。图1 中有很多形状相似的元件如16、31 等,均代表测量仪表,所测量的参数随使用场合而定,如阀门开度、阀体位置及压力等。本模型中,节点测量参数均为压力。

4 优化计算及结果分析

(1)计算过程简述

优化计算针对两个工况进行,即额定转速下的全负荷和约37%负荷。这实质上意味着两个供油量,目的在于比较负荷变化对喷油过程的影响,从而使优化参数能够同时照顾不同工况的需要。在此,要特别提醒注意的是实际的计算过程,要进行等油量的调整,数据整理准备相当烦琐,也很费时,因而采取固定齿杆位置,即高压泵固定有效柱塞行程调整。然后对所得数据进行综合分析,合理运用,达到预期的目的。对于上述两种情况(两个柱塞有效行程),则分别针对数种管长、管径、喷孔直径的所有组合进行计算,以便找出喷油特性随这些参数的变化规律。

在优化计算之前,首先根据该工况点的试验数据进行匹配计算,调整模型中的有关参数,使计算结果与试验数据相一致。试验所采用的参数,即油管长度、油管内径及喷孔直径,可视为‘基准配置’,而有关的试验数据为‘基准数据’。匹配调整完成后,就可认为模型能够准确代表系统的特性。

在优化过程中,可获得相当丰富的数据,如各节点的压力变化、流量变化,某些元件的阀门开度或升程等。依据这些数据可对系统进行研究分析,以便认识各种变量与喷油特性的内在关系。图2 是一组典型的结果,有泵端、嘴端压力,泵腔、嘴腔压力,还有针阀升程。既清晰地展示了各点压力波随时间的变化,通过针阀升程的变化,也可直观地检查是否有二次喷射。这4 个压力是所要观察的主要对象。泵端和嘴端压力是实际可测量到的参数,既是匹配调整的主要依据,也是判断系统性能优劣的标志性变量。泵腔压力用以间接地反映凸轮所承受的负荷,嘴腔压力则可更直接地体现燃油喷射能量的大小。而在优化计算过程中,主要是记录在特定配置下各压力的峰值,用以进行分析比较。

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图2 高压油管压力波和针阀升程曲线
1—泵腔;2—泵端;3—嘴端;4—嘴腔;5—针阀升程

表1 所示是一套计算结果。大的方面分为两组,即大柱塞行程、小柱塞行程(简称大、小行程)。每组又分别列出不同喷孔(孔数× 孔径mm)8 × 0.435、8× 0.42、8 × 0.40、8 × 0.37、8 × 0.35;不同油管内径(mm) 2.5、2.75、3; 不同管长(mm) 890、850、就各参数对泵端、嘴端压力的影响进行分析。

表1 不同配置下供油系统参数变化
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(2)管长的影响

图3 是泵端、嘴端压力随管长的变化。可以看出,随管长的增大,泵端和嘴端压力均下降。对大行程,嘴端比泵端压力下降的幅度要大些,管长由750mm 增加到970 mm,泵端压力下降1.2 MPa,嘴端下降2.7MPa。对小行程,泵端和嘴端压力下降幅度基本一样,分别为1.1 和1.2MPa。同时可以看出,不论泵端还是嘴端压力,小行程的峰值大大低于大行程的峰值。

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图3 泵端嘴端压力随管长变化
(喷孔8 × 0.42mm;管径2.5mm)
—◆—泵端大;—■—嘴端大;—Δ—泵端小;—$—嘴端小

这些仅仅是喷孔8 × 0.42mm,油管内径2.5mm的情况。随喷孔和管径的变化,泵端、嘴端压力变化的幅度也会变动,但泵端、嘴端压力随管长增加而下降的趋势是一致的(表1)。这是因为压力损失随管长增加而增加的缘故。所以,为充分利用喷油能量,应尽量使用短的高压油管。

(3)油管内径的影响

图4 是泵端、嘴端压力随油管内径变化的情况。随着管径的增大,泵端、嘴端压力均下降,但泵端比嘴端压力下降要快。对大行程,管径由2.5mm 增大到3mm,泵端压力下降28.5 MPa,而嘴端压力下降9.0MPa。由于这样的变化,在管径大于某个数值以后,嘴端压力会高于泵端压力。如在管径为2.5mm 时,泵端压力为110MPa,大大高于嘴端压力91.5MPa;但当管径为3mm 时,泵端压力为81.5MPa,低于嘴端压力82.5MPa。对于小行程,变化趋势是一致的,但在这种管径的变化范围,虽然嘴端压力向泵端压力逐步接近,但终未能超过嘴端压力。可以估计,如管径继续增大,这种情况就会发生。

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虽然增大管径会使嘴端压力高于泵端压力,但嘴端压力也因此大幅下降,结果是得不偿失。其原因在于管径增大虽使管内相对阻力降低,而同时使高压容积增大。

图4 中所示的仅是喷孔8 × 0.42mm 和管长890mm的情况,对于其它不同喷孔、管长的配置,变化趋势是类似的(表1)。

(4)喷孔直径的影响

图5 是泵端、嘴端压力随喷孔直径变化的情况。可见,泵端压力基本保持恒定,而嘴端压力随喷孔的缩小而上升。对大行程,孔径为0.435mm 时,泵端压力(108.1MPa)大大高于嘴端压力(85.4MPa),相差22.7 MPa; 当孔径缩小到0.35 mm 时, 嘴端压力(112.4MPa)已高于泵端压力(110MPa),嘴端压力提高了17MPa。对小行程,孔径从0.435mm 到0.35mm,嘴端压力提高11.8MPa。

这是管长890mm 和管径2.5mm 的结果,对于其它管长、管径组合,变化趋势是类似的,具体数值则会有所起伏(表1)。孔径缩小使节流加剧,提高了嘴端压力,而泵端压力维持不变,即凸轮承受的负荷没有变化,似乎是有利无弊。然而,喷孔缩小使流通截面减小,从而使流量减小。这意味着要维持相同的喷油量,就必须通过齿杆位置的调整,即增加高压泵有效柱塞行程,这又会使喷油延续期加长。因此在确定喷孔大小时,这些因素也需加以妥善考虑。

(5)小结

从以上分析可见,高压油管内压力波的变化有如下规律

1)随管长增加,管路阻力增加,泵端、嘴端峰值压力均下降。

2)随油管内径的增大,泵端、嘴端峰值压力均下降,但泵端压力下降更快。当管径到达一定值后,嘴端压力会超过泵端压力,且差值会随管径的增大而逐渐增大。

3)随喷孔直径的缩小,泵端压力基本维持不变,而嘴端压力会大幅上升,但一个负面的效果是流通能力下降。

所以为了获得理想的喷油特性,对管长、管径、喷孔直径各参数进行适当的调整,并综合、平衡各自的影响:

1)为有效利用喷油能量,应采用尽量短的高压油管,以减小管路压力损失,保证高压有效地传递到嘴端。

2)为使嘴端压力高于泵端压力,可适当增大高压油管内径。但为充分发挥其效用,就需要尽量减小或消除伴随而来的压力下降。由于管径增大时,泵端和嘴端峰值压力均下降,泵端压力下降意味着系统负荷减小。这样如果配以对高压泵结构的适当调整,维持泵端压力在设计点,如提高供油速率等,就可达到两全其美的结果。

3)为提高喷射压力,同时使嘴端压力高于泵端压力,可采用适当小的喷孔,但应保证供油量的要求。

4)在采用最短油管的基础上,选择适当的油管内径、喷孔直径,就可收到良好的效果。如在表1 中,大行程下配置为喷孔8 × 0.37mm,管径为2.75mm,管长为780mm 的结果,此时泵端压力为96.5MPa,嘴端压力为103MPa。比起喷孔8 × 0.42mm,管长890mm 的配置(其它参数不变,泵端压力110 MPa,嘴端压力91.5MPa),泵端压力有大幅下降,而嘴端压力有大幅上升,改善了喷油条件。但喷孔的流通能力将缩小大约22 %。不过嘴端压力的提高可弥补6 %。如保持高压泵结构不变,通过增加柱塞有效行程来补偿喷油量,以维持原来的负荷,则泵端和嘴端压力均会有相当幅度的提高,进一步改善喷油条件。

5)为了充分考虑喷孔大小对供油量的影响,可在表1 的基础上,多准备几组不同齿杆位置的数据。这些数据形成一个关于泵端和嘴端峰值压力的多维空间函数,通过这些数据则可找出满足要求的系统配置所在的参数区域,然后可通过进一步的优化计算得出最佳配置。

5 小结

把FLOWMASTER 软件运用到柴油机供油系统模拟计算,建立了系统模型,并针对油管长度、油管内径和喷孔直径对系统特性进行了局限性的优化计算,即以泵端和嘴端压力为优化目标参数,选择最佳配置,在系统负荷允许的条件下,使嘴端压力高于泵端压力,且使嘴端压力达最高值。通过计算,获得了高压油管压力波动,特别是泵、嘴端两峰值压力随相关各参数的变化规律,建立了优化的方法和步骤,取得了有益的效果。计算表明FLOWMASTER 不失为进行供油系统模拟计算的有效工具。它具有众多的模块,丰富的功能,因而也受到用户的首肯。把模拟计算技术用于供油系统的研究、优化设计,大大提高了效率。

参考文献
1 G. Stumpp and M.Ricco.Common Rail - an Attractive Fuel Injectoin System for Car DI Diesel Engines[J]. SAE 960870.
2 徐家龙、藤泽英也,日本电装的电控高压共轨喷油系统-ECD - U2[J]. 国外内燃机,2000(2):
3 尚宇辉等. 车用柴油机电控燃油喷射系统的研究现状和发展趋势[J]. 柴油机,1999(4):
4 Flowmaster. Reference help.(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (1/8/2010)
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