摘要：根据船用柴油机共轨燃油系统工作特点及技术发展趋势, 基于AMESim软件平台针对头部带蓄压器的新型喷油器结构建立仿真模型, 研究其设计要点。结论表明: 新型喷油器结构可以有效抑制系统中多个喷油器喷射过程中的互相干扰, 蓄压器入口节流孔大小及蓄压容积的选取是影响新型结构喷油器性能的关键结构参数。
关键词：高压共轨; 电控喷油器; 仿真; AMESim
1 前言
共轨技术的突出优点是控制灵活精确, 通过控制共轨压力和喷油时间来精确控制喷油过程。但是, 由于油泵供油的不连续以及各喷油器按一定时序喷油, 导致共轨内产生压力波动, 这给进一步精确控制喷油过程带来了困难。船用柴油机缸数多、循环喷油量大, 喷射过程引起的共轨系统内压力波动对喷射的一致性和重复性造成的不利影响更为严重。
喷油器是高压共轨系统中最关键的部件, 而且在不断改进结构、提高性能的同时正在向产品模块化方向发展, 将蓄压器集成在喷油器头部的新型结构代表了未来发展的趋势。本文将针对头部集成蓄压器的新型喷油器结构开展研究, 分析这一结构对喷油器性能的影响, 为主要参数设计提供依据。
2 新型喷油器结构
为解决船用柴油机(或其他用途大型柴油机)循环喷油量大引起压力波动大, 喷油器数量多引起喷射过程互相干扰等问题, 并满足零部件模块化设计要求, 国外近年出现了头部带蓄压器的新型喷油器结构, 如图1所示。
图1 喷油器头部蓄压器结构示意图
MTU2000系列柴油机共轨系统是采用这种喷油器的代表机型, 系统结构如图2所示。对每个喷油器的蓄压器而言, 在完成一次喷油后, 仅需对其补充这次喷射中射出的燃油量。另外, 为了使蓄压器中因喷射引起的压力波动不会影响到相邻的其它各缸, 蓄压器入口处往往采用节流装置防止残余压力波在整个燃油系统中的传播。 
1—高压泵 2—高压油管 3—分配单元 4—燃油管 5—油轨 6—喷油器 7—蓄压器
图2MTU2000系列柴油机共轨燃油系统
3喷油器模型的建立
本文利用AMESim软件开展仿真计算, 首先针对某典型共轨用电控喷油器建立模型, 作为改型前的基础喷油器模型(图3) 。喷油器内的电磁阀为一个开关阀, 为了考虑该阀开启与关闭过程中的动态变化的影响, 电磁阀用一个流通速率随时间变化的可变节流孔模型, 采用周期性曲线控制电磁阀流通规律。
图3 基础喷油器模型
基础模型是针对某典型共轨用电控喷油器建立, 可以用试验数据对比检查其准确性, 主要是校验循环喷油量和喷油率。循环喷油量计算值与实测值如表1所示, 可见计算结果与实测值吻合度较好, 在喷油压力为60、80、100MPa, 喷油脉宽2 500μs时的循环喷油量误差都在2%以下。表1 循环喷油量计算值与实测值对比
 在上述经过试验验证的典型结构喷油器模型基础上修改得到新型喷油器模型, 如图4所示。
图4 带蓄压器的喷油器模型
为了给每次计算提供一个具有可比性的喷油器入口边界条件, 兼顾与实际使用情况接近, 模型中的油泵用一个可设置的压力源替代, 油泵蓄压器、高压油管等均采用经过试验验证的模型。新型喷油器头部的蓄压器作为集中容积( Injector accumulator) , 蓄压器入口处有节流孔(Throttling orifice) 。
需要说明的是, 在喷油器头部增加蓄压器的同时往往喷油器下部结构也会改变, 以减少运动件质量, 提高响应速度。本文主要关注喷油器头部的新结构, 对于下部结构的研究将另外开展。
4 仿真分析
4.1 蓄压器入口节流孔对喷油器性能的影响以蓄压器节流孔面积与喷油器喷孔总流通面积比值作为调整变量, 用QA表示。(暂将蓄压器容积设为定值13ml, 约为喷油器最大循环喷油量的50倍。)
表2～表5数据均为相对值, 以QA = 310的数据作为比较标准。
由图5 (曲线数据见表2) 可以看出, QA 对喷油率的大小和曲线形状均会产生影响, QA越大喷油率最大值越高, 曲线越饱满; QA小于210时喷射初期喷油率上升缓慢, 且喷油量不足; 但QA在大于等于3.0后对喷油率的影响效果不明显。同时注意到减小QA有利于控制喷射初期喷油率上升速率。
由图6 (曲线数据见表3) 可以看出, QA对压力室所能达到的最高压力及压力曲线形状有影响。QA小, 压力室所能达到的最高压力低, 喷射过程中压力下降快。压力室压力低意味着喷油率下降, 影响燃油喷柱的雾化质量和贯穿度。为保证喷射过程的高压, QA越大越好, 从图表分析, 结构设计时QA应大于2。
由图7 (曲线数据见表4) 可以看出, QA 越小蓄压器内的平均压力越低, 在喷油量相同的情况下一次喷射所引起的压力下降越大, 且蓄压器内压力波动的幅度越大。为保证喷油过程中保持比较高的喷射压力, 且压力不会跌落太快, QA取值越大越好, 一般不宜小于3.0。
图7 QA对蓄压器内压力的影响
根据试验数据, 常规共轨系统在同样工况下喷油器入口处压力波动的最大值为110.4MPa, 最小值82.4MPa, 两者相差28.0MPa。图8 (曲线数据见表5 ) 中当QA = 3.0 时最大值与最小值相差17.38MPa。比较可以看出, 节流孔可以有效削弱喷油器入口处的压力波动, QA 对蓄压器入口前(节流孔前端) 的压力波动影响显著。
QA越小, 压力波动幅度越小, 这意味着喷油过程产生的压力波动被节流孔有效阻隔, 减少了对系统压力稳定的扰动, 削弱了对其他喷油器喷射的影响。仅从这一因素考虑, QA 越小越好。QA 在大于310以后对于阻尼压力波动的作用不明显。
综上所述, QA在2.0～3.0比较合适。
4.2蓄压器容积对喷油器性能的影响
以蓄压器容积与喷油器最大循环喷油量的比值作为调整变量, 用QV表示。
本系统喷油器最大循环喷油量按250 mm3计算。蓄压器入口节流孔孔径固定, 根据QA = 2.0～3.0的要求喷油器模型蓄压器节流孔直径对应为0.88～1.08 mm, 现取节流孔直径110mm。
采用与前文同样的方法分析QV 取值对喷油率、压力室压力、蓄压器压力、蓄压器入口前压力的影响。得到以下规律:
(1) QV对喷油率有明显影响, QV越大喷油率最大值越高, 在大于等于50后对增大喷油率效果不明显, QV小于等于30时明显影响喷油率最大值和平均值, 且初期喷油率上升趋缓, QV大于60后对喷油率大小影响不明显。为保证喷油器最大循环喷油量需要, QV不宜小于30, 也不太需要大于60。
(2) QV 对压力室所能达到的最高压力有影响, QV小, 压力室所能达到的最高压力低。压力室压力低意味着喷油率下降, 影响燃油喷柱的雾化质量和贯穿度。为保证喷射过程的高压QV越大越好, QV在大于60后对喷射压力的影响不明显, 但在小于等于30时明显影响喷射压力。
(3) QV对蓄压器内的平均压力影响不明显,但明显影响蓄压器内的压力波动幅度。QV 越小,在喷油量相同的情况下一次喷射所引起的压力波动幅度越大, 特别是压力下降的幅度。为保证喷油过程中压力不会跌落太快, QV 取值一般不宜小于50。
(4) QV对蓄压器入口处(节流孔前端) 的压力波动幅度有影响。QV 越大, 压力波动幅度越小, 这是因为蓄压器内储存的高压燃油及时补充了喷射过程所引起的压力降, 减少了对整个系统压力稳定的扰动。从这一因素考虑QV越大越好, 一般不宜小于50, 小于30则不能发挥这一结构的优越性。
考虑到QV 大会带来喷油器结构设计上的困难, 在满足性能要求的前提下QV 越小越容易布置, 同时降低制造难度。综上所述, 一般情况QV取50～60比较合适; 若考虑控制喷射初期喷油率,或采取其它系统压力稳定措施, QV 也可略小于50。
5 结论
根据船用柴油机共轨燃油系统工作特点及技术发展趋势, 针对头部带蓄压器的新型喷油器结构建立仿真模型, 研究其设计要点。得出以下结论:
(1) 头部带蓄压器的新型喷油器结构可以有效抑制系统中多个喷油器喷射过程中的互相干扰;
(2) 蓄压器入口节流孔大小及蓄压容积的选取是影响新型结构喷油器性能的关键结构参数;
(3) 节流孔大小对控制喷油率和阻尼系统压力波动作用明显, 综合多方面因素QA在2.0～3.0比较合适;
(4) 蓄压容积对实际喷射压力(嘴端压力)和系统压力波动影响明显, 一般情况QV取50～60比较合适。
参考文献
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