船用低速柴油机电控喷油器的动态响应特性研究

基于AMESim液力仿真平台搭建了船用低速柴油机双阀电控喷油器的数值模型,循环喷油量的计算值与实测值的最大误差仅为3.38%,且喷油压力、增压活塞位移关键时序指标的试验数据与计算数据的最大相对误差不足1%,证明了该模型的准确性。为了分析喷油器的动态响应特性,定义了开启响应时间和关闭响应时间,探究了结构参数对喷油器响应特性的影响规律,并通过帕累托分析确定了各因素对喷油器响应特性的影响权重。结果表明：喷油器开启响应时间与增压活塞小头直径、针阀最大升程、针阀弹簧预紧力、控制腔直径呈正相关,与增压活塞大头直径呈负相关,各因素对喷油器开启响应时间的影响权重分别为8.59%、15.74%、4.97%、10.88%、9.48%。喷油器关闭响应时间与增压活塞大头直径、针阀最大升程呈正相关,其影响权重分别为7.86%、27.33%,与增压活塞小头直径、针阀弹簧预紧力、控制腔直径呈负相关,其影响权重分别为6.22%、7.29%、7.36%。对于喷油器开启响应时间,增压活塞小头直径与增压活塞大头直径、增压活塞大头直径与针阀最大升程、增压活塞小头直径与针阀最大升程、增压活塞大头直径与针阀弹簧预紧力以及增压活塞小头直径与针阀弹簧预紧力间的交互作用为关键交互因素,其影响权重分别为5.49%、4.55%、3.95%、3.33%、3.19%。对于喷油器关闭响应时间,针阀最大升程与控制腔、增压活塞大头直径与控制腔、增压活塞大头直径与针阀最大升程和控制腔直径、增压活塞大头直径与针阀最大升程以及针阀弹簧预紧力与控制腔直径间的交互作用为关键交互因素,其影响权重分别为5.02%、3.60%、3.46%、3.39%、3.17%。     

小缸径低速柴油机电控高压共轨系统循环喷油量影响因素研究

循环喷油量是柴油机的一项重要喷射性能,也是柴油机能够维持正常运转的基础。利用AMESim仿真平台建立了小缸径低速柴油机高压共轨系统的数值仿真模型,采用间接标定法对模型进行了验证。利用所建模型,在全工况平面内研究了控制活塞直径、控制腔进油孔直径、出油孔直径、针阀最大升程和喷孔直径等参数对循环喷油量的影响,并给出了各参数影响因子的量化指标以及所占百分比随曲轴转速和喷油脉宽的变化趋势。     

喷油器喷孔结构对循环喷油量一致性的影响

针对柴油机高压共轨喷油器不同的喷孔结构参数,开展了喷油流量的一致性仿真和试验,分析了不同轨压情况下喷孔锥度(k系数)、入口圆角半径对喷油器循环喷油量的影响以及不同轨压、脉宽情况下喷孔结构对循环喷油量一致性的影响.结果表明:增大喷孔k系数和入口圆角半径可以有效抑制孔内空化现象,增大喷孔流量系数,从而增大喷油器循环喷油量;在喷孔结构相同时,增大轨压或喷油脉宽可以减小喷孔内压力波动对循环喷油量一致性的影响;增大k系数和入口圆角半径可以减小因空化现象造成的压力波动,使喷孔内部燃油压力分布更均匀,提升循环喷油量一致性.     

电控高压共轨燃油系统循环喷油量影响因素研究

高压共轨燃油系统不但能够使柴油机满足日益严格的排放法规,还能提高柴油机的动力性和经济性.但由于其是一个多物理场相互耦合的复杂系统,特性参数的变化会影响系统的工作性能.建立了高压共轨的AMESim模型,在不同工况下分析研究了电磁阀最大升程、控制活塞间隙、针阀最大升程、喷油开启压力和喷孔流量系数等关键参数对系统循环喷油量的影响,并得出电磁阀最大升程、针阀最大升程、喷油开启压力和喷孔流量系数是引起循环喷油量波动的关键参数.     

共轨系统燃油压力及物性参数测试研究

通过试验研究高压油管和喷射参数对共轨系统燃油压力波动的影响规律;基于压力波传播特征,探索共轨高压下燃油物性参数测试的可行性。测试结果表明:高压油管越长,燃油压力波动峰值持续时间越长;高压油管直径增大,压力波动减小;压力波动随轨压的增大而增大,随喷油脉宽的增大而增大并逐渐趋于稳定。为降低压力损失,应在满足使用要求的前提下,选择直径较大且较短的高压油管。该试验测试方法可实现高压共轨条件下的燃油音速、密度和弹性模量等物性参数的测量,且密度和弹性模量随轨压的增大而增大。     

柴油机高压共轨燃油系统热力学建模与仿真

以柴油机高压共轨燃油系统为研究对象,结合热力学分析,建立柴油机高压共轨燃油系统数学模型,利用Matlab/Simulink软件对其进行建模与仿真,获得了转速、轨压初始值和油门开度对燃油轨压力、单缸循环喷油量、喷嘴压力和燃油轨压力波动的影响规律。结果表明:喷射压力和单缸循环喷油量随油门开度的增大而增大;喷射压力和单缸循环喷油量随转速的增大而增大;喷射压力和单缸循环喷油量随轨压初始值的增大而增大;燃油轨压力波动量随轨压初始值的增大而减少。研究结果可为高压共轨燃油系统的设计提供参考。     

关键结构参数对压电式喷油器喷射特性的影响

利用Matlab/Simulink软件,建立了压电驱动器非线性动力学模型,同时耦合其他机-液部分,建立了完整的压电喷油器电-机-液模型,并试验验证了模型的准确性.系统分析了驱动器预紧力、进/出油孔直径、旁通油孔直径、控制腔容积、控制活塞直径和针阀弹簧预紧力等参数对喷油特性和针阀响应特性的影响,并建立了结构参数灵敏度量化指标,对各部件结构参数进行灵敏度量化分析.结果表明:该喷油器特有的旁通油道可有效地减少针阀关闭延迟,下降时间缩短了0.2 ms,有利于喷油器快速断油;适当增大进/出油孔的孔径比可提高针阀开启速度、缩短针阀下降时间;在各结构参数的许可范围内,针阀控制活塞直径和进/出油孔直径在喷油器喷油量以及针阀响应过程的各个时期影响权重最大,旁通油孔直径和控制腔容积主要影响针阀的回位阶段,喷孔直径对针阀上升和下降过程影响较小,但更大程度上改变了循环喷油量.     

高压共轨柴油机高海拔全负荷标定

高原标定是高压共轨柴油机开发过程中的重要环节.利用高海拔(低气压)标定试验系统进行了高压共轨柴油机不同海拔下的全负荷标定试验,研究了最佳喷油参数随海拔的变化,并进行了高压共轨柴油机不同海拔下的功率试验.研究结果表明,最佳循环喷油量随海拔的增加而减小,海拔每升高1 000,m,循环喷油量下降2%～4%;中高转速下最佳喷油提前角和轨压随海拔的增加而增大.海拔每升高1 000,m,最大转矩降低2.8%,标定功率下降2.9%.不同海拔下柴油机速度系数保持不变.不同海拔中高转速燃油经济性基本保持不变,低转速下燃油经济性恶化,海拔每升高1 000,m,低转速下燃油消耗率增加3.9%.     

液压自由活塞柴油机喷油特性研究

针对液压自由活塞柴油机的特点提出了共轨液压式柴油喷油系统,即利用液压自由活塞柴油机的高压油路替代供油系统的高压油泵。通过对共轨液压式喷油系统的原理分析,利用活塞式供油规律测试仪对其喷油规律展开离线研究,研究了不同驱动压力、不同喷射频率条件下的循环喷油量、喷油延迟时间的变化规律。为进一步研究发动机实际运行过程中气门控制油路等对喷油过程产生的影响,在线对循环喷油量进行了测量。结果表明:由于喷油器驱动油路和气门驱动油路连接在一起,气门驱动供油造成了喷油器驱动油路的压力波动,从而使得循环喷油量变动范围变大(-6.9%9.5%),最终影响发动机稳定运行。对发动机气门及喷油驱动油路改进后进行连续运行试验,试验研究结果表明:循环喷油量的波动及实际喷油位置的变化都会影响液压自由活塞发动机连续稳定运行,要实现液压自由活塞发动机连续可靠稳定运行,必须减小循环喷油量波动和喷油延迟时间。     

高压共轨系统中的燃油温度变化及其影响

为说明高压流动燃油温度对喷油量的影响,进行了高压共轨系统中燃油温度变化及其影响研究,建立了燃油不同的发热和热交换数学模型,构建了高压泵、共轨管和喷油器的燃油温度模型,运用液压流体仿真软件AMESim构建高压共轨系统燃油热仿真计算模型;结合试验数据,验证了高压共轨系统燃油热模型的有效性,分析了不同燃油初始温度下不同部件出口燃油温度的变化。在高压泵转速分别为400r/min和1 600r/min时,高压油泵出口温度增加幅度分别约为4.5℃和23.3℃;在共轨管压力从55MPa增大到140MPa时,共轨管出口的燃油温度仅在35℃~55℃之间变化;在共轨压力为140MPa时,喷孔出口温度变化范围在90℃~110℃之间。燃油温度20℃、40℃时的压力变化较小,燃油温度0℃、60℃时的压力变化较大;在低共轨压力时燃油温度引起的喷油量变化大,高共轨压力时燃油温度引起的喷油量变化小。     

基于瞬态轨压下喷孔流量变化的控制策略

针对高压共轨电磁式喷油器喷孔变大或其它原因导致喷油量变大的问题,提出喷孔流量变动的在线诊断方法。通过对高压共轨燃油系统轨压变化基本原理,试验研究了转速、喷油提前角对瞬态轨压压降变化的影响,结果表明,转速和喷油提前角变化对高压共轨中瞬态轨压压降的影响属于正常范围。通过加电时间修正喷油脉宽,使理论喷油量和实际喷油量相符,研究了瞬态轨压的变化规律,并提出一套基于瞬态轨压来识别喷油器磨损的控制策略,通过轨压压降识别喷油器流量的变化。     

高压油管对共轨系统性能影响的研究

归纳分析了高压共轨系统的数学模型,并选用FLOWMASTER建立了软件仿真模型.在发动机转速1 000 r/min、轨压110 MPa下,计算高压油管长度、直径、限流阀对系统性能的影响,并研究了小脉宽时的喷油特性.研究结果表明:系统内存在由喷油引起的压力波,高压油管长度为400 mm、直径3 mm时,系统阻力损失较小且响应迅速.流量限制阀有稳定管路压力波动的作用,小控制脉宽时平均喷油压力很低,控制脉宽为0.08 ms时,压力室压力小于3 MPa,不利于燃油雾化.     

液压自由活塞柴油机控制参数影响特性试验

在研制的单活塞式液压自由活塞柴油机上开展了控制参数影响特性、启动特性及运行特性等规律性试验.结果表明:改变压缩压力可以实现压缩比的控制,随着压缩压力的增大压缩比将增大;循环喷油量、喷油正时和排气门正时等参数对自由活塞发动机的膨胀行程、压缩比和下止点位置等具有决定作用;频率控制阀信号脉宽影响发动机的启动过程,脉宽较小时会导致活塞运动速度减慢甚至启动困难.对其特性的研究结果表明:活塞运动规律呈明显的非对称性,膨胀行程用时较压缩行程短;缸内燃烧过程呈近等容燃烧;液压输出能量受单向阀响应性影响会损失掉一部分高压能.     

柴油机电控双阀燃油喷射系统喷油量影响因素研究

在AMESim环境下建立了双阀系统的仿真模型,与试验数据对比证明仿真模型能够准确预测双阀系统的喷油特性。利用仿真模型分析了全工况平面内不同控制模式下柱塞直径、凸轮型线速率、柱塞配合间隙、溢流阀(spill valve.SV)升程、针阀控制阀(needle controlvalve,NCV)升程、针阀升程、喷孔直径和预主喷间隔变化对主喷油量的影响,揭示各特性参数变化所引起的主喷油量波动随转速及主喷脉宽的变化规律。并通过量化分析得到影响主喷油量波动的4个关键特性参数及其对主喷油量波动影响的百分比量化指标。在全工况平面内,SV控制模式下柱塞直径影响所占百分比为25.83%～43.32%,凸轮型线速率为7.21%～21.66%,喷孔直径为15.08%～28.68%,预主喷间隔为8.71%～42.28%;NCV控制模式下柱塞直径影响所占百分比为22.03%～32.11%,凸轮型线速率为6.99%～13.55%,喷孔直径27.55%～37.30%,预主喷间隔为18.60%～28.34%。并且2种控制模式下影响主喷油量波动的各特性参数所占百分比随着转速及脉宽变化表现出复杂的变化规律。     

柴油机电控组合泵高低压系统的解耦分析

在AMESim中建立了电控组合泵单缸及多缸系统计算模型,通过数值仿真和试验测试相结合的方法进行研究。研究表明,电控组合泵高低压系统的强耦合作用引起单缸、多缸循环喷油量波动及系统在配置长高压油管时的不正常喷射现象。针对此问题提出增加阻尼出油阀和改善低压供油压力的高低压系统解耦方法,并且利用AMESim计算确定了出油阀关键结构参数及全工况平面内的临界低压充分供油压力map图。对解耦方法的试验验证结果表明:带出油阀后,高压系统对低压系统的敏感性降低;系统在配置长高压油管时,随着喷油脉宽增加,喷射压力波形均无穴蚀现象产生。     

基于MC和RSM的共轨喷油器一致性的参敏分析

采用一维数值计算结合试验设计、Monte Carlo、响应面模型等方法,分析了影响电控高压共轨喷油器的喷油一致性参数的敏感性。针对某型试验喷油器,根据多参数抽样计算,得到怠速工况的循环喷油量方差为5.11mm3,标定工况的为3.45mm3,即由理论计算剖析了前者的一致性劣于后者的试验现象。且由分析可知电磁阀衔铁最大升程、进油节流孔直径等参数对循环喷油量以及喷油启、闭延迟等性能指标的影响,其中电磁阀衔铁最大升程对标定和怠速工况的循环喷油量一致性的影响权重分别为33.7%和52.5%。     

重型柴油机二级增压系统匹配仿真研究

为了降低重型柴油机的燃油消耗率,采用GT-POWER软件建立仿真模型,在一台单级可变截面涡轮增压器（variable geometry turbocharger, VGT）柴油机上开展了二级增压匹配与增压系统参数优化工作。仿真结果表明,所提出的二级增压系统在匹配点能够以最高效率运行,在全工况都能提供足够的进气流量;完全关闭低压级废气旁通阀,正交优化高压级废气旁通阀开度和米勒循环度,能够进一步降低二级增压发动机的燃油消耗率;降低级间中冷温度能够降低泵气损失,提高增压压力,温度由100℃降至50℃在标定点能够使燃油消耗率降低约3 g/（kW·h）。对二级增压及参数优化工作的燃油消耗率改善效果进行了试验验证,低速工况燃油消耗率整体有所下降,高效点燃油消耗率下降4.1%。     

船用高速柴油机蓄压式高压共轨喷射系统建模及研究

建立了船用高速柴油机蓄压式高压共轨燃油喷射系统仿真模型,阐明了该系统的结构组成和工作原理,详尽地分析了系统主要部件的物理抽象和软件建模的过程.并就系统主要部件的结构参数对整个系统性能的影响进行了研究,计算结果表明蓄压室容积设定为一次喷油量的50 ～ 55倍时可使蓄压器内的压力波动趋于最小化.     

柴油机无压力室喷油器各孔喷射特性差异测量分析

在油泵试验台上用数据采集系统测量分析油泵-油管-油嘴燃油供给系统相同型号4个无压力室喷油器各孔喷射特性。研究结果表明:各喷油器及同一喷油器各孔的喷油喷射特性均存在差异;动态流量系数在喷油过程中随时间(凸轮转角)而变化;同一喷油器针阀全开时各孔流量系数差异与各孔循环喷油量差异变化趋势相同,随转速及循环喷油量的增加各孔循环喷油量及流量系数不均匀度均降低;但各孔流量系数不均匀度比各孔循环喷油量不均匀度要小,说明仅用各孔流量系数差异不能完全反映出各孔喷射特性差异。     

新型增压式高压共轨系统的供油效率和能量利用率的研究

针对新型增压式高压共轨喷射系统,利用Flowmaster软件建立了系统的仿真模型,分析了轨压、控制室进出油量孔直径、增压室容积大小等因素对系统供油效率和能量利用率的影响。仿真结果表明:轨压提高,供油效率明显提高,但是能量利用率明显下降,二者有折中的关系;进回油量孔直径减小,由于回油量减小,供油效率和能量利用率均有一定程度的提高,进油量孔直径变化带来的影响比回油量孔直径变化带来的影响更为明显;此外,由于燃油的压缩性,增压室容积增大会使增压活塞复位过程中的回油增多,且轨压越低,这种影响越明显,回油量越多,从而对供油效率和能量利用率带来不利的影响,因此应尽可能地减小增压室容积。