能源研究与信息  2016, Vol. 32 Issue (3): 169-175   PDF    
引用本文
李洪明, 郭韵 . 高压共轨系统结构参数对发动机性能影响的模拟[J]. 能源研究与信息, 2016, 32(3): 169-175.
LI Hongming, GUO Yun . Effect of the structure parameters of high pressure common rail system on the engine performance[J]. Energy Research and Information, 2016, 32(3): 169-175.
高压共轨系统结构参数对发动机性能影响的模拟
李洪明, 郭韵     
上海工程技术大学 机械工程学院, 上海 201620
收稿日期：2015-01-22
第一作者：李洪明(1989-), 男, 硕士研究生.研究方向:内燃机工作过程数值模拟.E-mail:145213s@sina.com
摘要： 高压共轨系统的结构参数直接影响高压共轨系统的性能，进而影响到整个发动机的性能.为了使高压共轨喷油系统与发动机能够较好地匹配，利用GT-SUITE发动机性能分析软件建立了高压共轨系统和发动机整机的耦合模型，分析了高压共轨系统的喷油器控制室容积、针阀质量、控制量孔直径、喷嘴喷孔数和直径对发动机性能（动力性、经济性、排放性）的影响.结果表明：当控制室容积在不超过最小极限值的情况下，应减小控制室容积；在保证针阀运行平稳的情况下，应减小其质量；在保证进油量孔充分大、不产生二次喷射的情况下，合理选取进油量孔和出油量孔的直径，保证针阀的开启和关闭；根据高压共轨压力和最大喷油量的要求，并结合燃烧室形状选择喷孔数和直径.只有在满足这些条件的情况下，才可以获得比较好的发动机综合性能.
关键词： 柴油机     高压共轨系统     数值模拟    
Effect of the structure parameters of high pressure common rail system on the engine performance
LI Hongming, GUO Yun     
School of Mechanical Engineering, Shanghai University of Engineering and Technology, Shanghai 201600, China
Abstract: The structure parameters of high pressure common rail system had a direct effect on its performance and thus affected the performance of the engine.In order to make a good match between the high pressure common rail system and the engine, the engine performance analysis software GT-SUITE was used to establish their coupling model.The effects of the injector control volume, the mass of the needle valve, the diameter of control orifice, the number of nozzle holes and the diameter of nozzle holes on the performance of the engine including power performance, fuel economy and emissions were analyzed.The results showed that when the control volume was above the minimum limitation, it should be reduced.When the needle valve worked smoothly, its mass should be reduced.When the input holes were large enough and there was no secondary injection, the reasonable diameters of the input holes and the output holes could be selected to ensure that the needle valve could be opened and closed quickly.The selection of the diameter and number of the injection holes depended on the common rail pressure, the maximum injection quantity and the shape of combustion chamber.Under aforementioned conditions, the best performance of the engine could be achieved.
Key words: diesel engine     high pressure common rail system     numerical simulation    

柴油机电控高压共轨喷油技术是一种能够提高燃油经济性以及排放性能的新型喷油技术.由于它在经济性、排放性等方面的优越性能以及柴油机本身所固有的优越的动力性能, 使其在日本、美国、欧洲等国家和地区得到了积极的研究并广泛应用到汽车系统中.但是, 其在国内的研究还处于初级阶段, 与国外研究存在较大差距, 所以, 有必要对其进行研究.目前, 国外的研究主要集中在提高发动机性能、降低排放和噪声等方面, 例如:系统压力波动性研究[1-2]; 燃油喷雾及燃烧过程的研究[3]; 控制策略对发动机性能和排放的影响[4]等.国内也有学者对高压共轨系统进行了初步的研究, 例如:高压共轨喷油系统关键结构参数对喷油规律的影响[5-6]; 高压共轨喷油系统结构参数对系统响应特性的影响[7]; 高压共轨喷油系统结构参数对系统性能的影响和改进[8].但是, 国内外的大部分研究主要集中在高压共轨系统本身, 并没有整合共轨系统和发动机整机对其进行研究, 没有考虑高压共轨系统与内燃机的相互影响.所以, 本文利用GT-SUITE软件建立模型, 并结合实验, 分析针阀控制室容积、针阀质量、喷孔数和直径对柴油机整机性能(动力性、经济性、排放性)的影响, 为进一步优化高压共轨系统提供依据.

1 系统数值仿真模型建立及验证 1.1 模型的建立

本文用于研究所建立的模型有柴油机整机模型和高压共轨喷油系统模型两部分.本文用于研究的原型机为4HK1-TC型柴油机, 其型式为直列式、水冷、四冲程, 喷油形式是电子控制高压共轨喷油.其主要技术参数如表 1所示.

表 1 柴油机的主要技术参数 Table 1 Technical parameters of the diesel engine

本文用于研究的高压共轨原型为博世CRSN2-16型高压共轨系统, 其主要技术参数如表 2所示.

表 2 高压共轨系统主要技术参数 Table 2 Technical parameters of the high pressure common rail

柴油机整机模型主要包括三个部分:进气系统、气缸和排气系统.建模时, 进气计算所使用的边界条件为温度350 K、压力0.26 MPa; 排气计算所使用的边界条件为:温度700 K、压力0.15 MPa.缸内气体流动模型选用EngCylFlow模型和EngCylPistCup模型, 分别用于计算缸内气体流动速度和湍流强度, 其计算结果可用于传热模型和计算模型的计算.缸内燃烧过程的模拟是发动机工作过程模拟的核心部分, 直接影响到整个模拟的可靠性和计算精度.在建模时, 本文选用的燃烧模型是DIJET模型, 因为DIJET模型适用于直喷柴油机, 可以用来预测燃烧率以及NOx的排放, 也可预测碳烟, 但是由于模型本身的局限性, 对碳烟浓度的预测值不是很准确, 只能用来趋势研究[9].缸内传热计算采用EngCylHeatTr模块和EngCylTWall模块.在计算传热系数时, 采用的是woschni模型.采用InjProfileCoon模块模拟燃油喷射.

高压共轨喷油系统主要包括三个部分:高压油泵、共轨管和喷油器.根据高压共轨系统的结构和工作原理建立了共轨管模型和喷油器模型, 将高压油泵处理成边界条件, 将其看成是一个稳定的高压供油源.

1.2 模型验证

为了确保仿真结果的准确性, 利用在高压轨喷油系统实验台上测得的数据进行了验证.选择发动机转速范围为1 000~3 500 r·min-1, 将功率、转矩以及NOx排放的模拟值和实验值进行对比, 其结果如图 1所示.

图 1 不同转速下功率、转矩、NOx排放质量比的模拟值和实验值对比 Fig.1 Comparison between the experiment and simulation results of NOx emission, power, and torque at different rotational speeds

由图 1可知, 模拟值和实验值的误差在5%以内, 所以可以认定该仿真模型具有一定的准确性, 可以用于后续的仿真计算.

2 仿真结果及其分析

发动机的性能主要包括动力性、经济性和排放性, 因此本文从转矩、油耗、NOx排放量和碳烟排放量等指标考量高压共轨喷油系统的关键结构参数对发动机性能的影响.本文模拟时发动机转速为2 100 r·min-1, 共轨压力为150 MPa, 喷油提前角为-17°CA, 喷油规律为单次矩形喷射.

2.1 控制室容积影响

在其他各因素都不变的情况下, 选择控制室容积在5~50 mm3范围内, 对其进行仿真.

图 2为控制室容积对发动机性能影响的仿真结果, 其中图 2(a)为控制室容积对发动机转矩的影响.由图中可以看出, 随着控制室容积增大, 发动机转矩整体上呈线性减小.其原因是控制室容积的大小对控制室内压力的建立有很大的影响.当控制室容积较小时, 控制室内压力能够迅速建立, 电磁阀开启, 控制室压力迅速下降, 针阀迅速抬起; 电磁阀关闭, 控制室压力迅速上升, 针阀迅速关闭.而当控制室容积较大时, 控制室压力不能迅速建立, 针阀不能够及时地开启和关闭, 从而导致燃油雾化不良, 汽缸内燃油不能及时、完全燃烧, 进而造成发动机的转矩下降.

图 2 控制室容积对发动机性能的影响 Fig.2 Effect of the control volume on the performance of the engine

图 2(b)为控制室容积对发动机油耗的影响.由图中可以看出, 发动机油耗随控制室容积的增大而呈现波动性, 且先上升后下降, 但下降不多, 下降值在1 g·(kW·h)-1内, 可以认为控制室容积对油耗几乎没有影响, 其影响主要表现在波动性方面.其原因是针阀控制室容积越小会导致给针阀提供的有效升程越小, 喷射阻力越大, 控制室和盛油腔油压波动频率和幅度也会越大, 造成针阀开启、维持和关闭的不稳定, 引起不正常喷射, 从而引起油耗波动.从图 2(b)也可以看出, 随着控制室容积的减小, 其波动性增强.

图 2(c)为控制室容积对发动机废气排放量的影响.由图中可以看出, NOx排放量和碳烟排放量几乎不随控制室容积的变化而变化, 所以可以认为控制室容积对NOx排放量和碳烟排放量基本无影响.

由以上分析可知, 较小的控制室容积有利于提高发动机的动力性能, 但是针阀控制室容积过小会导致针阀开启、维持和关闭的不稳定, 引起不正常喷射, 使其燃油经济性降低.另外, 针阀的最大升程已经确定, 所以针阀控制室的高度受到限制, 因此选择控制室容积在20~30 mm3范围内比较合适.

2.2 针阀质量的影响

本文设置针阀质量的范围为2~9 g.图 3为针阀质量对发动机性能影响的仿真结果, 其中图 3(a)为针阀质量对发动机转矩的影响.从图中可以看出, 当针阀质量为3 g时, 发动机扭矩达到最大值, 但是随着针阀质量不断增大, 其扭矩逐渐减小.其原因是针阀质量越小, 其响应速度越快, 但是其稳定性越差, 所以当针阀质量小于3 g时, 其对稳定性的影响大于对响应性的影响, 从而导致发动机转矩下降.

图 3 针阀质量对发动机性能的影响 Fig.3 Effect of the needle valve mass on the performance of the engine

图 3(b)为针阀质量对发动机油耗的影响.由图中可以看出, 随着针阀质量增加, 其油耗波动性减弱.其原因是针阀质量的增加导致稳定性的增加.从图 3(b)也可以看出, 对于发动机油耗, 针阀质量对其稳定性的影响大于对响应性的影响.

图 3(c)为针阀质量对发动机废气排放量的影响.由图中可以看出, 针阀质量对NOx和碳烟排放量几乎没有影响.

由以上分析可知, 在选择针阀质量时应在保证针阀运行平稳的前提下尽量减小其质量.

2.3 喷嘴喷孔数和直径对发动机性能的影响

本文共设置了11组不同的喷孔数和直径, 其中:第1~5组是在总流通面积近似为0.157 0 mm2时改变喷孔数, 求得喷孔直径; 第6~10组是在总流通面积近似为0.188 4 mm2时改变喷孔数, 求得喷孔直径; 第11组主要是用来对照.喷孔数和直径设置如表 3所示.

表 3 喷孔数和直径设置 Table 3 Setting of the number and diameter of the nozzle holes

图 4为喷嘴喷孔数和直径对发动机性能影响的仿真结果, 其中图 4(a)为喷孔数和直径对发动机转矩的影响.由图中可以看出:第1~5组发动机的转矩几乎无变化; 第6~10组发动机的转矩也几乎没有变化, 但比第1~5组有明显的提高; 而第11组的发动机转矩却显著下降.由此可知, 发动机的动力性能主要受总流通面积的影响.其原因是流通面积增大导致喷油量增大, 从而导致单位时间内燃油量增多, 进而其扭矩增大.第11组其扭矩急剧减小, 可能是因为其流通面积过小导致缸内燃烧的不正常.

图 4 喷嘴喷孔数和直径对发动机性能的影响 Fig.4 Effects of the number and diameter of the nozzle holes on the performance of the engine

图 4(b)为喷油嘴喷孔数和直径对发动机油耗的影响.由图中可以看出, 喷孔数和直径对油耗几乎没有影响.而第11组的发动机油耗的急剧上升明显是因为喷油量的不足导致燃烧不正常.

图 4(c)为喷油嘴喷孔数和直径对发动机排放的影响.由图中可以看出, 在总流通面积一定的情况下, NOx排放量随着喷孔数的增多而增多, 其原因可能是喷孔数增多、喷孔直径的减小虽然能够改善燃油的雾化, 但是由于在燃烧室内混合气是否均匀还与燃烧室形状有关.而不合适的燃烧室形状正是导致NOx排放量不降反增的原因.另外, 总流通面积增大导致NOx排放量减少, 这可能是由轨压和燃烧室的形状等因素造成的.碳烟排放量随着总流通面积增加而增加的原因是喷射燃料的增加会导致燃烧不完全.

经过以上分析可知, 对于喷嘴喷孔数和直径的选择应综合考虑喷射压力、燃烧室形状和最大喷油量等因素.

2.4 控制量孔直径对发动机性能的影响

本文设置了9组数据, 其中第1~3组、第4~6组、第7~9组各自进油孔直径不变, 改变出油孔直径.进、出油孔直径设置如表 4所示.

表 4 进、出油孔直径设置 Table 4 Diameter of the input and output holes

图 5为进、出油孔直径对发动机性能影响的仿真结果, 其中图 5(a)为控制室进、出油孔直径对发动机转矩的影响.由图中可以看出, 随着进油孔直径增大, 发动机转矩减小.其原因是在进油量孔直径较小时, 当电磁阀打开, 由于控制室压力卸载快, 控制室压力迅速降低, 针阀迅速开启; 当电磁阀关闭时, 控制室压力升高缓慢.针阀的响应速度直接影响喷油规律, 进而影响发动机的转矩.当进油孔直径一定而出油孔增大时, 发动机转矩略微升高, 出现了与进油孔直径增大时截然不同的情况, 其原因是控制室压力变化的快慢影响了针阀升降的快慢.所以为了获得较大的转矩, 需要采用较小的进油孔直径配合较大的出油孔直径.

图 5 进出油孔直径对发动机性能的影响 Fig.5 Effects of the diameter of the input and output holes on the performance of the engine

图 5(b)为进、出油孔直径对发动机油耗的影响.从图中可以看出, 出油孔直径对发动机油耗几乎没有影响, 而在进油孔直径较大时才会对发动机油耗产生影响.其原因在进油孔直径达到一定时, 电磁阀打开, 控制室压力不能有效降低, 针阀开启过程缓慢, 从而引起油耗增多.

图 5(c)为进、出油孔直径对发动机排放的影响.从图中可以看出, 随着进油孔直径增大, NOx排放量增加, 而碳烟排放量降低, 而出油孔对两者却几乎没有影响.其原因是进油孔直径较小时, 当针阀落座后, 由于针阀腔压力波动, 可能使针阀再次抬起, 产生二次喷射.二次喷射的燃油因为不能完全燃烧, 导致燃烧室内温度下降, 从而引起NOx排放量降低, 碳烟排放量升高.

由以上分析可知, 选择进、出油孔直径时, 应在保证控制室内压力迅速建立的情况下, 避免产生二次喷射, 以获得较好的发动机综合性能.

3 结论

(1)  控制容积的大小影响了控制室内压力的建立, 进而影响发动机的性能.控制容积过小, 压力波动增大, 燃油经济性变差.但随着控制容积的增大, 发动机动力性能降低.所以在保证正常喷射情况下, 应尽量减小控制室容积.

(2)  针阀质量越小, 其响应速度越快, 发动机的动力性能越好, 但稳定性降低, 导致发动机经济性变差.所以在保持运行稳定的情况下, 应尽量减小针阀质量.

(3)  喷嘴喷孔直径越小, 燃油雾化越好, 燃烧性能越好.但是要获得较好的发动机性能还需要考虑燃烧室形状、喷油压力和最大喷油量的影响.

(4)  进油孔直径越小, 针阀开启速度快, 扭矩增大, 油耗减小, 但是越有可能产生二次喷射, 导致碳烟排放量增多.而出油孔直径对发动机性能的影响很小.所以在选择进、出油孔直径时, 应在不产生二次喷射的情况下, 保证控制室内压力的迅速建立.

由本文的仿真结果可以看出, 对于发动机排放的预测, GT-SUITE软件存在着不足, 这反映了一维模型的局限性.另外, 仿真中很多影响因素没有考虑, 导致结果与现实情况有出入, 今后的研究应深入探究这些因素.

参考文献
[1] CATAIANO L A, TONDOLO V A, DADONE A.Dynamic rise of pressure in the common-rail fuel injection system[C].SAE Paper:2002-01-0210, 2010.
[2] BEIERER P, HUHTALA K, LEHTO E, et al.Study of the impact of system characteristics on pressure oscillations in a common rail diesel fuel injection system[C].SAE Paper:2005-01-0910, 2005.
[3] WICKMAN D D, SENECAL P K, REITZ R D.Diesel engine combustion chamber geometry optimization using genetic algorithms and multi-dimensional spray and combustion modeling[C].SAE Paper:2001-01-0547, 2001.
[4] BADAMI M, MILLO F, D'AMATO D.Experimental investigation on soot and NOx formation in a DI common rail diesel engine with pilot injection[C].SAE Paper:2001-01-0657, 2001.
[5] 刘建江.高压共轨燃油喷射系统的仿真分析及性能测试[D].长春:吉林大学, 2008. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10183-2008061425.htm
[6] 刘峰.柴油机高压共轨燃油喷射系统仿真计算研究[D].北京:北京交通大学, 2009. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10004-2009204571.htm
[7] 陆静兵.共轨喷油器结构参数对液力响应的影响研究[D].成都:西南交通大学, 2010. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10613-2010122400.htm
[8] 颜松.柴油机高压共轨系统压力动态特性模拟[D].杭州:浙江大学, 2005.
[9] KOUREMENOS D A, HOUNTALAS D T, BINDER K.The effect of EGR on the performance and pollutant emissions of heavy duty diesel engines using constant and variable AFR[C].SAE Paper:2001-01-0198, 2001.