液化石油气发动机燃油喷射过程的数值模拟及其试验研究

作者:郑瑞;张煜盛;田威 刊名:内燃机工程 上传者:李晶

【摘要】针对采用普通泵-管-嘴燃油系统的液化石油气(LPG)直喷式发动机,建立了考虑高压油泵柱塞偶件燃油泄漏量影响的燃油系统数学模型,并对燃油喷射过程进行了模拟计算及其计算结果的试验验证,揭示了LPG发动机燃油喷射过程的基本规律与工作特征。研究表明:由于LPG具有较高的饱和蒸汽压和可压缩性,致使其压力上升和下降都比较缓慢,供油持续期加长,油管内燃油残余压力较高,压力波动较大,容易发生二次喷射;通过增大出油阀卸载容积的办法,可以消除LPG的二次喷射等异常喷射现象。

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1概述作为内燃机的理想代用燃料之一的LPG,由于其十六烷值低、着火温度高,早期主要采用气相喷射并辅以点火装置或柴油引燃方式。但其存在着发动机充气效率下降、最高燃烧压力和热负荷较高、气相污染物减排有限等缺点。因此,液相LPG缸内直喷压燃发动机近年来引起了人们较高的研究兴趣,文献[1~3]的研究表明,在LPG里加入少量的着火改善剂和增粘剂,就可以实现液相纯LPG的缸内直喷燃烧,且其热效率与燃用柴油相当,而NOx和碳烟的排放明显减少。由于LPG在柴油机高压油管内的流动情况比较复杂,易发生油泵内漏、油路气阻、喷油规律异常和二次喷射现象。本文对柴油机燃用LPG的供油过程进行了数学模拟计算和试验验证,探讨了发动机燃用柴油和LPG时的燃油喷射过程及其特性参数的变化。2试验装置与方法试验发动机为ZS195型直喷式柴油机;高压油泵柱塞直径8.5mm,柱塞行程11.5mm;喷油嘴喷孔直径0.32mm,启喷压力17.5MPa;高压油管内径1.8mm、外径7.8mm、长654mm。图1LPG发动机供油系统试验装置示意图在图1中,为了保证LPG在油泵前处于液态,采用高压氮气对LPG加压,其压力为1.8~2.2MPa。试验设备与仪器主要有:电磁式曲轴位置传感器,测量油泵端和油嘴端油管压力波的压力传感器,以及CB466燃烧综合分析仪等。试验时用电动机拖转发动机,待转速稳定后,测量高压油管两端的压力波。3燃油喷射过程的数学模型图2燃油喷射系统结构示意图针对结构如图2所示的普通泵-管-嘴燃油喷射系统建立数学模型。在仿真计算时,为了避免模型过于复杂,对喷油系统作如下简化假定:(1)考虑柱塞偶件及针阀偶件径向间隙间的泄漏量;(2)压力波传播速度按有、无空泡情况分别取一定值;(3)高压油管为等截面圆管,忽略系统中各零件的弹性变形、弹簧的自振和各运动件之间的摩擦阻力,弹簧刚度取为常数;(4)在选定工况下,燃油的粘度和流量系数为一定值;(5)某一瞬时贮罐内的燃油压力和密度处处相等,且其温度不随时间和压力变化。由此,根据一维可压缩管流的质量守恒、动量守恒和燃油的物态,得到燃油喷射过程的基本方程和边界条件。(1)油管内燃料不稳定流动方程连续方程:ux+1a2pt=0(1)运动方程:ut+px+2Ku=0(2)式中,为密度;u为燃油速度;p为压力;K为粘性阻力系数;a为油管压力波传播速度,简称声速。燃料喷射过程的初始条件为u(x,t)|t=0=utt=0=0(3)(2)喷油泵边界方程组柱塞腔连续方程Vpdppdt=FpdHdt-gFg2|pp-pB|-FDdYdt-sFs2|pp-pD|-(BFB+0F0)2|pp-pB|(4)式中,为燃油压缩系数;Vp为柱塞腔容积;pp、pD、pB分别为柱塞腔、出油阀腔和进油孔处的燃油压力;Fp、FD、Fs、FB、F0和Fg分别为柱塞腔、出油阀、出油阀通道、进油孔、回油孔和柱塞偶件当量泄漏孔的截面积,Fg可根据其加工精度和磨损情况取值;H为柱塞升程;Y为出油阀升程;s、B、0、g分别为出油阀、进油孔、回油孔和柱塞偶件当量泄漏孔的流量系数;可为1或0(出油阀运动时,=1;出油阀落座时,=0;、r可为1或-1(pppD时,=1,=1;pp<pD时=-1,=-1。出油阀腔连续方程VDdpDdt=FDdYdt+sFs2|pp-pD|-FTus(5)式中,VD为出油阀腔体积;FT为高压油管截面积;us为燃油速度。高压油管入口处连续方程ux+1a2pDtx=0=0(6)出油阀运动方程MDd2Ydt2=FD(pp-pD)-CD(Y+Yi)(7)式中,MD为出油阀当量质量;Y

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