二甲醚发动机低压共轨系统轨压特性研究

张光德，李 梦，谢 露，孙 敬

（武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北武汉，430081）

二甲醚发动机低压共轨系统轨压特性研究

张光德，李 梦，谢 露，孙 敬

（武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北武汉，430081）

以二甲醚发动机燃油系统为研究对象，建立发动机低压共轨系统的仿真模型，分析影响共轨管压力建立时间和压力波动的主要因素，并探讨了共轨管内的燃油压力特性。结果表明，共轨管的容积、内径、长度、长径比、油泵供油压力对共轨压力特性的影响较大，合理地选择共轨管尺寸和供油压力，既能维持共轨压力的稳定，也能保持较短的压力响应时间。

二甲醚；发动机；轨压特性；仿真

二甲醚十六烷值较高，自燃温度低，滞燃期比柴油短，很适合作为柴油机的替代燃料。二甲醚含氧量高，能有效抑制碳烟生成，实现零碳烟排放，等质量二甲醚的汽化潜能为柴油的1.64倍，可大幅度减低柴油机的最高燃烧温度，减少NOX的排放；二甲醚低热值为柴油的64.7%，为获得良好的动力性，必须将每个循环供油量增至柴油的1.9倍（体积）。二甲醚理论混合气热值与柴油基本相当，二甲醚发动机的升功率可达到柴油机的同等水平。

二甲醚可压缩性较高，若直接用于常规的泵－管－嘴形式的燃油供给系统，致使其泵端和嘴端压力上升及下降都比柴油慢，压力上升始点延迟，实际喷油始点滞后，喷油后油管中有较大的残余压力，引起二甲醚的二次喷射，造成热效率的急剧下降和排放的增加［1］。因此常规的泵－管－嘴形式的喷射系统不适合作为二甲醚的供油系统。基于二甲醚沸点低、饱和蒸汽压高、黏度低等特点，结合内燃机均值燃烧（HCCI）理论，本研究设计了低压电控燃油喷射系统，构建二甲醚可控预混合燃烧（CPC）系统［2］。此系统主要由主燃烧室和预混合室组成，喷油器在压缩行程初期将二甲醚喷入预混合室，由于二甲醚具有良好的挥发性，因此可以将喷油器的喷射压力控制在10 MPa左右。为此，本文以二甲醚发动机燃油系统为研究对象，建立二甲醚低压共轨系统的仿真模型，并分析共轨管结构参数的改变和供油压力等因素对轨压特性的影响，以期为低压共轨系统的优化提供依据。

1 二甲醚低压共轨供油系统

1.1 工作原理

为解决二甲醚低黏度导致的磨损问题，用隔膜泵取代传统喷油泵，使用磨损自补偿喷油器代替传统喷油器，所构建低压共轨燃油系统如图1所示。二甲醚发动机低压共轨系统主要由储液罐、隔膜泵、共轨管、磨损自补偿喷油器和电控单元（ECU）等部件组成。氮气瓶给储液罐内的二甲醚加压2 MPa使其保持液体，低压油从储液罐进入隔膜泵，加压后经油管进入共轨管，再经油管分配到喷油器入口处。ECU综合分析各种传感器信号，发出指令控制喷油器电磁阀的开启时刻和持续时间，控制喷油器的喷油时刻和喷油脉宽，并控制喷油泵压力调节阀的信号输入，使喷油泵输出燃油保持合理的压力。压力传感器能实时监测共轨管内的压力，并将压力信号反馈到ECU。限压阀是共轨管的安全阀，当共轨压力过大时，开启限压阀进行泄压。

图1 低压共轨燃油系统简图Fig.1 Low－pressure common－rail fuel system

1.2 数学描述

低压共轨系统模型由容器类模型、运动件模型、管类模型、电磁类模型和流体特性子模型等组成。对于系统中的管道模型，燃油在油管内的流动主要考虑连续方程（质量守恒）、动量方程（动量守恒）和物态方程［3－4］。

1.2.1 连续方程（质量守恒）

连续方程建立在质量守恒的基础上，时间和位置的偏微分方程为

式中：ρ为燃油密度，kg／m3；U为燃油流速，m／s；A为流通面积，m2；x为位置，m；t为时间，s。

1.2.2 动量方程（动量守恒）

动量方程是在动量守恒的基础上建立的。对黏性阻力的圆管内燃油层流流动，若取一黏阻系数K，则可得到如下方程：

式中：P为压力，Pa；K为黏阻系数，它与流动状态有关，其大小与流动的雷诺数有关。

1.2.3 物态方程（燃油压缩性方程）

物态方程为

式中：a为音速，m／s。音速的值取变量，它是压力的函数，用经验公式来表示。

2 低压共轨系统仿真模型

通过综合比较各种流动仿真软件，选用IMAGINE公司开发的AMESim软件实现供油系统的建模和仿真。AMESim软件具有友好的人机交互界面，包含丰富的元件库，参数设置方便，可极大地减少对系统设计分析的工作量，能较好地进行建模和仿真分析［5］。低压共轨系统仿真模型如图2所示。

图2 低压共轨系统仿真模型Fig.2 Simulation model of low－pressure common－rail system

2.1 隔膜泵模型

本文主要研究影响共轨压力特性的因素，对隔膜泵模型作相应简化。将隔膜泵简化为单向变量泵，驱动机构简化为调速电机，输出压力的大小由溢流阀进行调节。

2.2 管道模型

建立合理的共轨管模型，能确保计算结果及结论如实反映实际情况。在研究低压共轨系统中，采用“短管＋T型接头”的建模方式，既保持共轨管容积的连续性，又能体现共轨管的进油、出油状况，其中T型接头本身容积为0，只起连接作用，从而保证压力在共轨管内传播的连续性，较为准确地模拟共轨管的工作状况。管道模型的选择范围是根据其所连接的两个液压模块的变化而改变。考虑到共轨管的结构特征，将其定义为集中参数模型（Lumped parameter）。影响管道模型选择的量包括长度直径比（L／D）、耗散数（Dn）、管道内波沿管道传输的时间（Twave），参照管道模型选择过程，为各种尺寸的共轨管选择合适的管道模型［6］。

2.3 磨损自补偿喷油器模型

为解决喷油器的泄漏与磨损问题，我们设计一种新型二甲醚喷油器［7］，精简了传统喷油器的精密偶件和回油管道，阀芯的阀杆与阀体接触面磨损不会产生燃油泄漏，阀芯锥面的磨损通过阀芯弹簧的预紧力进行补偿，确保密封锥面可靠密封。建模时，将弹簧腔及油孔简化为油管模型；阀芯在工作时经受弹簧腔、压力腔及喷射腔的油压，可将其简化为活塞、质量块和锥阀模型；将喷射腔和压力油腔简化为可变容积。通过实验表明，该喷油器各项工作性能正常，符合低压共轨系统的工作要求。

3 仿真结果分析

3.1 共轨管容积

共轨管容积设定以发动机燃油的需求量为基础，同时考虑油泵的供油流量。图3为共轨管长径比为25，共轨管内径为10、12、14 mm，对应的容积分别为20、34、54 m L时管内压力随时间的变化曲线。共轨管的压力建立时间随容积的增加而延长，压力波动幅度随容积的增大而减小。共轨管容积能有效地减小喷油泵供油和喷油器喷油造成的压力波动，但过大的容积会降低共轨管的压力响应速度。

图3 不同容积的压力特性随时间的变化曲线Fig.3 Pressure characteristic curves of different volumes

3.2 长度

图4为共轨管内径保持为10 mm、长度分别设定为200、300、400 mm时仿真得到的压力特性曲线。共轨管长度越大，容积就越大，轨压建立时间延长，压力波动幅度逐渐变小。另外，共轨管的长度设定，需考虑与发动机结构的匹配，长度应介于最小安装间隔和发动机最大长度之间。

3.3 内径

图5为共轨管长度为200 mm、内径分别为8、10、14、20 mm时的共轨管压力特性曲线。随着共轨管内径的增大，容积相应增加，轨压建立时间延长，喷油时共轨压力波动幅度有减小的趋势。

图4 不同长度的压力特性随时间的变化曲线Fig.4 Pressure characteristic curves of different lengths

图5 不同内径的压力特性随时间的变化曲线Fig.5 Pressure characteristic curves of different diameters

3.4 共轨管形状

图6为共轨管容积保持为19.6 m L时，在不同长径比的情况下仿真得到的压力建立时间和轨压波动的变化曲线。由图6可看出，在长径比分别为6.1、14.5、25、48.8时，直径越大，长度越小，压力波动幅度越小，压力建立时间基本相当，表明共轨管的形状对其压力特性有较大影响，细长的共轨管比短粗的共轨管的压力波动大，而轨压建立时间受长径比的影响较小。

图6 不同长径比的压力特性随时间的变化曲线Fig.6 Pressure characteristic curves of different L／D

3.5 供油压力

图7为当共轨管尺寸不变、油泵供油压力为8、10、14、20 MPa时的共轨管压力特性曲线。由图7可看出，供油压力越高，轨压建立时间越长；喷油器喷油阶段，供油压力越大，轨压波动幅值也越大；喷油结束后，供油压力越小，轨压的稳定程度越高。

图7 不同供油压力下的轨压随时间的变化曲线Fig.7 Pressure characteristic curves under various supply pressures

3.6 柴油与二甲醚的轨压特性对比

图8为共轨管内径为10 mm、长度为250 mm、油泵供油压力为10 MPa时，柴油和二甲醚共轨管压力特性曲线。由图8可看出，由于二甲醚可压缩性较柴油大，二甲醚的压力建立时间比柴油压力建立时间长；喷油器刚开始喷油时，二甲醚压力有很大幅度的波动，但整个工作循环内的平均压力波动幅度比柴油小。

图8 柴油与二甲醚压力特性随时间的变化曲线Fig.8 Pressure characteristic curves of diesel and DME

4 仿真与实验结果对比

经过综合比较，当共轨管直径为10 mm、长度为300 mm、容积为23.6 m L时，共轨管压力建立时间和压力波动状况比较合理。为验证低压共轨系统的共轨压力特性，在二甲醚燃油系统试验台上进行实验。图9为喷射压力为5.5 MPa、共轨管溢流压力为8.5 MPa时低压共轨系统喷油器入口处的压力特性曲线。由图9可看出，仿真分析和实验结果基本接近，验证了仿真模型的合理性，仿真分析的结果可为低压共轨系统的设计提供理论依据。

图9 仿真与实验压力特性对比Fig.9 Pressure characteristic curves of simulation and experiment

5 结论

（1）仿真结果表明，共轨管的结构对共轨压力建立时间、压力波动特性有较大影响，合理地选择共轨结构参数，可保证供油系统良好的压力特性。

（2）实验结果验证了仿真结果的合理性，所建的模型能模拟二甲醚低压共轨系统的工作过程。运用AMESim进行仿真计算，节省了实验的时间和成本，能为实际供油系统的设计提供理论依据。

（3）建模过程中对部分模型进行了一定的简化，后期研究中将建立更完善的模型，并制定相应的压力控制策略。

［1］ 张煜盛，田威，郑瑞.二甲醚发动机燃油喷射过程的数值模拟及其试验研究［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2005，33（12）：27－30.

［2］ 张光德，夏新祥.二甲醚发动机电控低压燃料喷射系统的设计［J］.内燃机，2004（5）：5－8.

［3］ 虞金霞.柴油机高压共轨喷油系统仿真与研究［D］.上海：上海交通大学，2002.

［4］ 张光德，吴旭峰，王卫华，等.二甲醚发动机燃料喷射过程的试验与仿真［J］.武汉科技大学学报：自然科学版，2008，31（1）：15－17

［5］ 付永领.AMESim系统建模和仿真［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006：2－17.

［6］ 张鸣远.流体力学［M］.北京：高等教育出版社，2010：135－175.

［7］ J Min，Y Qiliang，W Weihua，et al.Simulation study on injection characteristics of a new type of DME injector［C］／／2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering，2011：5 322－5 325.

Fuel pressure characteristics of low－pressure common－rail system of the dimethyl ether engine

Zhang Guangde，Li Meng，Xie Lu，Sun Jing
（College of Automobile and Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

The fuel system of the dimethyl ether（DME）engine was studied，and the simulation model of low－pressure common－rail system of the DME engine was established.Main factors that influence the set－up time of the pressure and the pressure waves of common rail were analyzed，and the fluid pressure characteristics in the common－rail were discussed.The result shows that the volume，inner diameter，length，L／D of common－rail and supply pressure have significant influence on common－rail pressure characteristics.In order to keep a steady pressure of common－rail and a short pressure response time，suitable common－rail size and supply pressure should be selected.

DME；engine；common－rail pressure characteristics；simulation

TK46

A

1674－3644（2012）03－0211－05

［责任编辑 徐前进］

2011－11－29

国家自然科学基金资助项目（50975212）；武汉科技大学校青年基金资助项目（2009xz30）.

张光德（1964－），男，武汉科技大学教授，博士生导师.E－mail：gd－zhang＠wust.edu.cn