电控单体泵燃用生物柴油嘴端压力波动仿真分析

姜峰 梁霖 莫清烈 罗建斌 郝真真

摘 要：为研究电控单体泵燃用不同配比生物柴油对喷嘴端压力波动影响，利用GT-Suite软件搭建电控单体泵喷射系统计算模型，验证了模型的准确性.通过研究不同高压油管长度与不同油管直径的结构参数改变对喷嘴端压力的影响，研究结果表明：高压油管直径为2 mm，高压油管长度为500 mm，采用B5生物柴油电控单体泵系统嘴端压力波动较小，稳定性能最佳.该研究可为电控单体泵系统燃用生物柴油对喷嘴端压力波动影响提供参考.

关键词：生物柴油；喷嘴；压力波动；仿真分析

中图分类号：TK42 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.01.014

0 引言

随着经济全球化的发展，全球范围内石油资源日益减少.汽油、柴油的使用与供给对比造成能源短缺，该问题已成为限制全球经济健康发展的重要因素之一.石化资源的有限性伴随着能源危机与环境污染等问题，使广大科研工作者致力于探索石油燃料的替代品，基于此也促进了全球范围内加速对柴油替代燃料的研究.

生物能源以其绿色环保、可再生利用日益受到人们的重视[1].采用生物柴油作为柴油机燃料能有效降低颗粒物排放.当前国内外对生物柴油的研究主要集中于采用各种不同来源生物柴油（B100）、不同配比生物柴油与石化柴油的排放性、动力性及经济性的研究[2-5]，对电控单体泵燃用生物柴油嘴端压力波动的研究甚少.

本文以某大功率柴油机电控单体泵喷射系统为研究对象，利用GT-suite软件对电控单体泵燃用不同配比生物柴油嘴端压力波动进行仿真分析.本研究可对生物柴油电控单体泵喷油系统设计和改进工作提供可靠的理论依据和工程价值.

1 生物柴油理化分析

将石化0号柴油与大豆毛油制生物柴油以0%，5%，15%，25%体积分数进行掺合（记为：B0，B5，B15，B25，B5表示为生物柴油占掺合油体积分数为5%），测定各配比生物柴油密度、闪点、凝点、十六烷值、低热值等，其测试准则参考国家标准执行[6-7].不同配比生物柴油理化特性值如表1所示，表1数值经计算后导入GT軟件中，二次开发成生物柴油数据库.

2 模型搭建

基于GT软件平台搭建了某大功率柴油机电控单体泵喷射系统计算模型，如图1所示.该电控单体泵系统主要参数包括：电控单体泵柱塞直径与升程分别为22 mm和28 mm， 凸轮轴标定转速500 r/min，高压油管直径与长度分别为3 mm和700 mm，喷油器启喷压力35 MPa等[8].

对电控单体泵燃油系统在标定转速（凸轮轴转速500 r/min）时燃用纯柴油进行计算，并与实验值进行对比，如图2、图3所示.图2为针阀升程曲线对比，图3为高压油管油压对比，由图2、图3可知仿真值与实验值两者吻合较好，表明该模型可用于燃用生物柴油嘴端压力波动的分析.

3 计算方案及结果分析

3.1 不同配比生物柴油对嘴端压力影响

图4为凸轮轴标定转速500 r/min下燃用不同配比生物柴油喷油器嘴端压力曲线.由图4可知，燃用B25生物柴油，嘴端压力达到最大，随着生物柴油配比增大，嘴端压力依次增大，这是由于生物柴油配比增大，其密度依次增大（见表1所示），油压建立越高.

由图4可知，燃用不同配比生物柴油时，喷油器嘴端压力高于燃用纯石化柴油的嘴端压力，且燃用生物柴油和纯柴油时，嘴端压力曲线趋势一致，因此，可采用生物柴油替代纯柴油进行结构参数对喷油器嘴端压力的研究分析.

3.2 高压油管管长与管径组合对嘴端压力影响

电控单体泵喷射系统内（包括喷油泵端、高压油管、喷油嘴端）压力波在供油、回油过程中不间断地进行传递和反射使系统嘴端压力产生变化，同时高压油管结构参数也影响压力波传递和反射；即：高压油管长度与直径确定了高压油管容积，而燃油压力的建立时间和压力大小由高压油管容积来决定.故本文研究高压油管长度与直径两参数组合对喷油器嘴端压力的影响关系[9-10].

计算方案如表2所示，方案1：300 mm—2 mm表示高压油管长度为300 mm，高压油管直径为2 mm，类推其他方案表示法.

3.2.1高压油管直径对嘴端压力分析

图5—图7分别为不同高压油管长度时，不同配比生物柴油不同高压油管直径对应嘴端压力曲线.由图5—图7可知，当高压油管长度一定时，高压油管直径越小，喷油器嘴端压力越高，油压建立越迅速，针阀落座后，油压波动亦越小.高压油管直径大时，会导致喷油器嘴端压力过低，影响燃油雾化性能，且针阀落座后，油压波动较大，易造成二次喷射等现象.由图5—图7可知当油管直径为2 mm时，不同配比生物柴油条件下，油压压力最高，有利于燃油雾化；因此高压油管直径选取2 mm.

由图5—图7可知，燃用B25生物柴油时嘴端压力出现最大值；当高压油管直径由2 mm增大到4 mm时，燃用B5生物柴油时嘴端压力下降约27 MPa，燃用B15生物柴油时嘴端压力下降约34 MPa，燃用B25生物柴油时嘴端压力下降约40 MPa，表明随着生物柴油配比增大，高压油管直径增大，喷油器嘴端压力下降越多，即高压油管直径变化对喷油器嘴端压力影响越明显.由此可确定，采用B5生物柴油时喷油器嘴端压力较稳定.

3.2.2高压油管长度对嘴端压力分析

图8为选取高压油管直径为2 mm，不同配比生物柴油不同高压油管长度下嘴端压力变化曲线.由图8可知，高压油管直径为常量2 mm时，随着高压油管长度增大，喷油器嘴端压力曲线为下降趋势，且压力曲线有一定的滞后，主要由于高压油管长度增大，高压油管容积随着增大，燃油建压时间相应延长，喷油时间也相应有一定的延后；另一方面由于高压油管长度产生变化，使压力波往返传递的长度也发生了改变.因此，研究确认高压油管长度时，需尽可能选择长度较短的高压油管使其快速建立燃油压力，但高压油管过短会使喷油器嘴端压力过高，容易形成二次喷射，需综合考虑喷油器嘴端压力大小与二次喷射的影响[11].

由图8可知，在喷嘴端针阀落座后，嘴端压力都会有一定的波动且与高压油管长度的变化关系较小.由理论分析可获知，当喷油器结束喷油后，喷油器喷嘴端压力室内压力应趋于0；由于整个喷射过程处于高压状态，且存在压力波的传递，喷嘴端会存在一定量的压力波动.高压油管长度由300 mm增加到500 mm，燃用B5，B15，B25生物柴油均呈现压力下降，当长度由500 mm增加到700 mm时，燃用B5，B15生物柴油油压略有上升，这使嘴端出现二次喷射的可能性增加，因此高压油管长度500 mm为拐点，综合分析选取高压油管长度为500 mm.当燃用B15，B25生物柴油时，随着高压油管长度增大， B5生物柴油压力下降较B15，B25更缓慢，进一步表明B5生物柴油更有利于嘴端压力的稳定.

4 结论

1）电控单体泵喷射系统燃用生物柴油时，喷油器嘴端压力高于燃用柴油时嘴端压力，且两种燃油嘴端压力曲线趋势一致，表明生物柴油可替代柴油进行嘴端压力分析.

2）高压油管长度一定时，高压油管直径越小，喷油器嘴端压力越高；不同配比生物柴油条件下，由油压压力最高确定高压油管直径为2 mm；当高压油管直径变化时，B5生物柴油时喷油器嘴端压力较稳定.

3）高压油管直径为2 mm时，随着高压油管长度增大，喷油器嘴端压力呈现下降趋势，由不同配比生物柴油出现嘴端压力拐点确定高压油管长度为500 mm，燃用B5生物柴油较B15，B25生物柴油压力下降少，有利于嘴端压力稳定.

4）由高压油管长度与直径两变量，结合不同配比生物柴油因素，最终确定B5生物柴油、最佳高压油管长度与直径组合为500 mm—2 mm.

参考文献

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Abstract： The paper studies the effect of using different blending ratio of bio-diesel on nozzle pressure fluctuation of the electronic unit pump system. The GT-Suite software was used to establish the electronic unit pump system model and the accuracy of simulation model was verified by the experiment. The influence of nozzle pressure on different structural parameters of high-pressure line length and diameter were studied. The result showed that when high-pressure line diameter was 2 mm & length was 500 mm， using B5 bio-diesel could get a smaller and stable nozzle pressure fluctuation on electronic unit pump system. The research offers references for the study of the effect of the use of bio-diesel on nozzle pressure fluctuation of electronic unit pump system.

Key words： bio-diesel； nozzle； pressure fluctuation； simulation analysis

（學科编辑：张玉凤）