喷油压力对电控船用中速柴油机性能的影响

衡 伟，叶子枭，黄加亮,3，范金宇,3

(1.厦门海洋职业技术学院航海技术系，福建 厦门 330013；2.集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021；3.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)

0 引言

柴油机燃油喷射系统承担着将定量高压燃油在预定时间点喷入气缸的工作，其性能的好坏直接决定燃油雾化质量以及与空气混合效果，进而影响柴油机燃烧、动力和排放性能[1-3]。电控燃油喷射系统可以精确控制喷油量和喷油时间，受到了国内外发动机研究者的广泛关注[4-5]。由于目前仍然存在大量的机械泵式柴油机，考虑到成本以及可行性因素，柴油机燃油喷射系统电控化改造受到很多厂商的青睐[6-7]。但电控化改造后，根据燃油喷射系统零件尺寸参数改变以及对喷油特性产生的影响，重新匹配燃油喷射系统参数是很有必要的[8-9]。本文基于4190型柴油机电控化改造，利用正交试验设计方法安排燃油喷射系统参数匹配，使得喷油压力满足设计要求(喷油压力≥100 MPa)。并将满足要求的结果代入柴油机燃烧模型中，进行仿真计算，系统地分析喷油压力提高后对燃油雾化、油气混合、燃烧特性、动力性和排放性产生的影响。

1 燃油喷射系统优化

1.1 燃油喷射系统组成

4190型柴油机燃油系统电控化改造后的组合泵如图1所示。中央控制单元(electronic control unit,ECU)接受来自各传感器的柴油机运行参数信号(如，转速、凸轮相位、进气压力和进气温度等)，根据存储于ECU储存装置内的相关控制策略来控制高速电磁阀的通电和断电，从而完成喷油量和喷油定时的精确控制。

1.2 系统仿真模型的建立及验证

本文利用AMESim软件建立的燃油喷射仿真模型如图2所示。主要包括凸轮柱塞模块、电磁阀模块和喷油器模块，各模块通过油管连接。其中，电磁阀模块信号源模拟电磁阀启动电流的方式输入，信号转换元件接受控制信号并转换为驱动矢量，从而输出驱动力。

根据电控组合泵相关控制参数和尺寸参数，设置各主要模块的初始参数，包括：喷油脉宽为28°；柴油机曲轴转速为1000 r/min；柱塞直径为14 mm；凸轮型线速度为0.43mm/(°)；电磁阀阀杆升程为0.18 mm，直径为6.98 mm；衔铁残余气隙为0.12 mm；高压油管直径为2.0 mm，长度为900 mm；喷油器启阀压力为18.9 MPa；针阀升程为0.4 mm；喷孔直径为0.26 mm；喷嘴喷孔数为8个；运动件质量为14.5 g；燃油流量为 50 mL/s。

喷射特性实验数据通过6PSDW300油泵试验台测得，在相同的运行参数和尺寸参数下，通过比较喷油规律和嘴端压力曲线，验证模型的准确性，仿真值和实验值曲线对比如图3所示。从图3可以看出，曲线拟合良好，确定模型可以用于仿真运算。

1.3 燃油喷射系统参数匹配优化

4190型柴油机在电控化改造之初，电控组合泵采用的参数为：喷油器孔径为0.26 mm；凸轮型线速度为0.43 mm/(°)；柱塞直径为13 mm；高压油管长度为900 mm。通过油泵试验台测得的喷油压力为79 MPa，远低于设计值(喷油压力≥100 MPa)，所以有必要通过匹配燃油喷射系统结构参数来提高喷油压力，获得理想的喷油规律。

本文在原参数基础上，根据厂家提供的参考资料，拓展了几组参数作为仿真计算因素，如表1所示。并以喷油量为约束条件，以喷油压力为优化目标，利用正交试验设计方法安排表1参数进行仿真计算，研究各因素对喷油压力的影响规律，并得出符合压力要求的参数组合。

表1 水平因素表

根据正交试验设计方法安排仿真计算[11]，结果如表2所示。从表2可以看出，正交试验序号3和序号5的参数组合所对应的喷油压力满足设计要求。表3极差分析结果表明，对喷油压力的影响由强到弱依次为：柱塞直径、凸轮型线速度、喷孔直径、高压油管长度。

表2 正交试验设计方案及计算结果

表3 各因素水平对试验指标的极差影响Tab.3 The effect of level of various factors on the test results结果ResultsABCDK193.576.576.088.0K284.383.482.780.5K379.697.6106.886.5极差variance42.063.390.025.0 注:k1、k2、k3为各因素所在列所对应喷油压力的平均值Notes:k1、k2 and k3 are the average values of injection pressure at the same level for each column

图4为正交试验序号3和序号5对应的喷油压力和喷油规律曲线图。从图4中可以看出，两组参数对应的喷油压力满足设计要求，同时喷油规律曲线在喷油初期平缓、后期曲线变陡，满足“先缓后急”的规律，因此可以将喷油规律曲线导入燃烧模型进行仿真计算。

2 喷油压力对柴油机燃烧和排放性能的影响

2.1 仿真模型的建立

4190型柴油机的主要参数包括：额定转速1000 r/min；缸径190 mm，冲程为210 mm；压缩比为14∶1；气缸数为4；额定功率为220 kW。将柴油机燃烧室内部中心截面二维模型导入到AVL_FIRE的ESE模块中，利用ESE网格工具生成燃烧室刚性动网格，图5为柴油机燃烧室的网格图。

燃烧模型主要选用Spray模块和General gas phase reactions模块。Species transport模块自动激活；湍流模型为Turbulence interaction model specification模型；破碎模型采用WAVE模型；蒸发模型采用Multi-component模型；液滴碰壁模型为Walljet1模型；壁面传热模型为Han-reits-model模型。模型仿真值与实验值的缸压曲线对比如图6所示，数据吻合良好，可以用于仿真研究。

将AMESim仿真模型得出的喷油规律曲线导入到FIRE软件求解器中，以替换软件本身生成的喷油规律，使得燃烧模型按照导入的喷油规律进行喷油燃烧。本文选用满足喷油压力要求的序号3和序号5所对应的喷油压力(125 MPa、105 MPa)与原机的喷油压力(79 MPa)进行对比，研究喷油压力对柴油机性能的影响规律。

2.2 喷油压力对燃烧质量的影响

图7为不同喷油压力对缸内燃烧平均压力影响曲线图；图8为缸内气体湍动功能变化趋势图。从图7可以得出，缸内燃烧平均压力随着喷油压力的增大而显著增加，且缸压峰值相位前移。随着喷油压力由79 MPa提高到125 MPa，缸内最高爆发压力由10.0 MPa升高到11.02 MPa，约升高了10.2%。造成这些变化趋势的原因：一方面随着喷油压力的提高，缸内混合气体的湍动能明显升高，提高了的湍流流动改善了缸内油气混合的均匀度，从而提高了油气混合的质量；另一方面，喷射压力的提高，平均索特直径变小，油滴直径越小，雾化效果越好。燃油与空气混合效果如图9所示。在提前角为710°时上止点前10°燃油蒸发雾气没有碰壁，油束随着喷油压力的提高而扩散，喷油压力为125 MPa时油束最接近凹坑壁面；当曲柄角度由720°到730°时，随着喷油压力的提高，燃油蒸发雾气撞壁并向两边扩散的面积增大，进而促进了燃油在缸内分散的均匀度。

2.3 喷油压力对动力性和经济性的影响

柴油机专业软件仿真研究方法使得柴油机运行处于理想状态，往往忽略了运动件摩擦、热传递等引起的能量损失，所以本文采用指示功率与指示油耗率量化表示柴油机动力性。图10为不同喷油压力对指示功率和指示油耗率的影响。从图10中可以看出，喷油压力的提高使得柴油机做功能力增强，喷油压力分别为125 MPa和105 MPa时相对于79 MPa时的指示功率分别提高了约27.2%和14.5%，而指示油耗率分别降低了约14.3%与7.2%。究其原因是由于喷油压力的提高改善了燃油雾化效果，提高了油气的混合质量，使得缸内燃烧充分，做功能力增强。

2.4 喷油压力对NOx排放的影响

柴油机NOx的排放主要成分为NO和NO2，其中以NO为主要排放物，NO的生成条件依赖于缸内燃烧高温、富氧环境和高温持续时间。NO2占排出气体的质量分数非常小，在燃烧过程中NO2主要是由NO氧化生成，并在高温条件下发生化学反应转化为NO，所以考虑忽略不计。从图11可以看出，随着喷油压力的增大，NO排放量也随之增多，喷油压力分别为125 MPa和105 MPa时所对应的NO排放质量分数比喷油压力为79 MPa时分别增大了约50%和11%，且NO开始生成时间也提前了。

图12为缸内燃烧平均温度曲线图，从图12可以看出，缸内燃烧平均温度随着喷油压力的升高而上升，且温度高于 1600 K处于高温段的时间也得到延长，喷油压力分别为125、105、79 MPa时所对应的平均温度超过1600 K的曲轴持续转角分别约为57°、39°和31°。图13为温度场三维切片图，从图13可以看出，在710°(上止点前10°)时，油束中心由于燃油蒸发吸热，使得温度低于周围环境温度；在上止点720°及730°时，燃油燃烧，使得温度急剧上升，且燃烧高温面积随着喷油压力的提高而增加，其中喷油压力为79 MPa时对应的高温面积最小。所以喷油压力提高后，促进了油气混合，缸内高温区域增大了，且高温持续期延长，满足了NO的生成条件。从而使得NO排放量增加。

3 结论

1)通过AMESim软件建立了4190型柴油机电控式燃油喷射系统仿真模型，以喷油压力为优化目标，运用正交试验设计方法安排系统参数匹配仿真计算，得出：参数组合为喷孔直径0.22 mm、凸轮型线速度0.46 mm/(°)、柱塞直径14 mm、高压油管长度1000 mm时，喷油压力为125 MPa;参数组合为喷孔直径0.26 mm、凸轮型线速度0.43 mm/(°)、柱塞直径14 mm、高压油管长度800 mm时，对应的喷油压力为105 MPa，满足电控组合泵设计压力要求。且得出的喷油规律符合“先缓后急”特性。根据仿真结果极差分析，可以得出各因素对喷油压力影响程度由强到弱依次为：柱塞直径、凸轮型线速度、喷孔直径、高压油管长度。

2)喷油压力提高后，改善了燃油雾化质量，缩短了滞燃期，使得缸内燃烧平均压力升高；相对于原机的喷油压力79 MPa，喷油压力为125 MPa和105 MPa时，所对应的指示功率分别提高了约27.2%和14.5%，指示油耗率分别降低了约14.3%与7.2%；但NO质量分数分别提高了约50%和11%。