TBD620柴油機燃油噴射系統性能研究

袁先徳，羅運同，王 建

(1.海軍湛江地區裝備修理監修室，廣東湛江 524009;2.92854部隊，廣東湛江 524000)

德國DEUTZ公司生產的TBD620系列柴油機一般采用兩種噴油器:專用噴油器和標準噴油器，專用噴油器相對標準噴油器減小了噴孔直徑和壓力室容積。本文以TBD620柴油機為研究對象，利用HYDSIM軟件，對其燃油噴射過程進行仿真計算，分析研究不同負荷工況下2種噴油器對柴油機燃油噴射特性的影響。

1 TBD620柴油機燃油噴射系統簡介

TBD620柴油機的燃油系統是傳統機械式泵－管－嘴燃油系統，主要由噴油泵、高壓油管和噴油器組成。它采用整體式P型泵，左旋，自帶凸輪軸，T型噴嘴。燃油供給壓力最小為0.15 MPa。啟噴壓力為28 MPa，高壓油管內徑為3.1 mm。

整套系統最大的特點是采用了2種噴油器，其中標準噴油器 (孔徑×孔數×噴霧夾角)為D0.48×5×155°;專用噴油器為 D0.46 ×5×155°。油嘴底部的壓力室 (高壓油囊)直徑從標準型油嘴的D1.8減小為特殊型的D1.5，高度由1.78 mm減小為1.36 mm，具體結構如圖1所示［1］。

圖1 TBD620柴油機噴油嘴尺寸

2 仿真模型的建立

本文采用AVL公司開發的專業液壓模擬計算軟件HYDSIM進行計算。該軟件是基于流體動力學理論和多體振動力理論的專門進行液壓噴射系統的模擬計算分析的工具。

HYDSIM軟件采用模塊化的方式建立計算模型，噴油系統中各個部件被定義為獨立的計算單元，包括凸輪、柱塞、進 (出)油口、高壓容積、油管、出油閥、止回閥、噴嘴、針閥、電磁閥、節流閥、節流孔、液壓機械邊界條件等多種計算單元。各種計算單元之間的連接有液壓連接、機械連接、特殊連接［2］3種方式。利用這些計算單元，建立的TBD620柴油機燃油噴射系統模型如圖2。

圖2 TBD620柴油機燃油系統的HYDSIM模型

3 2種噴油器對燃油噴射系統性能的影響

噴油器噴油嘴結構不僅決定噴霧質量、油束與燃燒室的配合，而且對噴油特性有很大的影響，從而直接影響柴油機的性能［3］。TBD620柴油機采用2種不同的噴油器，本文利用建立的燃油噴射系統仿真模型對TBD620柴油機的燃油系統進行了仿真計算，深入探討這2種噴油器在1 500 r/min，25%、100%2種負荷工況下 (對應的循環噴油量分別為0.133 g、0.441 g)對TBD620柴油機燃油噴射系統性能的影響。

為了對仿真模型進行驗證，在噴油規律試驗臺上對燃油噴射系統噴油規律進行了試驗測試，測試中燃油噴射系統按負荷特性運行，凸輪軸轉速750 r/min保持不變，改變油泵齒條位置。圖3為25%、100%負荷工況下噴油規律仿真值與試驗值的對比，從結果對比可知，兩條曲線起始和結束噴射的時刻基本一致，噴油速率曲線形狀、斜率基本相同，因此模型結果真實可信。

圖3 不同負荷下2種噴油器噴油規律對比

如圖3、圖4所示，在25%負荷工況下，專用噴油器的噴油持續期增大了0.8°曲柄轉角，最大噴射速率減小了0.001 1 g/°，最高噴射壓力提高了0.48 MPa，達到44.66 MPa;平均噴射壓力提高了 2.38 MPa，達到 30.37 MPa，提高了 8.50%。在100%負荷工況下，其噴油持續期增大了2.0°曲柄轉角，最大噴射速率減小了0.001 9 g/°，最高噴射壓力提高了6.53 MPa，達到81.42 MPa;平均噴射壓力提高了3.64 MPa，達到53.06 MPa，提高了7.36%。從以上數據可以看出，專用噴油器的噴孔直徑和壓力室體積變小后，噴孔的流量系數和流通幾何面積都變小，導致噴油速率降低，噴油持續期變長。但噴孔直徑變小后可以獲得較大的噴射壓力。同時，在25%負荷工況下專用噴油器相對標準噴油器的平均噴射壓力提高幅度更大，說明在低負荷工況下，專用噴油器對燃油系統噴射壓力的提高更加明顯。

圖4 不同負荷下2種噴油器燃油噴射壓力對比

從圖5、圖6可以看出，2種負荷下，專用噴油器比標準噴油器的貫穿距和噴霧錐角要小，這是因為專用噴油器噴孔直徑變小，燃油噴射壓力較大，燃油的霧化效果得到改善，油束得到了及時霧化，因此貫穿距和噴霧錐角減小。

圖7是SMD曲線，可以看出2種負荷下曲線都出現了2個尖峰，分別對應噴油開始和結束的時刻，而中間部分則是低而平坦的線形，說明在整個噴射過程中，噴油開始時刻和結束時刻的噴霧質量比較差，而噴射過程中油束SMD都比較小，且比較穩定。因為在開始噴射和噴射即將結束這兩個階段燃油的實際噴射壓力都比較低，直接導致燃油霧化不良。專用噴油器對噴油開始時刻和結束時刻的噴霧質量的改善比較明顯，這得益于噴孔直徑和壓力室容積的減小，使得壓力室油壓的建立和消退都比較快，使得這2個時刻的噴霧細微度較好，油滴索特平均直徑較小。

圖5 不同負荷下2種噴油器貫穿距對比

圖6 不同負荷下2種噴油器噴霧錐角對比

從圖7可知，在100%負荷工況下，除了噴油結束階段，整個噴射過程中2種噴油器的噴霧質量差別較小，因為在高負荷下，噴射壓力已經達到了一個較大的穩定值，噴霧質量較好，這時噴孔直徑的微小變化對燃油索特平均直徑的影響較小。

因此，在低負荷工況下，專用噴油器對燃油霧化效果的改善更為顯著，而在高負荷工況下，燃油噴射壓力已經很高，這時專用噴油器對燃油霧化效果的改善較小。

圖7 不同負荷下2種噴油器索特平均直徑對比

4 總結

通過以上分析可知，專用噴油器在低負荷工況下能顯著提高燃油噴射壓力，改善霧化效果，而在高負荷工況下，其作用效果明顯降低。因此，對長期運行在高負荷工況下的TBD620柴油機采用標準噴油器，提高做功能力，而對長期運行在中低負荷工況下的采用特殊的噴油器，提高燃油噴射壓力，改善霧化燃燒效果。

［1］歐陽光耀，常漢寶，楊彥濤.TBD620系列柴油機［M］.北京:海潮出版社，2006:22－27.

［2］AVL，Hydsim Reference Manual Version 5.1 ［M］.AVL List，2009.

［3］何志霞，袁建平，李德桃，等.柴油機噴嘴結構優化的數值模擬分析 ［J］.內燃機學報，2006，24(1):35－41.