電控單體泵燃用生物柴油嘴端壓力波動仿真分析

姜峰 梁霖 莫清烈 羅建斌 郝真真

摘 要：為研究電控單體泵燃用不同配比生物柴油對噴嘴端壓力波動影響，利用GT-Suite軟件搭建電控單體泵噴射系統計算模型，驗證了模型的準確性.通過研究不同高壓油管長度與不同油管直徑的結構參數改變對噴嘴端壓力的影響，研究結果表明：高壓油管直徑為2 mm，高壓油管長度為500 mm，采用B5生物柴油電控單體泵系統嘴端壓力波動較小，穩定性能最佳.該研究可為電控單體泵系統燃用生物柴油對噴嘴端壓力波動影響提供參考.

關鍵詞：生物柴油；噴嘴；壓力波動；仿真分析

中圖分類號：TK42 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.01.014

0 引言

隨著經濟全球化的發展，全球范圍內石油資源日益減少.汽油、柴油的使用與供給對比造成能源短缺，該問題已成為限制全球經濟健康發展的重要因素之一.石化資源的有限性伴隨著能源危機與環境污染等問題，使廣大科研工作者致力于探索石油燃料的替代品，基于此也促進了全球范圍內加速對柴油替代燃料的研究.

生物能源以其綠色環保、可再生利用日益受到人們的重視[1].采用生物柴油作為柴油機燃料能有效降低顆粒物排放.當前國內外對生物柴油的研究主要集中于采用各種不同來源生物柴油（B100）、不同配比生物柴油與石化柴油的排放性、動力性及經濟性的研究[2-5]，對電控單體泵燃用生物柴油嘴端壓力波動的研究甚少.

本文以某大功率柴油機電控單體泵噴射系統為研究對象，利用GT-suite軟件對電控單體泵燃用不同配比生物柴油嘴端壓力波動進行仿真分析.本研究可對生物柴油電控單體泵噴油系統設計和改進工作提供可靠的理論依據和工程價值.

1 生物柴油理化分析

將石化0號柴油與大豆毛油制生物柴油以0%，5%，15%，25%體積分數進行摻合（記為：B0，B5，B15，B25，B5表示為生物柴油占摻合油體積分數為5%），測定各配比生物柴油密度、閃點、凝點、十六烷值、低熱值等，其測試準則參考國家標準執行[6-7].不同配比生物柴油理化特性值如表1所示，表1數值經計算后導入GT軟件中，二次開發成生物柴油數據庫.

2 模型搭建

基于GT軟件平臺搭建了某大功率柴油機電控單體泵噴射系統計算模型，如圖1所示.該電控單體泵系統主要參數包括：電控單體泵柱塞直徑與升程分別為22 mm和28 mm， 凸輪軸標定轉速500 r/min，高壓油管直徑與長度分別為3 mm和700 mm，噴油器啟噴壓力35 MPa等[8].

對電控單體泵燃油系統在標定轉速（凸輪軸轉速500 r/min）時燃用純柴油進行計算，并與實驗值進行對比，如圖2、圖3所示.圖2為針閥升程曲線對比，圖3為高壓油管油壓對比，由圖2、圖3可知仿真值與實驗值兩者吻合較好，表明該模型可用于燃用生物柴油嘴端壓力波動的分析.

3 計算方案及結果分析

3.1 不同配比生物柴油對嘴端壓力影響

圖4為凸輪軸標定轉速500 r/min下燃用不同配比生物柴油噴油器嘴端壓力曲線.由圖4可知，燃用B25生物柴油，嘴端壓力達到最大，隨著生物柴油配比增大，嘴端壓力依次增大，這是由于生物柴油配比增大，其密度依次增大（見表1所示），油壓建立越高.

由圖4可知，燃用不同配比生物柴油時，噴油器嘴端壓力高于燃用純石化柴油的嘴端壓力，且燃用生物柴油和純柴油時，嘴端壓力曲線趨勢一致，因此，可采用生物柴油替代純柴油進行結構參數對噴油器嘴端壓力的研究分析.

3.2 高壓油管管長與管徑組合對嘴端壓力影響

電控單體泵噴射系統內（包括噴油泵端、高壓油管、噴油嘴端）壓力波在供油、回油過程中不間斷地進行傳遞和反射使系統嘴端壓力產生變化，同時高壓油管結構參數也影響壓力波傳遞和反射；即：高壓油管長度與直徑確定了高壓油管容積，而燃油壓力的建立時間和壓力大小由高壓油管容積來決定.故本文研究高壓油管長度與直徑兩參數組合對噴油器嘴端壓力的影響關系[9-10].

計算方案如表2所示，方案1：300 mm—2 mm表示高壓油管長度為300 mm，高壓油管直徑為2 mm，類推其他方案表示法.

3.2.1高壓油管直徑對嘴端壓力分析

圖5—圖7分別為不同高壓油管長度時，不同配比生物柴油不同高壓油管直徑對應嘴端壓力曲線.由圖5—圖7可知，當高壓油管長度一定時，高壓油管直徑越小，噴油器嘴端壓力越高，油壓建立越迅速，針閥落座后，油壓波動亦越小.高壓油管直徑大時，會導致噴油器嘴端壓力過低，影響燃油霧化性能，且針閥落座后，油壓波動較大，易造成二次噴射等現象.由圖5—圖7可知當油管直徑為2 mm時，不同配比生物柴油條件下，油壓壓力最高，有利于燃油霧化；因此高壓油管直徑選取2 mm.

由圖5—圖7可知，燃用B25生物柴油時嘴端壓力出現最大值；當高壓油管直徑由2 mm增大到4 mm時，燃用B5生物柴油時嘴端壓力下降約27 MPa，燃用B15生物柴油時嘴端壓力下降約34 MPa，燃用B25生物柴油時嘴端壓力下降約40 MPa，表明隨著生物柴油配比增大，高壓油管直徑增大，噴油器嘴端壓力下降越多，即高壓油管直徑變化對噴油器嘴端壓力影響越明顯.由此可確定，采用B5生物柴油時噴油器嘴端壓力較穩定.

3.2.2高壓油管長度對嘴端壓力分析

圖8為選取高壓油管直徑為2 mm，不同配比生物柴油不同高壓油管長度下嘴端壓力變化曲線.由圖8可知，高壓油管直徑為常量2 mm時，隨著高壓油管長度增大，噴油器嘴端壓力曲線為下降趨勢，且壓力曲線有一定的滯后，主要由于高壓油管長度增大，高壓油管容積隨著增大，燃油建壓時間相應延長，噴油時間也相應有一定的延后；另一方面由于高壓油管長度產生變化，使壓力波往返傳遞的長度也發生了改變.因此，研究確認高壓油管長度時，需盡可能選擇長度較短的高壓油管使其快速建立燃油壓力，但高壓油管過短會使噴油器嘴端壓力過高，容易形成二次噴射，需綜合考慮噴油器嘴端壓力大小與二次噴射的影響[11].

由圖8可知，在噴嘴端針閥落座后，嘴端壓力都會有一定的波動且與高壓油管長度的變化關系較小.由理論分析可獲知，當噴油器結束噴油后，噴油器噴嘴端壓力室內壓力應趨于0；由于整個噴射過程處于高壓狀態，且存在壓力波的傳遞，噴嘴端會存在一定量的壓力波動.高壓油管長度由300 mm增加到500 mm，燃用B5，B15，B25生物柴油均呈現壓力下降，當長度由500 mm增加到700 mm時，燃用B5，B15生物柴油油壓略有上升，這使嘴端出現二次噴射的可能性增加，因此高壓油管長度500 mm為拐點，綜合分析選取高壓油管長度為500 mm.當燃用B15，B25生物柴油時，隨著高壓油管長度增大， B5生物柴油壓力下降較B15，B25更緩慢，進一步表明B5生物柴油更有利于嘴端壓力的穩定.

4 結論

1）電控單體泵噴射系統燃用生物柴油時，噴油器嘴端壓力高于燃用柴油時嘴端壓力，且兩種燃油嘴端壓力曲線趨勢一致，表明生物柴油可替代柴油進行嘴端壓力分析.

2）高壓油管長度一定時，高壓油管直徑越小，噴油器嘴端壓力越高；不同配比生物柴油條件下，由油壓壓力最高確定高壓油管直徑為2 mm；當高壓油管直徑變化時，B5生物柴油時噴油器嘴端壓力較穩定.

3）高壓油管直徑為2 mm時，隨著高壓油管長度增大，噴油器嘴端壓力呈現下降趨勢，由不同配比生物柴油出現嘴端壓力拐點確定高壓油管長度為500 mm，燃用B5生物柴油較B15，B25生物柴油壓力下降少，有利于嘴端壓力穩定.

4）由高壓油管長度與直徑兩變量，結合不同配比生物柴油因素，最終確定B5生物柴油、最佳高壓油管長度與直徑組合為500 mm—2 mm.

參考文獻

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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

（學科編輯：張玉鳳）