一种新型液压驱动燃油喷油器不同方案的仿真研究.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N O ． O 1 ． 2 01 4 一 种新型液压驱动燃油喷油器不同方案的仿真研究 张为荣 上海振殷机电设备有限公 司， 上海2 0 1 1 0 8 摘要 该文 主要 是针对某新开发 的液压驱 动的燃油喷射器的不 同方案进行 了仿 真设 计 比较 ， 从 中选出合适的设计方案 ， 为后续 的研 发指 明正确的方向 。 以全方面佐证所设计方案的正确性。 关键 词 液压驱动 ； 燃油喷射 器 ； 仿真 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 1 0 0 3 5 0 3 S i mu l a t i o n S t u d y o n Di ff e r e n t S c h e me s o f a Ne w T y p e F u e l I n j e c t o r wi t h Hy d r a u l i c Dr i v e Z HANG We i t o n g S h a n g h a i Z h e n Y i n E l e c t r o me c h a n i c a l E q u i p m e n t C o ． ， L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 1 1 0 8 ， C h i n a A b s t r a c t T h i s p a p e r i s a n e w d e v e l o p m e n t o f d i ff e r e n t s c h e m e s f o r h y d r a u l i c d ri v e n f u e l i n j e c t o r s w e r e s i m u l a t e d c o m p a r i s o n ，c h o o s e t h e s u i t a b l e d e s i g n f r o m， s p e c i fi e d for t h e s u b s e q u e n t r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t i n t h e ri g h t d i r e c t i o n ， i n o r d e r t o f u l l y s u p p o t h e d e s i g n s c he me i S c o r r e c t ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c d r i v e ；f u e l i n j e c t o r s ；s i m u l a t i o n O 引言 众所周知 ．目前世界上具有独立研发船用发动机 的厂家主要是曼 、瓦锡兰 以及在充分吸收曼公 司技术 基础上而有所创新的 日本三菱公 司 国内除了某些研 究所做一些研究外 ．其他各大主机生产厂几乎没有任 何 的研 发 能 力 ．更 不 用 说研 发 柴 油 机 的核 心 部 套 件燃油喷射系统 发动机的燃油喷射系统是 主机的核心部件 ．也是 国外对我国进行技术垄断 的部件 ．鉴于 目前 国内外知 识产权 的保护力度和避免不必要 的技术纠纷 ．在充分 消化和吸收国内外 、尤其是曼和瓦锡兰公司不同的技 术背景条件下 。 结合 目前国内现有的技术水平 ． 将不 同 技术进行有效整合 ， 以形成集成创新 ． 从而有效避免专 利纠纷。上海振殷机电设备有限公司有着多年进行非 标液压系统和非标液压元器件的设计能力 ．受某 主机 生产商的委托 ．对某新型液压增压式燃油喷射器进行 了原理设计并在此基础上进行了仿真模拟 ．以验证原 理设计的合理性 本文主要介绍了对上述液压增压式燃油喷射器进 行 了多种不 同方案的设计 比较 ．同时针对某方案考虑 了不 同运行工况和条件下也作 了不 同的仿真研究 ． 以 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 6 - 0 3 作者简介 张为荣 1 9 7 3 一 ， 男 ， 江苏南通人， 工程师 ， 硕士 ， 主要从事非标液 压元件和系统 的设计 。 进一步佐证所设计方案 的正确性 。涉及 的不同方案主 要是控制方式 的不 同．而运行条件的不同主要是工质 粘度的不 同对运行 的影 响等 ．最后还对开发此 喷油器 潜在的问题进行 了一些罗列 1 不 同的设计方 案仿 真研究 三种不同的设计方案 的共同原理 电动机带动液 压泵产生 3 0 0 l O b a r的高压液压油 ． 储存在被称之为中 压共轨的腔室内 ．同时作用在喷油器 的增压活塞的大 活塞侧面 ．燃烧用 的燃油通过增压 的作用将压力增压 至 1 0 0 0 b a r 左右 。 以下模型所设定的边界条件是 液压驱动油 3 0 0 1 0 b a r ．燃 油 进 口压 力 8 b a r 。控 制 信 号输 入 上 升 沿 0 ． 3 5 ms ． 下 降沿 0 ． 4 5 ms ． 其他边界 条件因其他原 因 ， 暂 不公布。 1 ． 1 低 压 燃油 控 制 低压燃油控制的喷油器的原理介绍如下 产生的 高压燃油直接作用在喷嘴的压力室内 ．另一路未增压 的燃油作用在控制腔内 上部控制腔的液压力加上弹 簧力和压力室 的液压力保持平衡 。在喷油器内部有一 电磁铁 ． 控制上部控制腔出油 口的开启。利用 电磁铁的 通断来达到控制 出油 口的开关 ．从而控制燃油按照预 定 的规律喷出。结构如图 1 ， 仿真模 型类似图 4高压液 压油控制结构及其仿真模型。 从仿真图形中可 以看出 ．该设计方案可以实现二 35 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 4年 第 01期 次喷射， 但是喷油量增加 。三次喷射不能实现 。原因是 控制压力太低 ， 需要克服的弹簧刚度太大 ， 造成系统反 馈严重滞后。综合考虑 ， 此方案是行不通的。 塞 出 时 间 ／ ms 时间 ／ ms 时间 ／ ms 控制腔压力变化 针 阀升程变化 喷油量计算 图 1 低压燃油控制的喷油器及其仿真图形 1 - 2 高压液压油控制 高压液压油控制的喷油器的原理介绍如下 产生 的高压燃油直接 作用在喷嘴的压力 室内 ． 液 压泵产生 的高压液压油作用在控制腔内 上部控制腔 的液压力加上弹簧力和压力室 的液压力保持平衡。在 喷油器内部有一 电磁铁 ．控制上部控制腔出油 口的开 启 。利用电磁铁的通断来达到控制出油 口的开关 。 从而 控制燃油按照预定的规律喷出。结构如图 2 所示 。 仿真 结果如图 3所示 8 0 0 量 2 1 O 0 O 0 O 图 2高压液压油控制结构及其仿真模型 时间 ／ m s 时间／ ms 压力腔压力变化曲线 喷油压力曲线 图 3两压 液 压 油 控 制 结 构 的 仿 真 图 形 从仿真图形中可 以看出．此设计可以实现三次喷 射 ，但是仿真的喷油量值 6 ． 9 5 g ／ c y与理论值 7 ． 8 9 5 g ／ c y 相差达 1 1 ． 9 7 ％， 远远大于设计 目标值 ． 对于经济运行是 绝对不允许 的， 并且基于 目前的国内工业水平 ． 开发一 种高压大流量 的二位三通高速开关 阀是不现实 的 综 合考虑 ， 此方案是行不通的 1 ． 3 类似高压共轨 的高压燃油控制 新设计 的类似高压共轨 的高压燃油控制原理介绍 3 6 如 一 F 电动机带动液压泵产生 3 0 0 l O b a r 的高压液压油 ． 储存在被称之为 中压共轨的腔室内．同时作用在喷油 器的增压活塞 的大活塞侧面．燃烧用的燃油通过增压 的作用将压力增压至 l O 0 0 b a r 左右 产生的高压燃油一 路作用在喷嘴的压力室内． 另一路作用在控制腔内。上 部控制腔的液压力加上弹簧力和压力室的液压力保持 平衡。在喷油器内部有一电磁铁 ， 控制上部控制腔出油 口的开启 。利用 电磁铁的通断来达到控制 出油 口的开 关 ． 从而控制燃油按照预定的规律喷出。整个喷油器 的 设计高度约 4 0 0 m m。 最大半径约 5 0 mm。 如图 4所示 。 仿 真结果如图 5 、 图 6 、 图 7所示 。 蛐 ＼ l g 吕 善 导 控制在 5 0以内 图 4高压 液压油控制结构及其仿真模型 一 一 3 删 一 5 蓍 鑫 时间／ m s 时间／ m s 时间／ m s 控制信号输 入曲线 针 阀升程 曲线 喷油量 曲线 图 5 高压液压油控制结构 的仿真 图形 { 一次喷射 1 塞 。 鑫 1 塞 。 鑫 时间／ ms 时间 ／ ms 时问 ／ ms 控制信号输入曲线 针阀升程 曲线 喷油量曲线 图 6高压液压油控制结构的仿真 图形 二次喷射 I I11 。 删 舞 螫 时间／ ms 时间／ ms 时间／ ms 控制信号输入曲线 针阀升程曲线 喷油量曲线 图 7 高压液压油控 制结构 的仿真 图形 三次喷射 因本设计属 于 自主研发 ．有关详 细公式推导不列 出 。 有兴趣的同志可以参阅有关书籍[2 1 。从仿真结果来 I 下转 第 3 9页 一 湾罄 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．01 ． 2 0 1 4 的 整体 卧式 弹簧蓄能器 的轴向总长大于拆分成多个 小蓄能器的 并联立式 弹簧蓄能器 。 故本案设计采用 的是并联安装 的多组液压弹簧蓄能器 ． 仪器总长较短 ． 重量减轻。 同时 ．我们在并联立式布局的液压弹簧蓄能器缸 体里 ． 通过同等负荷的弹簧计算 。 采用两组圆柱螺旋 弹 簧叠加成组合式的圆柱螺旋弹簧式蓄能器 ．也可以满 足设计要求 。 蓄能能力 与碟簧相 当， 但成本 有所增 加 ， 通过分析对 比．最终采用了并联安装 的蝶形弹簧式液 压蓄能器组。 3 结论 液压 弹簧蓄能器用于井下仪器 的机械装置 中， 具 有体积小 、 结构简单 、 维修方便 、 安全耐用等优点 ， 其蝶 形弹簧优于圆柱螺旋弹簧 。通 常采用的卧式整体缸筒 设计 的液压弹簧蓄能器 的尺寸较长 ，导致仪器总长度 上 接 第 3 6页 看 ． 无论是压力波动范 围还是喷油量的仿真结果 ． 均达 到 了设计要求。综合考虑 ， 认为此方案是较合理的。 鉴 于科研项 目的保密需要 ．上述建模 的边界条件 以及模型涉及 的具体参数不在文章中列出 从上述仿 真的结果来看 1 一次喷射 循环喷油量 曲线 ， 理论计算 7 ． 9 g ／ c y ， 仿真结果 8 ． 0 2 g ， 两者误差 1 ． 5 2 ％； 2 - - 次喷射 循环喷油量 曲线 ， 理论计算 7 ． 9 g ／ c y ， 仿真结果 7 ． 9 1 g 。 两者误差 O ． 1 3 ％ 3 三次喷射 循环喷油量曲线 ， 理论计算 7 ． 9 g ／ c y ， 仿真结果 8 ． 0 6 g ． 两者误差 2 ． 0 3 ％。 从上述分析 的结果来看 ．仿真和计算值的误差基 本小于 2 ％。 远远超过一般要求的 5 ％误差之内。由此可 见 ． 上述 的理论计算和结构设计是合理而正确的 ． 这为 下一步的详细设计指明了方向 2 其他仿真说 明和总结 通过 以上不 同的设计方案比较 ．认为采用类似高 压共轨 的高压燃油控制的方式是可行的。在此基础上 ． 还针对低负荷和不 同粘度下 的三次喷射进行 了仿真模 拟 限于篇幅 。 只提供结论 。 2 ． 1 低负荷仿真结果说明 按照实际运行 的低负荷工况 按照 2 5 ％的全负荷 进行仿真 ， 结论如下 一次喷射 的循环喷油量仿真结 果 6 ． 0 2 g ／ c y ； 二次喷射的循环喷油量仿真结果 5 ． 6 6 g ／ c y 三次喷射的循环喷油量仿真结果 5 ． 5 2 g ／ c y 结论 低负荷下不 同喷射的最高误差 0 ． 5 g ／ c y与设 比并联蓄能器组要长 ， 在 同样的蓄能功能的前提下 ． 多 组蓄能器并联安装 的方式可使蓄能器 占用体积更 小 、 轴向尺寸缩短 ， 并可大大减少仪器的长度和重量。 参 考 文 献 【 1 】 成大先． 机械设计手册[ M】 ． 北京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 】 张利平． 液压阀原理、 使用与维护呻 北京 化学工业出版社，2 0 0 5 ． 【 3 】 许仰曾． 液压螺纹插装 阀技术与应用【 M】 ． 北京 机械工业出版 社 ． 2 o1 3 ． [ 4 ] 贾利国． 蓄能器在液压系统中的节能应用[ J ] ． 机电工程， 2 0 0 6 ， 5 ． 【 5 】 覃军等 ． 新型双井 径液压推靠器 的研制与应用[ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 5 ， 4 ． 【 6 】 王林 ． 皮囊 式蓄能 器 的选用 体会[ J ] ． 液压气 动与 密封 ， 2 0 0 9 ， 6 ． [ 7 】 杨殿 宝． 螺纹插 装阀的应用与 注意事项[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 2 ， 1 ． 计指标 7 ． 8 9 5 X 5 ％ 0 ． 4 g ／ c v 比较接近 ， 从而进一步说明 此方案设计是可行的 2 ． 2 不 同粘度 下的 三次 喷射 仿真 比较 由于燃油加热 温度变化 等原 因造 成 的粘度 的影 响 ． 根据 实际情况 ． 模拟温度 1 2 0 C ～ 1 4 0 C 时不 同的粘 度变化 约 1 5 2 5 c s t ， 结论如下 不同的粘度下 ， 运动规 律 一样 ， 喷油量不一样 ， 但是控制好一定 的粘度 ， 其喷 油量误差不大于 0 ． 4 ％． 是可以接受的。 2 ． 3 总结 通过上述分析 ．从不同的方案角度和不同的运行 工况角度 ． 利用先进 的计算机仿真手段 ， 从理论上佐证 了方案设计的可行性 ．为减少研发费用和保证研发的 成功性进行了保驾护航 当然 ．影响成功研制这款具有一定知识产权的新 产品 。 困难还很多 ， 比如内置 电磁铁的散热问题 。 电磁 铁的提升力问题以及结构 内部的密封问题等等。 参 考 文 献 [ 1 】 孙建清． 柴油机 电控 泵管嘴燃 油喷射 系统仿真研究 [ D 】 ． 哈尔 滨 哈尔滨 工业 大学 ， 2 0 0 6 ． 『 2 ] 徐家龙． 柴油机电控 喷油技术呻 北京 人 民交通出版社， 2 0 0 4 ． 『 3 1 金江善． 柴油机高压共轨燃油 喷射 系统 仿真研究 【 D ] ． 上海 中 国舰船研究院 上海船用柴油机研究所 ， 2 0 0 4 ． f 4 ] 杜荣铭 ． 船舶柴油机[ M 】 ． 大连 大连海事大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 5 】 李 永堂 ． 液压 系统 建模 与仿 真【 M] ． 北 京 冶 金工 业 出版社 ， 2 003 ． 『 6 1 欧 阳光 耀。 等． 高压共轨燃 油喷射 系统结构 参数影 响的仿 真 研究【 J 】 ． 海军工程大学学报， 2 0 0 3 ， 8 ． 『 7 1 张乔斌 ， 等 ． 某 型船用高压 共轨大功 率柴 油机喷射 特性研 究 [ J ] ． 船舶工程 ， 2 0 1 0 ， 1 ． 39