内燃机高压油管的压力控制分析
2022-11-02张雪庞黎静
张雪,庞黎静
(西安石油大学机械工程学院,陕西 西安 710000)
1 研究背景
高压油管是内燃机供油系统的重要组成部分,随着我国内燃机工业的迅速发展,高压油管被广泛应用,许多学者对高压油管进行了研究。如李旭东研究分析高压油管开裂原因;崔小林从连接方式和零件质量2个方面研究了高压油管的失效形式等。其中大多研究分析高压油管的故障问题,缺少了对油管本身工作原理及状态的分析。基于此现状,本文结合高压油管的工作原理,分析高压油管压力的影响因素,建立高压油管压力控制模型,将高压油管内的压力稳定在一定的范围,以此提高工作效率以及延长使用寿命。
2 问题分析
高压油管的工作原理如图所示,燃油由高压油泵从A处进入高压油管,再由喷油嘴从B处喷出。凸轮转动使得柱塞上下运动,柱塞向上运动时压缩高压油泵内的燃油,当油泵内的压力大于高压油管内的压力时,单向阀开启,燃油进入高压油管内。在高压油管的另一端有针阀和喷孔组成的喷油嘴,针阀进行上下往复运动过程中,会不同程度的开启喷油嘴,将高压油管内的燃油从该处喷出。喷油嘴结构如图所示。
高压油管内腔长度为,内径为,初始压力=100MPa。喷油嘴的针阀头部为球形,其直径为2.5mm,喷孔的直径为7mm,密封座是半角为9°的圆锥。当针阀高度为0时,针阀闭合,出油量为零,当针阀高度大于0时,喷油嘴开启,喷油速度为10次/s。我们要研究的问题是:在给定的喷油器工作次数、高压油管尺寸和初始压强条件下,确定凸轮的角速度,使得高压油管的压强尽可能稳定在100MPa左右。
图1 高压油管工作过程
图2 油喷嘴示意图
3 建立模型
3.1 燃油压力与密度的关系模型
由高压油管的弹性模量与燃油压力的关系拟合公式:
上述两式联立可得出燃油压力与密度之间的关系式:
3.2 凸轮高度随时间变化关系模型
凸轮等速转动使得连接在其上的柱塞做往复直线运动,此过程与油管的进油量有关。当柱塞向上运动时会压缩高压油泵内的燃油,高压油泵内的压力不断升高,直到高压油泵内的压力高于高压油管内的压力时,燃油进入高压油管;柱塞向下运动使高压油泵内的空间增大,高压油泵内的压力会逐渐减小,直到高压油泵内的压力低于高压油管内的压力时,燃油不再被吸入高压油管。
由凸轮边缘曲线拟合出凸轮高度与角度的函数关系:
图3 凸轮极径与极角关系曲线
3.3 针阀升程随时间变化关系模型
针阀升程与高压油管的喷油量密切相关,当针阀升程大于0时,喷油嘴开启,随着开启程度增大,喷嘴的喷油量也会增大,到针阀上升到一定高度时,喷油嘴完全开启,这时候喷油量达到最大,由于高压油管内的压力变化,针阀上升到一定高度之后会下降,喷油嘴开启程度减小,最终喷油嘴关闭。此过程循环往复。
由针阀运动曲线拟合出针阀高度与时间的函数关系:
图4 针阀高度与时间关系曲线
针阀的运动为周期运动,其函数关系为:
3.4 高压油管进油量模型
判断高压油管是否进油的条件:
3.5 高压油管的出油量模型
4 利用visual studio 软件编程求解
基于迭代法的思想,整理出以下求解方法:
5 结语
经大量数据整合,利用逐步逼近法则,筛选出大致符合要求的凸轮转速范围是37~38r/s。
不同转速下的压力P随时间t的变化规律图像:
图5 转速为37r/s时的压力波动曲线
图6 转速为37.2r/s时的压力波动曲线
图7 转速为36.6r/s时的压力波动曲线
图8 转速38r/s时的压力波动曲线
由上述图像分析可知,凸轮转速n=37.2r/s时,高压油管内的压力接近稳定在100MPa,此时高压油管内压力的变化范围较小,使得喷嘴所喷出的燃油量偏差小,从而保证了发动机的工作效率。