气泡模型在喷油系统模型仿真中的应用.pdf

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1、第27卷第3期1422011年3月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．27No．3Mat．2011气泡模型在喷油系统模型仿真中的应用何勇灵，李汝宁※(北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京100191)摘要：为了更准确预测喷油系统中压力脉动变化，引入了基于气泡溶解和析出的物理过程的气泡模型，将其应用到柴油机喷油系统模型中，并编制了喷油系统模型仿真程序。对含气率恒定和应用气泡模型的柴油机喷油系统分别进行仿真，并将仿真结果与试验数据进行了对比。对比结果表明；含气率恒定的喷油系统模型仿真结果曲线比较平

2、滑，而应用了气泡模型的喷油系统模型中，由于气泡体积随着系统压力和时间而变化，尤其在压力大于45MPa后，气泡体积减小速度增大，造成压力出现震荡，仿真结果和试验数据更加吻合。该研究不仅验证了气泡模型应用在柴油机喷油系统仿真中的可行性，而且为以后气液两相条件下的柴油机喷油系统模拟研究提供了基础。关键词：柴油机，模型，仿真，喷油系统，压力脉动doi：10．3969d．issn．1002—6819．2011．03．027中图分类号：TK421+．4文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-03-0142-05何勇灵，李

3、汝宁．气泡模型在喷油系统模型仿真中的应用[J]．农业工程学报，2011，27(3)：142—146．HeYongling，LiRuning．Applicationofgasbubblemodeltofuelinjectionsystemsimulation[J】．TransactionsoftheCSAE，2011，27(3)：142—146．(inChinesewithEnglishahstracO0引言在农业机械中，柴油机的应用非常广泛。国内外的实验观察和研究表明，在柴油机喷油系统中，都存在着由于压力变化而引起的气泡的产

4、生和破灭，因此气泡的产生使得柴油机传统泵．管．嘴喷油系统内所进行的液力过程不是燃油的单相流动，而是复杂的液一气两相流动的过程【l。2】。喷油系统中气泡的存在，会给柴油机与喷油系统之间的正确匹配带来很大的困难。建立喷油系统中气泡数学模型，合理的预测喷油系统压力脉动过程中气泡产生及破灭过程，对喷油系统的设计及使用具有重要意义。一些学者在柴油机喷油系统研究方面，通过简化系统，分别提出了自己的数学模型【341，然而他们的模型均未考虑气泡的影响，因而只能对未发生气泡的工况进行模拟。本文根据流体动力学原理，在高压油管中建立了伴随气泡产生

5、的波动方程，并给出基于气泡溶解和析出物理过程的气泡模型和有效体积弹性模量数学模型。并以此模型为基础编制了计算机程序，并通过试验进行了验证。1数学模型1．1喷油泵和喷油器端边界液力状态方程本文视柱塞腔、出油阀增压腔和针阀腔为控制容积，在控制容积中，假设压力分布均匀。喷油泵泵端和喷油器嘴端的边界条件为2种方程，描述控制容积内压力变收稿日期：20104)5．24修订日期：2010-0％28作者简介：何勇灵(1963一)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为内燃机燃油喷射技术。北京北京航空航天大学交通科学与工程学院，100191。E

6、mail：xkbhe@buaa．edu．∞※通信作者：李汝宁(1981一)，男，博士生，主要研究方向为内燃机燃油喷射技术。北京北京航空航天大学交通科学与工程学院，100191。Email：liruning@foxmail．tom化为连续方程，描述出油阀和针阀运动为牛顿第二定律。详见文献[5．7】。泵一管．嘴式喷油泵泵端及喷油器嘴端边界液力状态方程为常微分方程组。常微分方程组的求解方法主要有Runge．Kutta、Euler、改进欧拉法等。在对喷油系统理论模型仿真分析中，因被积函数对各个未知变量未必均可导，即所求函数有不连续点

7、。当在出油阀、针阀运动受到限制时，若应用理论精度较高的数值计算方法，计算结果精度反而更差。通过对数值积分方法及实际喷油过程特点的分析，本文的液力状态方程组的求解方法选用改进欧拉法进行求解。1．2高压油管内燃油流动波动方程连接柱塞式喷油泵以及喷油器的高压油管为一长为￡的等截面管子(如图1所示，箭头方向为燃油流动方向)，燃油在管内流动时，其压力P和速度U为时间t和坐标X的函数【8】。睚搿㈤图1高压油管Fig．1Highpressurefuelpipe在图1中取高压油管中边界为X和x+dx的微元体。根据牛顿第二定律，该微元体在轴向

8、受力有以下关系。罢+尸害+pf：00(2)‘+口——+=LZJ缸’西第3期何勇灵等：气泡模型在喷油系统模型仿真中的应用143式中，P为燃油密度，kg／m3f为单位质量流体阻力，N。其计算公式为厂：—2u—"(3)。2d式中，A为燃油流动阻力系数，当雷诺数Re≤2000时，流动为层流，A=6