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摘要：本文运用HYSDIM搭建240/275柴油机E型燃油喷射系统仿真模型，并通过试验结果校验仿真模型，以确保仿真的精准可靠;在此基础上，分析了柱塞副泄漏问题，优化了喷孔直径以提升排放水平。
Abstract： This paper uses HDYSIM to build the simulation model of E-type fuel injection system for 240/275 diesel engine， and verifies the simulation model through the test results to ensure the accuracy and reliability of the simulation. On this basis， the leakage problem of plunger pair is analyzed， and the nozzle diameter is optimized to improve the emission level.
关键词：HYDSIM;燃油喷射系统;仿真
Key words： HYDSIM;fuel injection system;simulation
中图分类号：TK429 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0015-03
0 引言
燃油喷射系统配机性能的好坏将直接影响柴油机的动力性、经济性、排放性，我司240D/E系列柴油机燃油喷射系统一直采用E型泵管嘴系统，是在B型泵管嘴系统基础上改进而来。随着柴油机功率等级和排放水平的进一步提升的要求，E型泵管嘴系统的提升改进也是势在必行。
HYDSIM软件用于液压系统和液力-机械系统动态分析，具有模块化建模、可视化输出的特点，其充分考虑燃油粘性、小孔节流损失、燃油的压缩性及油管内压力波传播速度等非定常因素，仿真精度高[3]。所以运用HYDSIM软件可在时域上研究泵管嘴系统原理，分析泵管嘴结构特点，为后续泵管嘴设计改进或故障分析提供理论依据和指导方向，具有一定的工程应用意义。
1 建立仿真模型
本文通过HYDSIM搭建240/275柴油机E型燃油喷射系统仿真模型（如图1所示），输入各模块性能参数（Properpies）、初始条件（Iinitial Conditions）以及保存结果（Store Results），设定仿真计算过程控制参数（校正计算0点为实际曲轴转角，计算精度0.001deg，储存250个数据等）和全局变量。
各模块的主要性能参数如表1所列。限于篇幅，整个建模过程暂不赘述，仅对刚度、阻尼进行说明。
1.1 刚度计算
考虑整个运动件为一维运动，所以可简化刚度计算，先分别计算每段刚度ki，再计算整体刚度k：
其中：E为弹性模型，Ai为第i段截面积，Li为第i段长度，ki为第i段刚度。
1.2 阻尼计算
阻尼运动方程：（3）
令
则阻尼运动方程变为：（4）
求解欠阻尼运动状态的结果：
故临界阻尼：（6）
根据阻尼比公式：（7）
最终推导出阻尼：（8）
其中：为阻尼比，一般钢铁材料为0.03～0.05，k为运动件刚度，m为运动件质量，c为运动件阻尼。
2 校验仿真计算结果
如表2所示进行7个工况试验，并根据当前台架试验测试设备和测点，将循环供油量、高压油管最高压力、高压油管供油提前角三个参数与仿真计算结果进行对比分析，以此校验仿真模型的准确性和可靠性。
从图2和图3可以看出，除工况1因怠速时各缸着火不均匀导致转速波动大，进而影响仿真时预行程和有效行程的选择，导致仿真偏差较大外，其他各工况的仿真与试验结果趋势基本一致，偏差较小。
3 仿真应用
3.1 仿真分析泄漏问题案例
某段反馈DF4DD型内燃机机车用16V240ZJD2型柴油机喷油泵污油回油量较大，经测量约为4kg/天。该污油回油是燃油与机油混合，其中燃油源自柱塞腔内高压燃油沿着柱塞副间隙泄漏到柱塞套上油槽，一部分燃油通过柱塞套上油孔，回到喷油泵低压进油腔内，称柱塞一级泄漏Q柱塞一级;另一部分燃油沿柱塞副间隙继续泄漏到柱塞套下油槽，重力回油到喷油泵下体内，称柱塞二级泄漏Q柱塞二级，为柱塞实际泄漏，基本不受泵油压力影响，通过仿真亦得到相同结果，故其泄漏速率固定;而润滑喷油泵下体的机油通过滚轮体与喷油泵下体的间隙上窜至喷油泵下体回油腔内，随柱塞实际泄漏的燃油一起流入污油箱。
通过引入等效功率P=pmax·Q，以此兼顾考虑柱塞副尺寸间隙对最大高压油管压力pmax和循环供油量Q的影响，如图4所示，同时仿真出柱塞实际泄漏速率曲线，可以得出该段用16V240ZJD2型柴油机理论上初始燃油泄漏量为3.84～7.68kg/天，而机油含量占比较小，一般为10%左右，具体可通过成分化验或粘度分析出机油含量，故判断出该污油回油量在许用范围内。
当等效功率损失百分比超过5%，如图4中C’点，此时单柱塞泄漏速率为46g/h，则初步判别柱塞副磨损较为严重;随着柱塞副磨损进一步加剧，柱塞泄漏速率出现突升拐点，如图4中D点，此时柱塞泄漏速率为153g/h，则初步判别柱塞副将不可用，具体应以柱塞副严密度试验为检验准则，而以喷油泵供油量试验（循环100次，允许偏差±7mL）作为柱塞副不可用判断准则，如图4中E点，偏差较大。
3.2 仿真在改进设计中的应用
我司船用8240ZC型柴油机排放提升，一方面通过减小压力室容积，降低HC排放，另一方面通过减小喷孔直径，提高喷射压力，有助于缸内雾化燃烧。通过仿真不同喷孔直径方案的循环喷油量和最大油管压力值，如图5所示，找到PA-PB线段上PC点，在保持同一循环供油量Q0（不考虑缸内燃烧对循环供油量的影响）的前提下，最大油管压力值将提升至1150bar，线性插值出该点喷孔直径为0.41mm。
最终仿真8×0.41喷孔方案得到最大油管压力为1134bar，最大贯穿距185mm，贯穿距较远，有利于加快吸热、蒸发、扩散、混合过程;有助于把留在燃烧室壁面上燃油烧掉，降低HC和颗粒排放。喷雾锥角最大值38.8°CA，此时曲轴转角14.24°CA，活塞距离喷油器较近，喷雾能够充分发展，撞击壁面。
4 结束语
本文通过HYDSIM对240/275柴油机E型燃油喷射系统进行仿真和校验，研究了柱塞的泄漏机理，分析喷油泵污油回油量大的问题，并通过引入等效功率和泄漏速率预判柱塞磨损状态，最后通过仿真找到理想喷射压力的喷孔方案。通过仿真软件的应用有效的减少燃油喷射系统的研究和开发成本，缩短设计和改进周期，节省试验验证成本。
参考文献：
[1]BOOSTTM Hydsim Users Guide .AVL.
[2]李友峰.中速柴油機燃油系统模拟计算与试验研究[D].上海交通大学，2006.
[3]张华林.新型中速柴油机燃油喷射系统改型设计与性能优化分析[D].武汉理工大学，2010.
[4]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005.
Abstract： This paper uses HDYSIM to build the simulation model of E-type fuel injection system for 240/275 diesel engine， and verifies the simulation model through the test results to ensure the accuracy and reliability of the simulation. On this basis， the leakage problem of plunger pair is analyzed， and the nozzle diameter is optimized to improve the emission level.
关键词：HYDSIM;燃油喷射系统;仿真
Key words： HYDSIM;fuel injection system;simulation
中图分类号：TK429 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0015-03
0 引言
燃油喷射系统配机性能的好坏将直接影响柴油机的动力性、经济性、排放性，我司240D/E系列柴油机燃油喷射系统一直采用E型泵管嘴系统，是在B型泵管嘴系统基础上改进而来。随着柴油机功率等级和排放水平的进一步提升的要求，E型泵管嘴系统的提升改进也是势在必行。
HYDSIM软件用于液压系统和液力-机械系统动态分析，具有模块化建模、可视化输出的特点，其充分考虑燃油粘性、小孔节流损失、燃油的压缩性及油管内压力波传播速度等非定常因素，仿真精度高[3]。所以运用HYDSIM软件可在时域上研究泵管嘴系统原理，分析泵管嘴结构特点，为后续泵管嘴设计改进或故障分析提供理论依据和指导方向，具有一定的工程应用意义。
1 建立仿真模型
本文通过HYDSIM搭建240/275柴油机E型燃油喷射系统仿真模型（如图1所示），输入各模块性能参数（Properpies）、初始条件（Iinitial Conditions）以及保存结果（Store Results），设定仿真计算过程控制参数（校正计算0点为实际曲轴转角，计算精度0.001deg，储存250个数据等）和全局变量。
各模块的主要性能参数如表1所列。限于篇幅，整个建模过程暂不赘述，仅对刚度、阻尼进行说明。
1.1 刚度计算
考虑整个运动件为一维运动，所以可简化刚度计算，先分别计算每段刚度ki，再计算整体刚度k：
其中：E为弹性模型，Ai为第i段截面积，Li为第i段长度，ki为第i段刚度。
1.2 阻尼计算
阻尼运动方程：（3）
令
则阻尼运动方程变为：（4）
求解欠阻尼运动状态的结果：
故临界阻尼：（6）
根据阻尼比公式：（7）
最终推导出阻尼：（8）
其中：为阻尼比，一般钢铁材料为0.03～0.05，k为运动件刚度，m为运动件质量，c为运动件阻尼。
2 校验仿真计算结果
如表2所示进行7个工况试验，并根据当前台架试验测试设备和测点，将循环供油量、高压油管最高压力、高压油管供油提前角三个参数与仿真计算结果进行对比分析，以此校验仿真模型的准确性和可靠性。
从图2和图3可以看出，除工况1因怠速时各缸着火不均匀导致转速波动大，进而影响仿真时预行程和有效行程的选择，导致仿真偏差较大外，其他各工况的仿真与试验结果趋势基本一致，偏差较小。
3 仿真应用
3.1 仿真分析泄漏问题案例
某段反馈DF4DD型内燃机机车用16V240ZJD2型柴油机喷油泵污油回油量较大，经测量约为4kg/天。该污油回油是燃油与机油混合，其中燃油源自柱塞腔内高压燃油沿着柱塞副间隙泄漏到柱塞套上油槽，一部分燃油通过柱塞套上油孔，回到喷油泵低压进油腔内，称柱塞一级泄漏Q柱塞一级;另一部分燃油沿柱塞副间隙继续泄漏到柱塞套下油槽，重力回油到喷油泵下体内，称柱塞二级泄漏Q柱塞二级，为柱塞实际泄漏，基本不受泵油压力影响，通过仿真亦得到相同结果，故其泄漏速率固定;而润滑喷油泵下体的机油通过滚轮体与喷油泵下体的间隙上窜至喷油泵下体回油腔内，随柱塞实际泄漏的燃油一起流入污油箱。
通过引入等效功率P=pmax·Q，以此兼顾考虑柱塞副尺寸间隙对最大高压油管压力pmax和循环供油量Q的影响，如图4所示，同时仿真出柱塞实际泄漏速率曲线，可以得出该段用16V240ZJD2型柴油机理论上初始燃油泄漏量为3.84～7.68kg/天，而机油含量占比较小，一般为10%左右，具体可通过成分化验或粘度分析出机油含量，故判断出该污油回油量在许用范围内。
当等效功率损失百分比超过5%，如图4中C’点，此时单柱塞泄漏速率为46g/h，则初步判别柱塞副磨损较为严重;随着柱塞副磨损进一步加剧，柱塞泄漏速率出现突升拐点，如图4中D点，此时柱塞泄漏速率为153g/h，则初步判别柱塞副将不可用，具体应以柱塞副严密度试验为检验准则，而以喷油泵供油量试验（循环100次，允许偏差±7mL）作为柱塞副不可用判断准则，如图4中E点，偏差较大。
3.2 仿真在改进设计中的应用
我司船用8240ZC型柴油机排放提升，一方面通过减小压力室容积，降低HC排放，另一方面通过减小喷孔直径，提高喷射压力，有助于缸内雾化燃烧。通过仿真不同喷孔直径方案的循环喷油量和最大油管压力值，如图5所示，找到PA-PB线段上PC点，在保持同一循环供油量Q0（不考虑缸内燃烧对循环供油量的影响）的前提下，最大油管压力值将提升至1150bar，线性插值出该点喷孔直径为0.41mm。
最终仿真8×0.41喷孔方案得到最大油管压力为1134bar，最大贯穿距185mm，贯穿距较远，有利于加快吸热、蒸发、扩散、混合过程;有助于把留在燃烧室壁面上燃油烧掉，降低HC和颗粒排放。喷雾锥角最大值38.8°CA，此时曲轴转角14.24°CA，活塞距离喷油器较近，喷雾能够充分发展，撞击壁面。
4 结束语
本文通过HYDSIM对240/275柴油机E型燃油喷射系统进行仿真和校验，研究了柱塞的泄漏机理，分析喷油泵污油回油量大的问题，并通过引入等效功率和泄漏速率预判柱塞磨损状态，最后通过仿真找到理想喷射压力的喷孔方案。通过仿真软件的应用有效的减少燃油喷射系统的研究和开发成本，缩短设计和改进周期，节省试验验证成本。
参考文献：
[1]BOOSTTM Hydsim Users Guide .AVL.
[2]李友峰.中速柴油機燃油系统模拟计算与试验研究[D].上海交通大学，2006.
[3]张华林.新型中速柴油机燃油喷射系统改型设计与性能优化分析[D].武汉理工大学，2010.
[4]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005.