基于MATLAB/SIMULINK的二甲醚喷油器性能研究

　　0　引言

　　二甲醚是一种清洁代用燃料,具有十分优异的环境性能指标,同柴油相比具有高效、低排放、低噪声、无烟燃烧及来源广泛等优点。它作为替代能源得到了世界各国的广泛重视。作者使用MATLAB/SIM-ULINK软件对喷油器的核心部件———单向阀弹簧的喷油时间响应系统进行了仿真,找出了喷油模型与理想喷油状态的差距,分析了弹簧的振动对喷油过程的影响。为新型二甲醚喷油器的研制提供了基础数据与理论依据。

　　1　二甲醚喷油嘴的结构设计

　　二甲醚作为柴油机代用燃料有着许多优点,然而它较之柴油具有饱和蒸气压高、可压缩性大、黏度和热值低等特点,致使其直接在柴油机上燃用时,易发生油路气阻、喷油规律异常和二次喷油现象,甚至造成事故危险,所以必须对之进行改进。在这方面国外研究者做了大量研究工作, AVL公司的James等[1-2]在提出二甲醚喷射系统应着重解决的问题后,进行了喷油器设计,其结构和工作原理如图1所示。该喷油器设计了一个单向阀,该单向阀体前面的锥面与阀座紧密结合,为了防止自锁,阀座与锥面采用了线接触,利用喷油器内的压缩弹簧将单向阀压紧形成一定的启喷压力。单向阀尾部设计了一个阀帽,可以调节弹簧的压力。另外取消了回油管道。阀体、阀座和喷嘴之间用铜垫圈进行密封。

　　2　材料选取

　　喷油器的工作压强为8MPa,经过比对,选取42CrMo作为材料(HB217)。选取中径为7mm的弹簧,由于强度较高,经过比对,选取65Mn钢作为材料。表1所示为42CrMo和65Mn钢两种材料的性能及热处理。

　　3　弹簧时间响应系统的建模

　　此研究中二甲醚喷油器的核心部件单向阀是由一个弹簧控制的,如图1所示的3号零件。弹簧先处于压缩状态,使得喷油器形成一定的启喷压力,喷油器工作时液压油推开单向阀进入喷嘴实现喷射。值得注意的是,喷油时弹簧的响应时间直接影响到整个发动机的性能,于是也成为此次研究中进行建模和仿真的对象。

　　单向阀的运动状态分析:电磁阀的信号脉冲可以用方波来模拟,方波的脉宽根据实际情况调整,电磁阀开启后,共轨管的压力大于喷油器的启喷压力,形成压力差,单向阀被顶开并且开始做加速度递减的直线运动,随后,电磁阀关闭,单向阀在弹簧作用下迅速归位,直到与阀体内壁接合,阀体此时会产生振动但最终会完全密封。作者把单向阀的运动过程分为两个部分进行分析。

　　(1)电磁阀开启时,有

　　在这里选取刚度K=102·97N/mm的弹簧,目的是减小弹簧的振幅,因为振幅过大会影响喷油器的稳定性。另外,作用在单向阀上的启喷压力为p0=8MPa,打开后p1=0MPa。