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555-低粘度液化燃油在油泵偶件环隙中泄漏的研究与在线粘度计(黏度-燃油泄漏-有限元分析-液固耦合)


第34 卷 第1Z 期 Z 006 年 1Z 月

华 J.











uaz hong Uni v . of Sci .

报 ( 自然科学版 ) ( Tech . Nat ur e Sci enc

e Editi on )



Vol .34 No .1Z Dec . Z 006

低粘度液化燃油在油泵偶件环隙中泄漏的研究
张煜盛 郑 瑞 田 威
! 华中科技大学 能源与动力工程学院 "湖北 武汉 430074 #

摘要 !针对低粘度液化燃油 ( 如液化石油气 \ 二甲醚等 ) 在高压燃油泵柱塞偶件环形缝隙中存 在 较 严 重 燃 油 泄 提出了定量分析其燃油泄 漏 的 数 学 模 型 与 计 算 方 法 3 以 液 化 燃 油 二 甲 醚 为 例9 运用有限元分析软 漏的问题 9 件9 对高压燃油泵柱塞的变形及其偶件配合面环带间隙中的燃油泄漏 9 进行了液固耦合计算分析 9 提出了解决 低粘度液化燃油泄漏问题的技术措施 . 关 键 词 !液化燃油 3燃油泄漏 3有限元分析 3液固耦合 文献标识码 !A 文章编号 ! 1671-451Z ( Z 006 ) 1Z-0105-03 中图分类号 ! TK407 .9

Low viscosit y-li <uefi ed f uels l eakage f ro m t he pl unger pi ni on cl earance of f uel pu mps
Zhan g Yus he n g Zhe n g Rui Ti an W ei
( Coll ege of Ener gy ang Po Wer Engi neri ng 9 uaz hong Uni versit y Chi na ) of Sci ence and Technol ogy 9Wuhan 430074 9

Abstract C The l eaka ge Was consi der ed of di met h yl et her ( D ME ) and li C uefi ed p etr ol eu m gas ( LPG ) Wit h much l o Wer vi scositi es f r o m hi g h pr essur e f uel p u mp s . Mat he mati cal model and co mp uti n g met hod ar e pr esent ed t o anal yze C uantit ati vel y t he ef f ect of l o W vi scosit y li C uefi ed f uel on l eaka ge fl o W charact eri sti cs i n t he cl ear ance bet Ween pl un ger and pl un ger sl eeve . A fl ui d-soli d cou pli n g fi nit e el e ment anal ysi s ( FEA ) model i s devel o p ed b y FEA sof t War e 9ANSYS 9 t o i nvesti gat e t he def or mati on of pl un ger pi ni on and t he f uel l eaka ge f r o m t he t ol er ance cl ear ance of t he f uel p u mp . So me su ggesti ons ar e al so gi ven t o sol ve f uel l eaka ge f r o m conventi onal p u mp s i n di esel en gi nes f uel ed Wit h much l o Wer vi scosit y f uel s . Key words C li C uefi ed f uel 3 f uel l eaka ge 3 fi nit e el e ment anal y si s 3 fl ui d-soli d cou pli n g 液化 石 油 气 ( 和二甲醚( 等液化 LPG ) D ME ) 因其具有良好的燃油经济性和排 气体代用燃料 9 放特性 9 故而在车 用 发 动 机 上 的 应 用 越 来 越 受 到 人们的重 视 . 根 据 试 验 测 量 1 9 当喷油泵转速为 1 100 r m i n 时9 D ME 循 环 泄 漏 量 大 约 占 循 环 供 油量的 6 3 且随着发动机转速的降低 9 该比例会 提高到 10 以 上 . D ME 泄 漏 量 的 增 大 不 仅 造 成 了大量的燃料浪费 9 还会使喷油泵泵油压力降低 \ 供油量减少和润 滑 油 稀 释 失 效 9 从而造成发动机 本 运转不良 . 为了探索解决上述问题的技术途径 9 文 应 用 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS 中 的 FSI ( 液固耦合模 FL UI D - SOLI D I NTER ACTI ON ) 块9 建立了考虑 柱 塞 偶 件 和 燃 油 相 互 作 用 的 燃 油 泄漏分析计算模型 3 以 D ME 作 为 研 究 对 象 9 探讨 了低粘度液化燃油在柱塞偶件环形缝隙内的流动 形态及其泄漏机理 9 进而研究了防止或减轻 D ME

收稿日期 ! Z 005-1Z-06 . 作者简介 !张煜盛 ( 9 男9 教授 3 武汉 9 华中科技大学能源与动力工程学院 ( 1945- ) 430074 ) . E- mail C ysz hang @mail .hust .edu .cn 基金项 目 ! 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划 项 目 ( 3 高等学校博士学科点专项科研基金项目 Z 001 CBZ 09Z 07 ) ( Z 00Z 04870Z Z ) .

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报 < 自然科学版 >

第 34 卷

经由柱塞偶件径 向 环 隙 泄 漏 的 技 术 措 施 为 解 决 高压油泵的燃油泄漏问题提供技术依据 .

位 以 及 需 要 着 重 考 虑 的 部 分 网 格 分 割 得 更 小~ 更密一些 . 在液体 厚 度 方 向 上 至 少 划 分 了 8 个 单 元网 格 . 液 ~ 固 均 采 用 S WEEP 划 法 模 型 共 划 分 节点数 Z 50 7Z 5 网格数 Z 17 940 . 2.2 载荷和约束的处理 由于重点研究对象为液固耦合作用下环带间 隙内燃油流动的状态 因此 忽略热负荷 ~ 摩擦力 ~ 自身重力等对柱塞偶件径向变形和环带间隙内液 体流动的影响 着 重 考 虑 柱 塞 承 压 面 所 受 的 柱 塞 腔内燃油压力的 作 用 并 且 根 据 实 测 的 泵 端 油 管 压力 p 随时 间t 的 变 化 曲 线 < 见 图 1 > 确 定 柱 塞 腔内燃油压力随 时 间 而 变 化 的 加 载 规 律 . 对 流 经 其间的燃油而言 边界条件主要是间隙液体顶部 ~ 底部和进油孔处的压力 . 为此 将间隙底部出口的 压力按实际情况 设 为 一 定 值 进 油 孔 口 的 压 力 为 低压输 油 管 的 压 力 1 .8 MPa 而 间 隙 顶 部 液 体 压 力为实测泵端压力 . 另外 在考虑因柱塞运动所形 成的剪切流对环 带 间 隙 内 燃 油 流 动 的 影 响 时 为 了简化计算 把柱 塞 的 轴 向 速 度 以 相 对 速 度 的 概 念施加在相切的 流 体 边 界 上 根 据 图 1 所 示 由 数 值模拟计算得到的柱塞速度 U 利 用 线 性 插 值 法 确定柱塞运动速 度 随 时 间 而 变 化 的 加 载 规 律 . 柱 塞的外表面 ~ 柱塞 套 的 内 表 面 分 别 与 环 带 间 隙 液 体的内 ~ 外表面构成耦合面 固体和液体通过耦合 面发生载荷的传递 .

1 泄漏机理与研究对象
喷油泵工作时 柱 塞 和 柱 塞 套 环 形 缝 隙 中 的 高压燃油会对柱 塞 偶 件 施 加 压 力 迫 使 柱 塞 收 缩 和柱 塞 套 膨 胀 导 致 偶 件 间 隙 增 大 ; 同 时 由 于 环 形间隙里的燃油 压 力 不 对 称 引 起 柱 塞 产 生 横 向 运动 使 燃 油 的 泄 漏 量 大 增 . 实 际 上 高 压 油 泵 的 燃油泄漏主要是由偶件环隙中的压差流和剪切流 . 偶件径向环隙的尺寸较 小 一 般在 Z .5 卜 m 左右 . 基 于 有 限 元 分 析 收 敛 的 需 要 根据流动的相 似 性 原 理 [3 ] 在 保 证 流 动 的 雷 诺 数
[ Z]

共同作用的结果

不变和使模型与 实 际 流 动 相 似 的 条 件 下 可 将 间 隙和燃油粘度适 当 增 加 相 同 倍 数 . 为 了 不 使 模 型 过于复杂 去掉了 柱 塞 上 的 回 油 斜 槽 和 柱 塞 套 上 的泄油孔 并且根 据 ZS195 型 柴 油 机 所 采 用 的 高 压油泵 对半剖分 的 实 体 进 行 结 构 造 型 和 网 格 划 分 建立了有限元分析计算模型 . 柱塞偶件的主要 尺寸如下 ~ 柱塞半径 4 .Z 5 mm 柱塞套半径 4 .Z 75 mm 柱塞偶件长度为 4Z mm 柱 塞 套 上 的 进 油 孔 < 兼做 回 油 孔 > 半 径 Z mm . D ME 密 度 为 0 .667 > 10 3 k g/ m3 粘 度 为 0 .15 mPa - s . 柱 塞 偶 件 材 料 的性能参数如表 1 所示 .
表 1 柱塞偶件材料特性参数 GCr 15 钢 < 柱塞 > 弹性模量/ GPa 切变模量/ GPa 泊松比 密度/ <10 3 kg/ m3 > Z 19 84 .7 0 .30 7 .83 16 Mn Cr 5 钢 < 柱塞套 > Z 11 8Z .6 0 .Z 8 7 .89

2 燃油泄漏的液固耦合模型
2.1 液固耦合算法与网格划分 [ ] FSI 分析 包 括 顺 序 耦 合 法 和 直 接 耦 合 法 4 在此采用了顺序耦合法 即先计算液体 到达指定 误差 后 在 耦 合 面 发 生 载 荷 传 递 开 始 计 算 固 体 ; 固体计算结束后 再在耦合面发生载荷传递 又计 算液体 循环计算 直至达到指定的误差收敛标准 或迭代次数 才停止计算 . 在 ANSYS 液 固 耦 合 三 维分 析 中 固 体 为 SOLI D45 单 元 类 型 液 体 为 FL UI D14Z 单元类 型 采 用 计 算 精 度 较 高 的 六 面 体网格 . 为使计算收敛 并保证重点部位的计算精 度和 减 少 计 算 时 间 在 载 荷~ 截 面 变 化 较 大 的 部

图1

柱塞腔油压和柱塞速度随时间的变化

3 计算结果与讨论
柱塞偶件受高压燃油作用产生的变形量亦即 配合面间 隙 值 的 计 算 参 见 文 献 [ 5 ]. 图 Z < a > 和 <b > 分别示出当 柱 塞 腔 内 燃 油 压 力 为 4Z MPa 柱 塞速度为 Z .Z m/ s 时 由于环形间隙左 ~ 右两侧燃 油压力 p 沿高度h 分布的不对称 从而造成柱塞 侧向移动的情况 . 从图 Z < b > 中可以看出在靠 近 进 油孔 < 右侧 > 的地方 压力急剧下降 造成两侧压力 极不对称 这个不对称的燃油压力作用于柱塞上 将使柱塞向进油孔一侧移 动 . 图 Z <a > 即 示 出 柱 塞

第 1Z 期

张煜盛等

低粘度液化燃油在油泵偶件环隙中泄漏的研究

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轴线在此不对称 压 力 作 用 下 向 进 油 孔 一 侧 移 动 的情况 . 由图可见 柱塞轴线 横向移动的幅度较 为显著 几乎达到了间隙宽度的一半以上 . 这种横 向移动的结果势 必 导 致 环 形 间 隙 的 增 大 从 而 加 大燃油的泄漏 . 然而 在高度 Z 0 mm 以下 两侧的 压力又趋于相等 所以 在沿间隙底端出口的圆周 上 液体的出口速度仍基本相等 .

图4

循环泄漏量的实测与计算值对比

在一定误差 从而导致 D ME 实 际 的 粘 度 偏 大 泄 漏的测量值偏小 .

4 减漏技术措施初探
图Z 缝隙燃油压力不对称导致柱塞侧移

图 3 是燃油在缝隙底端出口宽度上的平均速 度 U 随时间t 的变化情况 显然 与 图 1 所 示 的 柱 塞腔中燃油压力 随 时 间 变 化 的 情 况 基 本 一 致 即 当柱塞腔中燃油 压 力 增 加 时 进 油 孔 下 部 缝 隙 燃 油的压力随之升 高 底 端 燃 油 的 出 口 速 度 也 随 之 增大 当柱塞腔燃油压力达最大值时 燃油出口速 度也达最大值 . 而 柱 塞 运 动 引 起 的 剪 切 流 对 速 度 的影响并不明显 . 究其原因 主要是由于柱塞运动 速度与燃油出口速度相比太小的缘故 .

利用上述定量分析燃油泄漏的数学模型与计 算方法进行的多 方 案 对 比 计 算 结 果 表 明 如 果 能 对现有油泵进行 局 部 结 构 改 进 采 用 左 右 对 称 布 置的双进油孔 兼 回 油 孔 结 构 则 可 消 除 环 形 间 隙内的燃油压力 的 不 对 称 性 从 而 消 除 柱 塞 过 大 的横 向 移 动 . 同 时 增 加 的 一 个 进 油 孔 还 可 起 到 集流槽的作用 使 环 形 间 隙 液 流 能 连 续 不 断 地 从 这里流向低压油 路 从 而 减 少 缝 隙 燃 油 在 高 压 作 用下从底部泄漏的可能 . 计算结果表明 当柱塞腔 压力为 Z 5 MPa 柱 塞 速 度 为 1 .4 m s 时 如 果 在 与原进油孔对称 的 左 边 增 加 一 个 进 油 孔 则 缝 隙 底端燃油出口流速抛物型分布的最大值将减少约 40 . 在同样 的 柱 塞 腔 压 力 和 柱 塞 速 度 情 况 下 若在低粘度液化 燃 油 中 添 加 少 量 的 粘 度 改 善 剂 如蓖麻 油 或 特 种 润 滑 油 等 使 D ME 的 粘 度 由 0 .15 mPa s 增加至 0 .3Z mPa s 则 在 环 形 缝 隙 底部出口宽 度 上 的 平 均 流 速 将 由 15 m s 减 为 6 m s . 由此可见 随 着 燃 油 粘 度 的 增 大 缝 隙 底 部

图3

出口燃油平均速度随时间的变化

出口速度亦即高压油泵燃油内漏量显著降低 .
参 1 考 文 献

将间隙下端出口的燃油流速和实际间隙的横 截面积相乘 就可 以 得 到 每 一 时 间 载 荷 步 内 的 燃 油泄漏量 然后把所有的载荷步内的泄漏量累加 就得到了在某一转速下的一个供油周期内的燃油 泄漏量 . 图 4 示出不同油泵转速 n 下 循环泄漏量
5 l 的实测值 与计算值的 对 比 . 从 图 4 可 见 计 算 的燃油循环泄漏 量 虽 比 试 验 值 稍 大 一 些 但 变 化

张煜盛 莫春兰 张 辉 亚 等 . 二 甲 谜 发 动 机 燃 烧 特 性 的试 验 与 数 值 模 拟 研 究 J . 内 燃 机 学 报 Z 005 Z3 4 336-34Z . 盛敬超 . 液压 流 体 力 学 M . 北 京 机 械 工 业 出 版 社 1980 . 陈天文 张 社 Z 004 . 伟 . 流体 力 学 M . 天 津 天津大学出版

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趋势完全一致 . 泄漏量计算值偏大的主要原因 一 方面是在模型中没有计入柱塞泄油槽和柱塞套泄 油孔的影响 另一 方 面 是 计 算 所 选 用 的 环 形 间 隙 值偏大 同时试验 用 油 的 特 性 参 数 如 含 水 率 粘 度等 与计算中所 采 用 的 燃 油 的 物 性 参 数 之 间 存
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小 飒 工 作 室 . 最 新 经 典 ANSYS 及 W or kbench 教 程 M . 北京 电子工业出版社 Z 004 . 张煜盛 徐建 新 徐 波 等. 共 轨 燃 油 系 统 高 压 油 泵 1-5 . 设计研究 J . 内燃机工程 Z 005 Z 6 1

低粘度液化燃油在油泵偶件环隙中泄漏的研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 张煜盛, 郑瑞, 田威, Zhang Yusheng, Zheng Rui, Tian Wei 华中科技大学,能源与动力工程学院,湖北,武汉,430074 华中科技大学学报(自然科学版) JOURNAL OF HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY(NATURE SCIENCE) 2006,34(12) 1次

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本文读者也读过(10条) 1. 郑瑞 直喷式LPG发动机燃油喷射过程的数值模拟与试验研究[学位论文]2006 2. 张辉亚.张煜盛.张培榕.欧阳光耀.刘镇 柱塞偶件三维有限元分析[期刊论文]-柴油机设计与制造2002(2) 3. 符丽君.姬江涛.FU Lijun.JI Jiang-tao 柴油机三大精密偶件密封性对供油特性的影响[期刊论文]-农机化 研究2006(6) 4. 杨建伟.董军哲.李捷 基于梯度寻优重型车辆悬架参数优化[期刊论文]-拖拉机与农用运输车2011,38(3) 5. 王愉丽 柴油机三大精密偶件损坏原因及预防[期刊论文]-农业开发与装备2009(4) 6. 吴华中.杨贵恒.张传富.金钊 柴油机喷油器及其针阀偶件故障分析[期刊论文]-移动电源与车辆2004(4) 7. 秦襄培.高万振.李健 燃滑油泵滑动轴承摩擦副材料磨损特性研究[会议论文]-1999 8. 李明海.刘建伟.王迁.LI Minghai.LIU Jianwei.WANG Qian 一种新颖的带强制润滑沟槽的针阀偶件[期刊论 文]-柴油机2006,28(3) 9. 胡泽祥.左凤.王昆.Hu Zexiang.Zuo Feng.Wang Kun 柴油成膜润滑机制探讨[期刊论文]-润滑与密封 2007,32(11) 10. 孙铁.吴群.周长茂.刘伟.王英卓 油泵扭矩在线测量方法的分析与应用[期刊论文]-石油化工设备技术 2008,29(2)

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引用本文格式:张煜盛.郑瑞.田威.Zhang Yusheng.Zheng Rui.Tian Wei 低粘度液化燃油在油泵偶件环隙中泄 漏的研究[期刊论文]-华中科技大学学报(自然科学版) 2006(12)


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