孫世磊，牛志剛

(太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原030024)

高壓共軌噴油系統(tǒng)可以有效地降低柴油機(jī)油耗和尾氣排放，顯著提高其動力性。電控噴油器作為高壓共軌噴油系統(tǒng)的核心部件，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對整個系統(tǒng)的響應(yīng)特性影響深刻。通過優(yōu)化噴油器結(jié)構(gòu)，能夠使噴油器對控制信號作出更為快速的響應(yīng)，更為迅捷地控制針閥開啟和關(guān)閉，改善燃油系統(tǒng)的噴油性能。作者采用AMESim 軟件對電控噴油器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，了解電控噴油器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃油噴射過程的影響，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供參考依據(jù)，從而降低開發(fā)成本［1－2］。

1 創(chuàng)建模型

1.1 電控噴油器的工作原理

電控噴油器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。高壓燃油從油泵經(jīng)共軌管進(jìn)入噴油器后，一部分通過進(jìn)油口進(jìn)控制腔，另一部分通向蓄壓腔。電磁閥通電時，控制閥開啟，控制腔內(nèi)的高壓燃油通過出油口瀉出，針閥受到的向下的壓力快速減小，向上的力大于向下的力，針閥抬起，開始噴油。控制脈寬過后，電磁閥未通電，控制閥關(guān)閉，從而密封住控制腔內(nèi)的高壓燃油，控制腔和蓄壓腔壓強(qiáng)相等時，針閥受到的向下的壓力大于向上的力，重新關(guān)閉，噴油結(jié)束。電控噴油器根據(jù)電控單元(ECU)發(fā)出的控制信號，將高壓燃油以最佳的噴油定時、噴油量、噴油率和噴射方式噴射到燃燒室中［1］。

圖1 電控噴油器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 建立仿真模型

采用AMESim 軟件對電控噴油器進(jìn)行仿真模擬，建模過程中對噴油器進(jìn)行了模塊劃分，根據(jù)各部分的液力特性，分為容積腔模型、管道模型、閥件模型。

1.2.1 容積腔模型

對于容積腔模型，比如控制腔、蓄壓腔、共軌管等，在建模時，基本的數(shù)學(xué)模型遵守流量守恒方程［3］:

式中:V 為容積腔的體積;

E 為燃油的彈性模量;

Qi為容積腔的燃油流量;

對于移動的部件則有

式中:A 是有效面積，v 是速度。

由貝努利方程，進(jìn)流出容積腔的流量:

其中:Cd為流量系數(shù)，對于沒有氣穴現(xiàn)象的液流管，Cd與孔的幾何形狀、液體流速、液體密度以及液體黏度相關(guān);A 是有效面積;ρ 是燃油密度。

泄漏量的計算。根據(jù)環(huán)形間隙滲油流量公式:

其中:Δp 為兩端壓力差;δ 為控制活塞與配合面間隙;l 為密封長度;μ 為運動黏度。

1.2.2 管道模型

由于噴油器噴油工作時的間歇性，使得噴油器內(nèi)高壓油道中有壓力波動。做單次噴射仿真時，壓力波動可以忽略。在建立燃油管道模型時可采用一維連續(xù)流動方程:

式中:q 為燃油通過管道時的流量;

p 為管道內(nèi)燃油壓強(qiáng);

ρ 為燃油密度;

A 為管道的有效截面積;

u 為管道內(nèi)燃油流速;

h(q)為與管道相對剛度有關(guān)的黏度摩擦。

1.2.3 閥件模型

閥件是由壓力驅(qū)動機(jī)械部件運動的機(jī)構(gòu)，如電控噴油器中控制閥、控制腔活塞、針閥等，閥件模型的數(shù)學(xué)運動方程如下:

式中:h 為燃油通過管道時的流量;

m 為閥件的質(zhì)量;

k 為閥件彈簧的彈性系數(shù);

x0為閥件彈簧預(yù)緊量;

Fi為作用在閥件上的力;

Ai為Fi作用在閥件上的面積;

c 為閥件阻尼系數(shù)。

1.2.4 電控噴油器AMESim 仿真模型

電控噴油器的AMESim 仿真模型主要參數(shù)以Bosch 公司CR 共軌系統(tǒng)電磁式噴油器為參考，設(shè)計仿真模型如圖2所示。

圖2 電控噴油器仿真模型

建立仿真模型時，取噴油控制信號如圖3所示，設(shè)定噴油脈寬為1.5 ms，仿真時間5 ms。

圖3 噴油控制信號

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 共軌管壓力對電控噴油器噴油過程的影響

為了分析共軌管壓力對噴油過程的影響，分別取共軌壓力為100、120、140、160 MPa 進(jìn)行仿真，分析不同共軌壓力下針閥啟閉時間、噴油率和噴油量的變化情況。

由圖4—6 可以看出:相同噴油脈寬時，共軌壓力越大，針閥開啟和關(guān)閉速度越快;噴油率隨著共軌壓力的升高而增加，噴油量也有所升高。所以，在滿足機(jī)械要求的情況下，可以通過提高共軌壓力來優(yōu)化噴油過程。

圖4 不同共軌壓力時針閥升程曲線

圖5 不同共軌壓力時噴油率曲線

圖6 不同規(guī)格壓力時噴油量曲線

2.2 進(jìn)油口、出油口直徑對噴油過程的影響

進(jìn)油口、出油口的大小直接影響控制腔油壓的變化速度，從而影響控制活塞和針閥升降速度，對噴油器的噴射性能有重要影響。為了比較直觀地反映進(jìn)油出油口直徑對噴油過程的影響，可以分別改變進(jìn)油口和出油口直徑，通過AMESim 仿真得到一系列針閥升程曲線。

保持出油口直徑為0.3 mm 不變，將進(jìn)油口直徑分別設(shè)為0.13、0.15、0.17、0.18 mm，仿真得到的針閥升程曲線如圖7所示。

由圖7 可以看出:隨著進(jìn)油口直徑增加，針閥開啟速度減慢，當(dāng)進(jìn)油口直徑過大時，由于控制腔壓力卸載過慢導(dǎo)致針閥不能正常開啟。同時針閥關(guān)閉速度加快，而且關(guān)閉速度要比開啟速度變化更為明顯。由此可見進(jìn)油口大小對針閥的關(guān)閉速度影響很大。

保持出油口直徑為0.15 mm 不變，將進(jìn)油口直徑分別設(shè)為0.28、0.30、0.32、0.34 mm，仿真得到的針閥升程曲線如圖8所示。

圖7 改變進(jìn)油口直徑時針閥升程曲線變化

圖8 改變出油口直徑時針閥升程曲線變化

由圖8所示:隨著出油口直徑增加，針閥開啟速度明顯加快，關(guān)閉速度基本不變，因而出油口大小對針閥開啟速度影響很大。

綜上可以看出，合理選擇進(jìn)油口、出油口直徑直接影響噴油器的噴油過程。

2.3 控制活塞直徑對噴油過程的影響

控制活塞直徑會直接影響控制腔作用到針閥上的向下的壓力，從而影響針閥的開啟關(guān)閉速度。圖9 顯示了不同控制活塞直徑時針閥的動態(tài)特性。

圖9 控制活塞直徑變化時針閥升程曲線

圖9 表明:當(dāng)控制活塞直徑過小，控制腔無法產(chǎn)生足夠的壓力作用到針閥上，導(dǎo)致針閥開啟后不能正常關(guān)閉;控制活塞直徑增大后，針閥開啟時間延長，關(guān)閉時間也逐漸延長。由此可知:在針閥可以正常開啟關(guān)閉的情況下，控制活塞直徑越小，噴油器的噴射特性越好。

2.4 針閥直徑對噴油過程的影響

針閥直徑與針閥密封帶的投影面積對應(yīng)的直徑共同決定了作用在針閥上的力，由此影響針閥動態(tài)響應(yīng)特性。因此此次仿真取了4 組數(shù)據(jù)，針閥直徑r1與針閥密封帶的投影面積對應(yīng)的直徑r2分別取為(3，2)、(3，2.5)、(3.5，2)、(3.5，2.5)，單位為mm，結(jié)果如圖10所示。

圖10 針閥直徑r1 與針閥密封帶的投影面積對應(yīng)的直徑r2 對針閥升程的影響

由圖10 可以看出:當(dāng)針閥直徑不變，針閥密封帶的投影面積對應(yīng)的直徑增加時，針閥開啟速度減慢明顯，而關(guān)閉速度則有所增加;當(dāng)針閥密封帶的投影面積對應(yīng)的直徑不變、針閥直徑增大時，針閥開啟速度增加，而關(guān)閉速度減慢。由此可見，針閥直徑與針閥密封帶的投影面積對應(yīng)的直徑對針閥開啟和關(guān)閉有著重要影響，合理選擇二者的大小可優(yōu)化噴油器的噴油特性。

3 結(jié)論

通過對電控噴油器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，得出主要結(jié)論如下:

(1)提高共軌壓力可以優(yōu)化針閥升程，提高噴油率和噴油量;

(2)進(jìn)油口、出油口直徑對針閥升程影響很大，設(shè)計時要合理選擇;

(3)在針閥可以正常開啟關(guān)閉的情況下，控制活塞直徑越小，噴油器的噴射特性越好;

(4)合理選擇針閥直徑與針閥密封帶的投影面積對應(yīng)的直徑的大小可優(yōu)化噴油器的噴油特性。

【1】周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.2 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

【2】蔡振輝，楊海青，杭勇，等.基于AMESim 的高壓共軌噴油器的建模及分析［J］.柴油機(jī)設(shè)計與制造，2008，15(1):4－9.

【3】顧慧芽，唐焱，蔣順文.共軌噴油器參數(shù)對噴油規(guī)律影響的仿真研究［J］.液壓氣動與密封，2009(6):41－44.

【4】菅寶玉，袁寶良.共軌噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析研究［J］.現(xiàn)代車用動力，2006(3):5－9.

【5】曾東健，楊建軍，黃海波，等.基于AMESim 的噴油器工作過程模擬［J］.小型內(nèi)燃機(jī)摩托車，2008(2):5－8.

【6】平濤，徐建新，谷峰，等.共軌用新型電控噴油器結(jié)構(gòu)及性能研究［J］.柴油機(jī)，2008，30(6):20－23.

【7】董堯清，顧萌君，紀(jì)麗偉，等.共軌噴油器參數(shù)對噴油規(guī)律影響的仿真研究［J］.現(xiàn)代車用動力，2007(4):35－39.

【8】PAYRI R，SALVADOR F J，MARTí-ALDARAVí P，et al.Using One-dimensional Modeling to Analyze the Influence of the Use of Biodiesels on the Dynamic Behavior of Solenoid-operated Injectors in Common Rail Systems:Detailed Injection System Model［J］.Energy Conversion and Management，2012，54(1):90－99.