高壓共軌集成限流器的設(shè)計(jì)研究

，，

(1.中國(guó)人民解放軍海軍裝備部，北京 100841；2.海軍工程大學(xué)，武漢 430033)

供油系統(tǒng)局部保持恒定的高壓是高壓共軌系統(tǒng)區(qū)別于常規(guī)燃油噴射系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)。這種恒高壓的狀態(tài)會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)安全性與可靠性方面的問(wèn)題。比如，高壓油管的爆裂，電控噴油器控制失靈時(shí)的長(zhǎng)噴等。一旦上述問(wèn)題發(fā)生，就會(huì)造成高壓燃油的大量泄露，甚至大量燃油流入氣缸。為了在上述故障發(fā)生時(shí)能夠迅速有效地截?cái)喔邏喝加偷牧鲃?dòng)，共軌系統(tǒng)中需要采用限流器。

1 理論分析

1.1 限流器工作原理分析

限流器結(jié)構(gòu)及工作原理見(jiàn)圖1。進(jìn)口1與軌腔相連，出口6與通往電控噴油器的高壓油管相連。系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下，噴油器噴油時(shí)，由于孔8的節(jié)流作用，使得控制閥左右兩側(cè)的腔室產(chǎn)生壓差，液壓力使活塞克服彈簧4的彈力向右運(yùn)動(dòng)；噴油器一次噴油結(jié)束后，燃油停止流動(dòng)，限流器各腔壓力恢復(fù)到軌腔壓力，活塞兩側(cè)壓差消失，活塞在彈簧力作用下復(fù)位；一次噴油結(jié)束前，活塞不會(huì)將出油孔關(guān)閉，而且不會(huì)影響流量。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如高壓油管破裂或噴油器常開(kāi)時(shí)，由于出口6處維持很大流量，孔8處的流量及活塞右腔中的油量不足以供應(yīng)，致使活塞右腔內(nèi)壓力迅速降低，控制閥在巨大的液壓力作用下迅速落座，將出油孔關(guān)閉，切斷軌腔燃油流出。

1-進(jìn)口；2-密封圈；3-控制閥；4-彈簧；5-限流器閥體；6-出口；7-控制閥孔；8-節(jié)流孔。圖1 典型限流器結(jié)構(gòu)

1.2 限流器建模

根據(jù)圖1建立限流器的仿真模型，見(jiàn)圖2。其中C1和C3為固定直徑的流道類(lèi)結(jié)構(gòu)，C5為柱塞控制的變截面流道類(lèi)結(jié)構(gòu)，C2和C4為壓力控制的容積變化的容器類(lèi)結(jié)構(gòu)[1]。

A4-高壓油軌；C1-進(jìn)口；C2-前室集中容積；C3-節(jié)流孔8；C4-后室集中容積；C5-出口；C6-高壓油管前集中容積；B0-高壓油管。圖2 限流器仿真模

2 仿真計(jì)算

根據(jù)限流器仿真模型，建立avl-hydsim[2]仿真模型。HYDSIM是一個(gè)用于液壓系統(tǒng)和液力-機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析的程序，采用模塊化建模，程序中主要用到的模塊有：液壓邊界、機(jī)械邊界、孔、容積、管路、針閥、噴嘴、螺線管等。計(jì)算中涉及的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有(參見(jiàn)圖1、2)：進(jìn)口直徑4.2 mm、前室集中容積273 mm3、節(jié)流孔直徑0.4 mm×2 mm、后室集中容積273 mm2、出口直徑3 mm、復(fù)位彈簧預(yù)緊力20 N、閥芯直徑8 mm、噴油持續(xù)期3 ms、軌腔壓力150 MPa。限流器結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)確定。

電控噴油器一次正常噴射過(guò)程中限流器動(dòng)作的仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3、4所示。圖3中的曲線顯示了限流器閥芯在噴油器噴油過(guò)程中的動(dòng)作情況，該過(guò)程符合限流器的工作原理。圖4為限流器內(nèi)前后腔的容積變化情況，后腔容積的減小量等于前腔容積的增加量。

圖3 限流器閥芯的位移曲

圖4 限流器內(nèi)前后腔容積的變化曲

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)及電控噴油器工作狀態(tài)對(duì)限流器性能影響的分析

仿真計(jì)算的條件：軌腔壓力150 MPa，電控噴油器噴油持續(xù)期為2 ms。

3.1 節(jié)流孔(圖1標(biāo)示8)直徑的大小對(duì)限流器性能的影響

限流器其他尺寸固定不動(dòng)，分別計(jì)算了節(jié)流孔直徑為1.0、0.9、0.8、0.7、0.6 mm時(shí)限流器閥芯的動(dòng)態(tài)特性。結(jié)果見(jiàn)圖5。隨著節(jié)流孔直徑的減小，閥芯位移逐漸增大，并且復(fù)位所需時(shí)間也逐漸延長(zhǎng)，當(dāng)節(jié)流孔直徑為0.6 mm時(shí)閥芯將出油孔關(guān)閉并且不能復(fù)位。

圖5 不同節(jié)流孔直徑時(shí)限流器閥芯的位移曲

3.2 復(fù)位彈簧預(yù)緊力對(duì)限流器性能的影響

固定限流器結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別計(jì)算了彈簧預(yù)緊力為40、30、20、10 N時(shí)的閥芯動(dòng)態(tài)特性。結(jié)果如圖6所示。彈簧預(yù)緊力越小，閥芯的運(yùn)動(dòng)位移越大，復(fù)位時(shí)間越長(zhǎng)。

圖6 不同彈簧預(yù)緊力時(shí)限流器閥芯的位移曲

3.3 閥芯直徑大小對(duì)限流器性能的影響

固定限流器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別計(jì)算閥芯直徑為8、9、10 mm時(shí)的閥芯響應(yīng)特性，結(jié)果見(jiàn)圖7。直徑越大，閥芯位移越大，復(fù)位所需時(shí)間越長(zhǎng)。

圖7 不同閥芯直徑時(shí)限流器閥芯位移曲

3.4 電控噴油器噴油持續(xù)期對(duì)限流器的影響

固定限流器結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別計(jì)算噴油持續(xù)期為1、2、3、4、5 ms時(shí)的限流器閥芯動(dòng)態(tài)特性。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。隨著噴油持續(xù)期的增加，限流器閥芯位移增加同時(shí)復(fù)位時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)噴油持續(xù)期為5 ms時(shí)，閥芯將出油孔關(guān)閉，切斷了噴油器的供油。

圖8 不同噴油持續(xù)期時(shí)限流器閥芯的位移曲

3.5 共軌壓力對(duì)限流器閥芯動(dòng)態(tài)特性的影響

圖9為不同共軌腔壓力下，系統(tǒng)工作時(shí)限流器閥芯動(dòng)態(tài)特性的仿真計(jì)算曲線。軌腔壓力越大閥芯的位移越大，復(fù)位所耗時(shí)間越長(zhǎng)。

圖9 不同軌腔壓力時(shí)限流器閥芯的位移特性曲

4 試驗(yàn)

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，參考電控噴油器的流量需求，確定了限流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)并制作了樣件。電控噴油器加裝限流器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

4.1 測(cè)試項(xiàng)目1

在不同限流器復(fù)位彈簧預(yù)緊力下，電控噴油器由于限流器關(guān)閉而停止噴油時(shí)的噴油脈寬隨軌腔壓力變化情況。工作條件為：噴油頻率750次/min；共軌腔壓力由80 MPa逐漸增加到150 MPa時(shí)。 測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果比較情況見(jiàn)圖10。

圖10 停噴脈寬隨軌腔壓力變化曲

軌腔壓力越大，停噴脈寬越?。粡椈深A(yù)緊力越大，停噴脈寬越大。因?yàn)檐壡粔毫υ龃螅蘖髌鞴ぷ鞣秶s?。粡椈深A(yù)緊力加大，限流器工作范圍增加。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)完全符合，只是計(jì)算的停噴脈寬要比實(shí)測(cè)值普遍大2 ms左右。仿真計(jì)算中的停噴脈寬，是在不斷增大噴油脈寬直到限流器閥芯將出油口關(guān)閉為止，此時(shí)的噴油脈寬即停噴脈寬。

4.2 測(cè)試項(xiàng)目2

電控噴油器噴油量隨噴射頻率的變化情況。工作條件：共軌壓力150 MPa 采集時(shí)間30 s。

限流器關(guān)閉時(shí)的噴油器噴油脈寬隨噴油速率的變化情況如圖11。

圖11 噴油速率對(duì)停噴脈寬的影響

最大值與最小值相差0.05 ms；加裝限流器后，噴油速率對(duì)循環(huán)噴油量的影響見(jiàn)圖12。

圖12 噴油速率對(duì)循環(huán)噴油量的影

最大循環(huán)噴油量于最小循環(huán)噴油量相差0.01 mL。說(shuō)明噴油速率對(duì)限流器影響不明顯。噴射頻率的改變對(duì)限流器的工作范圍影響較小；相同工作條件下，加裝限流器前后，電控噴油器的噴油速率幾乎沒(méi)有改變。即限流器對(duì)正常工作范圍內(nèi)的噴射頻率有足夠的響應(yīng)速度。

5 結(jié)論

1) 影響限流器工作特性的主要參數(shù)有：彈簧預(yù)緊力、節(jié)流孔直徑、閥芯直徑。

2) 限流器對(duì)共軌系統(tǒng)的工況如軌腔壓力、噴油持續(xù)期等因素反映靈敏。

3) 限流器應(yīng)該即起到安全限流作用又不影響系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)的燃油供應(yīng)。

4) 建立在仿真分析基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的限流器有較好的工作特性。仿真模型需要進(jìn)一步研究以提高計(jì)算的準(zhǔn)確程度。

[1] 安士杰, 歐陽(yáng)光耀.電控噴油器仿真模塊化研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2002(4)：23-26.

[2] 張迪影.流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1986.