一種新型共軌噴油器仿真研究

吳小軍， 奚星， 孫樹平， 徐春龍， 趙中余， 顧嬌嬌, 王敏， 郭海洲

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400)

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一種新型共軌噴油器仿真研究

吳小軍， 奚星， 孫樹平， 徐春龍， 趙中余， 顧嬌嬌, 王敏， 郭海洲

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400)

針對發(fā)動機對“先緩后急”噴油規(guī)律的需求,研究了一種雙控制腔進油量孔的新型共軌噴油器?；贏MESim平臺建立了噴油器模型，并應用EFS測試數(shù)據(jù)進行了模型校準。結果表明：與常規(guī)共軌噴油器相比，新型共軌噴油器針閥關閉速度提高了2倍，控制腔進油量孔流通面積減少了50%以上，更容易得到“先緩后急”的靴形噴油規(guī)律；減小控制腔容積可以提高噴油響應速度，增加滑閥彈簧預緊力可以提高滑閥恢復速度，以上措施能夠提高新型噴油器的多次噴射能力，滿足不同發(fā)動機性能需求；受滑閥副油道的作用，新型共軌噴油器在單結構參數(shù)、單次噴射條件下，噴油一致性受加工誤差影響系數(shù)降低。

共軌噴油器； 滑閥； 噴射特性； 仿真

高壓共軌系統(tǒng)實現(xiàn)了供油過程與噴油過程的分離，使共軌噴油器的噴油過程不再受供油過程控制，具有廣泛的應用前景。共軌噴油器噴油特性好壞對發(fā)動機性能具有很大影響。通過控制噴油率的形狀來控制燃燒速率、壓力升高率，可以達到降低燃燒噪聲和顆粒排放的目的。因此對噴油器的要求是：在噴油開始時針閥開啟，使得在著火滯燃期內(nèi)有低的噴油率和平緩上升的噴油率形態(tài)；著火以后要求針閥開啟速度很快，使噴油率快速提升；在噴油結束時針閥的關閉速度也要很快，即能夠?qū)崿F(xiàn)“先緩后急”的噴油率形態(tài)，使炭煙排放和燃油消耗最低[1-2]。

為得到理想的“先緩后急”的靴形噴油規(guī)律,常規(guī)共軌噴油器一般采取增加控制腔進油量孔與出油量孔的面積比，減緩控制腔泄壓速度同時提高壓力恢復速度的途徑。因此，在確定控制腔進油量孔后，可以適當減小出油量孔孔徑，或在確定出油量孔后，適當增加控制腔進油量孔孔徑。然而，為提高噴油響應速度，進、出油量孔必須具備一定的流通能力，而減小出油量孔孔徑會降低噴油響應速度，增加進油量孔孔徑又會增加噴油器動態(tài)回油量，導致噴油器工作效率降低[3-5]。

本研究針對一種具有滑閥結構的新型共軌噴油器開展研究，分析其結構參數(shù)對性能的影響，為設計具備理想噴油規(guī)律與噴油性能的共軌噴油器提供依據(jù)。

1 新型噴油器控制閥結構及工作原理

圖1示出新型噴油器控制閥結構。該新型噴油器在常規(guī)噴油器針閥導桿上端增加了一個滑閥零件。滑閥上設計有進油量孔、滑閥量孔、主副油道等，其中滑閥量孔與滑閥副油道在控制腔壓力恢復階段組成控制腔雙進油量孔。電磁閥通電，滑閥主油道內(nèi)高壓燃油經(jīng)出油量孔流入噴油器低壓油路，滑閥主油道壓力p2開始降低，此后，控制腔內(nèi)高壓燃油經(jīng)滑閥量孔流入滑閥主油道，再經(jīng)出油量孔流入噴油器低壓油路，控制腔壓力p1開始降低。當控制腔壓力p1降低到針閥開啟壓力后針閥抬起開始噴油。同時，高壓油路內(nèi)高壓燃油經(jīng)進油量孔流入滑閥主油道，此時存在p3>p1>p2>p4的關系。電磁閥斷電，滑閥主油道壓力p2開始恢復，此時，控制腔內(nèi)高壓油仍由滑閥量孔流入滑閥主油道。此后，當p2≥p1時，滑閥主油道內(nèi)高壓油開始經(jīng)滑閥量孔又流入控制腔，控制腔壓力開始恢復。同時，滑閥在液力的作用下開始向下運動。此后，滑閥副油道與高壓油路連通，由于滑閥副油道孔徑大于滑閥量孔孔徑，高壓油開始由滑閥副油道快速進入控制腔，使得控制腔的壓力恢復速度大大提高。在達到針閥關閉壓力后，針閥開始關閉，噴油結束。最后在滑閥彈簧的作用下，滑閥恢復到原位,此后存在p3=p2=p1>p4的初始噴油狀態(tài)。

由噴油器工作原理可知：滑閥量孔d1主要影響控制腔的泄壓速度與泄壓時刻；滑閥副油道d2主要影響控制腔壓力恢復速度；進油量孔d3、出油量孔d4主要影響噴油器動態(tài)回油量。

2 新型噴油器模型的建立與驗證

新型噴油器仿真模型是在常規(guī)共軌噴油器模型基礎上改進得到的。圖2示出常規(guī)共軌噴油器仿真模型。其中，噴油器電磁閥模塊借用模型自帶磁通量、電磁力數(shù)據(jù)，最大電磁力為100N，滿足常規(guī)噴油器200MPa下閥門密封需求。

在此基礎上，建立了具有滑閥結構共軌噴油器的AMESIM仿真模型。該模型取消了導桿與針閥泄漏的模擬，閥門調(diào)整為平面閥且增加了對減壓環(huán)帶的模擬，模型主要針對新控制閥工作過程的模擬(見圖3)。

應用EFS高壓共軌性能試驗臺進行了噴油器的性能測試，主要校驗循環(huán)噴油量、噴油持續(xù)期。選取該系列噴油器中循環(huán)噴油量較小的噴油器進行性能測試，噴孔數(shù)為10 ，孔徑為0.2mm。在200MPa標定壓力、不同控制脈寬下，性能測試結果與仿真結果誤差在±3%，可見計算結果與實測值吻合較好(見表1)。

表1 新型共軌噴油器噴油性能仿真與試驗數(shù)據(jù)對比

3 仿真分析

3.1 滑閥對噴油性能影響分析

圖4示出新型噴油器與常規(guī)噴油器針閥運動規(guī)律、噴油規(guī)律的結果對比。由圖可知，在噴油持續(xù)期為1ms時，常規(guī)噴油器關閉過程占噴油過程的60%，而新型噴油器僅占19%，關閉速度提高了2倍，使得新型噴油器斷油迅速，結合噴油初期針閥較低的上升速度，新型噴油器容易實現(xiàn)“先緩后急”的噴油規(guī)律。

新型噴油器針閥上升階段出現(xiàn)了抖動，原因是：在控制腔泄壓過程中,初始壓力p1=p2=p3，均為高壓,之后p2降低，此時p1才開始降低，使得控制腔泄壓壓差小，因而控制腔泄壓流量??；當針閥導桿對控制腔壓油的速度大于控制腔泄壓速度時，控制腔壓力停止降低甚至增加，導致針閥上升阻力增加，針閥上升速度減慢，甚至下降，則針閥導桿對控制腔壓油的壓油作用減小甚至變?yōu)槌槲饔?；此后針閥導桿上升阻力減小，則上升速度再次增加，如此循環(huán)使得針閥開啟運動出現(xiàn)了抖動。

新型噴油器滑閥各量孔流通面積比為S1∶S2∶S3∶S4≈2∶11∶1∶6，而常規(guī)噴油器進、出油量孔流通面積比值一般在1～2之間。各量孔中進油量孔最小，相對常規(guī)噴油器進油量孔流通面積減少了50%以上，可以有效減小噴油器的動態(tài)回油量。利用滑閥副油道的作用，可以消除控制腔壓力恢復速度隨進油量孔減小而減慢的影響。

圖5至圖8分別示出按20%的比例調(diào)整滑閥量孔d1、滑閥副油道d2、進油量孔d3、出油量孔d4的流通面積S后噴油性能的變化規(guī)律。對比可見，最大噴油速率、噴油持續(xù)期隨d1流通面積增加而增大，d1的影響效果大于其他結構參數(shù)。隨著d1流通面積的減小，控制腔泄壓速度減慢，則噴油延遲增加，相同控制脈寬下噴油持續(xù)期、最大針閥升程減小，針閥座面節(jié)流作用增加，最大噴油速率降低。從圖5可知，滑閥量孔d1對噴油上升階段的影響大于關閉階段。從圖6可知，d2僅在針閥關閉階段起作用，隨著d2流通面積增加，控制腔壓力恢復速度增加，則噴油器斷油速度增加。從圖7可知，d3對噴油關閉階段的影響大于上升階段，噴油持續(xù)期隨d3流通面積增加而減小。這是由于d3流通面積絕對值小，在控制腔泄壓過程中，d1和d4出油作用大于d3進油作用，而在控制腔壓力恢復初期，僅有d3進油起作用，此時d3尺寸的調(diào)整對性能的影響才得以體現(xiàn)。從圖8可知，d4對噴油速率與噴油持續(xù)期都有影響，且對關閉階段的影響大于上升階段。

通過對比圖5至圖8可知，在相同的比例調(diào)整參數(shù)下，新型噴油器滑閥各量孔對性能影響權重系數(shù)大小依次為d1，d4，d3，d2。

3.2 新型噴油器噴油一致性分析

表2 新型噴油器尺寸偏差對性能的影響

表3 常規(guī)噴油器尺寸偏差對性能的影響

3.3 新型噴油器多次噴射能力分析

為滿足不同發(fā)動機、不同工況的需求，在滿足“先緩后急”噴油規(guī)律的同時，還需要采用多次噴射的噴油策略。新型噴油器控制腔泄壓過程慢將導致其多次噴油能力降低。

由控制腔連續(xù)方程可知，減小控制腔容積可以提高控制腔的壓力變化率，從而提高控制腔泄壓速度，提高新型噴油器的開啟響應速度。圖11示出調(diào)整控制腔容積為20～60mm3時噴油規(guī)律對比。由圖可見，隨著控制腔容積減小，噴油開啟響應時間最大減小了0.21ms。另外，針閥上升過程中的抖動現(xiàn)象得以減小甚至消失。這是由于隨著控制腔容積的減少，控制腔降壓迅速，噴油時刻提前，滑閥主油道壓力增大，則針閥上升阻力增大，針閥上升速度減小，從而減小了針閥導桿的壓油作用。

滑閥彈簧對單次噴油性能的影響可以忽略，但在多次噴射中，需要加大滑閥彈簧預緊力以使滑閥迅速復位，為下次噴油作準備。圖12示出在20mm3控制腔容積、相同控制脈寬、不同滑閥彈簧預緊力下，預噴、主噴及后噴按5.5%∶89%∶5.5%的比例進行3次噴射的最小噴油持續(xù)期的噴油規(guī)律對比結果。

計算結果表明，隨著滑閥彈簧預緊力的增加，噴射間隔時間更短，總的噴油持續(xù)期減少了18.7%。3次噴射中預噴油量沒有變化，主噴油量增加了3%，后噴油量變化較大，這是由于主噴結束后，噴油器內(nèi)部各腔的壓力波動較大，在相同的控制脈寬下，對后噴的影響增加，通過電控系統(tǒng)的標定補償可以減少對發(fā)動機性能的影響。圖13示出不同預緊力下滑閥升程變化規(guī)律對比。由圖可見，隨著滑閥彈簧預緊力的增加，預噴、主噴噴射結束后，滑閥的復位速度提高，因此主噴、后噴的噴油時刻可以提前，從而減小了多次噴射總的噴油持續(xù)期，提高了新型噴油器的多次噴射能力。

4 結論

a) 新型共軌噴油器控制腔設計了滑閥副油道結構，大大提高了控制腔壓力恢復速度，從而提高針閥關閉速度，關閉速度為常規(guī)共軌噴油器的3倍左右;

b) 新型共軌噴油器進油量孔相比常規(guī)共軌噴油器流通面積減少了50%以上，同時可以減緩針閥上升階段的速度，更容易實現(xiàn)“先緩后急”的噴油規(guī)律;

c) 減小控制腔容積可以提高噴油響應速度，增加滑閥彈簧預緊力可以提高滑閥復位速度，這些措施可以提高新型噴油器的多次噴射能力，滿足不同發(fā)動機性能需求;

d) 新型共軌噴油器滑閥各量孔對性能影響權重系數(shù)大小依次為滑閥量孔d1，出油量孔d4，進油量孔d3，滑閥副油道d2;

e) 新型共軌噴油器控制腔壓力變化規(guī)律的影響參數(shù)增多了，但在滑閥副油道d2的作用下，在單結構參數(shù)、單次噴射條件下，新型共軌噴油器噴油一致性受加工誤差的影響反而小于常規(guī)噴油器。

[1] 王尚勇.現(xiàn)代柴油機電控噴油技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[2] 徐家龍.柴油機電控噴油技術[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]Ficarella,LaforgiaD，LandriscinaV.EvaluationofInstabilityPhenomenainaCommonRailInjectionSystemforHighSpeedDieselEngines[C].SAEPaper1999-01-0192.

[4]KaleviHuhtala，MattiVilenius.StudyofaCommonRailFuelInjectionSystem[C].SAEPaper2001-01-3184.

[5]MaginLapuerta,OctavioArmas，JuanJoseHernandz.EffectoftheInjectionParametersofaCommonRailInjectionSystemonDieselCombustionThroughThermodynamicDiagnosis[C].SAEPaper1999-01-0194.

[6]XiaoliangDing,JunWang,YoutongZhang,etal.AStudyofCalibrationofElectronic-controlledInjectorEmployedinHighPressureCommonRailSystem[C].SAEPaper2008-01-1742.

[7] 李少鵬.統(tǒng)計尺寸公差在高壓共軌噴油器設計中的應用[J].現(xiàn)代車用動力,2004(8):12-14.

[編輯: 李建新]

Simulation on a New-type Common Rail Injector

WU Xiaojun， XI Xing， SUN Shuping， XU Chunlong， ZHAO Zhongyu， GU Jiaojiao， WANG Min， GUO Haizhou

(China North Engine Research Institute(Tianjin)， Tianjin 300400, China)

According to the first slow and then fast injection requirement of engine, a new-type common rail injector with double inlet fuel cavities was researched. The injector model was built based on AMESim software and was corrected through EFS test data. The results show that the new-type injector can realize the injection law presenting boot shape easily. Compared with current common rail injector, the shutting speed of needle valve for the new-type injector accelerates by two times and the flow area of inlet hole for fuel cavity decreases by 50%. The injection response improves with the decrease of fuel cavity volume and the recovery of slide valve improves with the increase of pre-tightening force of valve spring. Therefore the multi-injection capacity of the new-type injector improves. Accordingly, the injector can meet the performance requirements of different engines. Due to the effect of side fuel passage, the machining error of injector has little influence on injection consistency under the conditions of single structure and single injection.

common rail injector; slide valve; injection characteristic; simulation

2015-05-11;

2015-12-03

吳小軍(1980—)，男，副研究員，主要研究方向為高壓燃油噴射；wudadi810@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.003

TK421.42

B

1001-2222(2015)06-0013-05