一種高壓共軌噴油器控制閥設(shè)計研究

奚星， 吳小軍， 孫樹平， 徐春龍， 趙中余， 王敏， 康彥紅， 高怡， 顧嬌嬌, 王良

(1. 中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)， 天津 300400; 2. 總裝備部裝甲兵駐長春地區(qū)軍事代表室， 吉林 長春 130103)

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一種高壓共軌噴油器控制閥設(shè)計研究

奚星1， 吳小軍1， 孫樹平1， 徐春龍1， 趙中余1， 王敏1， 康彥紅1， 高怡1， 顧嬌嬌1, 王良2

(1. 中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)， 天津 300400; 2. 總裝備部裝甲兵駐長春地區(qū)軍事代表室， 吉林 長春 130103)

針對大流量、高轉(zhuǎn)速高壓共軌噴油器回油量大、響應(yīng)慢的問題，設(shè)計一種帶滑閥結(jié)構(gòu)的共軌噴油器控制閥，通過仿真計算分析了高壓共軌噴油器控制閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油性能的影響規(guī)律，并以此為依據(jù)，開展噴油器控制閥滑閥結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了共軌噴油器控制閥增加滑閥結(jié)構(gòu)設(shè)計后對提高噴油響應(yīng)速度、降低回油量有明顯的作用，優(yōu)化了噴油器的性能，提高了供油系統(tǒng)的效率。

共軌噴油器； 控制閥； 回油量； 響應(yīng)

高壓共軌噴油器控制閥結(jié)構(gòu)是影響噴油器性能的重要因素，其中進(jìn)、回油節(jié)流孔和控制腔容積的合理匹配最終影響噴油器針閥開啟速度和關(guān)閉速度，是決定噴油器響應(yīng)特性的關(guān)鍵[1-2]。提高高壓共軌噴油器響應(yīng)特性的重要途徑是優(yōu)化控制閥的進(jìn)、回油節(jié)流孔的流量[3-4]，但在控制腔容積、孔流量系數(shù)不變的條件下，增加進(jìn)、回油節(jié)流孔直徑會造成噴油器回油量增加，降低供油系統(tǒng)效率，造成整機(jī)功率損失[5-6]。

針對以上問題，本研究以某高速大流量高壓共軌噴油器為基礎(chǔ)，通過仿真計算和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方式對控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了研究，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對循環(huán)噴油量、噴油規(guī)律及循環(huán)回油量的影響規(guī)律；通過滑閥結(jié)構(gòu)設(shè)計，在不改變進(jìn)、回油節(jié)流孔直徑的前提下實(shí)現(xiàn)噴油嘴針閥快速關(guān)閉，優(yōu)化了噴油規(guī)律，降低了循環(huán)回油量。

1 結(jié)構(gòu)原理分析

在某高壓共軌噴油器控制閥結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計一種滑閥結(jié)構(gòu)(見圖1)。這種結(jié)構(gòu)共軌噴油器控制閥工作過程如下：

1) 噴油器開始噴油過程：電磁閥充電，低壓油路打開，環(huán)槽內(nèi)高壓油流向低壓油路，油腔內(nèi)高壓燃油通過滑閥節(jié)流孔也流向低壓油路，此時滑閥節(jié)流孔是回油節(jié)流孔，由于滑閥節(jié)流孔的節(jié)流作用，環(huán)槽內(nèi)高壓燃油壓力比控制腔內(nèi)燃油壓力下降得快，所

以滑閥受到環(huán)槽內(nèi)燃油向下作用力減小得更快，滑閥不動，副油道依然封閉。在控制腔壓力下降同時，噴油嘴針閥受到的向下作用力減小，噴油嘴針閥抬起，噴油器開始噴油。

2) 噴油器噴油結(jié)束過程：電磁閥斷電，低壓油路關(guān)閉，環(huán)槽內(nèi)壓力迅速升高，高壓燃油由環(huán)槽通過主油道、滑閥節(jié)流孔流入控制腔，此時滑閥節(jié)流孔是進(jìn)油節(jié)流孔，由于滑閥節(jié)流孔的節(jié)流作用，環(huán)槽內(nèi)燃油壓力比控制腔內(nèi)燃油壓力建立得快，此時滑閥受到的向下作用力大于向上作用力，滑閥向下運(yùn)動，副油道打開與環(huán)槽接通，環(huán)槽內(nèi)高壓燃油通過副油道迅速補(bǔ)充流入控制腔，噴油嘴針閥受到的控制腔和針閥彈簧向下的作用力大于噴嘴腔內(nèi)作用力，噴油嘴針閥關(guān)閉，噴油結(jié)束。

在噴油開始和結(jié)束過程中，噴油器滑閥是影響響應(yīng)特性的關(guān)鍵因素，因此以滑閥中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為主要研究點(diǎn)，通過對滑閥進(jìn)油節(jié)流孔、滑閥節(jié)流孔、滑閥副油道的影響規(guī)律進(jìn)行研究，以達(dá)到某噴油速率范圍為目標(biāo)值，確定滑閥參數(shù)范圍。

2 仿真模型的建立和結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 仿真模型的建立

利用仿真軟件AMESim建立共軌噴油器仿真模型(見圖2)。在共軌系統(tǒng)中，由供油泵提供高壓燃油，經(jīng)高壓油管，高壓燃油儲存在燃油軌中，電磁閥直接控制針閥升程進(jìn)行噴射，噴油壓力與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此在模型中用穩(wěn)壓源代替高壓泵及燃油軌[7-8]。模型主要包括針閥偶件、控制閥、電磁閥、高壓油路等。模型建立過程中作了以下處理：(1)不考慮噴油過程中的熱量傳遞，燃油溫度保持不變，取為40 ℃；(2)本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的容積視為剛性容積；(3)僅考慮電磁閥閥芯、針閥處的泄漏[9]。

在仿真分析中主要用到以下方程。

噴孔流量方程:

式中：μh為噴孔流量系數(shù)；Ah為噴孔總面積；pinj為噴射壓力；p0為缸內(nèi)壓力；ρ為燃油密度。

高壓油路內(nèi)控制腔連續(xù)方程：

式中：pc為控制腔壓力；E為燃油體積彈性模量；Qin為控制腔進(jìn)油量孔流量；Qout為控制腔回油量孔流量；AN為控制腔針閥受力面積；xv為針閥升程；din為進(jìn)油量孔直徑；pr為軌道壓力；dout為回油量孔直徑；p0為回油壓力；μ1為進(jìn)油量孔流量系數(shù)；Vc為控制腔容積；μ2為回油量孔流量系數(shù)。

在相同軌壓、轉(zhuǎn)速、控制脈寬下進(jìn)行仿真分析，對比不同進(jìn)油節(jié)流孔、不同滑閥節(jié)流孔、不同滑閥副油道直徑對共軌噴油器一次噴射噴油量、噴油規(guī)律、一次噴射回油量及噴油響應(yīng)時間的影響。

2.2 滑閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

2.2.1 進(jìn)油節(jié)流孔影響分析

針閥進(jìn)油節(jié)流孔與回油節(jié)流孔流量差決定了噴油嘴針閥開啟速度[10]，這種帶滑閥設(shè)計的控制閥可以將滑閥進(jìn)油節(jié)流孔設(shè)計在一個較小的范圍內(nèi)，而在針閥關(guān)閉過程通過滑閥副油道打開來快速建立控制腔壓力，使噴油嘴針閥快速關(guān)閉。為了分析滑閥結(jié)構(gòu)中進(jìn)油節(jié)流孔變化對噴油性能的影響，設(shè)計以下進(jìn)油節(jié)流孔徑方案，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)條件不變的情況下，仿真分析不同進(jìn)油節(jié)流孔直徑對噴油器循環(huán)噴油量、噴油規(guī)律、循環(huán)回油量、油嘴針閥開啟延

時和關(guān)閉延時等性能的影響。方案和計算數(shù)據(jù)見表1。圖3示出了不同進(jìn)油節(jié)流孔噴油規(guī)律。圖4示出了進(jìn)油節(jié)流孔直徑對控制腔壓力波動的影響。

計算結(jié)果顯示，隨著進(jìn)油節(jié)流孔增大，噴油持續(xù)期變短，共軌噴油器循環(huán)噴油量減小，噴油嘴針閥開啟延時變長，關(guān)閉延時變短，循環(huán)回油量增大。原因是其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，電磁閥通電，回油節(jié)流孔打開，隨著進(jìn)油節(jié)流孔直徑增大，有效的流通截面積增大，與進(jìn)油節(jié)流孔直接接通的滑閥頂部環(huán)槽壓力下降速度變慢，由圖4不同進(jìn)油節(jié)流孔控制腔壓力變化曲線得出，隨著進(jìn)油節(jié)流孔直徑的增大，控制腔內(nèi)壓力下降速率也降低，針閥開啟速度減慢，噴油嘴針閥達(dá)到開啟壓力的時間變長，因此噴油嘴針閥開啟延時增大。

表1 不同進(jìn)油節(jié)流孔方案仿真結(jié)果

當(dāng)電磁閥斷電，回油節(jié)流孔關(guān)閉，隨著進(jìn)油節(jié)流孔增大，滑閥頂部環(huán)槽壓力升高率提高，環(huán)槽壓力增大，達(dá)到使滑閥向下移動的作用力所需的時間縮短，即副油道與環(huán)槽接通的時間縮短，環(huán)槽內(nèi)高壓燃油通過副油道迅速補(bǔ)充流入控制腔，加快控制腔油壓建立，使控制腔噴油器針閥關(guān)閉速度提高，關(guān)閉延時減小。

當(dāng)進(jìn)油節(jié)流孔達(dá)到0.34 mm時，噴油異常，由控制腔壓力變化曲線可知，通過進(jìn)油節(jié)流孔的流量大，在控制腔壓力還未達(dá)到針閥開啟壓力時，由于高壓燃油從進(jìn)油節(jié)流孔流入迅速補(bǔ)充控制腔壓力，針閥無法開啟。

若要達(dá)到發(fā)動機(jī)目標(biāo)噴油率，在一定噴油持續(xù)期內(nèi)需要增大噴油量，這就要求在主噴期間能快速達(dá)到較大的噴油速率，所以為了獲得理想的針閥升程曲線和噴油規(guī)律曲線，進(jìn)油節(jié)流孔直徑應(yīng)盡量取較小值。

2.2.2 滑閥節(jié)流孔影響分析

在滑閥設(shè)計中滑閥節(jié)流孔的設(shè)計是影響控制閥性能的關(guān)鍵參數(shù)，它的特殊性表現(xiàn)在噴油嘴針閥開啟過程，控制腔的高壓燃油通過滑閥節(jié)流孔流出進(jìn)入低壓回油通道。在噴油嘴針閥關(guān)閉過程，通過進(jìn)油節(jié)流孔進(jìn)入環(huán)槽的高壓燃油會通過滑閥節(jié)流孔流入控制腔，所以在噴油器工作過程中它既是進(jìn)油節(jié)流孔，也是回油節(jié)流孔，并且其尺寸范圍選擇與進(jìn)油節(jié)流孔取值有密切關(guān)系。為了分析在噴油過程中滑閥節(jié)流孔直徑對噴油性能的影響，設(shè)置進(jìn)油節(jié)流孔直徑為0.12 mm，仿真分析了5種不同孔徑的滑閥節(jié)流孔在噴油器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定條件下對噴油器相關(guān)性能參數(shù)的影響?；y節(jié)流孔方案仿真結(jié)果見表2。不同滑閥節(jié)流孔的噴油規(guī)律對比及控制腔壓力的變化分別見圖5與圖6。

表2 不同滑閥節(jié)流孔方案仿真結(jié)果

計算結(jié)果顯示，隨著滑閥節(jié)流孔增大，共軌噴油器循環(huán)噴油量先增大后減小，噴油嘴針閥開啟延時與關(guān)閉延時減小，循環(huán)回油量增大。原因是滑閥節(jié)流孔直接與控制腔接通，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，當(dāng)電磁閥通電，回油通道打開，控制腔內(nèi)高壓燃油通過滑閥節(jié)流孔流出，控制腔壓力下降，噴油嘴針閥抬起，噴油器開始噴油。在滑閥節(jié)流孔直徑小于等于進(jìn)油節(jié)流孔直徑(0.12 mm)時，滑閥節(jié)流孔流出的流量小于進(jìn)油節(jié)流孔流入的流量，控制腔內(nèi)壓力下降速率太小，達(dá)到針閥開啟壓力的時間太長，因此針閥無法達(dá)到最大升程甚至不能開啟，循環(huán)噴油量隨滑閥節(jié)流孔直徑增大呈漸增趨勢。

在滑閥節(jié)流孔直徑大于進(jìn)油節(jié)流孔直徑時，雖然滑閥節(jié)流孔流通的截面積增加，但流通阻力系數(shù)會減小，所以滑閥節(jié)流孔有效流通截面積增大，減弱了滑閥節(jié)流孔的節(jié)流作用?？刂魄粌?nèi)壓力下降速率提高，噴油嘴針閥開啟速度提高，達(dá)到針閥開啟壓力所需的時間減少，即開啟延時縮短，循環(huán)噴油量呈減小趨勢。

當(dāng)電磁閥斷電，回油通道關(guān)閉，高壓燃油通過進(jìn)油節(jié)流孔流入環(huán)槽，再通過滑閥節(jié)流孔流入控制腔，此時滑閥節(jié)流孔是進(jìn)油節(jié)流孔。隨著其直徑增大，滑閥節(jié)流孔有效流通截面積增大，在噴油結(jié)束過程控制腔內(nèi)壓力快速建立，關(guān)閉延時減小。

綜合考慮目標(biāo)噴油率和循環(huán)噴油量，滑閥節(jié)流孔直徑宜選擇大于進(jìn)油節(jié)流孔直徑的數(shù)值來提高針閥關(guān)閉速度，從而有效提高噴油器的液力響應(yīng)速度。

2.2.3 滑閥副油道影響分析

在滑閥結(jié)構(gòu)中設(shè)計副油道的主要作用是在噴油嘴針閥關(guān)閉過程，由于壓力差使滑閥向下移動接通滑閥副油道與環(huán)槽，環(huán)槽內(nèi)高壓燃油通過副油道快速流入控制腔，使控制腔內(nèi)壓力快速恢復(fù)至針閥關(guān)閉的壓力值。為了分析在噴油過程中滑閥副油道直徑對噴油性能的影響，設(shè)計了5種不同孔徑的滑閥副油道，在噴油器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的條件下，分析滑閥副油道對噴油器相關(guān)性能參數(shù)的影響。不同滑閥副油道直徑方案仿真結(jié)果見表3。

表3 不同滑閥副油道直徑方案仿真結(jié)果

計算結(jié)果顯示，隨著滑閥副油道直徑增大，共軌噴油器循環(huán)噴油量減小，針閥開啟延時不變，關(guān)閉延時縮短，循環(huán)回油量不變。由圖7不同滑閥副油道直徑噴油規(guī)律對比看出，噴油嘴針閥在開啟過程不受滑閥副油道影響。原因主要是因?yàn)樵陂_始噴油過程，控制器內(nèi)壓力降低，滑閥受到滑閥彈簧向上的作用力與上面零件貼緊，副油道被封閉。由圖8不同滑閥副油道直徑控制腔壓力變化也可以看出，在噴油過程控制腔壓力下降速率不變，即針閥開啟延時不變。

電磁閥斷電，在噴油結(jié)束過程，由于滑閥節(jié)流孔的節(jié)流作用，環(huán)槽內(nèi)燃油壓力比控制腔內(nèi)燃油壓力建立得快，此時滑閥受到向下的作用力大于向上的作用力，即向下運(yùn)動，副油道打開與環(huán)槽接通。環(huán)槽內(nèi)高壓燃油一路通過滑閥節(jié)流孔流入控制腔，另一路通過直徑較大的滑閥副油道流入控制腔，隨著滑閥副油道直徑增大，控制腔壓力恢復(fù)速率加快，針閥關(guān)閉速度加快，噴油持續(xù)期縮短，噴油量減小。

這種滑閥設(shè)計在以達(dá)到目標(biāo)噴油率為前提下，可以盡可能將副油道直徑取在一個較大值范圍，以加快噴油嘴針閥關(guān)閉速度，而且由于副油道只在針閥關(guān)閉過程接通，所以不影響噴油器循環(huán)回油量和針閥開啟響應(yīng)速度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在EFS高壓共軌試驗(yàn)臺上進(jìn)行高壓共軌噴油器試驗(yàn)驗(yàn)證。該試驗(yàn)臺集成了高壓供油泵的驅(qū)動系統(tǒng)、低壓燃油供給系統(tǒng)和帶交互界面的電子控制系統(tǒng)(見圖9)。選用高壓供油泵、燃油軌、高壓油管與試驗(yàn)共軌噴油器樣件組成試驗(yàn)高壓共軌系統(tǒng)。采用單次噴射儀測量循環(huán)噴油量與噴油持續(xù)期，利用示波器存儲噴油規(guī)律與控制脈寬信號。試驗(yàn)時兩個噴油器噴孔面積相等，1號噴油器為原始噴油器，2號噴油器為帶滑閥噴油器，分別進(jìn)行噴油性能試驗(yàn)對比，對噴油器控制閥設(shè)計進(jìn)行驗(yàn)證。

以達(dá)到相同噴油量為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，在相同轉(zhuǎn)速、軌壓、溫度等試驗(yàn)條件下，通過調(diào)整控制脈寬使1號、2號噴油器噴油量一致，對比兩個噴油器不同壓力下的噴油規(guī)律(見圖10至圖13)。分析兩個噴油器在軌壓分別為80 MPa，100 MPa，120 MPa和140 MPa的響應(yīng)特性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4，兩種噴油器不同壓力下關(guān)閉時間對比見圖14。結(jié)果顯示，在達(dá)到相同噴油量時， 2號噴油器的關(guān)閉時間比1號噴油器最大提高了45.8%。由試驗(yàn)對比分析得出，帶滑閥結(jié)構(gòu)的2號噴油器在相同壓力、相同噴油量時的響應(yīng)更快。原因是在噴油器噴油結(jié)束過程，2號噴油器滑閥結(jié)構(gòu)中的副油道打開，加快了控制腔內(nèi)燃油壓力的建立，即加快了針閥關(guān)閉時間。

表4 兩種噴油器試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

通過調(diào)整控制脈寬使兩個噴油器油量一致，測量噴油器在不同軌壓下一次噴射產(chǎn)生的回油量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。結(jié)果顯示，在循環(huán)噴油量相當(dāng)?shù)臈l件下，2號噴油器回油量明顯低于1號噴油器，燃油利用率更好，2號噴油器回油量占噴油量百分比也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1號噴油器。具體原因是增大回油量孔直徑是提高噴油器響應(yīng)特性的有效措施之一，而1號噴油器為了在不增大噴油持續(xù)期的前提下提高噴油量，必須提高噴油器響應(yīng)時間，所以增大回油量孔直徑在提高噴油器響應(yīng)特性的同時會造成噴油器回油量增大，并且隨著壓力的增高，回油量占噴油量的比例也增大。對于2號噴油器，增加滑閥結(jié)構(gòu)，通過增大滑閥上的滑閥節(jié)流孔和副油道就可以提高噴油器響應(yīng)特性，使噴油器循環(huán)回油量控制在較小的范圍內(nèi)。

2號噴油器噴油量、回油量仿真與試驗(yàn)的對比結(jié)果見圖15。2號噴油器仿真噴油量與試驗(yàn)噴油量最大相對誤差為3.8%，仿真回油量與試驗(yàn)回油量最大相對誤差為4%。由此驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，證明了這種共軌噴油器控制閥設(shè)計是可行的。

表5 回油量試驗(yàn)結(jié)果對比

4 結(jié)論

a) 若要達(dá)到發(fā)動機(jī)目標(biāo)噴油率，在一定噴油持續(xù)期內(nèi)需要增大噴油量，這就要求在主噴期間能快速達(dá)到較大的噴油速率，在噴油器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，進(jìn)油節(jié)流孔、滑閥節(jié)流孔直徑應(yīng)盡量取較小值，滑閥副油道取較大值，這樣可以獲得理想的噴油規(guī)律曲線；

b) 在不同共軌壓力下，達(dá)到相同循環(huán)噴油量時，帶滑閥的2號噴油器的關(guān)閉時間比1號噴油器最大提高了45.8%，響應(yīng)更快； 2號噴油器一次噴射回油量占噴油量的百分比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1號噴油器，驗(yàn)證了這種帶滑閥設(shè)計的共軌噴油器在相同試驗(yàn)狀態(tài)下響應(yīng)更快，循環(huán)回油量更小，解決了共軌噴油器通過增大進(jìn)、回油量孔流量提高響應(yīng)時間而造成噴油器回油量增大的問題，提高了供油系統(tǒng)的效率，減少了發(fā)動機(jī)功率損失。

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[編輯： 姜曉博]

Design for Control Valve of High-pressure Common Rail Injector

XI Xing1, WU Xiaojun1, SUN Shuping1, XU Chunlong1, ZHAO Zhongyu1, WANG Min1, KANG Yanhong1, GAO Yi1, GU Jiaojiao1， WNAG Liang2

(1. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400， China; 2. Armored Force Military Representatives Office of General Armament Department in Changchun, Changchun 130103, China)

For the much return fuel and slow response problems of large flow and high speed high-pressure common rail injector, a control valve with slide valve structure was designed. Through the simulation and calculation, the influence of key parameters for control valve on injection performance was analyzed and the slide valve structure was researched. The test verified that the addition of slide valve structure had great effect on improving injection response and return fuel amount. The design optimized the injector performance and improved the efficiency of fuel supply system.

common rail injector; control valve; fuel return amount; response

2015-04-18；

2015-07-09

奚星(1982—)，女，助理研究員，主要研究方向?yàn)楦邏喝加蛧娚洌籦lackanger20@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.005

TK23.84

B

1001-2222(2015)04-0021-07