高壓共軌噴油器響應(yīng)特性優(yōu)化分析

緱慶偉，趙 暢，張 欣

（1. 北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院 汽車工程系，北京 102618；2. 北京交通大學(xué) 動(dòng)力與能源工程系，北京 100044）

高壓共軌噴油器響應(yīng)特性優(yōu)化分析

緱慶偉1，趙 暢2，張 欣2

（1. 北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院 汽車工程系，北京 102618；2. 北京交通大學(xué) 動(dòng)力與能源工程系，北京 100044）

為了提高某型號重型柴油機(jī)噴油器的響應(yīng)特性，以高壓共軌噴油器為研究對象，利用 AMESim 軟件建立仿真模型并分析了控制柱塞直徑、控制腔容積、針閥彈簧預(yù)緊力、針閥密封直徑對于響應(yīng)特性的影響。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，通過極差和方差分析對這些參數(shù)及其交互作用進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，當(dāng)控制柱塞直徑為 4.2 mm，控制腔容積為 0.02 cm3，針閥彈簧預(yù)緊力為 79 N，針閥密封直徑為 3.8 mm 時(shí)高壓共軌噴油器的響應(yīng)特性最好，優(yōu)化后響應(yīng)特性提升了 30.65%。

高壓共軌噴油器；結(jié)構(gòu)參數(shù)；響應(yīng)特性；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

柴油機(jī)具有熱效率高、功率大、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，在貨車、大客車等商用車上得到了廣泛應(yīng)用[1]。采用高壓共軌燃油系統(tǒng)是提高柴油機(jī)動(dòng)力性和排放性的必要措施，高壓共軌噴油器作為核心部件，其響應(yīng)特性將直接影響柴油機(jī)噴油特性，從而影響柴油機(jī)燃燒和排放，合理選取噴油器的結(jié)構(gòu)參數(shù)是提高其響應(yīng)特性的關(guān)鍵[5]。本文首先根據(jù)實(shí)際工程需求選取了4個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過單因素的仿真分析，獲得各結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的選取范圍。利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法分析了各因素以及各因素之間的交互作用對于響應(yīng)特性的影響，確定最佳優(yōu)化方案，為噴油器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 高壓共軌噴油器模型構(gòu)建及試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 高壓共軌噴油器仿真模型的建立

根據(jù)高壓共軌噴油器各部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，對其進(jìn)行合理的簡化假設(shè)，建立相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在所建立的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以某型號重型柴油機(jī)高壓共軌噴油器為參考，利用 AMESim仿真軟件液壓元件設(shè)計(jì)庫中的各類單元模型搭建本研究的仿真模型。構(gòu)建的高壓共軌噴油器仿真模型如圖1所示。

圖1 高壓共軌噴油器仿真模型

1.2 仿真模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

利用單次噴射儀試驗(yàn)臺開展了高壓共軌噴油器噴油特性的試驗(yàn)。將共軌壓力分別設(shè)定為 1 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa，控制多種噴油脈寬，獲得不同工況下噴油器的單次循環(huán)噴油量數(shù)據(jù)，將獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比并做誤差分析。循環(huán)噴油量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比圖如圖2所示。

圖2 循環(huán)噴油量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比圖

由圖2可知，利用共軌噴油器仿真模型計(jì)算出的單次循環(huán)噴油量結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在變化趨勢上基本一致，單次循環(huán)噴油量隨噴油脈寬的增加近似呈線性增長的趨勢，多數(shù)工況點(diǎn)下仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。在個(gè)別工況點(diǎn)下，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比存在一定誤差，主要是仿真模型所做的簡化及試驗(yàn)條件的細(xì)微差別等，但其最高誤差度不超過 10%，模型能夠較為真實(shí)地反映出共軌噴油器的噴油特性。

2 高 壓 共 軌 噴 油 器 關(guān) 鍵 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 對 響 應(yīng) 特 性的影響

2.1 噴油器響應(yīng)特性的評價(jià)指標(biāo)

響應(yīng)特性分析的是噴油器開啟響應(yīng)時(shí)間和關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間。具體包括開啟延遲時(shí)間（以下簡稱“開啟延時(shí)”）、開啟時(shí)間、關(guān)閉延遲時(shí)間（以下簡稱“關(guān)閉延時(shí)”）、關(guān)閉時(shí)間四個(gè)部分，可用圖3中的 T1、T2、T3、T4四個(gè)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行表征。

圖3 噴油器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性評價(jià)指標(biāo)

2.2 控制腔容積對響應(yīng)特性的影響

在保持原機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)上將控制腔的容積分別設(shè)定為 0.01 cm3、0.02 cm3、0.03 cm3、0.04 cm3，分析控制腔容積變化對高壓共軌噴油器響應(yīng)特性的影響。針閥升程曲線如圖4所示。

圖4 不同控制腔容積下噴油器針閥升程曲線

由圖4可知，噴油器響應(yīng)特性指標(biāo)只有微小的變化，控制腔容積的變化對噴油器響應(yīng)特性的影響程度很小。

2.3 控制柱塞直徑對響應(yīng)特性的影響

在保持原機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)上將控制柱塞直徑分別設(shè) 定 為 4.2 mm、4.3 mm、4.4 mm、4.5 mm， 分 析控制柱塞直徑變化對噴油器響應(yīng)特性的影響。針閥升程曲線如圖5所示。

由圖5可知，柱塞直徑的變化對于開啟響應(yīng)影響較大，但若控制柱塞直徑過大，會(huì)導(dǎo)致控制腔內(nèi)燃油作用在控制柱塞上的力過大，使針閥無法正常開啟。同時(shí)若柱塞直徑過小，針閥雖然能夠快速開啟，但影響其正常關(guān)閉。因此，柱塞直徑的選取也應(yīng)當(dāng)在合理的范圍內(nèi)，過大或過小都會(huì)影響噴油器的正常工作。

圖5 不同柱塞直徑下噴油器針閥升程曲線

2.4 針閥密封直徑對響應(yīng)特性的影響

在保持原機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)上將針閥密封直徑分別設(shè) 定 為 3.9 mm、4.0 mm、4.1 mm、4.2 mm， 分 析針閥密封直徑變化對噴油器響應(yīng)特性的影響。針閥升程曲線如圖6所示。

圖6 不同針閥密封直徑下噴油器針閥升程曲線

由圖6可知，開啟時(shí)間的降幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于關(guān)閉時(shí)間的增幅，適當(dāng)增加針閥密封直徑有利于提高噴油器的整體響應(yīng)特性。

2.5 針閥彈簧預(yù)緊力對響應(yīng)特性的影響

在共軌壓力建立前，針閥彈簧預(yù)緊力能夠保證針閥不受氣缸內(nèi)壓力的影響而處于關(guān)閉狀態(tài)，它的大小也會(huì)影響噴油器針閥的運(yùn)動(dòng)。為分析其對噴油器響應(yīng)特性的影響，在保持原機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)上將針閥彈簧預(yù)緊力分別設(shè)定為 59 N、69 N、79 N 和 89 N，分析針閥彈簧預(yù)緊力變化對噴油器響應(yīng)特性的影響。針閥升程曲線如圖7所示。

圖7 不同針閥彈簧預(yù)緊力下噴油器針閥升程曲線變化

由圖7可知，針閥彈簧預(yù)緊力對噴油器響應(yīng)特性的影響較小，對開啟時(shí)間的影響略大于對關(guān)閉時(shí)間的影響。

3 共軌噴油器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 正交試驗(yàn)方案的確定

本研究中噴油器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)為噴油器的響應(yīng)特性。因此，選取針閥開啟延時(shí) T1、針閥開啟時(shí)間 T2、針閥關(guān)閉延時(shí) T3、針閥關(guān)閉時(shí)間T4，四個(gè)指標(biāo)衡量試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)優(yōu)化需求，將前文分析的4個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)（控制柱塞直徑、控制腔容積、針閥彈簧預(yù)緊力、針閥密封直徑）作為試驗(yàn)因素，從單因素分析中較為理想的區(qū)域里選取3個(gè)值，作為試驗(yàn)因素的水平，另外分析它們的交互作用對噴油器響應(yīng)特性的影響程度。其中，交互作用主要包括因素A與因素B的交互作用A×B，因素A與因素C的交互作用A×C，因素A與因素D的交互作用A×D，因素B與因素C 的交互作用 B×C。因素及水平表見表2。

由于選取4個(gè)3水平因素，4個(gè)3水平交互作用，因此自由度為 4×2+4×2×2=24，選用的正交表自由度≥ 24，所以選用 L27（313）正交表，總試驗(yàn)次數(shù)為 27次。

表2 因素及水平表

評價(jià)方法采用綜合評分法來評價(jià)共軌噴油器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，根據(jù)理想噴油器的噴油規(guī)律曲線形狀可知，在噴油器工作過程中，希望噴油器能夠斷油迅速，因此優(yōu)先考慮關(guān)閉響應(yīng)，并且響應(yīng)時(shí)間比延遲時(shí)間更為重要。以此對四個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的重要性進(jìn)行排序，針閥關(guān)閉時(shí)間最重要，針閥關(guān)閉延時(shí)次之，針閥開啟時(shí)間第三重要，針閥開啟延時(shí)是四個(gè)指標(biāo)中重要性最小的。取針閥關(guān)閉時(shí)間的權(quán)重系數(shù)為 0.5，針閥關(guān)閉延時(shí)的權(quán)重系數(shù)為 0.25，針閥開啟時(shí)間的權(quán)重系數(shù)為 0.15，針閥開啟延時(shí)的權(quán)重系數(shù)為 0.1。則綜合評分的公式為：

式中：i為第 i次試驗(yàn)；Xi1為第 i次試驗(yàn)的針閥開啟延時(shí) T1；Xi2為第 i次試驗(yàn)的針閥開啟時(shí)間 T2；Xi3為第 i次試驗(yàn)的針閥關(guān)閉延時(shí) T3；Xi4為第 i次試驗(yàn)的針閥關(guān)閉時(shí)間 T4；Yi為第 i次試驗(yàn)的綜合公式分。

表3 極差分析表

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 極差分析

計(jì)算貢獻(xiàn)系數(shù)k，從而判斷該因素各水平對試驗(yàn)指標(biāo)影響的大小。表3為極差分析表。

由表 3 可知，RA＞ RB＞ RA×B＞ RC= RA×C＞RA×D＞ RD＞ RB×C，即因素 A 對響應(yīng)特性的影響程度最大，其次為因素 B、A×B、因素 C、A×C、A×D、因素 D、B×C。其中控制柱塞直徑對響應(yīng)特性的影響最大。由圖8各因素對響應(yīng)特性的影響效應(yīng)曲線圖可以看出，響應(yīng)特性隨著控制柱塞直徑增大而得到明顯提升。

圖8 各因素對響應(yīng)特性的影響效應(yīng)曲線圖

3.2.2 方差分析

計(jì)算總偏差平方和與各因素平方和與均差和后，檢驗(yàn)各因素的統(tǒng)計(jì)量F值，獲得各因素的顯著性大小，方差分析表見表4。

表4 方差分析表

由表 4可知，因素 A、B×C對試驗(yàn)結(jié)果的影響是高度顯著的，而因素 B、因素 C、A×B、A×C的影響顯著。

3.2.3 優(yōu)化方案的構(gòu)建

通過方差分析表對各組參數(shù)及交互作用進(jìn)行分析。

（1）由于因素 A、因素 B 及 A×B 的影響都是顯著的，應(yīng)選擇［ab］ij中最小者所對應(yīng)的因素 A和因素B的水平為優(yōu)水平組合，為此列出因素A和因素B的二元表見表5。

表5 因素A和因素B的二元表

由表5可知，所對應(yīng)的因素A和因素B的最優(yōu)水平搭配為 A1B1，次為 A1B2。

（2）與因素A和因素B相同，因素A和因素C的二元表見表6。

表6 因素A和因素C的二元表

由表6可知，所對應(yīng)的因素A和因素C的最優(yōu)水平搭配為 A1C3，次為 A1C2。

（3）因素 B 和因素 C 的二元表見表 7。

表7 因素B和因素C的二元表

由表7可知，因素A和因素C的最優(yōu)水平搭配為 B2C2，次為 B2C1。

（4）由于因素A顯著，因素D、A×D不顯著，故因素 D 取最優(yōu)值 D1。

由以上分析可得到響應(yīng)特性的各結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳方案表，見表8。

表8 各結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳方案表

3.3 最優(yōu)方案的分析及選取

根 據(jù) 分 析 得 到 優(yōu) 化 方 案 分 別 為 A1B1C2D1、A1B1C3D1、A1B2C2D1、A1B2C3D1。對優(yōu)化方案進(jìn)行仿真分析。在仿真過程中，有的方案出現(xiàn)了由于部件不匹配而造成的針閥復(fù)抬現(xiàn)象。方案 A1B2C3D1能夠進(jìn)行噴油器噴油的完整過程，并且在響應(yīng)特性評價(jià)指標(biāo)變化上具有一定的優(yōu)勢，因此確定其為最優(yōu)方案。

將獲得的最優(yōu)方案與原機(jī)進(jìn)行響應(yīng)特性的對比，獲得針閥升程曲線圖（圖9）及響應(yīng)特性評價(jià)指標(biāo)變化對比表（表9）。

由圖9和表9可知，優(yōu)化后的噴油器針閥保持在最大升程處的時(shí)間增加，并且開啟響應(yīng)及關(guān)閉響應(yīng)均有所提升，其中開啟延時(shí) T1較優(yōu)化前縮短了 0.01 ms，提升幅度達(dá)到 4.35%；開啟時(shí)間 T2較優(yōu)化前縮短 0.2 ms，提升了 20.2%；關(guān)閉延時(shí) T3較優(yōu)化前縮短 0.01 ms，提升了 7.69%，而關(guān)閉時(shí)間T4則有微小的增大，噴油器總體響應(yīng)特性提高了30.65%。

表9 優(yōu)化前后響應(yīng)特性評價(jià)指標(biāo)變化對比表

圖9 最優(yōu)方案與原機(jī)方案針閥升程曲線圖

4 結(jié)論

在仿真分析的基礎(chǔ)上利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，確定控制柱塞直徑為 4.2 mm，控制腔容積為0.02 cm3，針閥彈簧預(yù)緊力為 79 N，針閥密封直徑為 3.8 mm 時(shí)，噴油器響應(yīng)特性達(dá)到最佳，優(yōu)化后噴油器整體響應(yīng)特性提高了 30.65%。

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作者介紹

責(zé)任作者：緱慶偉（1976-），男，遼寧營口人。碩士，講師，主要研究方向?yàn)槠嚰夹g(shù)。

Te1：13661255952

E-mai1：gouqingwei@sina.com

Optimization Analysis of the Response Characteristics of High Pressure Common Rail Fuel Injector

GOU Qingwei1，ZHAO Chang2，ZHANG Xin2
（1. Department of Automotive Engineering，Beijing Vocational College of Transportation，Beijing 102618，China；2. Department of Power and Energy Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

In order to improve the response characteristics of the high pressure common rail fuel injector, this paper studied a heavy-duty diesel fuel injector and built a simulation model based on AMESim software. The paper analyzed the effects of the control chamber volume, the control plunger diameter, the needle valve’s spring preload and the needle valve’s sealing diameter on response characteristics of the injector. The range analysis and variance analysis were used to optimize these parameters and the optimization increased the response characteristics of the high pressure common rail injector by 30.65%.

high pressure common rail injector；structure parameters；response characteristics；orthogonal design test

TK423.8

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.03

趙暢（1992-），女，黑龍江大慶人。碩士研究生，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械。

2016-12-28 改稿日期：2017-02-20

國家科技支撐計(jì)劃“歐Ⅵ重型柴油機(jī)開發(fā)及應(yīng)用”（2014BAG11B01）

參考文獻(xiàn)引用格式：

緱慶偉，趙暢，張欣 . 高壓共軌噴油器響應(yīng)特性優(yōu)化分析［J］.汽車工程學(xué)報(bào)，2017，7(3)：175-181.

GOU Qingwei，ZHAO Chang，ZHANG Xin. Optimization Ana1ysis of the Response Characteristics of High Pressure Common Rai1 Fue1 Injector［J］.Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2017，7(3)：175-181.（in Chinese）

Te1：15201325342

E-mai1：14121350@bjtu.edu.cn