某型柴油機(jī)高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)改進(jìn)仿真分析

王曉剛， 奚 星， 徐 巖， 徐春龍， 劉波瀾， 張付軍

(1.北京理工大學(xué)，北京 100081；2.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 300400； 3.中國兵器科學(xué)研究院，北京 100089)

柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于提高柴油機(jī)性能，降低油耗等方面具有非常重要的作用[1]，其中N高壓共軌噴油器是其核心子部件之一，其性能直接關(guān)系到柴油機(jī)的燃燒及排放等各個(gè)環(huán)節(jié)相較于傳統(tǒng)噴油器，共軌噴油器更為精密，其關(guān)鍵部分結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)取舍對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的總體性能具有十分重要的影響，因而基于此的結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究便極具意義.

共軌系統(tǒng)的研究通常采用試驗(yàn)結(jié)合仿真的方法，李鐵銓等[2]基于傳統(tǒng)的共軌系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用KBE方法研制了高壓共軌燃油測(cè)試系統(tǒng)，為以后的高壓共軌系統(tǒng)的標(biāo)定和優(yōu)化提供了可靠的手段；孫世磊等[3]通過對(duì)某型噴油器的結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真研究，在軌壓、結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面提出了提高噴油器性能的參考意見；孫柏剛等[4]利用美國TSI公司的PIV設(shè)備對(duì)某型6孔×1.8 mm的柴油噴嘴進(jìn)行了噴霧實(shí)驗(yàn)；張濤等[5]通過實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)合的手段，得到了影響噴油持續(xù)期的關(guān)鍵參數(shù)，提供了相應(yīng)的技術(shù)策略以提升噴油器性能；顧嬌嬌等[6]使用實(shí)驗(yàn)校核模型、模型仿真指導(dǎo)設(shè)計(jì)的思路對(duì)某型新型噴油器進(jìn)行了研究和改進(jìn)探討通過仿真的技術(shù)方法可以有效地指導(dǎo)噴油器的設(shè)計(jì)，同時(shí)可以提高開發(fā)效率，基于此，筆者依據(jù)某型共軌噴油器原理利用一維仿真軟件，搭建了共軌噴油器的一維仿真模型，并從改進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的角度對(duì)噴油器進(jìn)行了仿真分析，為共軌噴油器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了參考.

1 噴油器數(shù)值仿真模型的建立

1.1 某型單向閥式高壓噴油器的原理簡介

噴油開始過程：圖1所示是某型單向閥式噴油器的原理示意圖.電磁閥總成接收到來自控制單元的電信號(hào)，電磁鐵產(chǎn)生和彈簧預(yù)緊力相反的力，當(dāng)電磁力大于彈簧預(yù)緊力之后，電磁閥升起，控制閥下端的球閥離開閥座.另一邊，軌壓建立起來之后，在燃油輸入口以及相連的多段管路中均建立起了高壓狀態(tài).針閥頂端的控制腔側(cè)部和輸入端以喉口連接相連，上部與球閥體所在的低壓腔以喉口連接相連.當(dāng)球閥升起，控制腔由于和低壓端相連導(dǎo)致其壓力較快下降，而由于喉口的限流效應(yīng)，盡管軌壓較高卻無法立刻補(bǔ)償，產(chǎn)生的高低壓差導(dǎo)致針閥整體受到向上的力，配合上針閥整體其他位置所受到的壓力，當(dāng)這些壓力的合力大于各個(gè)彈簧所提供的預(yù)緊力時(shí)，針閥整體上升，噴油器開始噴油.

圖1 某型噴油器的原理示意圖

噴油結(jié)束過程：隨著電磁閥接收到控制器傳來的停止噴油的信號(hào)，作用在控制球閥上的電磁力迅速歸零，球閥在彈簧預(yù)緊力的作用下直接關(guān)閉，針閥上方的控制腔與低壓腔的連接斷路，其內(nèi)部壓力迅速回到軌壓，則針閥上下無壓力差，此時(shí)作用在針閥上的彈簧力起主要作用，在其回復(fù)力的作用下迅速回位，以此噴油器噴油結(jié)束.

1.2 仿真模型的建立

利用一維液壓仿真軟件AMEsim建立共軌噴油器的數(shù)學(xué)模型，模型如圖2所示.

圖2 某型噴油器AME-Sim模型

由于共軌噴油器本身是集成了機(jī)、電、液共同作用的復(fù)雜系統(tǒng)，如果考慮過多復(fù)雜的因素例如電磁閥控制電路產(chǎn)生的電磁信號(hào)干擾、內(nèi)部流動(dòng)空化等等，則會(huì)使研究過于復(fù)雜，超出了本身的研究目的，因而其模型的建立必須基于一定的假設(shè)條件簡化之下[7-8].

默認(rèn)共軌供油壓力與轉(zhuǎn)速無關(guān)，噴油的油壓來源直接由恒壓源提供以取代高壓泵和油軌的作用；默認(rèn)管內(nèi)流動(dòng)均為一維非定常層流流動(dòng)，且燃油的性質(zhì)如溫度、粘度、彈性模量等等均為定值，管路及各個(gè)結(jié)構(gòu)件的容積均視為定值；不考慮重力的因素；盡管噴油器出口所處的燃燒室其內(nèi)部工況條件惡劣且熱力學(xué)條件變化迅速，仍假設(shè)燃燒室的壓力值為恒定值；暫不考慮空化氣蝕等復(fù)雜流體力學(xué)現(xiàn)象以及電磁干擾對(duì)電磁閥工作性能影響等因素.

在仿真分析中主要參考以下幾個(gè)數(shù)學(xué)模型[9].

1)節(jié)流孔的流量模型(本質(zhì)上噴孔和進(jìn)出油孔等可以理解為是節(jié)流孔模型).

流量計(jì)算模型主要依據(jù)的是流體力學(xué)中的小孔流量計(jì)算公式為

(1)

式中：Qk為流量；Cq為節(jié)流孔的流動(dòng)系數(shù)，為常數(shù)；A為節(jié)流孔的流通面積；ρp為壓力為p時(shí)的燃油密度；ρ0為常溫常壓下的燃油密度.

2)針閥的受力平衡模型，分析針閥體的結(jié)構(gòu)可以獲得其整體的受力分析如下圖3所示.

各個(gè)部分的受力平衡方程式為

Fa+Fb=Fc+Fd+Fe，

(2)

式中：Fa為控制腔油壓作用力；Fb為彈簧預(yù)緊力；Fc為蓄壓腔油壓作用力；Fd為針閥頂端壓力室內(nèi)的油壓作用力；Fe為針閥座的作用力.

當(dāng)方程(2)左右平衡之后針閥方可關(guān)閉，否則將會(huì)因受力不均而尋求新的平衡，這也從另一個(gè)角度上給出了針閥運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.

圖3 針閥受力分析

3)控制腔的連續(xù)方程，旨在提供控制針閥工作的核心控制腔內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)依據(jù).

(3)

式中：pk為控制腔內(nèi)壓力；E燃油的彈性模量；xv為針閥升程；Vc為控制腔容積，此容積隨xv改變；ΔV/Δt描述的是動(dòng)態(tài)容積變化，其與控制腔進(jìn)出流量的變化和針閥頂端承壓面有直接的關(guān)系.

1.3 仿真模型的校核

基于以上的理論基礎(chǔ)附以工程經(jīng)驗(yàn)，搭建了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒?duì)其進(jìn)行了校核[10].圖4是軌壓和噴油量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系.

圖4 仿真模型校核

如圖4所示的模擬噴油脈寬為1.2 ms，軌壓為160 MPa，從結(jié)果看隨軌壓上升噴油量同步上升，且綜合計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的偏差發(fā)現(xiàn)最大偏差值仍在10%以內(nèi)，因而可以認(rèn)為模型符合誤差要求，可以用來進(jìn)行仿真工作并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn).

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)該型噴油器性能的影響分析

2.1 針閥質(zhì)量對(duì)噴油器性能的影響分析

針閥是直接參與噴油控制的部件，其運(yùn)動(dòng)狀況直接響應(yīng)控制腔內(nèi)的壓力變化情況進(jìn)而控制噴油.圖5反映的是不同的針閥質(zhì)量對(duì)針閥升程的影響;圖6反映的是針閥質(zhì)量對(duì)噴油速率的影響.從結(jié)果來看，針閥質(zhì)量越大，對(duì)信號(hào)的位移響應(yīng)速度越遲緩，且對(duì)起噴有一定延遲，斷油也不夠迅速，這不符合噴油器設(shè)計(jì)需求.由此可知：在充分滿足性能需求的條件下，針閥質(zhì)量相對(duì)較小對(duì)噴油器性能發(fā)揮更為有利.

圖5 針閥質(zhì)量對(duì)噴油器針閥升程的影響

圖6 針閥質(zhì)量對(duì)噴油速率的影響

2.2 噴油器控制腔容積變化對(duì)性能影響的分析

如圖7所示是控制腔容積變化對(duì)針閥位移的影響，可以看到當(dāng)逐步增大控制腔容積針閥開啟時(shí)刻逐步后移，針閥的關(guān)閉時(shí)刻卻并未有同步的變化.可以預(yù)見的是：在允許的范圍內(nèi)繼續(xù)增大控制腔的容積會(huì)導(dǎo)致針閥不足以上升到最大位移處.

從圖8的壓力變化情況看，控制腔內(nèi)峰值壓力隨控制腔容積增大有所下降，波動(dòng)情況也隨著控制腔容積增大而顯著下降并且由于控制腔的容積大小直接關(guān)系到針閥升程，因而,在滿足針閥升程要求等條件下，適當(dāng)選取更小的控制腔容積，更有利于針閥對(duì)噴油信號(hào)的響應(yīng)以及延長噴油器開啟時(shí)間.

圖7 控制腔容積變化對(duì)針閥升程的影響

圖8 控制腔容積變化對(duì)其內(nèi)部壓力波動(dòng)的影響

2.3 對(duì)比指定長徑比下不同尺寸的噴嘴高壓油供油管對(duì)噴油器性能的影響

如圖9、10所示是不同尺寸的噴油嘴高壓油供油管路對(duì)控制腔壓力波動(dòng)和噴嘴噴油量的影響.由于單獨(dú)延長高壓油供油管的長度會(huì)導(dǎo)致沿程損失的單方面增加，增加管路截面直徑可以相應(yīng)抵消這一損失，進(jìn)而探討在確定的長徑比條件下不同尺寸的高壓油供油管路對(duì)噴油器性能的影響.

圖9 不同尺寸的噴嘴高壓油供油管對(duì)控制腔壓力的影響

圖10 不同尺寸的噴嘴高壓油供油管對(duì)噴油速率的影響

從圖9來看，長徑比為90/1.5的供油管對(duì)應(yīng)的控制腔內(nèi)壓力波動(dòng)非常大，逐步增大管長和直徑之后壓力波動(dòng)愈發(fā)降低.進(jìn)而可以推理認(rèn)為：在確定長徑比的條件下，合理安排噴油器的尺寸結(jié)構(gòu)，適度增加供油管的長度和直徑可以降低噴油器內(nèi)部的壓力波動(dòng)進(jìn)而使噴油過程更加穩(wěn)定，波動(dòng)更小，控制更簡單.圖10所示的是噴油器的噴油速率曲線，從噴油速率變化來看上述推理得到驗(yàn)證.

3 結(jié) 論

通過上述研究，可以為噴油器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供方向性指導(dǎo)，結(jié)論如下：

1)在滿足噴油器結(jié)構(gòu)性能的前提下，針閥質(zhì)量相對(duì)較小對(duì)噴油器性能發(fā)揮更為有利；

2)在滿足針閥升程要求條件下,適當(dāng)選取更小的控制腔容積,更有利于針閥對(duì)噴油信號(hào)的響應(yīng)，同時(shí)也延長了噴油器開啟時(shí)間.

3)在固定長徑比為60 ∶1的情況下，合理安排噴油器結(jié)構(gòu)，適度增加供油管的長度和直徑可以降低噴油器內(nèi)部的壓力波動(dòng)進(jìn)而使噴油過程更加穩(wěn)定，波動(dòng)更小.