一種雙閥結(jié)構(gòu)共軌噴油器性能仿真

顧嬌嬌, 況涪洪, 吳小軍, 奚星, 徐春龍, 李春暉

中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 300400

0 引言

共軌噴油器是高壓共軌系統(tǒng)的核心部件，噴油器的噴油特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響很大[1]。電磁閥式共軌噴油器通過(guò)控制電磁閥的通斷和通電時(shí)長(zhǎng)控制噴油過(guò)程，通過(guò)控制噴油率和燃燒速率改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程、降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲和顆粒排放[2]。球閥高壓共軌噴油器的噴油嘴針閥開(kāi)啟與關(guān)閉速度不僅受控制腔與噴油嘴盛油槽壓力的相互作用，即噴油器液力響應(yīng)的影響，還受控制腔容積變化的影響，導(dǎo)致針閥的開(kāi)啟與關(guān)閉速度降低，噴油嘴針閥的開(kāi)啟與關(guān)閉速度通常小于3 m/s[3-7]。

針閥開(kāi)啟與關(guān)閉階段噴油器的節(jié)流作用是導(dǎo)致噴油壓力降低的主要因素[8-9]，針閥運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)，針閥開(kāi)啟與關(guān)閉階段在整個(gè)噴油持續(xù)期中所占的比例加大，不利于減少共軌噴油器的節(jié)流損失。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的提高要求縮短噴油持續(xù)期和增加噴油量，必須提高針閥的運(yùn)動(dòng)速度，減少針閥開(kāi)啟與關(guān)閉階段的節(jié)流損失?；谔岣邍娪蛪毫涂s短噴油持續(xù)期的目標(biāo)，本文中提出并設(shè)計(jì)了一種雙閥結(jié)構(gòu)的新型電控噴油器，噴油器控制腔的液壓力不直接作用于噴油嘴針閥，大大提升了針閥的運(yùn)動(dòng)速度。

本文中對(duì)常規(guī)球閥共軌噴油器和新型雙閥共軌噴油器的噴油性能進(jìn)行一維仿真對(duì)比，分析新型雙閥結(jié)構(gòu)噴油器的優(yōu)勢(shì)；仿真研究影響噴油器噴油性能的各項(xiàng)參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，使新型雙閥共軌噴油器滿足不同發(fā)動(dòng)機(jī)性能需求。

1 新型共軌噴油器結(jié)構(gòu)及工作原理

常規(guī)典型球閥共軌噴油器結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴油器采用兩位兩通控制閥，控制腔進(jìn)、出油方式為一進(jìn)一出。閥門(mén)密封方式為單向球面密封，控制閥門(mén)密封所需的力全部由電磁閥彈簧提供。典型球閥共軌噴油器的工作過(guò)程：電磁閥通電，控制腔泄壓，向上的合力導(dǎo)致噴油嘴針閥開(kāi)啟，開(kāi)始噴油;電磁閥斷電，電磁閥彈簧復(fù)位，控制腔的壓力逐漸恢復(fù)，噴油嘴針閥受到向下的合力，導(dǎo)致針閥落座，結(jié)束噴油。

圖1 典型球閥共軌噴油器結(jié)構(gòu)

圖2 雙閥結(jié)構(gòu)共軌噴油器結(jié)構(gòu)示意圖

新型雙閥電控噴油器結(jié)構(gòu)如圖2所示。包括電磁閥、控制活塞、控制腔、單向閥、針閥腔、進(jìn)油量孔、出油量孔、節(jié)流孔、高壓油路、低壓油路等。雙閥結(jié)構(gòu)噴油器與一進(jìn)一出式典型球閥結(jié)構(gòu)噴油器的不同之處在于高壓油路被分成三路，第一路通過(guò)進(jìn)油量孔進(jìn)入控制腔，然后流經(jīng)出油量孔進(jìn)入低壓油路；第二路從控制活塞下端的閥門(mén)直接流入噴油嘴；第三油路通過(guò)單向閥進(jìn)入噴油嘴針閥腔，隨后通過(guò)節(jié)流孔流入低壓油路。

新型雙閥結(jié)構(gòu)噴油器的工作過(guò)程：噴油前，電磁閥通電后，銜鐵受到向上的吸力打開(kāi)球閥，控制腔內(nèi)的高壓燃油從出油量孔、控制腔閥門(mén)流出，控制腔壓力開(kāi)始降低，當(dāng)壓力降低到一定值時(shí)，控制活塞克服彈簧的預(yù)緊力，開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，從而開(kāi)啟下端閥門(mén)，高壓油路內(nèi)的燃油通過(guò)閥門(mén)流向噴油嘴，隨著噴油嘴內(nèi)的高壓燃油增加，針閥受到的向上的油壓繼續(xù)增加，直到克服針閥彈簧預(yù)緊力，向上的合力使針閥開(kāi)啟，燃油從噴孔處噴出，噴油器開(kāi)始噴油。

電磁閥斷電后，銜鐵復(fù)位，控制腔閥門(mén)關(guān)閉，控制腔不再通過(guò)出油孔出油，同時(shí)高壓燃油從進(jìn)油孔流入，使控制腔的壓力開(kāi)始增加，當(dāng)壓力增加到一定值時(shí)，在控制活塞彈簧的共同作用下，控制活塞受到向下的合力開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致控制活塞下端閥門(mén)關(guān)閉，高壓油路內(nèi)的高壓燃油停止流向噴油嘴；控制閥關(guān)閉以后，閥上游的高壓燃油受到“水擊”作用壓力繼續(xù)升高，達(dá)到一定值后單向閥開(kāi)啟，高壓燃油進(jìn)入噴油嘴上端的針閥腔，針閥腔壓力升高，在針閥腔壓力和針閥彈簧共同作下，向下的合力促使針閥加速關(guān)閉，結(jié)束噴油。

2 噴油器模型的建立與性能仿真

對(duì)2種結(jié)構(gòu)噴油器進(jìn)行仿真分析對(duì)比，驗(yàn)證雙閥結(jié)構(gòu)共軌噴油器結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

2.1 模型建立

基于AMESim建立典型球閥噴油器的一維液力仿真模型，重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)對(duì)噴油性能的影響，建模時(shí)引入常壓源表示由共軌進(jìn)入噴油器的高壓源，暫不考慮共軌管軌壓波動(dòng)的影響。

典型球閥共軌噴油器一維仿真模型如圖3所示。受結(jié)構(gòu)形式影響，典型噴油器存在靜態(tài)泄漏，因此模型中加入了導(dǎo)桿與針閥泄漏的模擬，在對(duì)典型球閥共軌噴油器模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的基礎(chǔ)上，建立雙閥結(jié)構(gòu)共軌噴油器模型，如圖4所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在模型中增加了單向閥及開(kāi)關(guān)閥的仿真模型。

圖3 典型球閥共軌噴油器一維仿真模型 圖4 雙閥結(jié)構(gòu)噴油器仿真模型

2.2 模型校驗(yàn)

應(yīng)用高壓共軌綜合性能試驗(yàn)臺(tái)和單次噴射儀對(duì)典型球閥結(jié)構(gòu)噴油器進(jìn)行性能測(cè)試，通過(guò)試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比校驗(yàn)仿真模型的準(zhǔn)確性。由于新型雙閥結(jié)構(gòu)噴油器模型是在典型球閥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的，因此本文中只對(duì)典型球閥結(jié)構(gòu)噴油器模型進(jìn)行性能校驗(yàn)。

選取典型球閥結(jié)構(gòu)噴油器進(jìn)行性能測(cè)試，噴油器有8個(gè)孔徑為0.305 mm的噴孔。設(shè)定試驗(yàn)控制軌壓為180 MPa，測(cè)量不同電控脈寬下噴油器的循環(huán)噴油量、噴油持續(xù)期等性能參數(shù)。典型球閥共軌噴油器噴油性能仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示，性能測(cè)試與仿真計(jì)算結(jié)果的誤差在3%以內(nèi)，建立的模型可以代表實(shí)際噴油器的噴油規(guī)律。

表1 典型球閥共軌噴油器噴油性能仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.3 性能仿真對(duì)比

對(duì)2種結(jié)構(gòu)噴油器建模進(jìn)行性能仿真對(duì)比，仿真計(jì)算中保持相同的控制參數(shù)和初始條件。

計(jì)算方法：2種模型保持相同的設(shè)定軌壓(p=180 MPa)和噴孔總面積(S=0.584 mm2)，分別調(diào)節(jié)2種模型的控制脈寬，使噴油器的噴油始點(diǎn)和噴油持續(xù)期(噴油持續(xù)期Td=1.25 ms)保持一致?？疾?種噴油器針閥開(kāi)啟和關(guān)閉速度對(duì)噴油性能的影響。

2種結(jié)構(gòu)噴油器主要性能指標(biāo)仿真結(jié)果如圖5、表2所示，其中，模型1為典型球閥結(jié)構(gòu)共軌噴油器模型，模型2為新型雙閥結(jié)構(gòu)噴油器模型。

圖5 2種結(jié)構(gòu)噴油器性能指標(biāo)仿真曲線

表2 相同噴油持續(xù)期時(shí)2種結(jié)構(gòu)噴油器噴油性能對(duì)比

由圖5a)、5b)可知，雙閥結(jié)構(gòu)的新型電控噴油器模型噴油速率更高、噴油量更大。由圖5c)、5d)可知，噴油持續(xù)期相同時(shí)，雙閥結(jié)構(gòu)噴油器的針閥開(kāi)啟和關(guān)閉階段的速度顯著提高；典型球閥結(jié)構(gòu)噴油器的噴油嘴針閥運(yùn)動(dòng)速度較慢，主要原因是受控制腔內(nèi)高壓燃油的影響，導(dǎo)致針閥開(kāi)啟速度降低，噴油持續(xù)期內(nèi)始終有高壓燃油流向噴油嘴，增加針閥關(guān)閉的阻力，影響針閥關(guān)閉速度。雙閥結(jié)構(gòu)的噴油器設(shè)計(jì)對(duì)提高針閥的運(yùn)動(dòng)速度具有顯著的優(yōu)勢(shì)，也有利于提高噴油量。由圖5e)及表2可知，在軌壓均為180 MPa的情況下，2種結(jié)構(gòu)噴油器的噴油嘴壓力明顯不同，雙閥結(jié)構(gòu)噴油器的最大噴油壓力明顯高于球閥結(jié)構(gòu)噴油器，噴油壓力提高有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放。

新型雙閥結(jié)構(gòu)共軌噴油器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于，噴油嘴針閥腔壓力通過(guò)泄壓變?yōu)榈蛪汉螅山档歪橀y的開(kāi)啟阻力；利用活塞控制進(jìn)入噴油嘴高壓油路的開(kāi)關(guān)，可降低對(duì)針閥的關(guān)閉阻力；增加一個(gè)單向閥，可以使進(jìn)入噴油嘴上端的控制腔的油路增加，從而增加針閥關(guān)閉的動(dòng)力，因此新型雙閥結(jié)構(gòu)噴油器可大幅提高噴油嘴針閥的開(kāi)啟與關(guān)閉速度，提高噴油量。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙閥結(jié)構(gòu)噴油器性能的影響

選取軌壓、針閥彈簧預(yù)緊力、開(kāi)關(guān)閥的流通面積、進(jìn)出油量孔直徑、單向閥流通面積等作為關(guān)鍵參數(shù)，仿真研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙閥結(jié)構(gòu)噴油器性能的影響，進(jìn)一步優(yōu)化雙閥結(jié)構(gòu)噴油器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。仿真選取設(shè)定軌壓為180 MPa，噴孔總面積為0.584 mm2。噴油器性能參數(shù)主要考慮噴油速率、噴油量、持續(xù)期、實(shí)際噴油壓力、針閥位移和速度。

3.1 針閥彈簧預(yù)緊力

針閥彈簧初始預(yù)緊力為200 N。不同彈簧預(yù)緊力對(duì)噴油器性能影響的仿真結(jié)果如圖6、表3所示。

圖6 彈簧預(yù)緊力對(duì)噴油器各性能參數(shù)的影響

表3 針閥彈簧預(yù)緊力對(duì)噴油器性能的影響

由圖6、表3可知，隨著針閥彈簧預(yù)緊力的增大，雙閥共軌噴油器的最大噴油速率、噴油量、噴油持續(xù)期、針閥運(yùn)動(dòng)速度和實(shí)際噴油壓力均有所增加。當(dāng)針閥彈簧的預(yù)緊力達(dá)到280 N時(shí)，噴油持續(xù)期明顯增加，對(duì)應(yīng)的平均噴油速率減少。為了達(dá)到更高的噴油量和噴油壓力，可以適當(dāng)增加針閥彈簧預(yù)緊力。

3.2 開(kāi)關(guān)閥閥體直徑

通過(guò)改變開(kāi)關(guān)閥閥體直徑(d1)，研究開(kāi)關(guān)閥流通面積對(duì)噴油性能的影響，開(kāi)關(guān)閥閥體直徑初始值為2.7 mm，開(kāi)關(guān)閥閥體直徑對(duì)噴油器噴油性能的影響的仿真結(jié)果如表4、圖7所示。

表4 開(kāi)關(guān)閥閥體直徑對(duì)噴油器性能的影響

圖7 開(kāi)關(guān)閥閥體直徑對(duì)噴油器各性能參數(shù)的影響

由表4、圖7可知，隨著開(kāi)關(guān)閥閥體直徑的增大，最大噴油速率、噴油持續(xù)期、噴油量和最大實(shí)際噴油壓力均減小，但針閥開(kāi)啟和關(guān)閉速度略有增大，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇較小的開(kāi)關(guān)閥閥體直徑，但開(kāi)關(guān)閥閥體直徑不能過(guò)小以免噴油持續(xù)期過(guò)長(zhǎng)。

3.3 單向閥閥孔直徑

球閥直徑(1.5 mm)保持不變，通過(guò)改變單向閥的孔徑(d2)改變單向閥的流通面積，研究單向閥孔徑變化對(duì)噴油器噴油性能的影響。單向閥孔徑初始值為0.6 mm，單向閥孔徑變化對(duì)噴油器噴油性能影響的仿真結(jié)果如圖8、表5所示。

由圖8、表5可知，隨著單向閥閥孔直徑的增大，最大噴油速率略有變化，噴油持續(xù)期和噴油量略微減小，針閥開(kāi)啟時(shí)刻和最大運(yùn)動(dòng)速度基本沒(méi)有變化，但針閥關(guān)閉時(shí)刻和最大速度明顯不同，說(shuō)明單向閥閥孔直徑對(duì)針閥落座速度和關(guān)閉時(shí)刻影響較大，從而影響噴油持續(xù)期和噴油量。

圖8 單向閥閥孔直徑對(duì)噴油器各性能參數(shù)的影響

表5 單向閥孔直徑對(duì)噴油性能的影響

3.4 軌壓

設(shè)定軌壓初始值為180 MPa。不同軌壓對(duì)噴油器噴油性能影響的仿真結(jié)果如圖9、表6所示。

圖9 軌壓對(duì)噴油器各性能參數(shù)的影響

表6 軌壓對(duì)噴油器噴油性能的影響

由圖9、表6可知，隨著軌壓的改變，噴油器的各性能參數(shù)變化幅度較大，這是由于針閥彈簧與單向閥結(jié)構(gòu)都是針對(duì)180 MPa 進(jìn)行優(yōu)化，噴油器適用于特定的供油壓力穩(wěn)定的工作環(huán)境。

4 結(jié)論

1)雙閥結(jié)構(gòu)在提高實(shí)際噴油壓力，與增加針閥開(kāi)啟和關(guān)閉速度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。雙閥結(jié)構(gòu)共軌噴油器可以有效地避免控制腔的高壓燃油直接或間接地作用在噴油嘴針閥上端。通過(guò)本結(jié)構(gòu)提高了共軌噴油器的針閥運(yùn)動(dòng)速度，從而在控制脈寬相同的情況下提高噴油量。

2)新型噴油器對(duì)于提高噴嘴實(shí)際噴油壓力具有較大作用，有利于后續(xù)燃燒和排放。

3)為達(dá)到更高的噴油量和噴油壓力，可以在新型雙閥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化其它結(jié)構(gòu)參數(shù)，如適當(dāng)增加針閥彈簧預(yù)緊力，選擇較小的開(kāi)關(guān)閥閥體直徑等，獲得更好的噴油性能。

4)可以依據(jù)本文中的設(shè)計(jì)方法對(duì)噴油器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成共軌噴油器試驗(yàn)樣件。

下一步研究針對(duì)在更高軌壓以及不太穩(wěn)定的供油環(huán)境下，對(duì)共軌噴油器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以增強(qiáng)其可靠性。