噴油器控制閥偶件燃油泄漏對噴油性能的影響

張子威，徐春龍，高怡，李春暉

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

0 引言

高壓共軌系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)領(lǐng)域，為降低柴油機(jī)的油耗及排放，提高動(dòng)力性能，高壓共軌系統(tǒng)正向著超高壓、高精度、多波形噴射可控等方向發(fā)展[1-3]。噴油器長期工作在高溫、高壓、振動(dòng)的惡劣環(huán)境中，精密偶件的參數(shù)設(shè)計(jì)會(huì)影響摩擦副的磨損和密封性能。在燃油壓力作用下，隨著工作時(shí)間增加，噴油器零件配合面的磨損加劇，燃油泄漏量也隨之增加，從而影響噴油器的噴油壓力和噴油性能。

Ferrari等[4]研究了噴油器平衡先導(dǎo)閥燃油泄漏對電磁閥和針閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及噴油性能的影響。Yue等[5]研究了不同軌壓下控制柱塞直徑、彈性模量以及柱塞套直徑對燃油泄漏的影響。郭世龍等[6]應(yīng)用Box-Behnken分析常規(guī)噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對泄漏特性的影響。游鵬[7]應(yīng)用Fluent軟件模擬噴油器針閥偶件不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下偶件內(nèi)的流場，分析不同閥芯偏心角度、偶件密封長度以及間隙對密封特性的影響?，F(xiàn)有噴油器泄漏的研究多針對常規(guī)噴油器，很少涉及滑閥式超高壓共軌噴油器，以及控制閥偶件對噴油器性能的影響。

研究噴油器偶件的燃油泄漏可以為高壓共軌噴油器的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供參考和依據(jù)。本文中針對超高壓共軌噴油器控制閥的柱塞和滑閥2個(gè)精密偶件，進(jìn)行噴油過程仿真和試驗(yàn)研究，應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究噴油器控制柱塞和滑閥偶件的泄漏特性，以及不同偶件間隙時(shí)燃油泄漏對噴油性能的影響。

1 噴油器結(jié)構(gòu)及工作過程

a)共軌噴油器 b)噴油器控制閥偶件圖1 噴油器及噴油器控制閥偶件結(jié)構(gòu)

噴油器及噴油器控制閥偶件結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴油器主要包括電磁閥部分、控制閥偶件、液壓伺服部分以及噴嘴組件[8-9]。噴油器控制閥偶件包括控制柱塞和控制滑閥2個(gè)精密偶件，分別由控制滑閥、控制柱塞、柱塞套上部和下部構(gòu)成。

噴油器的噴油開始過程：電磁閥線圈通電，低壓出油口打開，控制腔內(nèi)的燃油通過控制滑閥下端的小孔瀉出并流入低壓腔，針閥與針閥座脫離，燃油噴入氣缸。噴油器的噴油停止過程：電磁閥斷電，低壓出油口關(guān)閉，高壓燃油經(jīng)過控制滑閥上的小孔進(jìn)入滑閥上的蓄壓腔，當(dāng)蓄壓腔中的燃油超過一定壓力時(shí)，控制滑閥受到液壓力作用下落，燃油通過控制滑閥上的孔道流入控制腔，針閥向閥座運(yùn)動(dòng)并與其密封，噴油終止。

2 模型建立及試驗(yàn)驗(yàn)證

基于共軌噴油器結(jié)構(gòu)及工作原理，應(yīng)用 AMESim軟件創(chuàng)建仿真模型，建立電磁閥、滑閥偶件、控制柱塞偶件和針閥等部件的計(jì)算模型，其中高壓供油泵用恒壓源替代，燃油特性模擬采用元件庫中的FP04子模型，控制柱塞偶件和滑閥偶件泄漏模型采用BAF11子模型，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 噴油器一維仿真模型

根據(jù)實(shí)際工況以及噴油器工作特點(diǎn)，建模過程中對模型進(jìn)行簡化：1)本文中主要研究單次噴油特性，燃油溫度設(shè)為常數(shù)，AMESim提供了一個(gè)在一定溫度和壓力下具有相應(yīng)物理參數(shù)的柴油流體模型；2)忽略系統(tǒng)內(nèi)各零件的彈性變形以及彈簧自振；3)忽略加工誤差導(dǎo)致的密封件泄漏，僅考慮偶件內(nèi)的泄漏。

噴油器一維數(shù)值仿真模型主要由噴射信號控制、電磁閥以及燃油供給模塊等組成，模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)設(shè)置

在試驗(yàn)臺上對高壓共軌噴油器進(jìn)行了噴油測試試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與一維模型的循環(huán)噴油量仿真結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證模型的合理性。共軌試驗(yàn)臺主要包括：噴油量測量裝置、電控模塊、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀、各種傳感器、高壓供油泵、共軌管、共軌噴油器等，試驗(yàn)分別測量2種軌壓(140、200 MPa)和5種噴射脈寬(0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 ms)條件下噴油器的單循環(huán)噴油量。不同軌壓和噴射脈寬下循環(huán)噴油量仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比如圖3所示。

a)軌壓140 MPa b)軌壓200 MPa圖3 不同軌壓和噴射脈寬下循環(huán)噴油量仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖3可知，試驗(yàn)結(jié)果與仿真的相對誤差小于10%，在工程誤差范圍內(nèi)，說明仿真模型可有效模擬噴射過程。在模型可靠性得到驗(yàn)證后，分別對控制柱塞和控制滑閥偶件不同間隙的燃油泄漏，以及控制柱塞偶件間隙、控制滑閥偶件間隙對噴油性能的影響進(jìn)行仿真分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 偶件泄漏分析

間隙寬度對燃油泄漏影響顯著，本文中選取偶件間隙為0.002～0.006 mm(噴油器實(shí)際工作中偶件磨損可能超出這一范圍)。不同間隙下控制柱塞偶件和控制滑閥偶件的燃油泄漏流率曲線如圖4所示。

a)控制柱塞偶件 b)控制滑閥偶件圖4 不同間隙下控制柱塞偶件和控制滑閥偶件燃油泄漏流率對比

由圖4可知：當(dāng)控制柱塞偶件配合間隙為0.002～0.006 mm時(shí)，最大泄漏流率為0.002～0.11 mL/s；當(dāng)控制滑閥偶件配合間隙為0.002～0.006 mm時(shí)，最大泄漏流率為0.02～0.68 mL/s；隨偶件間隙增大，泄漏流率增大，最大泄漏率增幅增加。

精密偶件兩端的燃油壓力差是導(dǎo)致燃油泄漏的主要因素。電磁閥通電后，由于存在回油，控制腔壓力降低，控制柱塞偶件的燃油泄漏方向?yàn)橛芍露说牡蛪呵幌蛏隙说目刂魄恍孤10-11]；控制滑閥落座時(shí)，控制滑閥上端與柱塞套上端封閉成一環(huán)形腔室，滑閥開啟時(shí)其上端則形成一個(gè)大的腔室，偶件的泄漏方向?yàn)橛森h(huán)形腔向控制腔；滑閥開啟后，上端腔室的燃油快速流入控制腔，控制腔壓力短時(shí)間內(nèi)高于滑閥上端腔室，此時(shí)滑閥偶件的燃油泄漏方向?yàn)橛煽刂魄幌蛏隙饲皇摇?/p>

3.2 控制滑閥偶件間隙對噴油性能的影響

噴油器內(nèi)各部件對電磁信號的響應(yīng)是通過液壓力的傳遞實(shí)現(xiàn)的，其中針閥的開閉由針閥腔和控制腔之間的壓力差驅(qū)動(dòng)，控制滑閥的運(yùn)動(dòng)通過控制腔和滑閥頂端環(huán)形腔的壓力差驅(qū)動(dòng)。噴油器精密偶件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)影響不同腔室之間的燃油泄漏，進(jìn)而影響各腔室的油壓建立，這將導(dǎo)致噴油器部件對電磁信號的響應(yīng)時(shí)間發(fā)生改變。控制滑閥偶件不同間隙下針閥開啟和關(guān)閉時(shí)間以及噴油持續(xù)期如圖5所示。

a)針閥開啟和關(guān)閉時(shí)間 b)噴油持續(xù)期圖5 控制滑閥偶件不同間隙下針閥開啟和關(guān)閉時(shí)間以及噴油持續(xù)期

由圖5可知：當(dāng)滑閥偶件間隙從0.002 mm增大到0.022 mm時(shí)，針閥開啟時(shí)間縮短而關(guān)閉時(shí)間延長，導(dǎo)致噴油持續(xù)期增加；噴油持續(xù)期從1.02 ms增加到1.18 ms，增加幅度為15.69%。

針閥開啟時(shí)間縮短的原因是：電磁閥線圈通電，低壓出油口打開，控制腔內(nèi)的燃油通過控制滑閥下端的小孔瀉出并流入低壓腔，針閥在向上合力的作用下抬起；由于滑閥偶件燃油泄漏過快，使控制腔壓力下降加快，而針閥腔壓力的波動(dòng)幾乎不變，最終導(dǎo)致針閥的開啟提前。針閥關(guān)閉時(shí)間延長的原因是：電磁閥線圈斷電，控制腔內(nèi)建立高壓，針閥受向下合力作用與閥座閉合，結(jié)束噴油；由于滑閥偶件燃油泄漏過快，在燃油由環(huán)形腔充入控制腔的過程中仍然存在泄漏，導(dǎo)致控制腔油壓上升緩慢，最終導(dǎo)致針閥關(guān)閉延遲。

控制滑閥偶件不同間隙下針閥升程和噴油速率如圖6所示。

a)針閥升程 b)噴油速率圖6 控制滑閥偶件不同間隙下的針閥升程和噴油速率

由圖6可知：控制滑閥偶件間隙為0.022 mm時(shí)的針閥升程比間隙為0.002 mm時(shí)增加約0.2 mm，偶件間隙增大不僅使針閥提前開啟、延遲關(guān)閉，也使針閥升程明顯增加；當(dāng)滑閥偶件間隙從0.002 mm變化到0.022 mm，最大噴油速率從0.17 L/s增大到0.23 L/s，增加幅度為35.29%。

控制滑閥偶件不同間隙下循環(huán)噴油量、循環(huán)泄漏量與基準(zhǔn)回油量(控制滑閥偶件間隙為0.002 mm時(shí)循環(huán)回油量)的比值曲線如圖7所示。

a)循環(huán)噴油量 b)循環(huán)泄漏量與基準(zhǔn)回油量的比值圖7 控制滑閥偶件不同間隙下循環(huán)噴油量以及循環(huán)泄漏量與基準(zhǔn)回油量的比值

由圖7可知：控制滑閥偶件間隙從0.002 mm變化到0.022 mm，循環(huán)噴油量從230 mm3增大到280 mm3，增幅為21.7%；控制滑閥偶件間隙較小時(shí)，控制滑閥偶件循環(huán)泄漏量與基準(zhǔn)回油量之比較小，對噴油器性能的影響也較小。

3.3 控制柱塞偶件間隙對噴油性能的影響

控制柱塞偶件不同間隙下針閥開啟和關(guān)閉時(shí)間以及噴油持續(xù)期如圖8所示。

a)針閥開啟和關(guān)閉時(shí)間 b)噴油持續(xù)期圖8 控制柱塞偶件不同間隙下針閥開啟和關(guān)閉時(shí)間及噴油持續(xù)期

由圖8a)可知：當(dāng)控制柱塞偶件間隙從0.002 mm變化到0.012 mm時(shí)，針閥開啟時(shí)間保持1.32 ms不變，關(guān)閉時(shí)間保持2.38 ms不變；當(dāng)控制柱塞偶件間隙大于0.012 mm時(shí),針閥開啟時(shí)間延長而關(guān)閉時(shí)間縮短。由圖8b)可知:當(dāng)控制柱塞偶件間隙從0.002 mm變化到0.012 mm時(shí),噴油持續(xù)期保持1.02 ms不變；控制柱塞偶件間隙從0.017 mm變化到0.022 mm時(shí)，噴油持續(xù)期從1.00 ms下降到0.96 ms，噴油持續(xù)期呈現(xiàn)先不變后縮短的趨勢，總體減小幅度為5.8%。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：電磁閥線圈通電，低壓出油口打開，控制腔內(nèi)的燃油通過控制滑閥下端的小孔瀉出并流入低壓腔，當(dāng)控制柱塞偶件燃油泄漏過快，高壓腔中的燃油充入控制腔，使控制腔壓力下降減緩，而針閥盛油腔內(nèi)壓力變化很小，導(dǎo)致針閥開啟延遲；噴油終止時(shí)電磁閥斷電，高壓燃油經(jīng)過控制滑閥上的小孔進(jìn)入滑閥上的蓄壓腔，并通過控制滑閥上的孔道流入控制腔，針閥向閥座運(yùn)動(dòng)并與其密封?？刂浦技加托孤┻^快，針閥盛油腔中的燃油充入控制腔，使控制腔壓力上升加快，最終導(dǎo)致針閥的提前關(guān)閉[13-15]。

控制柱塞偶件不同間隙下針閥升程和噴油速率如圖9所示。

由圖9可知：控制柱塞偶件間隙為0.022 mm時(shí)的針閥升程比間隙為0.002 mm時(shí)減少約0.1 mm，控制柱塞偶件間隙增大不僅使針閥延后開啟和提前關(guān)閉，也使針閥升程明顯減??；當(dāng)控制柱塞偶件間隙從0.002 mm變化到0.022 mm時(shí)，最大噴油速率從0.185 L/s下降到0.175 L/s，降幅為5.4%。控制柱塞偶件配合間隙增大至一定幅度時(shí)，會(huì)使噴油持續(xù)期縮短和噴油量減小。由圖6、9可知，控制滑閥與控制柱塞偶件間隙均影響噴油性能，其中控制滑閥偶件間隙對噴油性能的影響更大。

a)針閥升程 b)噴油速率圖9 控制柱塞偶件不同間隙下針閥升程和噴油速率

控制柱塞偶件不同間隙下循環(huán)噴油量、循環(huán)泄漏量與基準(zhǔn)回油量(柱塞偶件間隙為0.002 mm時(shí)循環(huán)回油量)的比值曲線如圖10所示。

a)循環(huán)噴油量 b)循環(huán)泄漏量與基準(zhǔn)回油量的比值圖10 控制柱塞偶件不同間隙下循環(huán)噴油量以及循環(huán)泄漏量與基準(zhǔn)回油量的比值

由圖10可知：當(dāng)控制柱塞偶件間隙從0.002 mm變化到0.022 mm時(shí)，循環(huán)噴油量從230 mm3下降到202 mm3，下降幅度為12.17%；控制柱塞偶件間隙較小時(shí)，柱塞偶件循環(huán)泄漏量與基準(zhǔn)回油量之比較小，此時(shí)改變柱塞偶件間隙對噴油器性能的影響較小。

由上述分析可知，控制滑閥以及控制柱塞偶件配合間隙均影響噴油器噴油速率、噴油持續(xù)期和噴油量，偶件配合間隙增大會(huì)使控制滑閥和控制柱塞在柱塞套中的運(yùn)動(dòng)更加不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生擺動(dòng)，進(jìn)而影響噴油器各循環(huán)間噴油穩(wěn)定性，導(dǎo)致柴油機(jī)的工作穩(wěn)定性能惡化。

4 結(jié)論

本文中建立了一種滑閥式噴油器數(shù)值仿真模型，對噴油器的工作進(jìn)行了模擬，分析了精密偶件燃油泄漏對噴油器液力響應(yīng)及噴油器噴油性能和回油性能的影響。

1)隨著控制滑閥偶件配合間隙增大，針閥開啟時(shí)間提前、關(guān)閉時(shí)間延后，噴油器的噴油持續(xù)期呈加速增加的趨勢；控制滑閥偶件間隙增大造成噴油器液力響應(yīng)變化，當(dāng)控制滑閥偶件間隙由0.002 mm增大到0.022 mm時(shí)，噴油持續(xù)期和噴油速率分別增大15.68%和35.29%，循環(huán)噴油量最大增加21.7%。

2)隨著控制柱塞偶件配合間隙增大，針閥開啟時(shí)間呈先保持不變、后略有延后，關(guān)閉時(shí)間呈先保持不變后提前，噴油持續(xù)期呈現(xiàn)先保持不變后減短的趨勢；當(dāng)控制柱塞偶件配合間隙由0.002 mm增大到0.022 mm時(shí)，噴油持續(xù)期和噴油速率分別減小5.8%和5.4%，循環(huán)噴油量減小12.17%；控制柱塞偶件配合間隙和控制滑閥偶件配合間隙均影響噴油性能，但控制柱塞偶件配合間隙的影響小于控制滑閥偶件。

3)當(dāng)控制滑閥偶件和控制柱塞偶件的循環(huán)泄漏量與基準(zhǔn)回油量相比較小時(shí)，偶件間隙變化對噴油性能的影響也較小。