柴油機(jī)電控噴油器瞬態(tài)響應(yīng)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張耀飛，李國(guó)祥，白書戰(zhàn)*，王會(huì)軍，劉本學(xué)

1.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061；2.龍口龍泵柴油噴射高科有限公司，山東龍口 265018

0 引言

現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的要求越來(lái)越高，國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)排放的要求已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)。柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中兩次重大的技術(shù)革新都與燃油系統(tǒng)有關(guān)，電控技術(shù)的應(yīng)用被認(rèn)為是柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的一大里程碑[1]。高壓共軌噴射為第3代時(shí)間-壓力式柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的2條技術(shù)路線中不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)。共軌系統(tǒng)的執(zhí)行部件——電子噴油器的響應(yīng)特性對(duì)提升燃油霧化性能有重要意義，隨著對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性和排放性能要求的不斷提高，對(duì)噴油器在工作過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性也有更加嚴(yán)格的要求。噴油器主要由電磁閥的通電時(shí)間控制針閥升起調(diào)整噴油規(guī)律，因此可以通過(guò)改善針閥的響應(yīng)速度提高噴油器的性能[2]。

電子噴油器的響應(yīng)特性受到多種因素的影響，通過(guò)改進(jìn)噴油器結(jié)構(gòu)可以有效縮短針閥啟、閉時(shí)間，提高噴油器響應(yīng)和動(dòng)力學(xué)特性。同時(shí)，噴嘴幾何參數(shù)應(yīng)保證噴嘴流通能力在整個(gè)使用過(guò)程中不變，實(shí)現(xiàn)在軌壓不變時(shí)噴油量不變[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電控噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響開(kāi)展了大量研究。林鐵堅(jiān)等[4]設(shè)計(jì)了一種新型的液力平衡式電磁閥，研究了控制室結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴油器液力響應(yīng)特性和噴油規(guī)律形狀的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴油規(guī)律形狀的靈活控制；Luo等[5]研究了多孔噴油器孔間燃油噴射率對(duì)柴油機(jī)性能的影響，結(jié)果表明，噴孔橫截面積減小5%，燃料噴射率和循環(huán)燃料噴射量會(huì)增加3%～15%。

本文中在分析不同參數(shù)對(duì)針閥響應(yīng)速度影響的基礎(chǔ)上，優(yōu)化噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)以減小針閥在打開(kāi)和落座的時(shí)間延遲，提高噴油器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性和可靠性。

1 電控噴油器結(jié)構(gòu)

噴油器的主要部件有電磁閥、控制閥、活塞以及針閥偶件等，噴油器結(jié)構(gòu)如圖1所示。高壓燃油由共軌管輸送，在噴油器內(nèi)有2條燃油輸送路線，一條通入控制活塞上方的控制室，另一條通入針閥頂部的蓄壓腔內(nèi)。電磁閥不通電時(shí)，控制室內(nèi)的出油孔關(guān)閉，由于控制活塞的橫截面積大于針閥錐形承壓面的面積，再加上活塞彈簧的預(yù)緊力，針閥被緊緊地壓在閥座面上；當(dāng)電磁閥接收到控制信號(hào)而接通，出油孔逐漸開(kāi)啟，此時(shí)控制室內(nèi)燃油的流量差逐漸減小，作用在活塞上的液壓力減弱，針閥逐漸升起，燃油流入噴嘴壓力室后經(jīng)噴孔噴出，形成燃油噴霧。當(dāng)電磁閥斷電后，電磁力減小，液壓力不足以克服彈簧預(yù)緊力而使針閥重新落座，噴油結(jié)束。

圖1 噴油器結(jié)構(gòu)

2 噴油器數(shù)學(xué)模型

2.1 流動(dòng)模型

模擬計(jì)算中，假設(shè)燃油在高壓油管內(nèi)的流動(dòng)是沿管路的一維非定常流動(dòng)，流動(dòng)的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程[6-7]可以表示為：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為燃油的密度，kg/m3；x為燃油在流動(dòng)方向所處位置；u為燃油沿流動(dòng)方向的速度，m/s；|u|為燃油流速的絕對(duì)值，m/s；t為時(shí)間，s；c為音速，m/s；p為管路壓力，Pa；f為阻力因數(shù)；D為管道液力直徑，m。

2.2 針閥的運(yùn)動(dòng)方程

針閥在啟、閉過(guò)程中受到來(lái)自燃油的液壓力以及針閥彈簧的彈簧力綜合作用，分析針閥的受力情況(忽略摩擦力)，可以得到針閥的運(yùn)動(dòng)方程[8]：

(4)

式中：mN為針閥運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，kg；HN為針閥升程，m；ANa為針閥體橫截面積，mm2；ANb為針閥座面以下的投影面積，mm2；pNV為噴油嘴盛油槽內(nèi)的壓力，Pa；pNI為噴油器壓力室內(nèi)壓力，Pa；Ap為控制活塞橫截面積，mm2；pCV為控制室內(nèi)壓力，Pa；kN為針閥彈簧剛度，N/m；HN0為針閥彈簧預(yù)變形量，m；CN為針閥阻尼系數(shù)，N·s/m。

2.3 控制腔臨界壓力

出油孔打開(kāi)后，控制室內(nèi)的壓力發(fā)生改變，由于多個(gè)力的作用，針閥會(huì)開(kāi)啟或關(guān)閉，此時(shí)控制室內(nèi)的壓力稱為控制室內(nèi)的臨界壓力。噴油器針閥完全升起后，控制室內(nèi)壓力下降至某一穩(wěn)定壓力，稱為穩(wěn)定壓力ps，此時(shí)進(jìn)油孔和出油孔流量差為0[9]，即：

(5)

式中：Ai為進(jìn)油孔有效流通面積，mm2；Ao為出油孔有效流通面積，mm2；pcr為共軌壓力，Pa。

整理可得：

ps=pcr/(1+(Ao/Ai)2)。

(6)

噴油器針閥彈簧預(yù)緊力一般為30～50 N，與較大的腔內(nèi)壓力相比可以忽略不計(jì)，此時(shí)針閥開(kāi)啟時(shí)控制腔的臨界壓力

(7)

針閥開(kāi)啟時(shí)的臨界條件是ps

(8)

針閥關(guān)閉時(shí)控制腔內(nèi)的臨界壓力

(9)

針閥關(guān)閉時(shí)的臨界條件為ps>pcc，代入式(6) (9)可得：

Ap>ANa。

(10)

綜合以上分析可知，影響噴油器響應(yīng)特性的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括進(jìn)、出油孔有效流通面積，控制活塞橫截面積，針閥導(dǎo)向體橫截面積。

3 噴油器響應(yīng)特性分析

電控噴油器是高壓共軌燃油系統(tǒng)中控制噴射規(guī)律的執(zhí)行部件，其響應(yīng)速度直接影響柴油機(jī)的綜合性能。一方面，針閥迅速開(kāi)啟有利于前期多噴油；另一方面，針閥快速關(guān)閉有利于快速斷油，改善噴射后期因溫度降低燃油過(guò)多造成的燃燒惡化[10-11]。

3.1 仿真分析

利用Hydsim軟件建立某二通閥電控噴油器的一維仿真模型，如圖2所示。

圖2 噴油器仿真模型

為了研究噴油器的響應(yīng)特性，定義描述針閥運(yùn)動(dòng)的4個(gè)響應(yīng)時(shí)間如表1所示，噴油器的主要參數(shù)如表2所示。

表1 噴油器針閥運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間及定義

表2 原型機(jī)噴油器主要仿真參數(shù)

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min、軌壓為160 MPa得到的針閥升程曲線仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：經(jīng)過(guò)1.189 ms，噴油器針閥開(kāi)始升起；經(jīng)過(guò)1.741 ms，針閥升程到達(dá)最大；經(jīng)過(guò)2.045 ms，針閥升程開(kāi)始下降；經(jīng)過(guò)2.505 ms，噴油器針閥完全落座，噴油結(jié)束。

圖3 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min、軌壓為160 MPa時(shí)的 針閥升程曲線

3.2 Ai對(duì)電控噴油器響應(yīng)特性的影響

為了確保針閥能夠正常開(kāi)啟和關(guān)閉，進(jìn)油孔直徑應(yīng)小于出油孔。其他參數(shù)不變，進(jìn)油孔直徑di分別為0.211、0.227、0.240、0.256、0.269 mm，對(duì)應(yīng)的Ai分別為0.035 0、0.040 5、0.046 0、0.051 5、0.057 0 mm2。不同Ai時(shí)針閥升程曲線和響應(yīng)時(shí)間如圖4所示。

a)Ai對(duì)針閥升程的影響 b)Ai對(duì)噴油器響應(yīng)時(shí)間的影響

由圖4a)可知：其他參數(shù)不變，Ai增大，針閥開(kāi)啟速度變慢，開(kāi)啟時(shí)間推遲，落座時(shí)間提前，針閥在相同電流信號(hào)下開(kāi)啟持續(xù)期減小;當(dāng)Ai增大到0.057 0 mm2時(shí)，針閥已經(jīng)無(wú)法升起。

由圖4b)可知：Ai增加，t1、t2增加，t3、t4減小，Ai對(duì)t2的影響最大。因?yàn)楫?dāng)Ai增大時(shí)，控制室內(nèi)進(jìn)、出油孔的流量差變小，壓力下降變慢，針閥開(kāi)啟時(shí)間增加，但是壓力建立速度加快，針閥落座速度加快[12]。

3.3 Ao對(duì)電控噴油器響應(yīng)特性的影響

其他參數(shù)不變，出油孔的直徑分別為0.256、0.270、0.282、0.294、0.306 mm，對(duì)應(yīng)的Ao分別為0.051 5、0.057 0、0.062 5、0.068 0、0.073 5 mm2，不同Ao時(shí)針閥升程曲線和響應(yīng)時(shí)間如圖5所示。

a) Ao對(duì)針閥升程的影響 b) Ao對(duì)噴油器響應(yīng)時(shí)間的影響

由圖5a)可知：Ao對(duì)針閥落座過(guò)程幾乎沒(méi)有影響；Ao增加，針閥開(kāi)啟速度加快。這是因?yàn)槌鲇涂自龃?，針閥升起時(shí)控制室內(nèi)進(jìn)、出油孔的流量差增大，壓力下降加快，針閥升起速度加快，電磁閥在相同的開(kāi)啟時(shí)間內(nèi)噴油持續(xù)期變長(zhǎng)。由圖5b)可知：Ao增大，t1和t4改變很小，t2呈下降趨勢(shì)，t3起初變化不大，但是當(dāng)Ao增加到0.068 0 mm2時(shí)，t3明顯增大。原因是出油孔面積增加，流出的燃油流量增加，控制室壓力下降變快，t2減小。t3增大，針閥落座所需時(shí)間增加，因此Ao不能太大，否則會(huì)造成針閥落座過(guò)晚。由于電磁閥響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)0.2 ms，電磁閥一旦關(guān)閉，不再經(jīng)出油孔泄油，針閥的關(guān)閉過(guò)程不受影響，因此Ao對(duì)噴油器關(guān)閉沒(méi)有影響。

3.4 Ap對(duì)電控噴油器響應(yīng)特性的影響

其他參數(shù)不變，Ap分別為13.20、13.85、14.52、15.21、15.90 mm2，針閥升程曲線和響應(yīng)時(shí)間如圖6所示。

a) Ap對(duì)針閥升程的影響 b) Ap對(duì)噴油器響應(yīng)時(shí)間的影響

由圖6a)可知：Ap增加，針閥升起變慢，開(kāi)啟時(shí)間推遲，落座時(shí)間提前，當(dāng)Ap=15.90 mm2時(shí)，針閥無(wú)法達(dá)到最大升程。這是由于Ap增大，活塞受力面積增加，控制室對(duì)活塞的液壓力增大，導(dǎo)致針閥開(kāi)啟速度減??；在關(guān)閉過(guò)程中，由于控制室壓力較蓄壓腔更大，所以針閥落座速度加快?？傮w來(lái)說(shuō)，Ap增大，使針閥在相同的控制電流下開(kāi)啟持續(xù)期縮短，噴油量減少。

由圖6b)可知：t2受Ap的影響更大，增大Ap會(huì)延緩針閥升起，但是會(huì)使針閥落座提前；Ap增大，控制腔需要經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間才能降低到開(kāi)啟壓力，t1增大；Ap增大，活塞質(zhì)量增大，針閥上升速度減小，t2增大；根據(jù)式(9)，Ap增大，針閥的臨界關(guān)閉壓力減小，控制室達(dá)到針閥關(guān)閉壓力速度加快，t3減??；Ap增大，針閥受到來(lái)自控制室的液壓力增大，落座加快?？偟脕?lái)看，Ap增大會(huì)導(dǎo)致針閥響應(yīng)時(shí)間的增加[13]。

3.5 ANa對(duì)噴油器響應(yīng)特性的影響

其他參數(shù)不變，ANa分別為11.34、11.95、12.57、13.20、13.85 mm2，針閥升程曲線和響應(yīng)時(shí)間如圖7所示。

a)ANa對(duì)針閥升程的影響 b)ANa對(duì)噴油器響應(yīng)時(shí)間的影響

由圖7a)可知：保持噴油器其他參數(shù)不變，ANa增大，針閥開(kāi)啟時(shí)間提前，開(kāi)啟速度增加，關(guān)閉時(shí)間推遲，針閥在相同控制電流下開(kāi)啟持續(xù)期延長(zhǎng)；當(dāng)ANa=11.34 mm2時(shí)，針閥不能達(dá)到最大升程，這是因?yàn)锳Na太小，作用在針閥下部的受力面積減小，針閥在開(kāi)啟過(guò)程中無(wú)法克服控制室內(nèi)的燃油壓力。

由圖7b)可知：ANa增大，針閥臨界啟、閉壓力增加，t1減小；針閥完全升起過(guò)程中，針閥受到來(lái)自下部的液壓力增加，開(kāi)啟加速度增大，t2減小；在關(guān)閉過(guò)程中，針閥落座需要經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間，t3增加；在針閥落座過(guò)程中，由于ANa增大，針閥受到來(lái)自下部液壓力增加，針閥加速度減小，t4增加。

這一年，濟(jì)南的兩支球隊(duì)依然牽動(dòng)山東球迷的心——魯能泰山、山東男籃。年底，魯能泰山“冠”山難越，主場(chǎng)不敵北京國(guó)安，取得足協(xié)杯亞軍。我們嘆息，但依然對(duì)這支球隊(duì)抱以期待。

3.6 mN對(duì)噴油器響應(yīng)特性的影響

其他參數(shù)不變，mN分別為1.8、2.2、2.6、3.0、3.4 g，針閥升程曲線和響應(yīng)時(shí)間如圖8所示。

a)mN對(duì)針閥升程的影響 b)局部放大

由圖8可知：mN增大，針閥開(kāi)啟和落座時(shí)間幾乎不受影響，在最大升程處的振幅有微小變化，說(shuō)明噴油器響應(yīng)特性不隨針閥體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的改變而變化；針閥質(zhì)量增大，針閥在完全升起后的升程振幅有較小的增大，但是最大升程的相對(duì)變化不超過(guò)0.01%，這是由于針閥體質(zhì)量增加，針閥在開(kāi)啟過(guò)程中的慣性增加[14]。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 噴油器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

選取針閥結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，應(yīng)保證使噴油器正常工作，而且能夠使針閥迅速開(kāi)啟和快速落座。進(jìn)油孔與出油孔間的橫截面積決定控制室內(nèi)的流量差，而流量差決定針閥的啟、閉速度。

出油孔有效流通面積越大，燃油流出的流量越大，控制室壓力下降越快，針閥開(kāi)啟越迅速，但會(huì)導(dǎo)致針閥落座速度減??；進(jìn)油孔有效流通面積越大，針閥落座越迅速。因此為了提高針閥的關(guān)閉速度，應(yīng)選擇較大的進(jìn)油孔徑；為了提高針閥的開(kāi)啟速度，應(yīng)提高Ao/Ai[15]。對(duì)Ao、Ai的組合進(jìn)行了25次仿真比較，仿真方案如表3所示。最終確定Ai=0.046 mm2，Ao/Ai=1.598。

表3 仿真方案

控制活塞直徑增加導(dǎo)致噴油器壓力響應(yīng)時(shí)間增加，優(yōu)化時(shí)應(yīng)保證噴射中不會(huì)出現(xiàn)2次噴射，同時(shí)保證針閥的開(kāi)啟速度，控制活塞直徑應(yīng)為4.0～4.5 mm。對(duì)噴油器進(jìn)行輕量化處理，應(yīng)保證噴油器使用可靠性的前提下使ANa較小，Ap/ANa=1.07～1.17。經(jīng)過(guò)對(duì)Ap和ANa的匹配選擇，最終確定針閥直徑為3.8 mm，ANa=11.34 mm2，控制活塞直徑為4.1 mm,Ap=13.2 mm2,Ap/ANa=1.164。

4.2 優(yōu)化后的噴油器響應(yīng)特性

綜合改進(jìn)前、后的針閥升程曲線如圖9所示。由圖9可知：針閥的開(kāi)啟速度大幅加快，經(jīng)過(guò)1.179 ms，針閥開(kāi)始升起；經(jīng)過(guò)1.571 ms，針閥完全升起；針閥落座速度也有所提高，經(jīng)過(guò)2.064 ms，針閥開(kāi)始關(guān)閉；經(jīng)過(guò)2.438 ms，針閥完全落座。實(shí)現(xiàn)了針閥迅速開(kāi)啟，改善了燃油混合質(zhì)量；同時(shí)縮短了關(guān)閉時(shí)間，減少了噴射后期因?yàn)獒橀y關(guān)閉不及時(shí)造成的燃油霧化不良。

圖9 改進(jìn)前、后針閥升程曲線

綜合改進(jìn)前、后噴油器針閥響應(yīng)時(shí)間如表4所示。由表4可知，改進(jìn)后的噴油器開(kāi)啟和關(guān)閉響應(yīng)特性均有了顯著改善，響應(yīng)時(shí)間縮短約17.5%。

表4 改進(jìn)前、后噴油器響應(yīng)特性 ms

5 結(jié)論

1)使用Hydsim軟件建立了某電控噴油器一維仿真模型，對(duì)噴油器噴油特性進(jìn)行了研究分析，提出了影響響應(yīng)特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2)進(jìn)油節(jié)流孔有效流通面積主要影響針閥的關(guān)閉速度，增大進(jìn)油孔有效流通面積可以提高電控噴油器針閥關(guān)閉速度，有效改善噴射后期燃燒惡化；出油孔有效流通面積主要影響針閥的開(kāi)啟速度，增大出油孔有效流通面積可以有效提高針閥的開(kāi)啟速度，提高噴射前期燃油霧化質(zhì)量。

3)控制活塞直徑對(duì)針閥的開(kāi)啟時(shí)間影響更大，增大活塞直徑可以加快針閥開(kāi)啟速度、減慢針閥關(guān)閉速度，應(yīng)合理匹配控制活塞橫截面積和針閥導(dǎo)向體橫截面積，活塞橫截面積和針閥導(dǎo)向體橫截面積的比為1.09～1.17時(shí)更加合適。

4)該電控噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，其響應(yīng)特性有了明顯改善，響應(yīng)時(shí)間比優(yōu)化前縮短了17.5%，對(duì)改善燃油霧化性能和共軌系統(tǒng)噴射特性、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。