高　翔，劉文林

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

Structural Simulation and Analysis for High Pressure Common Rail Injector

GAO Xiang，LIU Wenlin

(School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University ,Zhenjiang 212013,China)

高壓共軌噴油器的結(jié)構(gòu)仿真與影響因素分析

高翔，劉文林

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

Structural Simulation and Analysis for High Pressure Common Rail Injector

GAO Xiang，LIU Wenlin

(School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University ,Zhenjiang 212013,China)

摘要：以某高壓共軌噴油器為研究對象，根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)與工作原理，基于AMESIM系統(tǒng)仿真軟件建立了噴油器仿真模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。利用該仿真模型分析高壓共軌噴油器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對噴油規(guī)律的影響，為共軌噴油器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高壓共軌噴油器；結(jié)構(gòu)參數(shù)；仿真分析

中圖分類號(hào)：TK422

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)07-0015-04

收稿日期：2015-02-04

基金項(xiàng)目：江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項(xiàng)目(CXZZ110578)

作者簡介：高翔(1953-),男,江蘇漣水人,教授,博士研究生導(dǎo)師,主要從事汽車及其零部件設(shè)計(jì)理論的研究；劉文林(1989-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娍貒娪推鳌?/p>

Abstract：This article introduces an injector structure and working elements having a common rail injector. The model of the injector is created with AMESIM modeling software and the accuracy of the model is improved by experiments. The determination of injector structural parameters affects the injection rate. It provides a theory base for the design and optimization of electrical-controlled injector.

Key words：high pressure common rail injector; structural parameter; simulation analysis

0引言

隨著日趨嚴(yán)重的能源危機(jī)，人們對汽車的排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格。高壓共軌技術(shù)成為柴油機(jī)達(dá)到更嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)的主要手段，高壓共軌燃油技術(shù)以其噴油壓力柔性可調(diào)，噴油正時(shí)，控制靈活及噴油量自由調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們青睞[1-3]。高壓共軌噴油器是發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)中最重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對整個(gè)高壓共軌燃油系統(tǒng)乃至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)特性有著重要的影響。在此采用AMESIM軟件對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真研究，分析共軌噴油器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對噴油規(guī)律的影響，為共軌噴油器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)[4-5]。

1高壓共軌噴油器的工作原理

在高壓共軌噴油器中，高壓燃油從進(jìn)油接頭進(jìn)入噴油器后分成兩部分，一部分進(jìn)入蓄壓腔，另一部分進(jìn)入控制腔。當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，閥球打開，控制腔內(nèi)的高壓燃油從回油接口流出，控制腔內(nèi)的壓力下降，作用在閥組件的力減少，當(dāng)向上的壓力大于向下的作用在閥組件力時(shí)，針閥打開，噴油器開始噴油。電磁鐵斷電后, 閥球關(guān)閉，控制腔內(nèi)壓力上升，閥組件受到向下的壓力大于針閥受到向上的力，針閥關(guān)閉，噴油器停止噴油。共軌噴油器根據(jù)電控單元發(fā)出控制信號(hào)，將高壓油以最佳的噴油定時(shí)，噴油量和噴油率噴射到燃燒室[6]。

2噴油器模型的建立

根據(jù)高壓共軌噴油器的噴油特性,將噴油器當(dāng)作由電磁、液壓和運(yùn)動(dòng)等系統(tǒng)組成，將其分為電磁鐵運(yùn)動(dòng)模型、容積腔模型和閥件模型。

2.1　電磁鐵運(yùn)動(dòng)模型

根據(jù)電磁鐵響應(yīng)特性以及電磁鐵受力平衡方程，將其分為3個(gè)基本方程：電路方程、磁路方程和機(jī)械方程，即

(1)

m, x分別為銜鐵片的質(zhì)量和位移；Fma為電磁力；Fhy為銜鐵片所受的液壓力；Ff為銜鐵片所受的摩擦力；Fsp為閥彈簧力。

(2)

Φ為磁通量；u0為空氣磁導(dǎo)率；sg為氣隙導(dǎo)磁面積。

(3)

U為驅(qū)動(dòng)電壓；R為線圈電阻；I為線圈中的電流；L為線圈電感。

(4)

N為線圈匝數(shù)；R0為磁路中總磁阻。

2.2　容積腔模型

對于容積腔模型，如控制腔，蓄壓腔等，在建立模型時(shí)，其數(shù)學(xué)模型是基于流量守恒方程：

(5)

V為容積腔體積；E為燃油的彈性模量；p為容積腔的燃油壓力；Qi為容積腔燃油流量。

由流體的可壓縮性和連續(xù)方程，可得容積腔的流量：

μ為流量系數(shù)，對于沒有氣穴現(xiàn)象的液流管，μ與孔的幾何形狀，液體流速，液體密度以及黏度相關(guān)；A為有效面積；ρ為燃油的密度；Δp為兩端壓力差。

2.3　閥件模型

閥件是外力驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)的一種機(jī)構(gòu),如針閥,閥組件等,根據(jù)牛頓第二定律,閥件的數(shù)學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)方程：

(6)

Fc為控制腔燃油壓力；Fs為針閥處彈簧力；Fz為針閥座處的燃油壓力；Fp為蓄壓腔燃油壓力；Ff為針閥組件受到的阻力；mz為針閥組件的質(zhì)量；y為針閥升程。

3噴油器AMESIM模型

采用AMESIM仿真軟件對某高壓共軌噴油器進(jìn)行仿真建模，噴油器的基本參數(shù)如表1所示。

表1某高壓共軌噴油器主要參數(shù)

參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)名稱參數(shù)值共軌燃油壓力/bar1600針閥質(zhì)量/g90進(jìn)油孔直徑/mm0.28針閥直徑/mm4.3出油孔直徑/mm0.31針閥彈簧剛度/(N/m)33200控制活塞直徑/mm4.3針閥彈簧預(yù)緊力/N50控制腔容積/mm340針閥密封帶以下投影面積對應(yīng)直徑/mm2.06各處流量系數(shù)0.7針閥錐面夾角/(°)59電磁鐵閥彈簧剛度/(N/m)23000噴孔直徑/mm0.14電磁鐵閥彈簧預(yù)壓力/N100噴孔個(gè)數(shù)6

4模型校驗(yàn)

采用EFS公司的 EFS8246型瞬時(shí)流量測量儀對噴油器的噴油特性進(jìn)行測試，如圖1所示。

圖1　噴油器噴油率的仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線對比

在軌壓保持在1 600 bar的情況下,將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比對,在針閥上升開始階段,仿真噴油率曲線與實(shí)驗(yàn)噴油率曲線重合度比較好,在針閥上升的結(jié)束階段,實(shí)驗(yàn)的噴油率曲線要比仿真的噴油率曲線的斜率要大,即噴油率上升較快。在穩(wěn)定噴射階段, 實(shí)驗(yàn)的噴油率曲線與仿真的噴油率曲線趨于一致。在噴油器針閥下降階段, 仿真的噴油率曲線要比實(shí)驗(yàn)的噴油率曲線下降迅速。總體來說，該仿真模型能較好地反映出噴油器的噴油特性。

5噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴射特性的影響

5.1　進(jìn)、出油孔孔徑的影響

由上文噴油器工作原理可知，只有在滿足出油孔直徑A大于進(jìn)油孔直徑Z的情況下，控制腔才能建立壓力，噴油器針閥才能升起，噴油器才能正常工作。在軌壓1 600 bar不變的情況下，設(shè)定出油孔孔徑A=0.31 mm不變，進(jìn)油孔孔徑Z的直徑為0.280 mm, 0.285 mm, 0.290 mm, 0.295 mm時(shí)對噴油特性的影響如圖2～圖5所示。

圖2　進(jìn)油孔孔徑Z對噴油率的影響

圖3　進(jìn)油孔孔徑Z對針閥升程的影響

圖4　進(jìn)油孔孔徑Z對噴油壓力的影響

圖5　進(jìn)油孔孔徑Z對控制腔壓力的影響

由圖2～圖5可知，進(jìn)油孔直徑Z過小時(shí)，電磁鐵通電后，控制腔內(nèi)的壓力下降較快，針閥開啟速度較快，導(dǎo)致噴油速率上升較快；電磁鐵斷電后，壓力室內(nèi)的壓力上升緩慢，針閥關(guān)閉速度較慢，導(dǎo)致斷油較慢，而且由于針閥腔的壓力波動(dòng)，還有可能產(chǎn)生二次噴射，影響噴射效果。隨著進(jìn)油孔直徑Z的增大，進(jìn)油量和出油量的差值減小，控制腔壓力下降緩慢，針閥開啟速度較慢，上升速度較慢，電磁鐵斷電以后，控制腔壓力上升迅速，針閥落座迅速，使針閥提前關(guān)閉，噴油器持續(xù)噴射的時(shí)間較短。當(dāng)進(jìn)油孔直徑Z增大到一定程度，由于控制腔內(nèi)壓力下降過慢導(dǎo)致針閥無法正常打開。

在軌壓1 600 bar不變的情況下，設(shè)定進(jìn)油孔孔徑Z=0.28 mm，給出出油孔孔徑A的直徑為0.31 mm,0.32 mm,0.33 mm,0.34 mm時(shí)對噴油特性的影響，如圖6～圖9所示。

圖6　出油孔孔徑A對噴油率的影響

圖7　出油孔孔徑A對針閥升程的影響

圖8　出油孔孔徑A對噴油壓力的影響

圖9　出油孔孔徑A對控制腔壓力的影響

從圖6～圖9可以看出，當(dāng)出油孔孔徑A過小時(shí)，電磁鐵通電后，控制腔內(nèi)的壓力不能迅速下降，噴油器的針閥抬起較慢，噴油速率上升較慢；當(dāng)出油孔孔徑A增大時(shí)，電磁鐵開啟后，控制腔壓力下降迅速，針閥抬起時(shí)刻早，針閥上升迅速，快速到達(dá)持續(xù)噴油期，出油孔直徑越大，噴油率上升越快，噴油時(shí)間越長。隨著出油孔直徑的增大，由于控制腔壓力下降較快，針閥開啟時(shí)間相對提前，且電磁鐵斷電后控制腔壓力下降較大，進(jìn)油孔需要較長的時(shí)間使控制腔壓力升高，導(dǎo)致針閥關(guān)閉滯后。

綜上所述，進(jìn)油孔和出油孔孔徑的選擇應(yīng)盡可能保證針閥既能夠迅速開啟又能快速關(guān)閉，其選擇的大小對噴油器的噴油過程有直接的影響。

5.2　控制腔容積的影響

在軌壓1 600 bar不變的情況下，給出控制腔容積為0.015 cm3，0.030 cm3，0.045 cm3，0.060 cm3時(shí)對噴油特性的影響，如圖10～圖13所示。

圖10　控制腔容積對噴油率的影響

圖11　控制腔容積對針閥升程的影響

圖12　控制腔容積對噴油壓力的影響

從圖10～圖13可以看出，當(dāng)容積較小時(shí)，電磁鐵通電后，控制腔內(nèi)的壓力下降較快，針閥迅速開啟噴油，當(dāng)電磁鐵斷電后，控制腔內(nèi)的壓力迅速升高，針閥關(guān)閉較快，斷油迅速。增大控制腔容積，噴油開啟的時(shí)間推遲，斷油的時(shí)間基本不受影響，這樣導(dǎo)致噴油持續(xù)的時(shí)間減少，進(jìn)而噴油量減少。即在其他條件一定的情況下，噴油量會(huì)隨著控制腔容積的增大而減小。

6結(jié)束語

在此利用仿真軟件AMESIM建立高壓共軌噴油器的仿真模型，對噴油器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析比較，得到噴油器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油特性的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

a.控制腔的進(jìn)出油孔孔徑對噴油率的影響較大，在設(shè)計(jì)時(shí)要合理選擇孔徑。進(jìn)油孔直徑的變化，

圖13　控制腔容積對控制腔壓力的影響

對針閥的開啟與關(guān)閉都有影響，尤其對關(guān)閉的時(shí)候影響更大。出油孔直徑的變化，主要影響針閥的開啟速度。

b.控制腔容積的大小主要影響針閥的開啟，在確保針閥正常開啟的情況下，盡可能的減少控制腔的容積，來保證噴油器的響應(yīng)速度。

參考文獻(xiàn)：

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