王 軍， 張幽彤， 韓 樹

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系， 北京 100072； 2. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

電控噴油器(Electronic Controlled Injector,ECI)是柴油機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，能實(shí)現(xiàn)噴油參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)和多次噴射，是使柴油機(jī)滿足新排放法所必須的技術(shù)手段[1]。隨著噴油壓力的不斷提高，電控噴油器的燃油溫度升高、燃油密度下降，影響噴油量的一致性。特別是當(dāng)多次噴射后，燃油溫度變化對小噴油量噴射的影響更加明顯。目前,對燃油溫度的研究主要集中在給定初始溫度對噴油量的穩(wěn)態(tài)影響，如：SALVADOR等[2]測量和分析了共軌電控噴油器質(zhì)量流量，研究了燃油溫度對靜態(tài)流量、針閥開閉延遲和泄流量的影響；CATANIA等[3]研究了高壓噴射系統(tǒng)空化瞬態(tài)流中的燃油溫度變化規(guī)律，分析了燃油溫度對噴油流動(dòng)的影響；聶枝根等[4]研究了高壓共軌柴油機(jī)燃油狀態(tài)系統(tǒng)，說明了高壓共軌噴油系統(tǒng)的初始油溫變化及其對噴油量的影響。上述研究只宏觀地說明初始溫度對噴油量的影響，而對不同外界溫度和噴油條件下噴油器內(nèi)燃油溫度變化研究不多。

對于電控噴油器來說，由于噴油溫度直接影響噴油量的變化，其中回油溫度會(huì)使油箱溫度升高，進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)件密封效果，因此有必要研究電控噴油器燃油溫度變化幅度和影響程度。鑒于此，筆者根據(jù)燃油流動(dòng)產(chǎn)熱和傳熱的變化，研究不同條件下噴油器燃油溫度的變化特性，以期對提高電控噴油器噴油量準(zhǔn)確性提供一定的參考。

1 電控噴油器

電控噴油器由電執(zhí)行器控制噴油，主要由針閥體、針閥、控制柱塞、進(jìn)油孔、回油孔、電磁鐵和球閥等組成[5]，如圖1所示。工作原理為：當(dāng)燃油從進(jìn)油口進(jìn)入噴油器后，一部分燃油經(jīng)主油道進(jìn)入針閥腔(針閥與針閥體之間的空腔)，另一部分經(jīng)燃油進(jìn)油孔進(jìn)入控制室；當(dāng)高速電磁鐵通電時(shí),噴油器回油腔內(nèi)電磁鐵帶動(dòng)球閥打開控制室的回油孔，使得控制室內(nèi)的高壓燃油從回油孔流出，進(jìn)而使控制室內(nèi)的燃油壓力迅速降低、控制柱塞上升、針閥抬起，高壓燃油經(jīng)針閥腔開始噴油；當(dāng)高速電磁鐵斷電時(shí)，電磁

鐵推動(dòng)球閥關(guān)閉回油孔，而高壓燃油經(jīng)進(jìn)油孔進(jìn)入控制室，使得控制室內(nèi)燃油壓力上升、控制柱塞下行、針閥落座，進(jìn)而阻止燃油進(jìn)入針閥腔，噴油停止。

2 熱溫模型

由于燃油屬于黏性流體，因此噴油器內(nèi)燃油溫度高低是由燃油受熱量和接觸介質(zhì)換熱共同決定的。其中：燃油受熱量是指燃油流動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱量，包括燃油與管壁之間的摩擦生熱，以及燃油通過小噴孔噴出時(shí)的節(jié)流產(chǎn)熱；接觸介質(zhì)換熱是指燃油與管壁之間熱交換散失的部分熱量，包括燃油受動(dòng)力或壓頭驅(qū)動(dòng)時(shí)與接觸固體壁面之間產(chǎn)生的強(qiáng)迫對流換熱，以及氣缸蓋的高溫部件與針閥體之間產(chǎn)生的外界加熱。電控噴油器不同位置的熱分布如圖2所示。

2.1 傳熱學(xué)模型

2.1.1 摩擦產(chǎn)熱

由于燃油的黏性作用，在流過油道內(nèi)壁面的邊界層內(nèi)存在內(nèi)摩擦，使得整個(gè)流體內(nèi)形成均勻分布的內(nèi)熱源。設(shè)內(nèi)摩擦產(chǎn)生的摩擦剪切應(yīng)力為τ，則整個(gè)油道中產(chǎn)生的熱量[6]

(1)

式中：L為油道的長度；u為燃油的瞬時(shí)流速；A為油道的面積；r為油道的半徑。

依照光滑圓管湍流的阻力計(jì)算τ，可得

(2)

式中：h為燃油導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為燃油密度；υ為燃油運(yùn)動(dòng)黏度。

2.1.2 強(qiáng)迫對流換熱

當(dāng)燃油在針閥腔、控制室和回油腔內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于燃油與室壁接觸面較大，噴油器內(nèi)燃油流動(dòng)時(shí)有高壓驅(qū)動(dòng)，因此存在強(qiáng)迫對流換熱。強(qiáng)迫對流換熱量

Q2=k1A1(T-To)，

(3)

式中：A1為室或腔內(nèi)部與燃油接觸的換熱面積；To為室或腔壁面的溫度；T為燃油溫度；

(4)

為強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)[7]，其中Nu1為強(qiáng)迫對流換熱的Nusselt數(shù)；d1為結(jié)構(gòu)的特征直徑。

強(qiáng)迫對流換熱的Nusselt數(shù)

(5)

式中：Pr為普朗特系數(shù)；Re=νDρ/μ，為雷諾數(shù)，其中μ為動(dòng)力黏度；ν為流體運(yùn)動(dòng)平均流速；D為油道直徑。

2.2 溫度數(shù)學(xué)模型

2.2.1 定直徑油道燃油溫度

燃油在直徑不變的油道里高速流動(dòng)，采用容積法建立溫度計(jì)算模型。燃油控制體能量方程為

(6)

出口處燃油溫度T2的計(jì)算公式為

(7)

式中：m為管內(nèi)燃油質(zhì)量；cp為燃油的定壓比熱。

2.2.2 節(jié)流孔徑油道燃油溫度

燃油流經(jīng)孔徑變化的油道產(chǎn)生節(jié)流，即當(dāng)孔徑減小時(shí)，使得流通面積突縮、速度梯度劇增，因?yàn)榭s處存在著摩擦，使燃油的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成摩擦熱，節(jié)流過程中沒有熱交換及不做有用功；當(dāng)忽略動(dòng)能及勢能的變化時(shí)，應(yīng)用穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)流動(dòng)能量方程描述節(jié)流過程，有[8]

hin=hout，

(8)

Tout-Tin=V(pin-pout)/cp

(9)

成立。式中：Tin、Tout分別為節(jié)流孔入口、出口燃油溫度；V為流體體積；pin、pout分別為節(jié)流入口和出口的壓力。

3 建模與驗(yàn)證

3.1 仿真建模

AMESim (Advanced Modeling Environment Performance Simulation of Engineering System)是一款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真軟件，能完成任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)性能計(jì)算，廣泛應(yīng)用于燃油噴射、動(dòng)力傳動(dòng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等研究領(lǐng)域。根據(jù)圖1所示電控噴油器結(jié)構(gòu)組成，從熱液壓元件庫選擇相應(yīng)的元件，建立元件連接關(guān)系，構(gòu)建起電控噴油器的熱仿真模型，如圖3所示。

3.2 參數(shù)處理

以日本電裝公司的電控噴油器為對象，選用-20號柴油，仿真計(jì)算涉及的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真計(jì)算的主要參數(shù)值

在模型計(jì)算中，燃油密度是一個(gè)隨溫度變化的參數(shù)，其計(jì)算公式[9]為

ρ(p,T)=(C0+C1T+C2T2)×

exp[C3(p+C4-C5T)C6]，

(10)

式中：C0=199.269 71；C1=-0.101 948；C2=0.000 19；C3=0.543 1；C4=111 061 456.8；C5=469 742.34；C6=0.053；p為燃油壓力(Pa)。

3.3 模型驗(yàn)證

在高壓共軌噴油系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架上測試燃油溫度，主要包括噴油規(guī)律測試儀、自主開發(fā)電控單元、電流測試鉗、數(shù)據(jù)采集儀，其參數(shù)如表2所示。其中：噴油規(guī)律測試儀的油溫為20～160 ℃、分辨率為0.1 mm3/次、精度小于滿量程的±0.1%、噴射次數(shù)≤5。

選取某型小功率發(fā)動(dòng)機(jī)3個(gè)典型工況的噴油壓力和噴油脈寬進(jìn)行對比驗(yàn)證：額定工況，噴油壓力為140 MPa、噴油脈寬為1.5 ms；中等負(fù)荷工況，噴油壓力為90 MPa、噴油脈寬為1.0 ms；怠速工況，噴油壓力為55 MPa、噴油脈寬為0.7 ms。

表2 試驗(yàn)測試儀器參數(shù)

環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，高壓油泵以最大轉(zhuǎn)速壓縮燃油的溫升為20～40 ℃。表3、4分別為入口燃油溫度為40、60 ℃時(shí)，噴油器噴孔出口溫度測試值與仿真值對比。由表3可以看出：當(dāng)入口燃油溫度為40 ℃時(shí)，在噴油壓力為140 MPa、噴油脈寬為1.5 ms，噴油壓力為90 MPa、噴油脈寬為1.0 ms，噴油壓力為55 MPa、噴油脈寬為0.7 ms時(shí)，噴油器噴孔出口溫度仿真值與測試值的相對誤差分別為2.0%、7.9%、8.8%，小于10%。由表4可以看出：當(dāng)入口燃油溫度為60 ℃時(shí)，噴油噴孔出口溫度仿真值的相對誤差<10%。當(dāng)仿真值與測試值的相對誤差<10%時(shí)[10]，說明所建立高壓共軌系統(tǒng)熱仿真模型計(jì)算結(jié)果基本合理。

表3 入口燃油溫度為40 ℃時(shí)噴油器噴孔出口溫度 ℃

表4 入口燃油溫度為60 ℃時(shí)噴油器噴孔出口溫度 ℃

4 燃油溫度變化

當(dāng)電控噴油器噴油時(shí)，大部分燃油經(jīng)過針閥腔后，從噴孔噴出形成油束，剩余部分燃油進(jìn)入控制腔，經(jīng)過回油孔回到油箱中。各處燃油溫度各不相同，主要表現(xiàn)在燃油的穩(wěn)定溫度和溫升2個(gè)方面。

4.1 油溫穩(wěn)態(tài)變化

當(dāng)入口燃油溫度一定時(shí)，噴油器工作一段時(shí)間后，噴油器各腔燃油溫度均會(huì)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。當(dāng)入口燃油溫度為40、60 ℃時(shí)噴油器各腔燃油溫度如表5所示?？梢钥闯觯?/p>

1) 當(dāng)入口燃油溫度為40 ℃、噴油壓力為90 MPa時(shí)，回油腔、控制室和針閥腔的燃油溫度分別為45.7～48.5、46.4～49.7、70.4～73.5 ℃；當(dāng)噴油壓力為140 MPa時(shí)，回油腔、控制室和針閥腔的燃油溫度分別為51.5～54.3、53.1～56.5、93.2～95.3 ℃。

2) 當(dāng)入口溫度為60 ℃時(shí)，在不同噴油壓力下，噴油脈寬變化對各腔燃油溫度的影響與40 ℃的變化相似，由于入口溫度升高，使得各腔燃油溫度呈現(xiàn)基礎(chǔ)性的提高。

3) 同一入口燃油溫度下，控制室燃油溫度升高較多，回油腔燃油溫度與控制室燃油溫度接近，針閥腔燃油溫度升高幅度最大，當(dāng)噴油壓力升高時(shí)，各腔燃油溫度升高幅度進(jìn)一步增大。

表5 入口溫度40 ℃時(shí)噴油器各腔燃油溫度 ℃

回油腔燃油溫度與控制室燃油溫度接近的原因主要為：控制室和回油腔與進(jìn)油口位置很近，節(jié)流孔引起燃油產(chǎn)熱不多，使得控制室和回油腔燃油溫度與進(jìn)油口溫度相差在10 ℃左右。針閥腔燃油溫度與進(jìn)油口溫度相差較大的原因?yàn)椋横橀y腔通過長油道和多個(gè)節(jié)流孔與進(jìn)油口連接，摩擦產(chǎn)熱和節(jié)流產(chǎn)熱多使得針閥腔燃油溫度升高幅度較大。

4.2 燃油溫升變化

4.2.1 入口溫度

當(dāng)噴油壓力為140 MPa、噴油脈寬為1.5 ms時(shí)，不同入口燃油溫度下控制室、回油腔燃油溫度變化曲線如圖4所示。由圖4(a)可以看出：

1) 當(dāng)入口燃油溫度為40 ℃、噴油器不噴油(球閥關(guān)閉回油孔)時(shí)，燃油通過進(jìn)油孔節(jié)流，控制室燃油溫度約為44 ℃；當(dāng)噴油器開始噴油(球閥打開回油孔)時(shí)，燃油溫度從47.0 ℃迅速下降到40.7 ℃，柱塞上移使控制室內(nèi)燃油溫度上升到60.7 ℃，溫升為20.7 ℃；噴油結(jié)束后，燃油溫度緩慢下降到56.5 ℃。

2) 當(dāng)入口燃油溫度為60 ℃時(shí)，燃油溫度變化與40 ℃的變化趨勢相同，最高溫升為28.8 ℃。

上述結(jié)果說明：入口燃油溫度越高，控制室燃油溫度上升的幅度越大；噴油結(jié)束后，由于控制室內(nèi)燃油與室壁面之間的傳熱，入口燃油溫度為40、60 ℃時(shí)控制室的燃油最高溫度分別下降了4.2、7.0 ℃，主要原因是燃油溫度越高，在同一表面、相同時(shí)間內(nèi)對流傳熱的能量越多。

由圖4(b)可以看出：當(dāng)入口燃油溫度為40、60 ℃時(shí)，開始噴油時(shí)回油腔內(nèi)燃油溫度分別上升到63.7、84.9 ℃，最后分別穩(wěn)定到54.3、80.7 ℃。分析其原因?yàn)椋寒?dāng)回油孔打開時(shí)，燃油通過回油孔發(fā)生節(jié)流產(chǎn)熱，使得溫度繼續(xù)升高；當(dāng)燃油在回油腔流動(dòng)時(shí)，由于燃油與壁面之間存在換熱，燃油溫度有一些下降。

在噴油壓力140 MPa、噴油脈寬1.5 ms的條件下，不同入口溫度下針閥腔燃油溫度變化曲線如圖5所示。

由圖5可以看出：

1) 當(dāng)入口燃油溫度為40 ℃、噴油器不噴油時(shí)，燃油溫度下降平緩；當(dāng)開始噴油時(shí)，針閥腔內(nèi)燃油溫度迅速上升至77.6 ℃，隨后又下降至52.3 ℃；噴油結(jié)束時(shí)，燃油溫度迅速上升至105.2 ℃，最后穩(wěn)定到95.3 ℃。

2) 當(dāng)入口燃油溫度為60 ℃時(shí)，燃油溫度變化與40 ℃時(shí)相似：當(dāng)噴油器開始噴油時(shí)燃油溫度迅速上升至93.6 ℃，隨后又下降至86.3 ℃，最高溫度110.9 ℃，最后穩(wěn)定到104.6 ℃。

當(dāng)入口燃油溫度為40、60 ℃時(shí)，燃油最大溫升分別為65.2、50.9 ℃。引起溫度變化的原因?yàn)椋喝加驮卺橀y腔內(nèi)高速流動(dòng)時(shí)，孔徑變化的節(jié)流產(chǎn)熱使燃油溫度迅速上升；隨著后續(xù)低溫燃油流入，針閥腔內(nèi)燃油溫度迅速下降，當(dāng)針閥落座時(shí)，針閥腔內(nèi)燃油在短時(shí)間內(nèi)被壓縮，使燃油溫度又升高一些；但由于對流傳熱的作用，針閥腔燃油溫度平緩下降。

4.2.2 噴油壓力

在入口燃油溫度40 ℃、噴油脈寬1.5 ms的條件下，不同噴油壓力下控制室、針閥腔的燃油溫度變化曲線如圖6所示。

由圖6(a)可以看出：噴油壓力90、140 MPa對應(yīng)的控制室燃油最高溫度分別為54、60.7 ℃，穩(wěn)定溫度分別為49.7、56.5 ℃，最大溫升分別為14.0、20.7 ℃，表明高噴油壓力使得燃油溫度明顯上升。

由圖6(b)可以看出：

1) 當(dāng)噴油壓力為90 MPa時(shí)，噴油器不噴油時(shí)針閥腔內(nèi)燃油溫度稍有下降；當(dāng)噴油器開始噴油時(shí)，針閥腔內(nèi)燃油溫度迅速上升而后下降；當(dāng)噴油結(jié)束時(shí)，燃油溫度上升至最高溫度80.1 ℃，隨后緩慢下降穩(wěn)定在72.5 ℃。

2) 當(dāng)噴油壓力為90、140 MPa時(shí)，針閥腔燃油溫升分別為32.5、45.3 ℃，比控制室的更為明顯。這說明噴油壓力越大，針閥腔內(nèi)燃油溫升幅度越大。

4.2.3 噴油脈寬

當(dāng)入口燃油溫度40 ℃、噴油壓力為140 MPa時(shí)，不同噴油脈寬下控制室和針閥腔的噴油溫度變化曲線如圖7所示。

由圖7(a)可以看出：當(dāng)噴油脈寬為1.5 ms時(shí)，控制室的燃油最高溫度為60.7 ℃，最后穩(wěn)定在56.5 ℃左右；當(dāng)噴油脈寬為1.0 ms時(shí)，控制室燃油最高溫度為57.4 ℃，隨后穩(wěn)定在53.1 ℃左右。2種噴油脈寬對應(yīng)的控制室最高燃油溫升變化約為4.2 ℃，這說明噴油脈寬對控制室燃油最高溫度影響不大。

由圖7(b)可以看出：當(dāng)噴油脈寬為1.5 ms時(shí)，針閥腔燃油最高溫度為105.2 ℃，最后穩(wěn)定在95.3 ℃左右；當(dāng)噴油脈寬為1.0 ms時(shí)，針閥腔燃油最高溫度為97.6 ℃，隨后穩(wěn)定在93.2 ℃左右。2種噴油脈寬對應(yīng)的針閥腔最高油溫相差7.6 ℃，穩(wěn)定燃油溫度相差約3.6 ℃，說明噴油脈寬大小變化對針閥腔燃油溫度影響不大。

5 對噴油量的影響

圖5說明針閥腔燃油溫度與入口初始溫度存在著較大的溫差，考慮到噴孔長度較小和實(shí)際測試可行性等因素，應(yīng)選擇噴孔出口燃油溫度為計(jì)算溫度。

不同燃油溫度的噴油量對比如表6所示?？梢钥闯觯寒?dāng)噴油壓力為55、90、140 MPa，噴孔出口燃油溫度50、80 ℃時(shí)，噴油量計(jì)算值與預(yù)測值的相對誤差分別小于8%和5%。這說明：噴孔出口燃油溫度可反映出針閥腔內(nèi)的燃油溫度，此溫度對應(yīng)的密度與實(shí)際接近。

表6 不同燃油溫度的噴油量對比 mg

6 結(jié)論

1) 在同一入口溫度下，高噴射壓力對應(yīng)的針閥腔和控制室燃油溫度變化比低噴射壓力時(shí)劇烈，表現(xiàn)為穩(wěn)定溫度的差異，控制室和回油腔的燃油穩(wěn)定溫度接近，針閥腔的燃油穩(wěn)定溫度高出很多；不同脈寬對控制室和回油腔的燃油穩(wěn)定溫度應(yīng)影響不大，而對針閥腔的燃油穩(wěn)定溫度影響較大；初始燃油溫度高低對各處的燃油穩(wěn)定溫度影響非常顯著。

2) 對于不同燃油入口溫度，回油腔、控制室的燃油溫升接近，針閥腔的燃油溫升高出1倍多；高噴射壓力的針閥腔和控制室燃油溫升變化比低噴射壓力的大；噴油脈寬大小對控制室、針閥腔的燃油溫升影響不大。

3) 由于針閥腔燃油溫度與入口初始溫度相差較大，應(yīng)以噴孔出口燃油溫度及其密度計(jì)算噴油量，噴油量的相對誤差較小。