顧嬌嬌, 況涪洪, 吳小軍, 奚星, 徐春龍, 李春暉

中國北方發(fā)動機研究所，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發(fā)動機性能影響很大[1]。電磁閥式共軌噴油器通過控制電磁閥的通斷和通電時長控制噴油過程，通過控制噴油率和燃燒速率改善發(fā)動機的燃燒過程、降低發(fā)動機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)致針閥的開啟與關(guān)閉速度降低，噴油嘴針閥的開啟與關(guān)閉速度通常小于3 m/s[3-7]。

針閥開啟與關(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]，針閥運動速度較低時，針閥開啟與關(guān)閉階段在整個噴油持續(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)動機轉(zhuǎn)速和功率的提高要求縮短噴油持續(xù)期和增加噴油量，必須提高針閥的運動速度，減少針閥開啟與關(guān)閉階段的節(jié)流損失。基于提高噴油壓力和縮短噴油持續(xù)期的目標(biāo)，本文中提出并設(shè)計了一種雙閥結(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動速度。

本文中對常規(guī)球閥共軌噴油器和新型雙閥共軌噴油器的噴油性能進行一維仿真對比，分析新型雙閥結(jié)構(gòu)噴油器的優(yōu)勢；仿真研究影響噴油器噴油性能的各項參數(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)動機性能需求。

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、出油方式為一進一出。閥門密封方式為單向球面密封，控制閥門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)致噴油嘴針閥開啟，開始噴油;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，第一路通過進油量孔進入控制腔，然后流經(jīng)出油量孔進入低壓油路；第二路從控制活塞下端的閥門直接流入噴油嘴；第三油路通過單向閥進入噴油嘴針閥腔，隨后通過節(jié)流孔流入低壓油路。

新型雙閥結(jié)構(gòu)噴油器的工作過程：噴油前，電磁閥通電后，銜鐵受到向上的吸力打開球閥，控制腔內(nèi)的高壓燃油從出油量孔、控制腔閥門流出，控制腔壓力開始降低，當(dāng)壓力降低到一定值時，控制活塞克服彈簧的預(yù)緊力，開始向上運動，從而開啟下端閥門，高壓油路內(nèi)的燃油通過閥門流向噴油嘴，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啟，燃油從噴孔處噴出，噴油器開始噴油。

電磁閥斷電后，銜鐵復(fù)位，控制腔閥門關(guān)閉，控制腔不再通過出油孔出油，同時高壓燃油從進油孔流入，使控制腔的壓力開始增加，當(dāng)壓力增加到一定值時，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始向下運動，導(dǎo)致控制活塞下端閥門關(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，達到一定值后單向閥開啟，高壓燃油進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2種結(jié)構(gòu)噴油器進行仿真分析對比，驗證雙閥結(jié)構(gòu)共軌噴油器結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

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，重點考慮結(jié)構(gòu)對噴油性能的影響，建模時引入常壓源表示由共軌進入噴油器的高壓源，暫不考慮共軌管軌壓波動的影響。

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，在對典型球閥共軌噴油器模型進行優(yōu)化和改進的基礎(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)計結(jié)構(gòu)，在模型中增加了單向閥及開關(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

應(yīng)用高壓共軌綜合性能試驗臺和單次噴射儀對典型球閥結(jié)構(gòu)噴油器進行性能測試，通過試驗與仿真結(jié)果對比校驗仿真模型的準(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)上改進設(shè)計的，因此本文中只對典型球閥結(jié)構(gòu)噴油器模型進行性能校驗。

選取典型球閥結(jié)構(gòu)噴油器進行性能測試，噴油器有8個孔徑為0.305 mm的噴孔。設(shè)定試驗控制軌壓為180 MPa，測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數(shù)據(jù)對比如表1所示，性能測試與仿真計算結(jié)果的誤差在3%以內(nèi)，建立的模型可以代表實際噴油器的噴油規(guī)律。

表1 典型球閥共軌噴油器噴油性能仿真與試驗結(jié)果對比

2.3 性能仿真對比

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

計算方法：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?種噴油器針閥開啟和關(guān)閉速度對噴油性能的影響。

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2種結(jié)構(gòu)噴油器噴油性能對比

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，雙閥結(jié)構(gòu)噴油器的針閥開啟和關(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動速度較慢，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)計對提高針閥的運動速度具有顯著的優(yōu)勢，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)動機的燃燒和排放。

新型雙閥結(jié)構(gòu)共軌噴油器結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)點在于，噴油嘴針閥腔壓力通過泄壓變?yōu)榈蛪汉?，可降低針閥的開啟阻力；利用活塞控制進入噴油嘴高壓油路的開關(guān)，可降低對針閥的關(guān)閉阻力；增加一個單向閥，可以使進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啟與關(guān)閉速度，提高噴油量。

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

選取軌壓、針閥彈簧預(yù)緊力、開關(guān)閥的流通面積、進出油量孔直徑、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)對雙閥結(jié)構(gòu)噴油器性能的影響，進一步優(yōu)化雙閥結(jié)構(gòu)噴油器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。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)緊力對噴油器各性能參數(shù)的影響

表3 針閥彈簧預(yù)緊力對噴油器性能的影響

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、針閥運動速度和實際噴油壓力均有所增加。當(dāng)針閥彈簧的預(yù)緊力達到280 N時，噴油持續(xù)期明顯增加，對應(yīng)的平均噴油速率減少。為了達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 開關(guān)閥閥體直徑

通過改變開關(guān)閥閥體直徑(d1)，研究開關(guān)閥流通面積對噴油性能的影響，開關(guān)閥閥體直徑初始值為2.7 mm，開關(guān)閥閥體直徑對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 開關(guān)閥閥體直徑對噴油器性能的影響

圖7 開關(guān)閥閥體直徑對噴油器各性能參數(shù)的影響

由表4、圖7可知，隨著開關(guān)閥閥體直徑的增大，最大噴油速率、噴油持續(xù)期、噴油量和最大實際噴油壓力均減小，但針閥開啟和關(guān)閉速度略有增大，因此設(shè)計時應(yīng)選擇較小的開關(guān)閥閥體直徑，但開關(guān)閥閥體直徑不能過小以免噴油持續(xù)期過長。

3.3 單向閥閥孔直徑

球閥直徑(1.5 mm)保持不變，通過改變單向閥的孔徑(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，針閥開啟時刻和最大運動速度基本沒有變化，但針閥關(guān)閉時刻和最大速度明顯不同，說明單向閥閥孔直徑對針閥落座速度和關(guān)閉時刻影響較大，從而影響噴油持續(xù)期和噴油量。

圖8 單向閥閥孔直徑對噴油器各性能參數(shù)的影響

表5 單向閥孔直徑對噴油性能的影響

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 軌壓對噴油器各性能參數(shù)的影響

表6 軌壓對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180 MPa 進行優(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)在提高實際噴油壓力，與增加針閥開啟和關(guān)閉速度方面具有明顯優(yōu)勢。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。通過本結(jié)構(gòu)提高了共軌噴油器的針閥運動速度，從而在控制脈寬相同的情況下提高噴油量。

2)新型噴油器對于提高噴嘴實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)計方法對噴油器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，形成共軌噴油器試驗樣件。

下一步研究針對在更高軌壓以及不太穩(wěn)定的供油環(huán)境下，對共軌噴油器的結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化，以增強其可靠性。