高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油量特性影響的研究

1、高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油量特性影響的研究張建新1施光林1胡林峰2(1 . 上海交通大學機械與動力工程學院 ,上海 ;2 . 無錫油泵油嘴研究所 ,江蘇 無錫)摘要通過對高壓共軌噴油器的建模 、計算和試驗 ,研究了進 、出油節(jié)流孔孔徑 、孔徑比 ,控制活塞直徑 ,針閥密封座面直徑 ,調(diào)壓彈簧預緊力和油嘴噴孔直徑等參數(shù)對噴油量特性的影響 ,并分析了產(chǎn)生影響的原因 。關鍵詞高壓共軌噴油器噴油量特性模擬計算生影響的原因 ,研究結(jié)果為開發(fā)新型的噴油器提供了依據(jù) 。1概述為滿足日益提高的性能與排放要求 ,柴油機電控化已成為必然趨勢 。而柴油機電控的核心便 是電控燃油噴射系統(tǒng) 。電控高壓共軌系統(tǒng)因其具

2、有高平均有效噴射壓力 、自由的噴油定時控制 、噴 油壓力與轉(zhuǎn)速無關以及能實現(xiàn)預噴 、后噴 ,甚至更 多次的噴射等特點 ,從 20 世紀末投入實際應用以 來得到了廣泛的認同和推廣 。目前 ,德國 bo sch 、日本 denso 以及 delp hi 、siemens 等公司都已相繼 推出各自的高壓共軌系統(tǒng) 。與傳統(tǒng)的泵 - 管 - 嘴系統(tǒng)相比 ,高壓共軌系 統(tǒng)中燃油的計量和噴射定時兩項關鍵功能已由高 壓供油泵轉(zhuǎn)移到電控噴油器上 。共軌噴油器的結(jié) 構(gòu) 、工作過程的復雜程度已非傳統(tǒng)噴油器可比 ,對 它的一些關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的選定 ,將影響到噴油器 乃至整個系統(tǒng)的工作特性 。在目前的高壓共軌系統(tǒng)中 ,應

3、用最廣的噴油器是電磁鐵控制的高壓共軌噴油器 ,典型代表是 bo sch 和 denso 公司的產(chǎn)品 。兩個公司的噴油器 雖然在具體結(jié)構(gòu)形式上有所不同 ,但工作的原理 和關鍵 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 的 作 用 是 一 樣 的 。本 文 擬 用avl 的 hydsim 軟件 , 以日本 denso 公司的噴油 器為原型進行模擬計算并作試驗研究 ,探求噴油 器進出油節(jié)流孔孔徑 ,孔徑比 ,控制活塞直徑 ,針 閥密封座面直徑 ,調(diào)壓彈簧預緊力和油嘴噴孔直 徑等參數(shù)對噴油量特性的影響 ,并著重分析了產(chǎn)2 計算模型的建立2 . 1噴油器結(jié)構(gòu)及工作過程共軌噴油器的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 ,它由上部的 電 磁控制閥 、

4、中部的控制活塞和下部的噴油嘴偶圖 1 噴油器結(jié)構(gòu)件組成 。當電磁鐵通電時 ,控制閥在電磁力作用下克服彈簧力而開啟 ,出油節(jié)流孔打開 。由于油 液流動 ,通過進油節(jié)流孔后的壓力損失致使控制 室壓力下降 ,此時作用在針閥承壓環(huán)帶上的壓力 沒有變 。當針閥上受到的液壓力大于控制活塞所受液壓力與調(diào)壓彈簧力之和時 ,針閥開啟 ,噴油器 開始噴油 。當電磁鐵斷電時 ,控制閥在彈簧力作 用下落座 ,出油節(jié)流孔被關閉 。此時 ,共軌中的高 壓燃油通過進油節(jié)流孔繼續(xù)進入控制室 ,控制室 壓力升高等于進油壓力 ,而由于控制活塞的面積大于油嘴針閥承壓面積 ,則在控制活塞上端的液 壓力和調(diào)壓彈簧力的共同作用下 ,油嘴

5、針閥關閉 , 噴油器進而斷油 ?？梢?,共軌噴油器是通過控制電磁鐵的通電 時刻來控制噴油始點 ;在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下 ,電磁鐵通電時間的長短 (對應控制脈寬的大小) 決定了噴 油量的大小 。而油嘴針閥的運動速度以及由此造 成的噴油器的響應 、噴油規(guī)律等 ,又與由結(jié)構(gòu)參數(shù) 決定的噴油器液力特性相關 。因此 ,通過計算機 仿真來研究噴油器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油量特性的影響就有著特別重要的意義 。2 . 2 計算模型avl 的 hydsim 軟件是一個液力模擬計算軟 件 ,尤其適合于柴油機燃油系統(tǒng)的模擬計算 。在建 模時 ,首先要將對象按要求分解成管道 、容積 、節(jié)流孔 、活塞 、閥 、彈簧 、電磁鐵等基本元

6、件 ,再加上針 閥 、油嘴等專用元件以及有關邊界 ,按相互之間的 關系 ,通過液力 、機械及特殊方式聯(lián)結(jié) ,形成模型 。 然后須對各元件及邊界進行參數(shù)設置 。本研究所涉 及的高壓共軌噴油器的 hydsim 模型如圖 2 所示 。在模擬計算中 ,作如下假設 :1) 在噴油過程中 ,燃油的溫度保持不變 ;2) 不考慮各部件的彈性變形 ;3) 假設噴油器在工作過程中共軌壓力 、汽缸 壓力為恒定值 ;4) 僅考慮控制活塞偶件 、控制閥偶件及油嘴 偶件的泄漏 。模擬計算的基本方程可用粘性流體一維不穩(wěn) 定流動方程來表示 。圖 2 高壓共軌噴油器模擬計算模型燃油壓縮性方程 : d p = - e d v ;

7、vcdd2 pp22流量方程 : q = cd a=;4d2 x受力平衡方程 : m = f2 , d2 t式中 :為燃油密度 , u 為燃油流速 , p 為壓力 ,為燃油動力粘度 , f1 為作用在受控流體上的流動 阻力的合力 , e 為燃油體積彈性模量 , v 為受控 流體 體 積 , q 為 流 量 , p 為 壓 差 , cd 為 流 量 系 數(shù) , a 為通流截面面積 , d 為孔徑 , f2 為作用在運 動件上的合力 ,m 為運動件質(zhì)量 。模型中各元件的計算方程由上述基本方程根 據(jù)各自具體情況推導建立 ,這里不再贅述 。2 . 3 計算與試驗結(jié)果對比圖 3 是 共 軌 壓 力 80

8、 m pa 、100 m pa 及 120m pa 下 ,噴油量特性計算與試驗結(jié)果的比較 。由 圖示曲線可見 ,計算結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好 ,模型能較真實地反映實際噴油器的特性 。連續(xù)性方程 : 9+ 9 + 9 u = 0 ;9 t9 x9 x2動量方程 : 9 u + 9 u + 19 p = -f1 + 4 9u ;9 t9 x 9 x9 x 23噴油器主要參數(shù) :1 . 進油節(jié)流孔直徑 0 . 2 mm ;2 . 出油節(jié)流孔直徑 0 . 3 mm3 . 油嘴噴孔 6 0 . 21 mm ,針閥密封座面直徑 2 . 0 mm ;4 . 控制活塞直徑 5 . 0 mm ;5 . 調(diào)壓彈簧

9、預緊力 56 . 5 n圖 3計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比較圖 4 噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油量特性的影響曲線則出現(xiàn)近似線性上升的形態(tài) 。當孔徑絕對值超過一定數(shù)值 ,噴油特性曲線開始出現(xiàn)前后分化 ,前部 的噴油量隨著脈寬的增加上升迅速 ,后部的則明 顯變緩 ,到一定脈寬后甚至小于小孔徑時的噴油 量 。3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油量特性的影響分析3 . 1進 、出油節(jié)流孔孔徑的影響圖 4 (a) 是在共軌壓力 100 m pa 時 ,在一定的 流量系數(shù)下 ,不同出油節(jié)流孔與進油節(jié)流孔孔徑之比 (以下簡稱孔徑比) 下 ,噴油器的噴油量特性 曲線比較 。由圖可見 ,孔徑比對噴油量特性的影響較為明顯 ,在相同的控制脈寬下

10、,噴油量隨著孔 徑比的增大而增大 。當孔徑比較小時 ,在曲線前半部分 ,噴油量隨控制脈寬的增大上升較緩 ,這對 小油量控制比較有利 。但過小時 ,在合理可行的控制脈寬范圍內(nèi) ,噴油器工作能力將難于滿足要 求 。隨著孔徑比的增大 ,噴油量特性曲線前部的斜率不斷變大 ,當孔徑比達到一定值時 ,在特性曲 線中間將出現(xiàn)一比較明顯的轉(zhuǎn)折點 ,在此點前后曲線斜率差別較大 。當孔徑比過大時 ,在曲線前 部對應的工作范圍內(nèi) ,噴油量隨控制脈寬的變大而迅速增加 ,這容易造成噴油量的散差較大 ,小油 量控制困難 ;而后部對應的工作范圍內(nèi) ,噴油量隨控制脈寬變大增加緩慢 。與前面相比 ,增加同樣 噴油量脈寬須增加更

11、多 。下面通過研究噴油器油嘴針閥的運動規(guī)律 ,可以分析和找出產(chǎn)生上述現(xiàn) 象的原因 。圖 5 是在共軌壓力 100 m pa 時 ,三種不同孔 徑比下的油嘴針閥升程曲線 。從圖示曲線可看出 ,在一定的壓差和時間內(nèi) ,在針閥未完全開啟階 段 ,密封座面處的節(jié)流是影響噴油量的主要因素 。當孔徑比較小時 ,在一定控制脈寬范圍內(nèi) ,由于針 閥在液力作用下上升速度慢 ,開啟量隨控制脈寬的變大增加緩慢 ,因而噴油量增加緩慢 ;當孔徑比 較大時 ,針閥上升速度快 ,相同控制脈寬下的開啟量大 ,從而噴油量也大 。對應針閥升程曲線和噴 油量特性曲線可以看出 ,在較大孔徑比下 ,噴油量特性曲線上的轉(zhuǎn)折點正好在針閥完

12、全開啟的控制 脈寬點左右 ,而在小孔徑比下沒有這樣的點 ,足以說明在計算脈寬范圍內(nèi) ,針閥都沒有完全開啟 。 除了孔徑比變化對噴油量特性有很大的影響外 ,在孔徑比不變的情況下 ,計算結(jié)果顯示 ,孔徑 絕對值的變化同樣對噴油特性曲線的形態(tài)會產(chǎn)生較大的影響 ,如圖 4 ( b) 所示 。當孔徑絕對值較小 時 ,特性曲線呈現(xiàn)出前部小油量區(qū)域較平坦 ,后部圖 5 不同節(jié)流孔徑比下的針閥升程3 . 2 控制室容積的影響在高壓共軌系統(tǒng)的工作壓力范圍內(nèi) ,燃油的 可壓縮性已不能忽略 ,控制活塞上部的控制室容積的大小 ,將影響到控制活塞及與之相連的油嘴 針閥的運動速度 ,從而影響針閥開啟的有效時間 , 最終影

13、響噴油量 。計算結(jié)果表明 ,控制室容積的 變化對噴油特性曲線的形態(tài)影響不大 ,如圖 4 ( c) 所示 。表 1 給出了在共軌壓力 100 m pa ,控制脈寬 1 . 5 ms 時控制室容積對噴油持續(xù)期 、噴油量的 影響 。在其它參數(shù)一定的條件下 ,噴油量隨著控 制室容積的增大而減小 。圖 6 為對應表中序號為1 、3 、5 的三種控制室容積噴油規(guī)律曲線 。從圖中 可以看出 ,控制室容積主要影響噴油始點 ,而斷油時刻基本相同 ,因而隨著控制室容積的增大 ,噴油 始點推遲將導致噴油持續(xù)期縮短 ,最終使噴油量 降低 。當控制室容積過大時 ,噴油器響應速度降 低 ,將會影響預噴射的控制 。表 1

14、控制室容積對噴油特性的影響項目123456控制室容積/ mm3噴油持續(xù)期/ ms單次噴油量/ mm349 . 92 . 0257 . 81 . 9967 . 61 . 9575 . 51 . 9283 . 31 . 8991 . 21 . 86116 . 3 113 . 8 111 . 0 108 . 5 106 . 0 103 . 1同 ,但針閥運動速度在活塞直徑大時要小 ,最終導致噴油量的差異 。在控制脈寬較小時 ,控制活塞 直徑大的噴油器針閥甚至不能完全打開 ,造成噴 油量差異加大 。3 . 4調(diào)壓彈簧預緊力的影響在共軌噴油器中 ,雖然作用于針閥上的液壓 力遠大于調(diào)壓彈簧的作用力 ,但調(diào)

15、壓彈簧預緊力 的變化依然對噴油器的特性產(chǎn)生較為明顯的影 響 。圖 4 (f ) 是在共軌壓力 100 m pa ,不同調(diào)壓彈 簧預緊力下的噴油量特性曲線 。從圖示曲線可知 ,當預緊力在合理的范圍內(nèi)變化時 ,預緊力對特 性曲線形態(tài)影響不大 ,但對噴油量有一定的影響 。 在相同的控制脈寬下 ,噴油量隨預緊力的增大而 減小 。圖 8 所示的噴油規(guī)律顯示 ,隨著預緊力的 增大 ,噴油器噴油始點推遲而停油點提前 ,從而造成噴油量減少 。圖 6 不同控制室容積下的噴油規(guī)律曲線3 . 3 控制活塞直徑的影響控制活 塞 直 徑 對 噴 油 量 特 性 的 影 響 見 圖 4 ( d) 。從圖中可以看出 ,隨著

16、活塞直徑的減小 ,噴 油特性曲線的變化趨勢與 3 . 1 中孔徑比增大時相 類似 ?？刂苹钊詫娪吞匦援a(chǎn)生如此明顯的影響 , 一個原因是在相同的進 、出油節(jié)流孔徑 下 ,因小直徑活塞相同的位移所需排出油量較少 , 從而運動速度較快 ,針閥開啟快 ,噴油量大 。另一 原因是計算時假設針閥關閉時承壓環(huán)帶面積沒 變 ,因而活塞直徑變小時 ,作用在活塞 - 頂桿 - 針閥上的壓力差變小了 ,這也增加了針閥的開啟速 度 。由于針閥的開啟速度除了受調(diào)壓彈簧力影響 外 ,主要是由控制活塞上部與針閥承壓環(huán)帶上的 液壓力差決定的 ,因此 ,在噴油器設計時 ,活塞面積與針閥承壓面積須一起考慮 。圖 4 (

17、e) 是在活 塞面積與針閥承壓面積比不變的條件下 ,控制活 塞直徑變化時的噴油特性曲線 。結(jié)果顯示 ,在大 控制脈寬時 , 油量趨于一致 , 而在較小控制脈寬 下 ,油量差異較大 。從圖 7 所示的針閥升程曲線(共軌壓力 100 m pa ,控制脈寬 2 . 0 ms 和 1 . 3 ms)可以看到 ,在上述面積比一樣時 ,噴油開始時刻相圖 8 不同彈簧預緊力下的噴油規(guī)律3 . 5油嘴參數(shù)的影響在油嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)中 ,噴孔孔徑與噴孔數(shù)對噴 油量有最直接的影響 。同時 ,對某一系列油嘴來 說 ,密封座面直徑的變化會造成針閥承壓面積的 變化 ,因此 ,根據(jù) 3 . 3 的分析可知 ,當控制活塞直徑 (

18、即面積) 不變時 ,針閥承壓面積的變化同樣會 對噴油量產(chǎn)生影響 。圖 4 ( g) 為不同針閥密封座面直徑下的噴油 量特性曲線 。座面直徑的影響與調(diào)壓彈簧預緊力 的影響相類似 ,其機理也一樣 。圖 4 ( h) 是流量系數(shù)相同時不同噴孔直徑下 的噴油量特性曲線 。從圖上可以看出 ,在小控制 脈寬時 ,噴油量特性曲線是重合的 ;隨著控制脈寬 的增大 ,噴油量差異逐漸加大 。這主要是由于在 控制脈寬較小時 ,針閥開啟量小 ,這時座面處的通流截面小于各噴孔通流面積之和 ,座面處節(jié)流是 影響噴油量的主要因素 ,因此在其它參數(shù)都一致(下轉(zhuǎn)第 38 頁)圖 7 相同面積比不同活塞直徑下的針閥升程曲線每根電

19、極絲最多能加工 1 300 多個 0185 mm長 、0130 mm 大小的噴孔 ,電極絲對工件的相對 損耗率為 1811 % 。由于 hp1 - edm 機床加工油嘴噴孔 ,是靠中孔座面定位 ,中孔座面精加工必須放在電火花打 噴孔工序前進行 ,但目前國內(nèi)油泵油嘴廠使用的 中孔座面磨床磨座面都是靠加工好的噴孔進水冷 卻 。所以 ,使用 hp1 - edm 機床加工噴孔時 ,必 須重新考慮針閥體工藝路線 。圖 12 電壓 - 時間正常波形加工需要 37 s ,非正常情況卻要 120 s 。由此可見 , u 軸值不能 設 置 太 大 , 否 則 就 會 出現(xiàn)上面提到的短路問題 。由表 7 可知 , u 軸值 設為 0 時 , 噴 孔 直 徑 比 電 極 絲 直 徑 大 01025 01027 mm ,所以對于表 1 的 u 軸值設置 ,一般基 值不超過 20m ,步進最終值不超過 10 m 。參考文獻12 colsposal u x co mpany.posal u x co mpany.hp1 - edm inst ructio n manualhp1 - edm drawing and p roto23 趙萬生 1 電火花加工技術(shù)(上接第 5 頁)的情況下 ,噴油量也都一樣 ; 當控制脈寬加大 ,針閥開啟加大 ,座面處的通流截面大于各噴孔通