噴油器控制閥偶件燃油泄漏對噴油性能的影響

張子威，徐春龍，高怡，李春暉

中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400

0 引言

高壓共軌系統廣泛應用于柴油機領域，為降低柴油機的油耗及排放，提高動力性能，高壓共軌系統正向著超高壓、高精度、多波形噴射可控等方向發展[1-3]。噴油器長期工作在高溫、高壓、振動的惡劣環境中，精密偶件的參數設計會影響摩擦副的磨損和密封性能。在燃油壓力作用下，隨著工作時間增加，噴油器零件配合面的磨損加劇，燃油泄漏量也隨之增加，從而影響噴油器的噴油壓力和噴油性能。

Ferrari等[4]研究了噴油器平衡先導閥燃油泄漏對電磁閥和針閥的動態響應以及噴油性能的影響。Yue等[5]研究了不同軌壓下控制柱塞直徑、彈性模量以及柱塞套直徑對燃油泄漏的影響。郭世龍等[6]應用Box-Behnken分析常規噴油器結構參數對泄漏特性的影響。游鵬[7]應用Fluent軟件模擬噴油器針閥偶件不同結構參數下偶件內的流場，分析不同閥芯偏心角度、偶件密封長度以及間隙對密封特性的影響?，F有噴油器泄漏的研究多針對常規噴油器，很少涉及滑閥式超高壓共軌噴油器，以及控制閥偶件對噴油器性能的影響。

研究噴油器偶件的燃油泄漏可以為高壓共軌噴油器的設計和性能優化提供參考和依據。本文中針對超高壓共軌噴油器控制閥的柱塞和滑閥2個精密偶件，進行噴油過程仿真和試驗研究，應用數值模擬方法研究噴油器控制柱塞和滑閥偶件的泄漏特性，以及不同偶件間隙時燃油泄漏對噴油性能的影響。

1 噴油器結構及工作過程

a)共軌噴油器 b)噴油器控制閥偶件圖1 噴油器及噴油器控制閥偶件結構

噴油器及噴油器控制閥偶件結構如圖1所示。噴油器主要包括電磁閥部分、控制閥偶件、液壓伺服部分以及噴嘴組件[8-9]。噴油器控制閥偶件包括控制柱塞和控制滑閥2個精密偶件，分別由控制滑閥、控制柱塞、柱塞套上部和下部構成。

噴油器的噴油開始過程：電磁閥線圈通電，低壓出油口打開，控制腔內的燃油通過控制滑閥下端的小孔瀉出并流入低壓腔，針閥與針閥座脫離，燃油噴入氣缸。噴油器的噴油停止過程：電磁閥斷電，低壓出油口關閉，高壓燃油經過控制滑閥上的小孔進入滑閥上的蓄壓腔，當蓄壓腔中的燃油超過一定壓力時，控制滑閥受到液壓力作用下落，燃油通過控制滑閥上的孔道流入控制腔，針閥向閥座運動并與其密封，噴油終止。

2 模型建立及試驗驗證

基于共軌噴油器結構及工作原理，應用 AMESim軟件創建仿真模型，建立電磁閥、滑閥偶件、控制柱塞偶件和針閥等部件的計算模型，其中高壓供油泵用恒壓源替代，燃油特性模擬采用元件庫中的FP04子模型，控制柱塞偶件和滑閥偶件泄漏模型采用BAF11子模型，模型結構如圖2所示。

圖2 噴油器一維仿真模型

根據實際工況以及噴油器工作特點，建模過程中對模型進行簡化：1)本文中主要研究單次噴油特性，燃油溫度設為常數，AMESim提供了一個在一定溫度和壓力下具有相應物理參數的柴油流體模型；2)忽略系統內各零件的彈性變形以及彈簧自振；3)忽略加工誤差導致的密封件泄漏，僅考慮偶件內的泄漏。

噴油器一維數值仿真模型主要由噴射信號控制、電磁閥以及燃油供給模塊等組成，模型參數設置如表1所示。

表1 仿真模型參數設置

在試驗臺上對高壓共軌噴油器進行了噴油測試試驗，將試驗結果與一維模型的循環噴油量仿真結果進行對比，以驗證模型的合理性。共軌試驗臺主要包括：噴油量測量裝置、電控模塊、監控計算機、數據采集儀、各種傳感器、高壓供油泵、共軌管、共軌噴油器等，試驗分別測量2種軌壓(140、200 MPa)和5種噴射脈寬(0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 ms)條件下噴油器的單循環噴油量。不同軌壓和噴射脈寬下循環噴油量仿真與試驗結果對比如圖3所示。

a)軌壓140 MPa b)軌壓200 MPa圖3 不同軌壓和噴射脈寬下循環噴油量仿真與試驗結果對比

由圖3可知，試驗結果與仿真的相對誤差小于10%，在工程誤差范圍內，說明仿真模型可有效模擬噴射過程。在模型可靠性得到驗證后，分別對控制柱塞和控制滑閥偶件不同間隙的燃油泄漏，以及控制柱塞偶件間隙、控制滑閥偶件間隙對噴油性能的影響進行仿真分析。

3 結果與分析

3.1 偶件泄漏分析

間隙寬度對燃油泄漏影響顯著，本文中選取偶件間隙為0.002～0.006 mm(噴油器實際工作中偶件磨損可能超出這一范圍)。不同間隙下控制柱塞偶件和控制滑閥偶件的燃油泄漏流率曲線如圖4所示。

a)控制柱塞偶件 b)控制滑閥偶件圖4 不同間隙下控制柱塞偶件和控制滑閥偶件燃油泄漏流率對比

由圖4可知：當控制柱塞偶件配合間隙為0.002～0.006 mm時，最大泄漏流率為0.002～0.11 mL/s；當控制滑閥偶件配合間隙為0.002～0.006 mm時，最大泄漏流率為0.02～0.68 mL/s；隨偶件間隙增大，泄漏流率增大，最大泄漏率增幅增加。

精密偶件兩端的燃油壓力差是導致燃油泄漏的主要因素。電磁閥通電后，由于存在回油，控制腔壓力降低，控制柱塞偶件的燃油泄漏方向為由柱塞下端的低壓腔向上端的控制腔泄漏[10-11]；控制滑閥落座時，控制滑閥上端與柱塞套上端封閉成一環形腔室，滑閥開啟時其上端則形成一個大的腔室，偶件的泄漏方向為由環形腔向控制腔；滑閥開啟后，上端腔室的燃油快速流入控制腔，控制腔壓力短時間內高于滑閥上端腔室，此時滑閥偶件的燃油泄漏方向為由控制腔向上端腔室。

3.2 控制滑閥偶件間隙對噴油性能的影響

噴油器內各部件對電磁信號的響應是通過液壓力的傳遞實現的，其中針閥的開閉由針閥腔和控制腔之間的壓力差驅動，控制滑閥的運動通過控制腔和滑閥頂端環形腔的壓力差驅動。噴油器精密偶件的關鍵結構參數會影響不同腔室之間的燃油泄漏，進而影響各腔室的油壓建立，這將導致噴油器部件對電磁信號的響應時間發生改變?？刂苹y偶件不同間隙下針閥開啟和關閉時間以及噴油持續期如圖5所示。

a)針閥開啟和關閉時間 b)噴油持續期圖5 控制滑閥偶件不同間隙下針閥開啟和關閉時間以及噴油持續期

由圖5可知：當滑閥偶件間隙從0.002 mm增大到0.022 mm時，針閥開啟時間縮短而關閉時間延長，導致噴油持續期增加；噴油持續期從1.02 ms增加到1.18 ms，增加幅度為15.69%。

針閥開啟時間縮短的原因是：電磁閥線圈通電，低壓出油口打開，控制腔內的燃油通過控制滑閥下端的小孔瀉出并流入低壓腔，針閥在向上合力的作用下抬起；由于滑閥偶件燃油泄漏過快，使控制腔壓力下降加快，而針閥腔壓力的波動幾乎不變，最終導致針閥的開啟提前。針閥關閉時間延長的原因是：電磁閥線圈斷電，控制腔內建立高壓，針閥受向下合力作用與閥座閉合，結束噴油；由于滑閥偶件燃油泄漏過快，在燃油由環形腔充入控制腔的過程中仍然存在泄漏，導致控制腔油壓上升緩慢，最終導致針閥關閉延遲。

控制滑閥偶件不同間隙下針閥升程和噴油速率如圖6所示。

a)針閥升程 b)噴油速率圖6 控制滑閥偶件不同間隙下的針閥升程和噴油速率

由圖6可知：控制滑閥偶件間隙為0.022 mm時的針閥升程比間隙為0.002 mm時增加約0.2 mm，偶件間隙增大不僅使針閥提前開啟、延遲關閉，也使針閥升程明顯增加；當滑閥偶件間隙從0.002 mm變化到0.022 mm，最大噴油速率從0.17 L/s增大到0.23 L/s，增加幅度為35.29%。

控制滑閥偶件不同間隙下循環噴油量、循環泄漏量與基準回油量(控制滑閥偶件間隙為0.002 mm時循環回油量)的比值曲線如圖7所示。

a)循環噴油量 b)循環泄漏量與基準回油量的比值圖7 控制滑閥偶件不同間隙下循環噴油量以及循環泄漏量與基準回油量的比值

由圖7可知：控制滑閥偶件間隙從0.002 mm變化到0.022 mm，循環噴油量從230 mm3增大到280 mm3，增幅為21.7%；控制滑閥偶件間隙較小時，控制滑閥偶件循環泄漏量與基準回油量之比較小，對噴油器性能的影響也較小。

3.3 控制柱塞偶件間隙對噴油性能的影響

控制柱塞偶件不同間隙下針閥開啟和關閉時間以及噴油持續期如圖8所示。

a)針閥開啟和關閉時間 b)噴油持續期圖8 控制柱塞偶件不同間隙下針閥開啟和關閉時間及噴油持續期

由圖8a)可知：當控制柱塞偶件間隙從0.002 mm變化到0.012 mm時，針閥開啟時間保持1.32 ms不變，關閉時間保持2.38 ms不變；當控制柱塞偶件間隙大于0.012 mm時,針閥開啟時間延長而關閉時間縮短。由圖8b)可知:當控制柱塞偶件間隙從0.002 mm變化到0.012 mm時,噴油持續期保持1.02 ms不變；控制柱塞偶件間隙從0.017 mm變化到0.022 mm時，噴油持續期從1.00 ms下降到0.96 ms，噴油持續期呈現先不變后縮短的趨勢，總體減小幅度為5.8%。

產生上述現象的原因是：電磁閥線圈通電，低壓出油口打開，控制腔內的燃油通過控制滑閥下端的小孔瀉出并流入低壓腔，當控制柱塞偶件燃油泄漏過快，高壓腔中的燃油充入控制腔，使控制腔壓力下降減緩，而針閥盛油腔內壓力變化很小，導致針閥開啟延遲；噴油終止時電磁閥斷電，高壓燃油經過控制滑閥上的小孔進入滑閥上的蓄壓腔，并通過控制滑閥上的孔道流入控制腔，針閥向閥座運動并與其密封?？刂浦技加托孤┻^快，針閥盛油腔中的燃油充入控制腔，使控制腔壓力上升加快，最終導致針閥的提前關閉[13-15]。

控制柱塞偶件不同間隙下針閥升程和噴油速率如圖9所示。

由圖9可知：控制柱塞偶件間隙為0.022 mm時的針閥升程比間隙為0.002 mm時減少約0.1 mm，控制柱塞偶件間隙增大不僅使針閥延后開啟和提前關閉，也使針閥升程明顯減??；當控制柱塞偶件間隙從0.002 mm變化到0.022 mm時，最大噴油速率從0.185 L/s下降到0.175 L/s，降幅為5.4%?？刂浦技浜祥g隙增大至一定幅度時，會使噴油持續期縮短和噴油量減小。由圖6、9可知，控制滑閥與控制柱塞偶件間隙均影響噴油性能，其中控制滑閥偶件間隙對噴油性能的影響更大。

a)針閥升程 b)噴油速率圖9 控制柱塞偶件不同間隙下針閥升程和噴油速率

控制柱塞偶件不同間隙下循環噴油量、循環泄漏量與基準回油量(柱塞偶件間隙為0.002 mm時循環回油量)的比值曲線如圖10所示。

a)循環噴油量 b)循環泄漏量與基準回油量的比值圖10 控制柱塞偶件不同間隙下循環噴油量以及循環泄漏量與基準回油量的比值

由圖10可知：當控制柱塞偶件間隙從0.002 mm變化到0.022 mm時，循環噴油量從230 mm3下降到202 mm3，下降幅度為12.17%；控制柱塞偶件間隙較小時，柱塞偶件循環泄漏量與基準回油量之比較小，此時改變柱塞偶件間隙對噴油器性能的影響較小。

由上述分析可知，控制滑閥以及控制柱塞偶件配合間隙均影響噴油器噴油速率、噴油持續期和噴油量，偶件配合間隙增大會使控制滑閥和控制柱塞在柱塞套中的運動更加不穩定，容易產生擺動，進而影響噴油器各循環間噴油穩定性，導致柴油機的工作穩定性能惡化。

4 結論

本文中建立了一種滑閥式噴油器數值仿真模型，對噴油器的工作進行了模擬，分析了精密偶件燃油泄漏對噴油器液力響應及噴油器噴油性能和回油性能的影響。

1)隨著控制滑閥偶件配合間隙增大，針閥開啟時間提前、關閉時間延后，噴油器的噴油持續期呈加速增加的趨勢；控制滑閥偶件間隙增大造成噴油器液力響應變化，當控制滑閥偶件間隙由0.002 mm增大到0.022 mm時，噴油持續期和噴油速率分別增大15.68%和35.29%，循環噴油量最大增加21.7%。

2)隨著控制柱塞偶件配合間隙增大，針閥開啟時間呈先保持不變、后略有延后，關閉時間呈先保持不變后提前，噴油持續期呈現先保持不變后減短的趨勢；當控制柱塞偶件配合間隙由0.002 mm增大到0.022 mm時，噴油持續期和噴油速率分別減小5.8%和5.4%，循環噴油量減小12.17%；控制柱塞偶件配合間隙和控制滑閥偶件配合間隙均影響噴油性能，但控制柱塞偶件配合間隙的影響小于控制滑閥偶件。

3)當控制滑閥偶件和控制柱塞偶件的循環泄漏量與基準回油量相比較小時，偶件間隙變化對噴油性能的影響也較小。