柴油機電控噴油器瞬態響應分析及結構優化

張耀飛，李國祥，白書戰*，王會軍，劉本學

1.山東大學能源與動力工程學院，山東濟南 250061；2.龍口龍泵柴油噴射高科有限公司，山東龍口 265018

0 引言

現階段我國對發動機排放的要求越來越高，國六排放標準對排放的要求已經達到甚至超過歐洲排放標準。柴油機技術發展過程中兩次重大的技術革新都與燃油系統有關，電控技術的應用被認為是柴油機技術發展的一大里程碑[1]。高壓共軌噴射為第3代時間-壓力式柴油機電控燃油噴射系統，是實現柴油機國六排放標準的2條技術路線中不可或缺的關鍵一環。共軌系統的執行部件——電子噴油器的響應特性對提升燃油霧化性能有重要意義，隨著對柴油機動力性和排放性能要求的不斷提高，對噴油器在工作過程中的穩定性和可靠性也有更加嚴格的要求。噴油器主要由電磁閥的通電時間控制針閥升起調整噴油規律，因此可以通過改善針閥的響應速度提高噴油器的性能[2]。

電子噴油器的響應特性受到多種因素的影響，通過改進噴油器結構可以有效縮短針閥啟、閉時間，提高噴油器響應和動力學特性。同時，噴嘴幾何參數應保證噴嘴流通能力在整個使用過程中不變，實現在軌壓不變時噴油量不變[3]。國內外學者針對電控噴油器結構參數對性能的影響開展了大量研究。林鐵堅等[4]設計了一種新型的液力平衡式電磁閥，研究了控制室結構參數對噴油器液力響應特性和噴油規律形狀的影響，實現了對噴油規律形狀的靈活控制；Luo等[5]研究了多孔噴油器孔間燃油噴射率對柴油機性能的影響，結果表明，噴孔橫截面積減小5%，燃料噴射率和循環燃料噴射量會增加3%～15%。

本文中在分析不同參數對針閥響應速度影響的基礎上，優化噴油器結構參數以減小針閥在打開和落座的時間延遲，提高噴油器的動態響應特性，保證發動機工作穩定性和可靠性。

1 電控噴油器結構

噴油器的主要部件有電磁閥、控制閥、活塞以及針閥偶件等，噴油器結構如圖1所示。高壓燃油由共軌管輸送，在噴油器內有2條燃油輸送路線，一條通入控制活塞上方的控制室，另一條通入針閥頂部的蓄壓腔內。電磁閥不通電時，控制室內的出油孔關閉，由于控制活塞的橫截面積大于針閥錐形承壓面的面積，再加上活塞彈簧的預緊力，針閥被緊緊地壓在閥座面上；當電磁閥接收到控制信號而接通，出油孔逐漸開啟，此時控制室內燃油的流量差逐漸減小，作用在活塞上的液壓力減弱，針閥逐漸升起，燃油流入噴嘴壓力室后經噴孔噴出，形成燃油噴霧。當電磁閥斷電后，電磁力減小，液壓力不足以克服彈簧預緊力而使針閥重新落座，噴油結束。

圖1 噴油器結構

2 噴油器數學模型

2.1 流動模型

模擬計算中，假設燃油在高壓油管內的流動是沿管路的一維非定常流動，流動的連續方程、動量方程和能量方程[6-7]可以表示為：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為燃油的密度，kg/m3；x為燃油在流動方向所處位置；u為燃油沿流動方向的速度，m/s；|u|為燃油流速的絕對值，m/s；t為時間，s；c為音速，m/s；p為管路壓力，Pa；f為阻力因數；D為管道液力直徑，m。

2.2 針閥的運動方程

針閥在啟、閉過程中受到來自燃油的液壓力以及針閥彈簧的彈簧力綜合作用，分析針閥的受力情況(忽略摩擦力)，可以得到針閥的運動方程[8]：

(4)

式中：mN為針閥運動質量，kg；HN為針閥升程，m；ANa為針閥體橫截面積，mm2；ANb為針閥座面以下的投影面積，mm2；pNV為噴油嘴盛油槽內的壓力，Pa；pNI為噴油器壓力室內壓力，Pa；Ap為控制活塞橫截面積，mm2；pCV為控制室內壓力，Pa；kN為針閥彈簧剛度，N/m；HN0為針閥彈簧預變形量，m；CN為針閥阻尼系數，N·s/m。

2.3 控制腔臨界壓力

出油孔打開后，控制室內的壓力發生改變，由于多個力的作用，針閥會開啟或關閉，此時控制室內的壓力稱為控制室內的臨界壓力。噴油器針閥完全升起后，控制室內壓力下降至某一穩定壓力，稱為穩定壓力ps，此時進油孔和出油孔流量差為0[9]，即：

(5)

式中：Ai為進油孔有效流通面積，mm2；Ao為出油孔有效流通面積，mm2；pcr為共軌壓力，Pa。

整理可得：

ps=pcr/(1+(Ao/Ai)2)。

(6)

噴油器針閥彈簧預緊力一般為30～50 N，與較大的腔內壓力相比可以忽略不計，此時針閥開啟時控制腔的臨界壓力

(7)

針閥開啟時的臨界條件是ps

(8)

針閥關閉時控制腔內的臨界壓力

(9)

針閥關閉時的臨界條件為ps>pcc，代入式(6) (9)可得：

Ap>ANa。

(10)

綜合以上分析可知，影響噴油器響應特性的主要結構參數包括進、出油孔有效流通面積，控制活塞橫截面積，針閥導向體橫截面積。

3 噴油器響應特性分析

電控噴油器是高壓共軌燃油系統中控制噴射規律的執行部件，其響應速度直接影響柴油機的綜合性能。一方面，針閥迅速開啟有利于前期多噴油；另一方面，針閥快速關閉有利于快速斷油，改善噴射后期因溫度降低燃油過多造成的燃燒惡化[10-11]。

3.1 仿真分析

利用Hydsim軟件建立某二通閥電控噴油器的一維仿真模型，如圖2所示。

圖2 噴油器仿真模型

為了研究噴油器的響應特性，定義描述針閥運動的4個響應時間如表1所示，噴油器的主要參數如表2所示。

表1 噴油器針閥運動響應時間及定義

表2 原型機噴油器主要仿真參數

柴油機轉速為2000 r/min、軌壓為160 MPa得到的針閥升程曲線仿真結果如圖3所示。由圖3可知：經過1.189 ms，噴油器針閥開始升起；經過1.741 ms，針閥升程到達最大；經過2.045 ms，針閥升程開始下降；經過2.505 ms，噴油器針閥完全落座，噴油結束。

圖3 柴油機轉速為2000 r/min、軌壓為160 MPa時的 針閥升程曲線

3.2 Ai對電控噴油器響應特性的影響

為了確保針閥能夠正常開啟和關閉，進油孔直徑應小于出油孔。其他參數不變，進油孔直徑di分別為0.211、0.227、0.240、0.256、0.269 mm，對應的Ai分別為0.035 0、0.040 5、0.046 0、0.051 5、0.057 0 mm2。不同Ai時針閥升程曲線和響應時間如圖4所示。

a)Ai對針閥升程的影響 b)Ai對噴油器響應時間的影響

由圖4a)可知：其他參數不變，Ai增大，針閥開啟速度變慢，開啟時間推遲，落座時間提前，針閥在相同電流信號下開啟持續期減小;當Ai增大到0.057 0 mm2時，針閥已經無法升起。

由圖4b)可知：Ai增加，t1、t2增加，t3、t4減小，Ai對t2的影響最大。因為當Ai增大時，控制室內進、出油孔的流量差變小，壓力下降變慢，針閥開啟時間增加，但是壓力建立速度加快，針閥落座速度加快[12]。

3.3 Ao對電控噴油器響應特性的影響

其他參數不變，出油孔的直徑分別為0.256、0.270、0.282、0.294、0.306 mm，對應的Ao分別為0.051 5、0.057 0、0.062 5、0.068 0、0.073 5 mm2，不同Ao時針閥升程曲線和響應時間如圖5所示。

a) Ao對針閥升程的影響 b) Ao對噴油器響應時間的影響

由圖5a)可知：Ao對針閥落座過程幾乎沒有影響；Ao增加，針閥開啟速度加快。這是因為出油孔增大，針閥升起時控制室內進、出油孔的流量差增大，壓力下降加快，針閥升起速度加快，電磁閥在相同的開啟時間內噴油持續期變長。由圖5b)可知：Ao增大，t1和t4改變很小，t2呈下降趨勢，t3起初變化不大，但是當Ao增加到0.068 0 mm2時，t3明顯增大。原因是出油孔面積增加，流出的燃油流量增加，控制室壓力下降變快，t2減小。t3增大，針閥落座所需時間增加，因此Ao不能太大，否則會造成針閥落座過晚。由于電磁閥響應時間不超過0.2 ms，電磁閥一旦關閉，不再經出油孔泄油，針閥的關閉過程不受影響，因此Ao對噴油器關閉沒有影響。

3.4 Ap對電控噴油器響應特性的影響

其他參數不變，Ap分別為13.20、13.85、14.52、15.21、15.90 mm2，針閥升程曲線和響應時間如圖6所示。

a) Ap對針閥升程的影響 b) Ap對噴油器響應時間的影響

由圖6a)可知：Ap增加，針閥升起變慢，開啟時間推遲，落座時間提前，當Ap=15.90 mm2時，針閥無法達到最大升程。這是由于Ap增大，活塞受力面積增加，控制室對活塞的液壓力增大，導致針閥開啟速度減??；在關閉過程中，由于控制室壓力較蓄壓腔更大，所以針閥落座速度加快?？傮w來說，Ap增大，使針閥在相同的控制電流下開啟持續期縮短，噴油量減少。

由圖6b)可知：t2受Ap的影響更大，增大Ap會延緩針閥升起，但是會使針閥落座提前；Ap增大，控制腔需要經過更長時間才能降低到開啟壓力，t1增大；Ap增大，活塞質量增大，針閥上升速度減小，t2增大；根據式(9)，Ap增大，針閥的臨界關閉壓力減小，控制室達到針閥關閉壓力速度加快，t3減??；Ap增大，針閥受到來自控制室的液壓力增大，落座加快?？偟脕砜?，Ap增大會導致針閥響應時間的增加[13]。

3.5 ANa對噴油器響應特性的影響

其他參數不變，ANa分別為11.34、11.95、12.57、13.20、13.85 mm2，針閥升程曲線和響應時間如圖7所示。

a)ANa對針閥升程的影響 b)ANa對噴油器響應時間的影響

由圖7a)可知：保持噴油器其他參數不變，ANa增大，針閥開啟時間提前，開啟速度增加，關閉時間推遲，針閥在相同控制電流下開啟持續期延長；當ANa=11.34 mm2時，針閥不能達到最大升程，這是因為ANa太小，作用在針閥下部的受力面積減小，針閥在開啟過程中無法克服控制室內的燃油壓力。

由圖7b)可知：ANa增大，針閥臨界啟、閉壓力增加，t1減??；針閥完全升起過程中，針閥受到來自下部的液壓力增加，開啟加速度增大，t2減??；在關閉過程中，針閥落座需要經過更長時間，t3增加；在針閥落座過程中，由于ANa增大，針閥受到來自下部液壓力增加，針閥加速度減小，t4增加。

這一年，濟南的兩支球隊依然牽動山東球迷的心——魯能泰山、山東男籃。年底，魯能泰山“冠”山難越，主場不敵北京國安，取得足協杯亞軍。我們嘆息，但依然對這支球隊抱以期待。

3.6 mN對噴油器響應特性的影響

其他參數不變，mN分別為1.8、2.2、2.6、3.0、3.4 g，針閥升程曲線和響應時間如圖8所示。

a)mN對針閥升程的影響 b)局部放大

由圖8可知：mN增大，針閥開啟和落座時間幾乎不受影響，在最大升程處的振幅有微小變化，說明噴油器響應特性不隨針閥體運動質量的改變而變化；針閥質量增大，針閥在完全升起后的升程振幅有較小的增大，但是最大升程的相對變化不超過0.01%，這是由于針閥體質量增加，針閥在開啟過程中的慣性增加[14]。

4 結構優化

4.1 噴油器結構優化方案

選取針閥結構參數時，應保證使噴油器正常工作，而且能夠使針閥迅速開啟和快速落座。進油孔與出油孔間的橫截面積決定控制室內的流量差，而流量差決定針閥的啟、閉速度。

出油孔有效流通面積越大，燃油流出的流量越大，控制室壓力下降越快，針閥開啟越迅速，但會導致針閥落座速度減??；進油孔有效流通面積越大，針閥落座越迅速。因此為了提高針閥的關閉速度，應選擇較大的進油孔徑；為了提高針閥的開啟速度，應提高Ao/Ai[15]。對Ao、Ai的組合進行了25次仿真比較，仿真方案如表3所示。最終確定Ai=0.046 mm2，Ao/Ai=1.598。

表3 仿真方案

控制活塞直徑增加導致噴油器壓力響應時間增加，優化時應保證噴射中不會出現2次噴射，同時保證針閥的開啟速度，控制活塞直徑應為4.0～4.5 mm。對噴油器進行輕量化處理，應保證噴油器使用可靠性的前提下使ANa較小，Ap/ANa=1.07～1.17。經過對Ap和ANa的匹配選擇，最終確定針閥直徑為3.8 mm，ANa=11.34 mm2，控制活塞直徑為4.1 mm,Ap=13.2 mm2,Ap/ANa=1.164。

4.2 優化后的噴油器響應特性

綜合改進前、后的針閥升程曲線如圖9所示。由圖9可知：針閥的開啟速度大幅加快，經過1.179 ms，針閥開始升起；經過1.571 ms，針閥完全升起；針閥落座速度也有所提高，經過2.064 ms，針閥開始關閉；經過2.438 ms，針閥完全落座。實現了針閥迅速開啟，改善了燃油混合質量；同時縮短了關閉時間，減少了噴射后期因為針閥關閉不及時造成的燃油霧化不良。

圖9 改進前、后針閥升程曲線

綜合改進前、后噴油器針閥響應時間如表4所示。由表4可知，改進后的噴油器開啟和關閉響應特性均有了顯著改善，響應時間縮短約17.5%。

表4 改進前、后噴油器響應特性 ms

5 結論

1)使用Hydsim軟件建立了某電控噴油器一維仿真模型，對噴油器噴油特性進行了研究分析，提出了影響響應特性的結構參數。

2)進油節流孔有效流通面積主要影響針閥的關閉速度，增大進油孔有效流通面積可以提高電控噴油器針閥關閉速度，有效改善噴射后期燃燒惡化；出油孔有效流通面積主要影響針閥的開啟速度，增大出油孔有效流通面積可以有效提高針閥的開啟速度，提高噴射前期燃油霧化質量。

3)控制活塞直徑對針閥的開啟時間影響更大，增大活塞直徑可以加快針閥開啟速度、減慢針閥關閉速度，應合理匹配控制活塞橫截面積和針閥導向體橫截面積，活塞橫截面積和針閥導向體橫截面積的比為1.09～1.17時更加合適。

4)該電控噴油器結構參數優化后，其響應特性有了明顯改善，響應時間比優化前縮短了17.5%，對改善燃油霧化性能和共軌系統噴射特性、提高發動機的動力和經濟性有重要意義。