新型共軌電控噴油器的開(kāi)發(fā)

張 曉，汪 洋，蓋 超，朱 濤，何 方

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

二甲醚(dimethyl ether，DME)是一種適合應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴的代用燃料．但由于其黏度低于柴油，尤其二甲醚僅為柴油十分之一，會(huì)對(duì)燃油噴射系統(tǒng)偶件帶來(lái)嚴(yán)重的密封和磨損問(wèn)題．國(guó)外 AVL、VOLVO和 NISSAN等公司對(duì)二甲醚共軌噴油系統(tǒng)進(jìn)行了多年的研究，開(kāi)發(fā)出二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)和示范車(chē)[1-3]；國(guó)內(nèi)上海交大和西安交大也在相應(yīng)的噴射系統(tǒng)方面作了一定的研究，大多也是在機(jī)械式噴油器基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，沒(méi)有在根本解決低黏度燃料對(duì)噴油器泄漏和磨損問(wèn)題．日本捷克賽爾公司開(kāi)發(fā)出DME專(zhuān)用電磁直接驅(qū)動(dòng)噴射器，盡管沒(méi)有柱塞偶件，但噴射器存噴油特性受?chē)娚鋲毫捅硥河绊懗史浅Ｒ?guī)變化，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用難以控制[4]．筆者從工作原理層面提出了一種適用于缸內(nèi)直噴共軌式噴油器方案，回避了使用偶件，可以徹底解決噴油器的磨損和密封．利用三維電磁軟件和液力軟件 Flowmaster建立了噴油器的相應(yīng)仿真模型，通過(guò)仿真模擬驗(yàn)證所提方案的可行性，最后開(kāi)發(fā)出噴油器的實(shí)際樣機(jī)并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證．

1 新型共軌電控噴油器原理

所設(shè)計(jì)的噴油器原理如圖1所示，噴油器由電磁鐵、起銜鐵作用的 T型塊、針閥和復(fù)位彈簧等構(gòu)成．在針閥和 T型塊之間有一個(gè)自由間隙 h，稱(chēng)為自由升程．工作時(shí)，電磁鐵通電所產(chǎn)生的電磁力首先拉動(dòng) T型塊，T型塊在不斷加速過(guò)程中獲得一定初速度，當(dāng)自由升程 h縮小到 0時(shí)，T型塊通過(guò)止口與針閥上端的凸緣接觸，發(fā)生碰撞，針閥在碰撞拉動(dòng)作用下打開(kāi)，噴射開(kāi)始；T型塊帶動(dòng)針閥一起向上運(yùn)動(dòng)，直到總升程 H＝0，針閥開(kāi)啟過(guò)程結(jié)束；電磁鐵斷電后，針閥在復(fù)位彈簧力作用下帶動(dòng)T型塊一起向下運(yùn)動(dòng)，直到針閥落座，噴油停止．和現(xiàn)有高壓共軌式電控噴油器技術(shù)中相比，該噴油器在結(jié)構(gòu)原理上有以下3個(gè)特點(diǎn)：①取消了液力柱塞，針閥外圓面也無(wú)需密封，徹底回避了偶件的泄漏和磨損問(wèn)題；②沒(méi)有回油口，輸入噴油器的燃料全部從噴孔噴出；③采用 24,V電壓直接驅(qū)動(dòng)．

2 噴油器計(jì)算模型的建立

電控噴油器是電、磁、機(jī)、液四者非線性耦合系統(tǒng)．根據(jù)電控噴油器的特點(diǎn)，可將其分解為 3個(gè)子模型：電路模型，磁路模型和機(jī)械液壓模型[5]．為了準(zhǔn)確分析影響噴油器性能的各方面因素，筆者使用三維電磁分析軟件搭建電磁場(chǎng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)及電磁力計(jì)算分析，采用 Flowmaster 搭建液力仿真模型，耦合電磁計(jì)算的動(dòng)態(tài)電磁力，對(duì)噴油器進(jìn)行液力和響應(yīng)特性地分析．

2.1 噴油器的電磁計(jì)算模型

良好的電磁鐵動(dòng)態(tài)吸力特性是保證噴油器快速響應(yīng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵因素[6]．利用三維電磁分析軟件，根據(jù)噴油器的原理，搭建相應(yīng)的電磁結(jié)構(gòu)的三維模型，其結(jié)構(gòu)仿真模型如圖2所示．通過(guò)模型分析，影響噴油器響應(yīng)特性的參數(shù)主要有驅(qū)動(dòng)電壓、線圈匝數(shù)、銜鐵質(zhì)量、彈簧預(yù)緊力、選用的磁性材料及閥芯的尺寸和行程等．利用電磁計(jì)算模型，重點(diǎn)分析導(dǎo)磁材料、銜鐵結(jié)構(gòu)和線圈匝數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)電磁力的影響．

圖2 噴油器電磁仿真模型Fig.2 Electro-magnetic simulation model for injector

2.1.1 導(dǎo)磁材料的影響

為了提高噴油器的響應(yīng)特性，噴油器導(dǎo)磁材料的選擇原則是高電阻率、高導(dǎo)磁率、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)和低矯頑力，但實(shí)際材料選擇往往不能兼顧[7]．目前國(guó)內(nèi)主要的電磁材料特性如表1所示．

表1 主要鐵磁材料特性Fab.1 Characteristics of main ferromagnetic materials

考慮經(jīng)濟(jì)性和加工的可行性，選擇Fe-Co合金作為噴油器電磁鐵閥芯導(dǎo)磁材料．圖 3是 2種不同材料結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)電磁力的響應(yīng)曲線．一種導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)為 Fe-Co合金；另外一種為電鐵．由圖 3可以明顯看出，采用 Fe-Co合金材料的電磁力響應(yīng)特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電鐵結(jié)構(gòu)，主要原因是Fe-Co合金的高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和高電阻率所致．由圖3還可以看出，采用Fe-Co合金材料在結(jié)構(gòu)尺寸上具有更大的優(yōu)化余地，通過(guò)使用脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)斬波電流驅(qū)動(dòng)方式能更加有效地降低驅(qū)動(dòng)能量的消耗．

2.1.2 銜鐵結(jié)構(gòu)的影響

電渦流是影響噴油器響應(yīng)特性的一個(gè)不可忽視的因素，減少其影響除了采用高電阻率的導(dǎo)磁材料外，在不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和靜態(tài)力損失不大的前提下可對(duì)銜鐵進(jìn)行切槽處理．圖 4是銜鐵在 0.8,ms驅(qū)動(dòng)脈沖下開(kāi)槽與不開(kāi)槽的動(dòng)態(tài)電磁力曲線對(duì)比．由圖 4看出開(kāi)槽結(jié)構(gòu)電磁力響應(yīng)速度優(yōu)于不開(kāi)槽結(jié)構(gòu)，但最大升程處的靜態(tài)電磁力略有下降．隨著切槽數(shù)地增加，有利于提高動(dòng)態(tài)電磁力的響應(yīng)速度．通過(guò)計(jì)算，再增加開(kāi)槽數(shù)及開(kāi)槽長(zhǎng)度對(duì)響應(yīng)時(shí)間幾乎沒(méi)有太大提高．通過(guò)開(kāi)槽，銜鐵到達(dá)最大升程處時(shí)間可提前0.02,ms．圖 5是在 0.345,ms時(shí)電渦流的生成圖．通過(guò)圖 5的電渦流圖可以看出，切槽可以有效阻斷電渦流的大面積形成，使其限制在較小的截面內(nèi)流通，降低了渦流強(qiáng)度，有利于提高外加磁場(chǎng)滲透和衰退速度，從而提高電磁力的響應(yīng)．但切槽面積不能過(guò)大，否則會(huì)降低銜鐵的強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)因?yàn)槲厦娣e減少而導(dǎo)致靜態(tài)電磁力下降過(guò)大[8-9]．線．盡管線圈匝數(shù)地增加有利于提高磁勢(shì)，促進(jìn)電能與磁能地轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)電磁力，但電感地增大影響電磁鐵的響應(yīng)速度．由圖 6看出，電磁力的響應(yīng)速度隨著線圈匝數(shù)地增加而降低，這主要由于線圈匝數(shù)增加使電感增大，增加了電流的響應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致電磁力的響應(yīng)速度下降．在 45匝下，銜鐵到達(dá)最大升程的時(shí)間比24匝延遲0.1,ms．

圖3 不同材料的電磁力曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of electromagnetic force curves of dif-Fig.3 ferent materials

圖4 不同銜鐵結(jié)構(gòu)的電磁力曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of electromagnetic force curves of dif-Fig.4 ferent armature structures

圖5 銜鐵的電渦流比較Fig.5 Comparison of armature eddies

2.1.3 線圈匝數(shù)的影響

線圈匝數(shù)是影響電磁鐵響應(yīng)速度的一個(gè)敏感參數(shù)．圖 6是 3種不同線圈匝數(shù)動(dòng)態(tài)電磁力的響應(yīng)曲

圖6 不同線圈匝數(shù)的電磁力曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of electromagnetic force curves with Fig.6 different coil turns

圖 7是電壓激勵(lì)后不同時(shí)刻的噴油器磁路動(dòng)態(tài)分析結(jié)果．結(jié)果表明，噴油器導(dǎo)磁體的磁化是個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，磁場(chǎng)是逐步滲透進(jìn)導(dǎo)磁材料進(jìn)行磁化的．選擇良好的導(dǎo)磁材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高導(dǎo)磁體的磁化過(guò)程速度是提高噴油器響應(yīng)性能的關(guān)鍵．分析結(jié)果還表明本文設(shè)計(jì)的噴油器的導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的漏磁很少，邊緣效應(yīng)影響較小，結(jié)構(gòu)較為合理．

圖7 磁路分析結(jié)果(24,V激勵(lì))Fig.7 Analytical results of magnetic circuit(24 V excitation)

2.2 噴油器的液力計(jì)算模型

新型共軌噴射系統(tǒng)原理如圖 8所示．機(jī)油被高壓泵加壓，高壓機(jī)油通過(guò)二位四通電磁閥輸送到工質(zhì)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)低黏度燃料的加壓，加壓后的燃料通過(guò)單向閥進(jìn)入共軌，共軌管中的高壓燃料通過(guò)高壓管輸送到電控噴油器．工質(zhì)轉(zhuǎn)換器包括 2個(gè)工作單元，每一個(gè)單元中有1個(gè)隔離膜片，進(jìn)入工作單元的高壓機(jī)油通過(guò)隔離膜片對(duì)燃料進(jìn)行加壓，2個(gè)工作單元交替工作，從工質(zhì)轉(zhuǎn)換器出來(lái)的高壓二甲醚基本連續(xù)且波動(dòng)較小．這種供油系統(tǒng)可以有效避免低黏度燃料對(duì)供油和噴射系統(tǒng)地磨損，也適用于常態(tài)下為氣體的二甲醚地噴射．應(yīng)用Flowmaster液力仿真軟件，對(duì)上述二甲醚共軌系統(tǒng)地建立噴油器的液力仿真模型，如圖9所示．為了準(zhǔn)確計(jì)算受力影響，將 T型塊和針閥看成是一個(gè)質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，并進(jìn)行質(zhì)量分割，質(zhì)量塊之間是剛性連接[10]．模型仿真計(jì)算分為 2個(gè)部分：一是油路計(jì)算，將系統(tǒng)作為一維非定常流動(dòng)處理，且考慮燃料的壓縮性；另一部分是針閥位移計(jì)算，沒(méi)有現(xiàn)成的元件，利用該軟件的接口編程來(lái)實(shí)現(xiàn)．

圖9 共軌系統(tǒng)的液力仿真模型Fig.9 Hydraulic simulation model of common rail system

液力仿真過(guò)程是：先通過(guò)三維電磁有限元仿真模型調(diào)整不同升程，計(jì)算得到在不同脈沖激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)電磁力曲線，再耦合到一維液力仿真模型中，得到相應(yīng)條件下噴油器針閥的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間及針閥位移和噴油速率曲線．噴射速率曲線可以積分出單次噴油量，不同脈寬下的噴油量可以擬合出油量特性曲線．

對(duì)所開(kāi)發(fā)的電控噴油器液力影響較大的重要設(shè)計(jì)參數(shù)是 T型塊和針閥質(zhì)量、彈簧預(yù)緊力、針閥和閥座密封面積、自由升程和有效升程(總升程-自由升程)．在噴油器結(jié)構(gòu)確定的條件下，自由升程和有效升程的變化對(duì)噴油器的噴油性能影響極大．

2.2.1 自由升程對(duì)噴油器針閥升程的影響

圖 10為不同自由升程下針閥位移仿真曲線．仿真條件：共軌壓力 35,MPa，2,ms脈沖驅(qū)動(dòng)，激勵(lì)電壓24,V，有效升程0.35,mm．

由圖 10可以看出，針閥的開(kāi)啟延遲隨著自由升程地增大而增大，針閥開(kāi)啟速度與自由升程的大小反向相關(guān)．這主要由于隨著自由升程地增大，總升程變長(zhǎng)，電磁力相對(duì)有所減弱，T型塊自由加速的時(shí)間變長(zhǎng)所致．從圖中也可以看到，自由升程過(guò)短，針閥到達(dá)最大升程處所需的時(shí)間要長(zhǎng)很多，其原因是T型塊碰撞針閥時(shí)的速度小，碰撞力減弱，使得針閥開(kāi)啟比較困難．

圖10 2,ms脈沖下自由程對(duì)針閥升程的影響Fig.10 Effects of free lift on needle lift at 2,ms pulse

2.2.2 有效升程對(duì)噴油器針閥升程的影響

圖 11為不同有效升程下針閥位移仿真曲線．仿真條件：共軌壓力 35,MPa，2,ms脈沖驅(qū)動(dòng)，激勵(lì)電壓24,V，大自由升程．

圖11 2 ms脈沖下有效升程對(duì)針閥升程影響Fig.11 Effects of effective lift on needle lift at 2 ms pulse

由圖11可見(jiàn)，由于自由升程相同，不同有效升程對(duì)應(yīng)的針閥開(kāi)啟過(guò)程基本重合；針閥關(guān)閉時(shí)刻和落座速率隨著有效升程地增大而增大；針閥關(guān)閉過(guò)程是彈簧力、剩磁力和行程3種綜合的結(jié)果．在滿(mǎn)足針閥閥座不節(jié)流的前提下，應(yīng)盡量減小有效升程，這有利于減少關(guān)閉響應(yīng)延遲時(shí)間．

3 噴油器工作特性的試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 共軌噴射試驗(yàn)系統(tǒng)

由于二甲醚常態(tài)下是一種氣態(tài)燃料，測(cè)量二甲醚系統(tǒng)的油量特性比較困難，用于驗(yàn)證模型有效性的實(shí)驗(yàn)采用柴油試驗(yàn)．柴油和二甲醚在彈性模量和密度上有所差異，這種差異會(huì)體現(xiàn)在油量特性上的不同．圖 12是共軌壓力 35,MPa下不同脈寬驅(qū)動(dòng)下的柴油和二甲醚的單次噴油量油量特性仿真曲線．仿真結(jié)果表明，柴油和二甲醚動(dòng)態(tài)特性相近，油量特性曲線變化趨勢(shì)是一致的，但是二甲醚的噴油量要大于柴油．上述仿真結(jié)果說(shuō)明用柴油試驗(yàn)驗(yàn)證二甲醚噴射系統(tǒng)的仿真模型具有較大的可信度．

在仿真計(jì)算和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，確定噴油器的相應(yīng)電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)，開(kāi)發(fā)出了實(shí)際樣機(jī)．使自由升程和有效升程具有可調(diào)功能，并采用圖 13所示的裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究．其工作原理是：油泵將機(jī)油加壓后送送到壓力轉(zhuǎn)換器，壓力轉(zhuǎn)換器把機(jī)油壓力轉(zhuǎn)換為二甲醚壓力后，通過(guò)二位四通閥傳送至二甲醚軌，軌壓的穩(wěn)定由壓力傳感器反饋控制壓力轉(zhuǎn)換器．電控裝置對(duì)噴油器進(jìn)行噴射控制，同時(shí)將信號(hào)傳給上位機(jī)PIV控制器用于觸發(fā)激光器．

圖13 噴射系統(tǒng)試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.13 Sketch of testing system for injection

試驗(yàn)的主要目的，是對(duì)新開(kāi)發(fā)的原理性樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，并對(duì)仿真研究的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證．所用的試驗(yàn)方法是利用PIV光學(xué)系統(tǒng)，獲得噴霧不同時(shí)刻的高速圖像，以準(zhǔn)確獲得針閥響應(yīng)延遲，并對(duì)噴霧過(guò)程進(jìn)行直接觀察，試驗(yàn)中利用柴油模擬二甲醚燃料．油量特性試驗(yàn)是采用量筒收集多次噴油量取平均的辦法．

3.2 噴油器啟噴時(shí)間、噴油規(guī)律和油量特性仿真試驗(yàn)對(duì)比

試驗(yàn)中將共軌壓力設(shè)置15、22.5和25,MPa，電流脈沖時(shí)間為2,ms．圖14是不同的共軌壓力下的噴油規(guī)律仿真曲線．

圖14 2 ms脈沖共軌壓力對(duì)噴油規(guī)律影響Fig.14 Effects of common rail pressure on injection law Fig.14 at 2 ms pulse

從圖 14中可以看出，2,ms驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)，共軌壓力從 15,MPa到 25,MPa，針閥開(kāi)啟響應(yīng)完全相同，都是0.545,ms．激光高速攝像獲得的開(kāi)啟響應(yīng)為0.7,ms，表明仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果提前，差異的原因可能來(lái)源于電磁力響應(yīng)的計(jì)算誤差．

從圖14中還可以得出噴油器關(guān)閉響應(yīng)速度分別是 0.749,ms(25,MPa)、0.751,ms(22.5,MPa)和 0.765 ms(15,MPa)，即隨著共軌壓力增大，關(guān)閉響應(yīng)略有加快．激光高速攝像獲得的關(guān)閉響應(yīng)為 0.7,ms，與仿真結(jié)果比較接近．

開(kāi)啟響應(yīng)速度不受共軌壓力的影響是本文所提出的噴油器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這是由工作原理決定的，即碰撞發(fā)生的時(shí)刻就是噴油器啟噴的時(shí)刻，在碰撞發(fā)生前的自由升程階段，噴嘴內(nèi)部的壓力不會(huì)影響T型塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律．

圖 15是在 22.5,MPa的共軌壓力下，中自由升程和0.25,mm有效升程組合下仿真和試驗(yàn)的油量特性對(duì)比曲線．由圖15可以看出，實(shí)際的油量特性曲線的趨勢(shì)和仿真曲線符合得比較好，但是試驗(yàn)油量均比仿真結(jié)果小，以誤差百分比衡量，大油量時(shí)誤差較小，而小油量時(shí)較大．差異的原因可能來(lái)源于電磁力響應(yīng)的計(jì)算誤差，仿真計(jì)算的電磁力響應(yīng)提前，導(dǎo)致針閥的開(kāi)啟時(shí)間與實(shí)際開(kāi)啟時(shí)間比提前，導(dǎo)致噴油量偏大．

圖15 22.5,MPa共軌壓力下油量特性對(duì)比曲線Fig.15 Comparison of oil amount characteristic curves under common rail pressure of 22.5,MPa

4 結(jié) 論

(1)電磁鐵結(jié)構(gòu)選用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和高導(dǎo)磁率材料，對(duì)銜鐵切槽處理及優(yōu)化線圈均有利于可以顯著提高噴油器電磁鐵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，尤其電磁鐵的閥芯選材影響尤其顯著．

(2)隨著自由升程增大，針閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)刻略微延長(zhǎng)，但開(kāi)啟速度增快；減少有效升程可以有效提高針閥的關(guān)閉響應(yīng)速度．

(3)合理匹配自由升程和有效升程，可以有效提高噴油特性的線性度．

(4)仿真模型能很好地預(yù)測(cè)噴油器的噴油特性．實(shí)際噴油器的開(kāi)啟和關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間與仿真結(jié)果較為接近；實(shí)際油量特性曲線與仿真結(jié)果趨勢(shì)符合較好，實(shí)際噴油量比仿真結(jié)果小，大油量時(shí)誤差較小，小油量時(shí)誤差較大．

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