電控噴油器響應(yīng)特性影響研究

（中北大學(xué) 車輛與動(dòng)力工程系，太原030051）

電控噴油器響應(yīng)特性影響研究

馬富康

（中北大學(xué) 車輛與動(dòng)力工程系，太原030051）

分別從理論分析和模擬計(jì)算的角度，定性、定量地分析了電控噴油器各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其響應(yīng)特性的影響規(guī)律。以德爾福（DELPHI）共軌電控噴油器為研究對(duì)象，以系統(tǒng)軌壓在160 MPa下的噴油規(guī)律試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，以HYDSIM為仿真平臺(tái)，建立了電控噴油器仿真模型。通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)模型；運(yùn)用模型，研究了對(duì)噴油器響應(yīng)特性的影響因素，并以提高電控噴油器響應(yīng)特性為出發(fā)點(diǎn)，探討了各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)原則。通過分析計(jì)算，為電控噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇和設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

電控噴油器 響應(yīng)特性 模擬計(jì)算 影響

1 概述

電控噴油器是高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)中的關(guān)鍵執(zhí)行部件，其響應(yīng)特性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程。噴油器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴射過程有著很大的影響，選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以提高噴油器的響應(yīng)速度、改善噴射過程。為了全面了解電控噴油器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)響應(yīng)特性的影響，本文以德爾福公司的電控噴油器為研究對(duì)象，進(jìn)行了多參數(shù)的模擬計(jì)算，可為噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 參數(shù)定義

（1）電控噴油器響應(yīng)時(shí)間

電控噴油器的響應(yīng)特性在很多文獻(xiàn)中有不同的定義方法。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及現(xiàn)有的研究條件[1]，定義了描述電控噴油器針閥的4個(gè)響應(yīng)時(shí)間，見圖1。

（2）電控噴油器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

噴油器結(jié)構(gòu)見圖2，影響噴油器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)有：進(jìn)出油量孔的有效流通面積、控制活塞直徑、針閥導(dǎo)向體直徑。此外，影響噴油器針閥響應(yīng)特性的還有運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量、針閥密封底徑等參數(shù)。本文針對(duì)進(jìn)出油量孔和有效流通面積、控制活塞截面積以及針閥導(dǎo)向體截面積對(duì)電控噴油器針閥響應(yīng)特性的影響趨勢(shì)進(jìn)行探討。

圖1 針閥響應(yīng)時(shí)間定義示意圖

圖2 針閥響應(yīng)時(shí)間定義示意圖

3 理論分析

電控噴油器在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電控噴油器控制腔內(nèi)壓力和軌道壓力相同。當(dāng)噴油器電磁閥受激勵(lì)開啟后，控制腔內(nèi)燃油從出油量孔泄出，控制腔壓力降低。當(dāng)控制腔壓力降至針閥能夠開啟的臨界壓力時(shí)，針閥開始升起。針閥在升起過程中，控制腔內(nèi)壓力近似不變。針閥到達(dá)最大升程位置后，控制腔壓力繼續(xù)降低至一個(gè)穩(wěn)定壓力。噴油器電磁閥關(guān)閉后，控制腔內(nèi)壓力升高。當(dāng)控制腔內(nèi)壓力上升至能夠關(guān)閉的臨界壓力時(shí)，針閥開始關(guān)閉。針閥在關(guān)閉過程中，控制腔內(nèi)壓力近似不變。當(dāng)針閥完全落座后，控制腔內(nèi)壓力繼續(xù)上升至軌道壓力。噴油器控制腔內(nèi)壓力變化過程見圖3。

當(dāng)電控噴油器針閥完全開啟后，控制腔內(nèi)壓力將下降至穩(wěn)定壓力Pcr。此時(shí)，進(jìn)油量孔和出油量孔的流量相同，即：

其中ρ為燃油密度。

由式（2）可知：(Ab/Aa)2越大，即出油量孔的有效流通面積與進(jìn)油量孔的有效流通面積比值越大，Pcr/Pr越小，即控制腔內(nèi)穩(wěn)定壓力越低。

圖3 針閥響應(yīng)時(shí)間定義示意圖

由于電控噴油器的針閥彈簧一般較軟，預(yù)緊力不大，可以忽略針閥彈簧的作用。因而針閥開啟時(shí)控制腔臨界壓力為：

分析運(yùn)動(dòng)件的受力情況可知，針閥可以開啟的條件是：Pcr＜Pco。由式（2）和式（3）可以得到，針閥的開啟條件為：

針閥關(guān)閉時(shí)控制腔內(nèi)臨界壓力為：

要使針閥能夠關(guān)閉必須滿足：Pr＞Pcc，即針閥的關(guān)閉條件是：

結(jié)合針閥響應(yīng)過程，由上述一系列公式可知：

（4）Aa越大，針閥在關(guān)閉過程中控制腔壓力上升越快。越小，針閥落座的加速度越大。則較大的Aa和較小的有利于加速針閥的落座過程，減小針閥關(guān)閉時(shí)間t4。

4 仿真分析

4.1 模型建立

為了準(zhǔn)確地分析研究電控噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其響應(yīng)特性的影響情況[2,3]，本文采用AVL公司開發(fā)的噴油系統(tǒng)模擬計(jì)算軟件HYDSIM，對(duì)德爾福電控噴油器進(jìn)行數(shù)值建模，噴油器主要參數(shù)見表1。模型包括：噴嘴、針閥、控制活塞、控制腔、兩節(jié)流孔、盛油槽、電磁閥以及針閥和控制活塞的泄漏[4]，見圖4。

表1 德爾福電控噴油器主要參數(shù)

圖4 電控噴油器計(jì)算模型

4.2 模型校驗(yàn)

為了驗(yàn)證模型的正確性和準(zhǔn)確性，對(duì)共軌系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果見圖5。由圖5可以看出：在噴射初期，即針閥開始升起的階段，仿真噴油率曲線的斜率比試驗(yàn)測(cè)得的噴油率曲線的斜率要大，即噴油率上升較快。針閥上升的初期階段，相對(duì)誤差較大。軌道壓力為160 MPa時(shí)，相對(duì)誤差最大為10.7%。針閥升起的后期階段，噴油率曲線重合較好。在穩(wěn)定噴射階段，噴油率仿真曲線和試驗(yàn)曲線趨勢(shì)一致，局部區(qū)域有誤差，相對(duì)誤差最大為13.4%。噴油器針閥在落座階段，噴油率的仿真曲線和試驗(yàn)曲線吻合較好，相對(duì)誤差小于1%。

圖5 噴油率試驗(yàn)曲線和仿真曲線對(duì)比

4.3 仿真結(jié)果分析

在模型校驗(yàn)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，分析了Aa、Ab、Ac和Ag4個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴油器響應(yīng)特性的影響狀況，參見圖6～圖9。

（1）Aa對(duì)電控噴油器響應(yīng)特性的影響

圖6表明：隨著Aa的增加，t1、t2隨之增加，t3、t4隨之減小。t1、t3的變化相對(duì)于t2、t4較小，說明Aa對(duì)t2、t4有較大的影響。增大Aa，針閥上升緩慢，但落座速度增加，電磁閥開啟時(shí)間相同時(shí)噴油持續(xù)期減小。但Aa不能取得太大，否則無法滿足針閥開啟條件[5,6]，同公式（4）所表明的相符合。

在電控噴油器運(yùn)動(dòng)件結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，其臨界開啟壓力和臨界關(guān)閉壓力不變。Aa增大，Ab不變時(shí)，電磁閥的卸壓能力相對(duì)減弱，則t1增大。Aa增大，針閥在上升過程中，控制腔內(nèi)的壓力相對(duì)較大，針閥上升的加速度減小，t2增大。同時(shí)，由于Aa增大，控制腔內(nèi)充油的速度增加，則t3減小。針閥在下降過程中的加速度增加，t4減小。

圖6 Aa對(duì)電控噴油器響應(yīng)時(shí)間的影響

（2）Ab對(duì)電控噴油器響應(yīng)特性的影響

圖7表明：由于t1在噴油器整個(gè)響應(yīng)時(shí)間中所占比例較小，Ab對(duì)電控噴油器的影響主要體現(xiàn)為其對(duì)電控噴油器開啟過程的影響。增大Ab能夠減小t1、t2，加速電控噴油器針閥的開啟過程。

在電控噴油器運(yùn)動(dòng)件結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，其臨界開啟壓力和臨界關(guān)閉壓力不變。Ab增大，則控制腔卸壓能力加強(qiáng)，在較短的時(shí)間內(nèi)控制腔內(nèi)壓力下降到開啟壓力，t1減小。同時(shí)，由于控制腔卸壓能力的增強(qiáng)，針閥開啟時(shí)，控制腔內(nèi)壓力較低，針閥上升的加速度增加，t2減小。對(duì)于本次研究的電控噴油器，其關(guān)閉時(shí)間很短，小于0.2 ms的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉。電磁閥一旦關(guān)閉，出油量孔不再對(duì)針閥關(guān)閉過程起作用。因此，Ab的變化對(duì)電控噴油器關(guān)閉過程沒有影響。

圖7 Ab對(duì)電控噴油器響應(yīng)時(shí)間的影響

（3）Ac對(duì)電控噴油器響應(yīng)特性的影響

圖8表明：在Ac的變化范圍內(nèi)，t2相對(duì)于t1的變化較大，t4相對(duì)于t3的變化較大，Ac對(duì)t2、t4影響較大。增大Ac可以減少針閥的關(guān)閉時(shí)間，但同時(shí)減緩了針閥的升起過程。電磁閥開啟時(shí)間相同情況下增大Ac，縮短了噴射持續(xù)期。根據(jù)式（4）可知：過大的Ac甚至使針閥無法滿足開啟條件。

Ac增大，則針閥開啟的臨界壓力變小，控制腔內(nèi)壓力需要更長(zhǎng)時(shí)間才能下降到開啟臨界壓力，即t1增大。Ac是電控噴油器運(yùn)動(dòng)件上部的受力面積，Ac增大，則運(yùn)動(dòng)件向上運(yùn)動(dòng)的加速度減小，t2增大。Ac增大，減小了電控噴油器針閥的臨界關(guān)閉壓力，控制腔內(nèi)壓力上升到臨界關(guān)閉壓力的時(shí)間縮短，t3減小。由于Ac增大，增加了運(yùn)動(dòng)件上部受力面積，運(yùn)動(dòng)件的加速度增加，t4減小[7]。

圖8 Ac對(duì)電控噴油器響應(yīng)時(shí)間的影響

（4）Ag對(duì)電控噴油器響應(yīng)特性的影響研究

圖9表明：在Ag的變化范圍內(nèi)，t2相對(duì)于t1的變化較大，t4相對(duì)于t3的變化較大，t1、t3在電控噴油器整個(gè)響應(yīng)時(shí)間中占份額相對(duì)較小。Ag對(duì)t2、t4影響相對(duì)較大。較小的Ag能夠縮短針閥的落座時(shí)間，但延緩針閥的開啟過程。根據(jù)式（4）可知：過小的Ag甚至使針閥無法滿足開啟條件。

Ag增加，則針閥的臨界開啟壓力增加，臨界關(guān)閉壓力增加。因此，電控噴油器進(jìn)出油量孔不變情況下，針閥的開啟延時(shí)t1減小?？刂魄粌?nèi)的壓力需要更長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到臨界關(guān)閉壓力，故t3增加。Ag增加，運(yùn)動(dòng)件下部的受力面積增加，針閥在上升的過程中加速度增加，開啟時(shí)間縮短，t2減小。同時(shí)，較大的Ag使得針閥在下降過程中加速度減小，t4變長(zhǎng)。

圖9 Ag對(duì)電控噴油器響應(yīng)時(shí)間的影響

5 結(jié)論與建議

通過分析Aa、Ab、Ac、Ag這4個(gè)參數(shù)對(duì)電控噴油器響應(yīng)特性的影響特性，可得出以下結(jié)論：

（1）在電控噴油器的響應(yīng)過程中，t2、t4相對(duì)較長(zhǎng)，t1、t3相對(duì)較短。為了加速電控噴油器的響應(yīng)過程，應(yīng)采取措施縮短t2、t4。

（2）Aa主要影響針閥的關(guān)閉速度，Ab主要影響針閥的開啟速度。為了提高電控噴油器針閥的關(guān)閉速度，應(yīng)選取較大的Aa。為了提高針閥的開啟速度，應(yīng)該提高Ab與Aa的比值。較大的Aa和Ab會(huì)增加回油流量，降低共軌系統(tǒng)的機(jī)械效率并加劇回油溫升[7]。

（3）Ac、Ag對(duì)t2的影響較其對(duì)t4的影響大。為了減輕運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量，縮小電控噴油器的尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)在保證運(yùn)動(dòng)件強(qiáng)度基礎(chǔ)上選取Ag的小值。合理控制Ac和Ag的比值。比值太大，則針閥上升緩慢，落座迅速，增加了針閥與座面撞擊的能量，縮短針閥偶件的使用壽命；比值太小，則針閥落座緩慢，不利于柴油機(jī)燃燒。為加速電控噴油器的響應(yīng)過程，應(yīng)充分考慮Ac、Ag對(duì)t2的影響。

1郭海濤．高壓共軌噴油系統(tǒng)噴油規(guī)律與控制策略的研究[D]．上海交通大學(xué)，2001．

2 Keiki Tanabe等．用計(jì)算機(jī)模擬分析共軌系統(tǒng)的噴射特性[J]．國外內(nèi)燃機(jī)，2000（5）：36-39．

3 Miyaki M.Development of New Electronically Controlled Fuel Injection System ECD-U2 for Diesel Engines[C].SAE 910252.

4 AVL LIST GmbH.HYDSIM Reference Manual. 2007.

5 Lee Y G,Kim S H,Kim J U,et al.A High Pressure Fuel Control and Its Injection Characteristics.JSAE 9530175.

6李捷輝，李忠海．高壓共軌柴油機(jī)電控噴油器的仿真[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2009(2)：196-198．

7顧慧芽，唐焱．共軌噴油器參數(shù)對(duì)噴油規(guī)律的仿真研究[J]．液壓氣動(dòng)與密封，2009(6)：41-44.

Effects of Response Characteristics on the Electronic-control Injector

Ma Fukang
（Dept.of Vehicle and Power Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China）

Theoretical analysis and simulating calculation of the effects of response characteristics on the electronic-control injector are introduced in this article.A DELPHI common rail electronic-control injector is used as a research object.The models of the injector are created with HYDSIM,and the base of investigation is the test of the injector rule of the common rail system in the 160MPa rail pressure.The models are validated by test results.The effects of key construction parameters on its response characteristics are investigated by the simulation model.The determination of key construction parameters is also discussed aiming at the improvement of its response characteristics.By the analysis and simulating calculation,the theory base is been provided for the selection and design of construction parameters of the electronic-control injector.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.002

來稿日期：2011-01-17

馬富康（1979-），男，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究。