溫度對高壓共軌噴油器噴射性能的影響

劉學(xué)榮，張 翼，李 靜，胡學(xué)寶

（1.中北大學(xué)機電工程學(xué)院，太原030051；2.北汽福田汽車股份有限公司，濰坊262207）

溫度對高壓共軌噴油器噴射性能的影響

劉學(xué)榮1，張 翼1，李 靜1，胡學(xué)寶2

（1.中北大學(xué)機電工程學(xué)院，太原030051；2.北汽福田汽車股份有限公司，濰坊262207）

溫度對柴油的物性參數(shù)影響很大，為了研究溫度對高壓共軌噴油器噴射性能的影響，建立了柴油物性參數(shù)隨溫度和壓力的變化公式，并構(gòu)建和簡化了噴油器的數(shù)學(xué)模型。利用軟件AMESim建立了噴油器模型，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)驗證了模型的正確性。在不同溫度下仿真計算了噴油特性，得到了不同溫度下噴油器的噴油速率曲線和一次噴油量曲線。結(jié)果表明，溫度對噴油器的噴油速率有一定的影響。對噴油器的設(shè)計改進提供了理論指導(dǎo)。

噴油器高壓共軌溫度性能噴油速率

1 引言

隨著發(fā)動機技術(shù)的不斷提高，柴油機正朝著大功率、高效率、低排放的方向發(fā)展。高壓共軌噴射系統(tǒng)的出現(xiàn)使得柴油機的經(jīng)濟性和排放性能得到了很大的提高。目前對高壓共軌噴射系統(tǒng)的研究主要采用計算機軟件仿真和試驗方法。國內(nèi)外學(xué)者對噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析做了大量研究，但這些研究沒有考慮柴油物性參數(shù)受溫度、高壓的影響而變化。實際上，柴油在高溫高壓的情況下，其物性參數(shù)會發(fā)生很大的變化。

本文研究了溫度對柴油物性參數(shù)的影響，并通過對柴油機高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)和工作過程的分析，在液壓仿真軟件AMESim中建立了噴油器模型，分析在不同溫度下的高壓噴射性能。

2 噴油器工作原理[1]

共軌柴油機噴油器的原理圖如圖1所示。在自由狀態(tài)下，電磁閥處于斷電狀態(tài)。電磁閥在彈簧力的作用下使樞軸的球體頂在泄油孔座上，泄油孔關(guān)閉，在噴油器控制腔和盛油槽各承壓腔建立高壓。在彈簧力和液壓力的作用下，針閥緊緊頂在針閥座上，維持噴油嘴在關(guān)閉狀態(tài)。當電磁閥受信號脈沖時，由電磁觸發(fā)產(chǎn)生電磁力克服彈簧預(yù)緊力，電磁閥針閥上移，泄油孔開啟。隨后，較高的拾取電流降至較低的電磁鐵所需的維持電流，磁路的磁隙變小，僅需較小的維持電流使得控制閥保持開啟。當泄油孔打開時，柴油將從閥控制腔通過出油節(jié)流口、泄油孔、回油口、回油管回到油箱。出油節(jié)流口直徑大于進油節(jié)流口直徑，破壞了絕對的壓力平衡，最終在閥控制腔內(nèi)的壓力也下降。這導(dǎo)致閥控制腔內(nèi)的壓力低于仍與高壓油管有相同壓力水平的噴油嘴盛油槽的壓力。閥控制腔內(nèi)壓力的減小導(dǎo)致作用于控制活塞上的力的減小，盛油槽處的液壓力克服彈簧力和控制活塞所受的液壓力，使針閥上升，最終噴油嘴針閥打開，噴射開始。

圖1 噴油器原理圖

3 柴油物性參數(shù)[2]

高壓共軌系統(tǒng)柴油的溫度和壓力變化范圍大，其物性參數(shù)也隨之變化。對噴油過程影響較大的參數(shù)為粘度、密度、音速和彈性模量。以下所有帶下標0的參數(shù)指1個大氣壓、293K的環(huán)境條件下的值。

（1）柴油粘度隨溫度和壓力變化的公式可用Roelands粘壓－粘溫關(guān)系式：

在上式中各參數(shù)分別為：

其中：λ為粘溫系數(shù)，K-1；z為粘壓指數(shù)；s為粘溫指數(shù)；α為粘壓系數(shù)，m2/N；T為柴油溫度，K。

（2）密度隨壓力和溫度的變化關(guān)系

根據(jù)前人相似介質(zhì)經(jīng)驗公式提出了的柴油密度經(jīng)驗公式：

其中：λT為熱膨脹系數(shù)，K-1；kT為壓力溫度系數(shù)，K-1。

（3）音速公式

（4）彈性模量隨溫度和壓強的變化公式

4 實驗、計算與分析

4.1 模型建立與驗證

在AMESim中建立噴油器模型[3]，如圖2所示。根據(jù)噴油器特征參數(shù)設(shè)置模型中各子模型的參數(shù)，并根據(jù)實際情況做適當?shù)暮喕?、適當?shù)恼{(diào)整以使模型更加準確。

為了驗證模型的準確性，在恒溫高壓135 MPa下，對單次噴油過程的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比分析。從圖3可以看出，單次噴油率的仿真值與試驗值很吻合。試驗數(shù)據(jù)相對于仿真數(shù)據(jù)有延遲的原因是由于仿真模型沒有考慮電磁響應(yīng)速度。

圖2 噴油器AMESim模型

圖3 軌壓135 MPa下試驗值與仿真值

4.2 不同溫度對噴油器噴油性能的影響

噴油器噴油性能的研究需要重點考查噴油速率。本文模型采用標準ISO 4113柴油，在135 MPa的軌壓下，分析計算了溫度為20℃、50℃、80℃和110℃時噴油器的噴油速率，結(jié)果如圖4（a）所示。從圖中可以看出，不同溫度下噴油速率曲線發(fā)生很大的變化。主要表現(xiàn)在噴油起始時刻、最大噴油速率和噴油結(jié)束時刻的差異。

（1）溫度對噴油起始時刻的影響

由圖4（b）可以看出，隨著溫度的升高，噴油起始時刻也在推遲。這是因為隨著溫度的增加，柴油音速減小，彈性模量也在減小，同等壓力下單位體積的柴油的壓縮量增大，蓄能能力增加。當泄油孔開啟時，控制室一邊要釋放已存儲的液壓能一邊泄壓，噴油器的控制室不能及時降壓，以至于控制室和盛油槽的壓力差不能及時地建立，從而使針閥提升時刻推遲，噴油時刻延遲。

（2）溫度對最大噴油速率的影響

由圖4（c）可以看出，隨著溫度的升高，最大噴油速率也在增大。由于柴油的粘度隨著溫度的升高而降低，其流動性增強，噴油口的噴油速率也隨之增大。

（3）溫度對噴油結(jié)束時刻的影響

由圖4（d）可以看出，隨著溫度的升高，噴油結(jié)束時刻也在推遲。由于柴油的彈性模量隨著溫度的升高而減小[4]，致使控制室一邊要儲存液壓能一邊升壓，控制室的壓力不能及時地恢復(fù)，控制室和盛油槽的壓力差同樣不能及時地建立，引起噴油結(jié)束時刻的推遲。

圖4 不同溫度下噴油速率曲線

噴油器噴油量受諸多因素的影響，其中主要由噴油速率和一次噴射時間決定。本文采用“重計算”的方法計算噴油量，即完成一次噴射過程噴油量歸零。計算結(jié)果如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，不同溫度下，在相同的噴射控制時間內(nèi)，其噴油量曲線圖大致相似。其中的區(qū)別主要在于曲線的曲率（噴油速率）及噴油量開始上升和結(jié)束上升的時刻。這一規(guī)律與上述溫度對噴油速率影響的規(guī)律相符。從圖5（b）中可以看出，每次噴油量相差很少，原因在于：雖然溫度對噴油速率有一定的影響，但是，溫度同時對噴油起始與終止時刻的影響使得每次噴油時間略有差異，并且不同溫度下柴油的密度也不相同，以致使噴油量相當。

5 結(jié)論

圖5 不同溫度下噴油量曲線

通過溫度對噴油速率曲線的影響可以看出，溫度對噴油器的最大噴油速率、噴油起始和結(jié)束時刻有一定的影響。溫度越高，最大噴油速率越大，噴油起始和結(jié)束時刻推遲。同時溫度對每次噴油量產(chǎn)生輕微影響。這一規(guī)律為噴油器的電控開發(fā)以及發(fā)動機的匹配工作提供了重要的理論依據(jù)。

1周雯蕓，姜峰，張洪濤.共軌式噴油器容積腔壓力波動仿真分析[J].廣西工學(xué)院學(xué)報，2012，23（1）.

2王鈞效，陸家祥，王桂華等.柴油機燃油物性參數(shù)的研究[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2001，19（6）.

3蔡珍輝，楊海青，杭勇等.基于AMESim的高壓共軌噴油器的建模及分析[J].柴油機設(shè)計與制造，2008，15（X）.

4 Dow R B,Fink C E.Computation of Some Physical Properties of Lubricating Oils at High Pressure(Part I)[J].Journal of Applied Physics,1940,11(5): 353-357.

Influence of Temperature on High Pressure Common Rail Injector Spray Performance

Liu Xuerong1,Zhang Yi1,Li Jing1,Hu Xuebao2
（1.College of Mechatronic Engineering,North University of China,Taiyan 030051,China; 2.Beiqi Foton Motor Co,Ltd,Weifang 262207,China）

Temperature affects the physical parameters of diesel greatly.To investigate the influence of temperature on high pressure common rail injector spray performance,a formula about changes between diesel physical parameters and temperature as well as pressure was established.A mathematical injector model was built and simplified.The injector model was established by using AMESim and its correctness was verified based on experimental data.Simulation about injection characteristics at different temperatures was calculated,and the injection rate curve and the injection quantity curve at one time at different temperatures were obtained.The result shows that the temperature has influence on the injection rate.This paper provides a theoretical guidance for improving the design of such injector.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2014.01.002

來稿日期：2013-10-07

劉學(xué)榮（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向為發(fā)動機總體技術(shù)及結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計。