引用本文
缑庆伟, 张新敏, 赵畅, 张欣. 高压共轨喷油器响应特性的仿真分析[J]. 北京交通大学学报, 2017,41(6): 94-100.
GOU Qingwei, ZHANG Xinmin, ZHAO Chang, ZHANG Xin. Numerical simulation of high pressure common rail injector response characteristics[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2017,41(6): 94-100.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.2017.06.015  
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高压共轨喷油器响应特性的仿真分析
缑庆伟1, 张新敏1, 赵畅2, 张欣2
1.北京交通运输职业学院,北京 102618
2.北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044

第一作者:缑庆伟(1976-),男,辽宁营口人,讲师,硕士.研究方向为汽车技术.email:gouqingwei@sina.com.

收稿日期: 2016-07-28
基金: 国家科技支撑计划(2014BAG11B01)
摘要

为了分析高压共轨喷油器结构参数的变化对喷油器响应特性的影响,以某型号重型柴油机高压共轨喷油器为研究对象,通过AMESim软件建立喷油器仿真模型,进行试验验证模型准确性.结果表明:进油孔孔径增大会提升开启响应速度但降低喷油器的关闭响应速度,出油孔孔径的增大提高喷油器的开启响应速度;控制柱塞直径的增大会提升喷油器的关闭响应速度但降低喷油器的开启响应速度;针阀密封直径的增大会同时提高开启和关闭响应速度;针阀弹簧预紧力的增加会带来针阀开启时间的延长和关闭时间的缩短.因此喷油器设计开发过程中应合理选取进油孔径取值并适当增大出油孔径及针阀密封直径.为高压共轨喷油器结构参数的优化设计提供参考.

关键词: 柴油机; 高压共轨喷油器; 结构参数; 响应特性; AMESim
中图分类号:TK423.8 文献标志码:A 文章编号:1673-0291(2017)06-0094-07
Numerical simulation of high pressure common rail injector response characteristics
GOU Qingwei1, ZHANG Xinmin1, ZHAO Chang2, ZHANG Xin2
1.Beijing Vocational College of Transportation, Beijing 102618,China
2.School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China
Fund:National Key Technology Research and Development Program of China(2014BAG11B01)
Abstract

In order to analyze the influence of structure parameters on high pressure common rail injector response characteristics, this paper takes a particular heavy-duty diesel engine high pressure common rail injector as the research object, builds the simulation model by using the AMESim software and verifies the accuracy of the model by experiments. The results show that the increase of the inlet hole diameter will enhance the open response speed of the fuel injector but lower its close response speed. With the acceleration of the fuel injector open response speed, the increase of the control plunger diameter will enhance the close response speed of the fuel injector but lower its open response speed; the increase of needle valve sealing diameter will improve the opening and close response speed at the same time, the increase of the needle valve spring pre-tightening force will prolong the needle valve turn-on time and lower its turn-off time. Therefore, in the process of the injector design, the inlet hole diameter should be chosen carefully, and the outlet hole and needle valve sealing diameter should be increased appropriately. It can be applied as theoretical guidance for the optimization of structural parameters of high pressure common rail injector.

Keyword: diesel engine; high pressure common rail injector; structure parameters; response characteristics; AMESim

节能和环保是当今世界面临的两大主题.据估计, 世界石油资源的存储量只能维持30~50年的开采时间[1].因柴油机具有一系列的优点被广泛应用在很多领域, 但随着日益突出的能源危机与环境污染问题, 人们对于柴油机的动力性和排放性的要求也在不断提高[2, 3, 4].采用高压共轨燃油系统是提高柴油机的动力性和排放性的必要措施, 其可以实现高压喷射且能够优化控制循环喷油量、喷油正时和喷油率, 还可以灵活方便地进行预喷射、多次喷射和后喷射, 以降低柴油机的噪声、颗粒和NOx排放[5, 6, 7].高压共轨喷油器是高压共轨燃油系统中的核心部件, 其响应特性将直接影响柴油机喷油特性, 从而影响柴油机燃烧和排放, 合理选取高压共轨喷油器的结构参数是提高其响应特性的关键[8, 9, 10].为了研究喷油器结构参数对响应特性的影响, 国内外研究人员做了大量相关的工作.文献[11]利用AMESim研究了进、出油口直径、喷油孔直径对喷嘴的快速响应特性的影响.文献[12]对电控喷油器的快速响应特性进行了数值模拟分析.研究表明:通过控制喷油器结构参数可以达到控制发动机性能的目的.文献[13]利用HYDSIM软件进行模拟仿真研究, 认为进出油节流孔孔径大小对系统性能有重要影响, 同时控制腔容积的大小应尽量减小.文献[14]利用GT-FUEL液力仿真软件研究认为喷油器的喷嘴对响应特性影响最大的参数是针阀锥面面积.文献[15]依据燃油流动连续性原理建立了喷油器各腔室的微分方程, 通过仿真求解, 当喷油结束时间较开始时间短时, 能够满足慢开快关的喷油要求.文献[16]利用AMESim 软件对高压油泵液力、机械、关键部件(电磁计量阀)分别进行模块化分析得出, 在设计进、出油孔直径时, 要综合考虑整个系统输入输出的要求, 根据共轨压力来选取合适的高压油泵进、出油孔直径.

本文作者利用AMESim仿真软件对高压共轨喷油器进行建模与仿真分析, 系统分析关键结构参数对响应特性的影响, 为高压共轨喷油器的结构设计及参数的选取与优化提供参考.

1 高压共轨喷油器的特性分析
1.1 高压共轨喷油器的工作方式

1)当电磁阀通电时, 球阀开启, 高压燃油经出油孔流出, 此时控制腔内压力及喷嘴处针阀弹簧压力小于针阀座处受到向上的压力, 针阀开启, 喷油器开始喷油.

2)当电磁阀断电时, 球阀关闭, 此时控制腔内压力及喷嘴处针阀弹簧压力之和大于针阀座处受到向上的压力, 针阀关闭, 喷油器停止喷油[17, 18].

1.2 高压共轨喷油器的性能参数

高压共轨喷油器的性能参数主要包括循环喷油量、喷油器响应特性、回油流量等.

1)循环喷油量.循环喷油量是各气缸每个工作过程所喷油量之和, 是影响喷油器性能参数最重要的因素, 直接影响了柴油机的动力性和燃油经济性.

2)喷油器响应特性.响应特性是高压共轨喷油器一项重要的性能参数, 主要影响到喷油器针阀的开启和关闭响应.喷油器的响应特性将直接影响到喷油器喷油规律, 从而影响到发动机的工作性能.

3)回油流量.进入到喷油器的高压燃油分为两部分, 其中只有小部分喷入燃烧室, 大部分的燃油会通过回油管流回油箱.监控回油量, 可以准确掌握进入喷油器的燃油量, 以此为依据对高压共轨喷油器高速电磁阀的驱动信号进行调整.

2 高压共轨喷油器模型建立与校验
2.1 数学模型建立

在建立高压共轨喷油器的AMESim仿真模型之前, 本文根据高压共轨喷油器各部件的结构特点及工作原理, 对其进行了简化, 将喷油器内部简化为容积腔、管道及阀3种结构, 并建立其相对应的数学模型.

高压共轨喷油器的控制腔、盛油腔、针阀座处及喷油嘴压力室4个容积腔均可视为集中容积, 由于容积的形状对流体流动的影响不大, 因此只考虑其体积而不考虑它的形状.假设容积腔内部压力、密度处处相等, 利用集中容积法建立容积腔数学模型.

容积腔数学模型遵守流量守恒方程

VE·dPdt+dVdt=∑Qi(1)

式中:V为容积腔体积, mm3; E为燃油的弹性模量, MPa; P为容积腔内压力, Pa; t为时间, s; Qi为单位时间内流入或流出第i个容积腔的燃油流量, mm3/s.

在高压共轨喷油器的工作过程中, 由于多次喷油, 导致共轨管内部高压燃油压力波动较大, 但是在单次喷射仿真过程中, 这样的压力波动可以忽略.根据流量守恒方程建立管道数学模型

Qgi=Qgd+VgE·dPgdt(2)

式中:Qgi为流入共轨腔的燃油流量; Qgd为共轨腔流向低压油管的燃油流量; Vg为共轨腔容积; Pg为共轨管内燃油压力.

根据牛顿第二定律, 可得到针阀偶件的数学模型如下

mz·dh2dt2=Fz+Fy+Fm-Fk-Fc-c·dhdt(3)

式中:Fz为针阀座处的燃油压力; Fy为压力室处的燃油压力; Fm为盛油腔的燃油压力; Fk为针阀弹簧预紧力; Fc为控制腔燃油压力; c为针阀的阻尼系数; h为针阀升程; mz为针阀偶件质量.

2.2 仿真模型建立

根据高压共轨喷油器的结构特点及工作原理, 基于前面所建立的数学模型, 利用AMESim仿真软件中的液压元件设计库中的各类单元模型搭建本文的仿真模型, 如图1所示.

图1 高压共轨喷油器仿真模型Fig.1 High pressure common rail injector simulation model

2.3 仿真模型校验

本文利用单次喷射仪试验台开展高压共轨喷油器喷油特性的实验, 将共轨压力分别设定为1 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa, 控制不同的喷油脉宽, 分别记录不同脉宽下喷油器的单次循环喷油量, 将获得的试验数据与仿真数据对比并进行误差分析, 如图2所示.

图2 循环喷油量的仿真数据与试验数据对比图Fig.2 Cycle fuel injection quantity comparison between simulation results and experimental results

图2中随着喷油脉宽的增大, 单次循环喷油量的仿真结果呈现线性增长趋势, 且在变化趋势上与试验结果基本吻合.模型能较为真实地反映出喷油器的实际喷油特性.但由于仿真模型所做的简化及试验条件的细微差别等, 因此在个别工况点下仿真结果与试验结果相比存在一定误差, 其最高误差度不超过10%, 均在计算允许的范围内.仿真结果与实际情况基本吻合, 可以确定所建仿真模型的正确性.

3 喷油器结构参数对响应特性的影响
3.1 喷油器响应特性的评价指标

响应特性分析的是喷油器开启响应时间和关闭响应时间.喷油器开启响应时间与关闭响应时间又细分为开启延迟时间T1、开启时间T2、关闭延迟时间T3、关闭时间T44个部分.其中:T1是指从喷油脉冲信号始点至针阀开启时刻; T2为针阀开启时刻至针阀上升达到最大升程; T3则是指从喷油脉冲信号终点至针阀关闭时刻; T4为针阀开始关闭时刻至针阀落座时刻, 如图3所示.

图3 喷油器动态响应特性评价指标Fig.3 Dynamic responses evaluation index of the injector

3.2 进、出油孔径对响应特性的影响

根据高压共轨喷油器的工作原理可知, 喷油器控制腔的进出油孔孔径将决定流入流出控制腔的燃油流量的多少, 从而影响到控制腔内燃油油压的变化, 进而使喷油器针阀的响应速度也随之变化.将出油孔径设定为0.25 mm, 进油孔的直径分别设定为0.20 mm、0.21 mm、0.22 mm、0.23 mm, 分析进油孔径变化对高压共轨喷油器响应特性的影响, 见图4和表1.

图4 不同进油孔径下喷油器针阀升程曲线Fig.4 Injector needle valve lift curves under different inlet hole diameters

表1 不同进油孔径下喷油器的各时间参数变化 Tab.1 Various delay time of the injector under different inlet hole diameters

由图4及表1可以看出, 随着进油孔直径的逐渐增加, T1和T2随之增加; 而T3及T4却逐渐减少.这是由于在控制阀开启的过程中, 进油孔径的增加使得控制腔内泄油速率减慢, 压降速度及幅度都会有相应程度的减少, 所以针阀开启时间增加; 而当控制球阀关闭以后, 控制室的泄油通道关闭, 更大的进油孔径使得进油流通面积增大, 导致控制室的充油速度加快, 压力回升的速度得到提升, 针阀的关闭速度提高.另外, 进油孔直径过大时, 控制腔内燃油泄压速度会受到影响, 导致针阀开启发生异常, 不能正常喷油.因此, 应控制进油孔径在适当范围内.

设定进油孔径为0.23 mm不变, 将出油孔的直径分别设定为0.25 mm、0.26 mm、0.27 mm、0.28 mm, 分析出油孔径变化对喷油器响应特性的影响, 见图5和表2.

图5 不同出油孔径下喷油器针阀升程曲线Fig.5 Injector needle valve lift curves under different outlet hole diameters

表2 不同出油孔径下喷油器的各时间参数变化 Tab.2 Various delay time of the injector under different outlet hole diameters

从图5及表2可以看出, 随着出油孔径的增加, T1和T2缩短, T3和T4基本不变.这是由于出油孔径增大使得出油孔流通面积增大, 因此控制球阀开启后, 控制腔的回油速率增大, 压降速度增加, 从而缩短了针阀上升时间, 使得针阀的开启响应得到了提高.而针阀关闭时, 控制球阀已经落座, 出油孔关闭, 控制腔的回压速度只与进油孔流量速度有关, 即针阀的关闭响应不受出油孔径变化的影响.因此, 可适当提高出油孔的孔径, 以提高喷油器的响应特性.

3.3 控制腔容积对响应特性的影响

在保持原机参数的基础上将控制腔的容积分别设定为0.01 cm3、0.02 cm3、0.03 cm3、0.04 cm3, 分析控制腔容积变化对高压共轨喷油器响应特性的影响, 见图6和表3.

图6 不同控制腔容积下喷油器针阀升程曲线Fig.6 Injector needle valve lift curves under different control cavity volume index

表3 不同控制腔容积下喷油器的各时间参数变化 Tab.3 Various delay time of the injector under different control cavity volume index

由图6和表3可得, 随着控制腔容积的增大, 喷油器针阀升程曲线只有微小的向左平移趋势, 各响应特性指标变化不大.这是因为喷油器针阀的开启与关闭主要由控制腔的压力变化决定, 由于进出油孔径不发生变化, 因此在控制室腔出入口流量差不变的情况下, 控制腔容积的增加会导致控制腔的泄压和回压速度变慢, 从而影响喷油器的响应速度.

3.4 控制柱塞直径对响应特性的影响

控制腔内高压燃油作用到控制柱塞顶面, 对针阀产生向下的作用力, 燃油压力不变时, 控制柱塞直径越大, 对针阀产生的向下作用力越大, 因此控制柱塞直径也是影响响应特性的关键因素之一.在保持原机参数的基础上将控制柱塞直径分别设定为4.2 mm、4.3 mm、4.4 mm、4.5 mm, 分析控制柱塞直径变化对喷油器响应特性的影响, 见图7和表4.

图7 不同柱塞直径下喷油器针阀升程曲线Fig.7 Injector needle valve lift curves under different plunger diameters

表4 不同柱塞直径下喷油器的各时间参数变化 Tab.4 Various delay time of the injector under different plunger diameters

综合图7和表4可以看出, T1和T2随着控制柱塞直径的增大而增加; 同时T3减少, 针阀的关闭速度得到提升, T4也随之逐渐减少.这是由于控制柱塞直径的增大使得控制腔内燃油在柱塞截面上的作用面积增大, 因此向下作用的力也随之增加.此时控制腔内的燃油压力需要降低至更小, 针阀才能开始运动, 并且上升的速度更慢, 因此针阀的开启响应受到影响.并且若控制柱塞直径过大, 将会使控制柱塞受到的压力超出一定范围, 最终导致针阀无法正常开启, 影响高压共轨喷油器的正常工作.若柱塞直径过小, 针阀虽然能够达到快速开启, 但却会影响其正常关闭.因此, 柱塞直径的选取应当在合理的范围内, 不能过大或过小, 从而影响到喷油器的喷射特性.

3.5 针阀密封直径对响应特性的影响

针阀密封直径的大小会影响针阀和座面之间的节流效果及针阀座处高压燃油作用在针阀上的作用力, 从而影响针阀的响应特性和喷油效果.在保持原机参数的基础上将针阀密封直径分别设定为3.9 mm、4.0 mm、4.1 mm、4.2 mm, 分析针阀密封直径变化对喷油器响应特性的影响, 见图8和表5.

图8 不同针阀密封直径下喷油器针阀升程曲线Fig.8 Injector needle valve lift curves under different needle valve sealing diameters

表5 不同针阀密封直径下喷油器的各时间参数变化 Tab.5 Various delay time of the injector under different needle valve sealing diameters

从图8和表5可以看出, 随着针阀密封直径的增大, 针阀的开启速度得到了明显的增加, T1大幅减少; 另一方面关闭速度迅速减慢, T3和T4都增大.并且针阀开启速度的提高远远大于针阀关闭速度的减少, 因此适当增加针阀密封直径对于喷油器的响应特性有利.

3.6 针阀弹簧预紧力对响应特性的影响

在共轨压力建立前, 应保证针阀处于常闭状态.因此需要具备一定的针阀弹簧预紧力从而保证其不受气缸内压力的影响.受到喷油器本身结构的限制, 弹簧的预紧力需要控制在一定值内.为分析其对喷油器响应特性的影响, 在保持原机参数的基础上将针阀弹簧预紧力分别设定为59 N、69 N、79 N、89 N, 分析针阀弹簧预紧力变化对喷油器响应特性的影响, 见图9和表6.

图9 不同针阀弹簧预紧力下喷油器针阀升程曲线变化Fig.9 Injector needle valve lift curves change under different needle valve pre-tightening forces

表6 不同针阀弹簧预紧力下喷油器的各时间参数变化 Tab.6 Various delay time of the injector under different needle valve pre-tightening forces

从图9和表6中可以看出, 随着针阀弹簧预紧力的增加, T1和T3基本不变, 但T2和T4均发生了变化, 并且对T2的影响要大于对T4的影响.这是由于较低的针阀弹簧预紧力可以使得针阀较快的达到开启要求.而针阀在抬起时控制腔内的压力仍处于较高的水平, 控制腔内的压力与低压回油通道压差较大, 因此控制腔内的泄油速率较快, 即压降速度增大, 使得针阀的开启时间较短; 而当控制球阀关闭时, 针阀主要受到弹簧向下的作用力, 由于弹簧预紧力较小, 所以针阀下降的速度会较慢.因此, 需要将针阀弹簧预紧力控制在尽可能小的范围内.

4 结论

1)分析控制腔结构参数对响应特性的影响可知, 进油孔孔径增大会提升开启响应速度但会降低喷油器的关闭响应速度, 因此在喷油器设计开发过程中要综合考虑喷油器的开启和关闭响应要求, 合理选取控制腔进油孔径的取值; 出油孔孔径的增大会提高喷油器的开启响应速度, 因此喷油器设计开发过程中可适当增大出油孔径.在高压作用下控制腔容积的变化对喷油器开启和关闭响应特性的影响较小; 控制柱塞直径的增大会提升喷油器的关闭响应速度但会降低喷油器的开启响应速度.

2)分析针阀组件结构参数对响应特性的影响可知, 增大针阀密封直径会同时提高开启和关闭响应速度, 因此喷油器设计开发过程中可适当增加针阀密封直径; 针阀弹簧预紧力的增加会带来针阀开启时间的延长和关闭时间的缩短.

The authors have declared that no competing interests exist.

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