張 曉，汪 洋，蓋 超，朱 濤，何 方

(天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

二甲醚(dimethyl ether，DME)是一種適合應用在發(fā)動機缸內直噴的代用燃料．但由于其黏度低于柴油，尤其二甲醚僅為柴油十分之一，會對燃油噴射系統(tǒng)偶件帶來嚴重的密封和磨損問題．國外 AVL、VOLVO和 NISSAN等公司對二甲醚共軌噴油系統(tǒng)進行了多年的研究，開發(fā)出二甲醚發(fā)動機樣機和示范車[1-3]；國內上海交大和西安交大也在相應的噴射系統(tǒng)方面作了一定的研究，大多也是在機械式噴油器基礎上進行改進，沒有在根本解決低黏度燃料對噴油器泄漏和磨損問題．日本捷克賽爾公司開發(fā)出DME專用電磁直接驅動噴射器，盡管沒有柱塞偶件，但噴射器存噴油特性受噴射壓力和背壓影響呈非常規(guī)變化，導致實際應用難以控制[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仿真模型，通過仿真模擬驗證所提方案的可行性，最后開發(fā)出噴油器的實際樣機并通過試驗對仿真結果進行了驗證．

1 新型共軌電控噴油器原理

所設計的噴油器原理如圖1所示，噴油器由電磁鐵、起銜鐵作用的 T型塊、針閥和復位彈簧等構成．在針閥和 T型塊之間有一個自由間隙 h，稱為自由升程．工作時，電磁鐵通電所產生的電磁力首先拉動 T型塊，T型塊在不斷加速過程中獲得一定初速度，當自由升程 h縮小到 0時，T型塊通過止口與針閥上端的凸緣接觸，發(fā)生碰撞，針閥在碰撞拉動作用下打開，噴射開始；T型塊帶動針閥一起向上運動，直到總升程 H＝0，針閥開啟過程結束；電磁鐵斷電后，針閥在復位彈簧力作用下帶動T型塊一起向下運動，直到針閥落座，噴油停止．和現有高壓共軌式電控噴油器技術中相比，該噴油器在結構原理上有以下3個特點：①取消了液力柱塞，針閥外圓面也無需密封，徹底回避了偶件的泄漏和磨損問題；②沒有回油口，輸入噴油器的燃料全部從噴孔噴出；③采用 24,V電壓直接驅動．

2 噴油器計算模型的建立

電控噴油器是電、磁、機、液四者非線性耦合系統(tǒng)．根據電控噴油器的特點，可將其分解為 3個子模型：電路模型，磁路模型和機械液壓模型[5]．為了準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模型進行動態(tài)電磁場及電磁力計算分析，采用 Flowmaster 搭建液力仿真模型，耦合電磁計算的動態(tài)電磁力，對噴油器進行液力和響應特性地分析．

2.1 噴油器的電磁計算模型

良好的電磁鐵動態(tài)吸力特性是保證噴油器快速響應穩(wěn)定工作的關鍵因素[6]．利用三維電磁分析軟件，根據噴油器的原理，搭建相應的電磁結構的三維模型，其結構仿真模型如圖2所示．通過模型分析，影響噴油器響應特性的參數主要有驅動電壓、線圈匝數、銜鐵質量、彈簧預緊力、選用的磁性材料及閥芯的尺寸和行程等．利用電磁計算模型，重點分析導磁材料、銜鐵結構和線圈匝數對動態(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 導磁材料的影響

為了提高噴油器的響應特性，噴油器導磁材料的選擇原則是高電阻率、高導磁率、高飽和磁感應強和低矯頑力，但實際材料選擇往往不能兼顧[7]．目前國內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

考慮經濟性和加工的可行性，選擇Fe-Co合金作為噴油器電磁鐵閥芯導磁材料．圖 3是 2種不同材料結構動態(tài)電磁力的響應曲線．一種導磁結構為 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特性遠遠優(yōu)于電鐵結構，主要原因是Fe-Co合金的高飽和磁感應強度和高電阻率所致．由圖3還可以看出，采用Fe-Co合金材料在結構尺寸上具有更大的優(yōu)化余地，通過使用脈寬調制(pulse width modulation，PWM)斬波電流驅動方式能更加有效地降低驅動能量的消耗．

2.1.2 銜鐵結構的影響

電渦流是影響噴油器響應特性的一個不可忽視的因素，減少其影響除了采用高電阻率的導磁材料外，在不影響結構強度和靜態(tài)力損失不大的前提下可對銜鐵進行切槽處理．圖 4是銜鐵在 0.8,ms驅動脈沖下開槽與不開槽的動態(tài)電磁力曲線對比．由圖 4看出開槽結構電磁力響應速度優(yōu)于不開槽結構，但最大升程處的靜態(tài)電磁力略有下降．隨著切槽數地增加，有利于提高動態(tài)電磁力的響應速度．通過計算，再增加開槽數及開槽長度對響應時間幾乎沒有太大提高．通過開槽，銜鐵到達最大升程處時間可提前0.02,ms．圖 5是在 0.345,ms時電渦流的生成圖．通過圖 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流通，降低了渦流強度，有利于提高外加磁場滲透和衰退速度，從而提高電磁力的響應．但切槽面積不能過大，否則會降低銜鐵的強度，同時也會因為吸合面積減少而導致靜態(tài)電磁力下降過大[8-9]．線．盡管線圈匝數地增加有利于提高磁勢，促進電能與磁能地轉換，增強電磁力，但電感地增大影響電磁鐵的響應速度．由圖 6看出，電磁力的響應速度隨著線圈匝數地增加而降低，這主要由于線圈匝數增加使電感增大，增加了電流的響應時間導致電磁力的響應速度下降．在 45匝下，銜鐵到達最大升程的時間比24匝延遲0.1,ms．

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

圖4 不同銜鐵結構的電磁力曲線對比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 線圈匝數的影響

線圈匝數是影響電磁鐵響應速度的一個敏感參數．圖 6是 3種不同線圈匝數動態(tài)電磁力的響應曲

圖6 不同線圈匝數的電磁力曲線對比Fig.6 Comparison of electromagnetic force curves with Fig.6 different coil turns

圖 7是電壓激勵后不同時刻的噴油器磁路動態(tài)分析結果．結果表明，噴油器導磁體的磁化是個漸進過程，磁場是逐步滲透進導磁材料進行磁化的．選擇良好的導磁材料和結構優(yōu)化設計，提高導磁體的磁化過程速度是提高噴油器響應性能的關鍵．分析結果還表明本文設計的噴油器的導磁結構所產生的漏磁很少，邊緣效應影響較小，結構較為合理．

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

2.2 噴油器的液力計算模型

新型共軌噴射系統(tǒng)原理如圖 8所示．機油被高壓泵加壓，高壓機油通過二位四通電磁閥輸送到工質轉換器實現對低黏度燃料的加壓，加壓后的燃料通過單向閥進入共軌，共軌管中的高壓燃料通過高壓管輸送到電控噴油器．工質轉換器包括 2個工作單元，每一個單元中有1個隔離膜片，進入工作單元的高壓機油通過隔離膜片對燃料進行加壓，2個工作單元交替工作，從工質轉換器出來的高壓二甲醚基本連續(xù)且波動較?。@種供油系統(tǒng)可以有效避免低黏度燃料對供油和噴射系統(tǒng)地磨損，也適用于常態(tài)下為氣體的二甲醚地噴射．應用Flowmaster液力仿真軟件，對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．為了準確計算受力影響，將 T型塊和針閥看成是一個質量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，并進行質量分割，質量塊之間是剛性連接[10]．模型仿真計算分為 2個部分：一是油路計算，將系統(tǒng)作為一維非定常流動處理，且考慮燃料的壓縮性；另一部分是針閥位移計算，沒有現成的元件，利用該軟件的接口編程來實現．

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

液力仿真過程是：先通過三維電磁有限元仿真模型調整不同升程，計算得到在不同脈沖激勵下的動態(tài)電磁力曲線，再耦合到一維液力仿真模型中，得到相應條件下噴油器針閥的開啟和關閉時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．

對所開發(fā)的電控噴油器液力影響較大的重要設計參數是 T型塊和針閥質量、彈簧預緊力、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)．在噴油器結構確定的條件下，自由升程和有效升程的變化對噴油器的噴油性能影響極大．

2.2.1 自由升程對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脈沖驅動，激勵電壓24,V，有效升程0.35,mm．

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

圖10 2,ms脈沖下自由程對針閥升程的影響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脈沖驅動，激勵電壓24,V，大自由升程．

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

由圖11可見，由于自由升程相同，不同有效升程對應的針閥開啟過程基本重合；針閥關閉時刻和落座速率隨著有效升程地增大而增大；針閥關閉過程是彈簧力、剩磁力和行程3種綜合的結果．在滿足針閥閥座不節(jié)流的前提下，應盡量減小有效升程，這有利于減少關閉響應延遲時間．

3 噴油器工作特性的試驗驗證

3.1 共軌噴射試驗系統(tǒng)

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

在仿真計算和試驗基礎上，確定噴油器的相應電磁結構參數，開發(fā)出了實際樣機．使自由升程和有效升程具有可調功能，并采用圖 13所示的裝置進行了試驗研究．其工作原理是：油泵將機油加壓后送送到壓力轉換器，壓力轉換器把機油壓力轉換為二甲醚壓力后，通過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換器．電控裝置對噴油器進行噴射控制，同時將信號傳給上位機PIV控制器用于觸發(fā)激光器．

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

試驗的主要目的，是對新開發(fā)的原理性樣機進行性能測試，并對仿真研究的結果進行驗證．所用的試驗方法是利用PIV光學系統(tǒng)，獲得噴霧不同時刻的高速圖像，以準確獲得針閥響應延遲，并對噴霧過程進行直接觀察，試驗中利用柴油模擬二甲醚燃料．油量特性試驗是采用量筒收集多次噴油量取平均的辦法．

3.2 噴油器啟噴時間、噴油規(guī)律和油量特性仿真試驗對比

試驗中將共軌壓力設置15、22.5和25,MPa，電流脈沖時間為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驅動脈沖時，共軌壓力從 15,MPa到 25,MPa，針閥開啟響應完全相同，都是0.545,ms．激光高速攝像獲得的開啟響應為0.7,ms，表明仿真結果比試驗結果提前，差異的原因可能來源于電磁力響應的計算誤差．

從圖14中還可以得出噴油器關閉響應速度分別是 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，關閉響應略有加快．激光高速攝像獲得的關閉響應為 0.7,ms，與仿真結果比較接近．

開啟響應速度不受共軌壓力的影響是本文所提出的噴油器的一個優(yōu)點，這是由工作原理決定的，即碰撞發(fā)生的時刻就是噴油器啟噴的時刻，在碰撞發(fā)生前的自由升程階段，噴嘴內部的壓力不會影響T型塊的運動規(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的油量特性對比曲線．由圖15可以看出，實際的油量特性曲線的趨勢和仿真曲線符合得比較好，但是試驗油量均比仿真結果小，以誤差百分比衡量，大油量時誤差較小，而小油量時較大．差異的原因可能來源于電磁力響應的計算誤差，仿真計算的電磁力響應提前，導致針閥的開啟時間與實際開啟時間比提前，導致噴油量偏大．

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

4 結 論

(1)電磁鐵結構選用高飽和磁感應強度和高導磁率材料，對銜鐵切槽處理及優(yōu)化線圈均有利于可以顯著提高噴油器電磁鐵的動態(tài)響應性，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，針閥開啟響應時刻略微延長，但開啟速度增快；減少有效升程可以有效提高針閥的關閉響應速度．

(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測噴油器的噴油特性．實際噴油器的開啟和關閉響應時間與仿真結果較為接近；實際油量特性曲線與仿真結果趨勢符合較好，實際噴油量比仿真結果小，大油量時誤差較小，小油量時誤差較大．

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