（中北大學 車輛與動力工程系，太原030051）

電控噴油器響應特性影響研究

馬富康

（中北大學 車輛與動力工程系，太原030051）

分別從理論分析和模擬計算的角度，定性、定量地分析了電控噴油器各關鍵結構參數(shù)對其響應特性的影響規(guī)律。以德爾福（DELPHI）共軌電控噴油器為研究對象，以系統(tǒng)軌壓在160 MPa下的噴油規(guī)律試驗研究為基礎，以HYDSIM為仿真平臺，建立了電控噴油器仿真模型。通過試驗，驗證了系統(tǒng)模型；運用模型，研究了對噴油器響應特性的影響因素，并以提高電控噴油器響應特性為出發(fā)點，探討了各關鍵結構參數(shù)的設計原則。通過分析計算，為電控噴油器結構參數(shù)的合理選擇和設計提供了理論依據(jù)。

電控噴油器 響應特性 模擬計算 影響

1 概述

電控噴油器是高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)中的關鍵執(zhí)行部件，其響應特性直接影響發(fā)動機的燃燒過程。噴油器的結構參數(shù)對噴射過程有著很大的影響，選擇合適的結構參數(shù)可以提高噴油器的響應速度、改善噴射過程。為了全面了解電控噴油器的結構參數(shù)對響應特性的影響，本文以德爾福公司的電控噴油器為研究對象，進行了多參數(shù)的模擬計算，可為噴油器結構參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 參數(shù)定義

（1）電控噴油器響應時間

電控噴油器的響應特性在很多文獻中有不同的定義方法。結合相關文獻及現(xiàn)有的研究條件[1]，定義了描述電控噴油器針閥的4個響應時間，見圖1。

（2）電控噴油器關鍵結構參數(shù)

噴油器結構見圖2，影響噴油器的關鍵結構參數(shù)有：進出油量孔的有效流通面積、控制活塞直徑、針閥導向體直徑。此外，影響噴油器針閥響應特性的還有運動件的質量、針閥密封底徑等參數(shù)。本文針對進出油量孔和有效流通面積、控制活塞截面積以及針閥導向體截面積對電控噴油器針閥響應特性的影響趨勢進行探討。

圖1 針閥響應時間定義示意圖

圖2 針閥響應時間定義示意圖

3 理論分析

電控噴油器在靜止狀態(tài)時，電控噴油器控制腔內(nèi)壓力和軌道壓力相同。當噴油器電磁閥受激勵開啟后，控制腔內(nèi)燃油從出油量孔泄出，控制腔壓力降低。當控制腔壓力降至針閥能夠開啟的臨界壓力時，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。針閥到達最大升程位置后，控制腔壓力繼續(xù)降低至一個穩(wěn)定壓力。噴油器電磁閥關閉后，控制腔內(nèi)壓力升高。當控制腔內(nèi)壓力上升至能夠關閉的臨界壓力時，針閥開始關閉。針閥在關閉過程中，控制腔內(nèi)壓力近似不變。當針閥完全落座后，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，進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 針閥響應時間定義示意圖

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

分析運動件的受力情況可知，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：

針閥關閉時控制腔內(nèi)臨界壓力為：

要使針閥能夠關閉必須滿足：Pr＞Pcc，即針閥的關閉條件是：

結合針閥響應過程，由上述一系列公式可知：

（4）Aa越大，針閥在關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，減小針閥關閉時間t4。

4 仿真分析

4.1 模型建立

為了準確地分析研究電控噴油器結構參數(shù)對其響應特性的影響情況[2,3]，本文采用AVL公司開發(fā)的噴油系統(tǒng)模擬計算軟件HYDSIM，對德爾福電控噴油器進行數(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 電控噴油器計算模型

4.2 模型校驗

為了驗證模型的正確性和準確性，對共軌系統(tǒng)進行了臺架試驗，結果見圖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測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，相對誤差較大。軌道壓力為160 MPa時，相對誤差最大為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曲線趨勢一致，局部區(qū)域有誤差，相對誤差最大為13.4%。噴油器針閥在落座階段，噴油率的仿真曲線和試驗曲線吻合較好，相對誤差小于1%。

圖5 噴油率試驗曲線和仿真曲線對比

4.3 仿真結果分析

在模型校驗準確的基礎上，分析了Aa、Ab、Ac和Ag4個關鍵結構參數(shù)對噴油器響應特性的影響狀況，參見圖6～圖9。

（1）Aa對電控噴油器響應特性的影響

圖6表明：隨著Aa的增加，t1、t2隨之增加，t3、t4隨之減小。t1、t3的變化相對于t2、t4較小，說明Aa對t2、t4有較大的影響。增大Aa，針閥上升緩慢，但落座速度增加，電磁閥開啟時間相同時噴油持續(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。

在電控噴油器運動件結構參數(shù)不變的情況下，其臨界開啟壓力和臨界關閉壓力不變。Aa增大，Ab不變時，電磁閥的卸壓能力相對減弱，則t1增大。Aa增大，針閥在上升過程中，控制腔內(nèi)的壓力相對較大，針閥上升的加速度減小，t2增大。同時，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對電控噴油器響應時間的影響

（2）Ab對電控噴油器響應特性的影響

圖7表明：由于t1在噴油器整個響應時間中所占比例較小，Ab對電控噴油器的影響主要體現(xiàn)為其對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。

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

圖7 Ab對電控噴油器響應時間的影響

（3）Ac對電控噴油器響應特性的影響

圖8表明：在Ac的變化范圍內(nèi)，t2相對于t1的變化較大，t4相對于t3的變化較大，Ac對t2、t4影響較大。增大Ac可以減少針閥的關閉時間，但同時減緩了針閥的升起過程。電磁閥開啟時間相同情況下增大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)壓力需要更長時間才能下降到開啟臨界壓力，即t1增大。Ac是電控噴油器運動件上部的受力面積，Ac增大，則運動件向上運動的加速度減小，t2增大。Ac增大，減小了電控噴油器針閥的臨界關閉壓力，控制腔內(nèi)壓力上升到臨界關閉壓力的時間縮短，t3減小。由于Ac增大，增加了運動件上部受力面積，運動件的加速度增加，t4減小[7]。

圖8 Ac對電控噴油器響應時間的影響

（4）Ag對電控噴油器響應特性的影響研究

圖9表明：在Ag的變化范圍內(nèi)，t2相對于t1的變化較大，t4相對于t3的變化較大，t1、t3在電控噴油器整個響應時間中占份額相對較小。Ag對t2、t4影響相對較大。較小的Ag能夠縮短針閥的落座時間，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，臨界關閉壓力增加。因此，電控噴油器進出油量孔不變情況下，針閥的開啟延時t1減小。控制腔內(nèi)的壓力需要更長時間達到臨界關閉壓力，故t3增加。Ag增加，運動件下部的受力面積增加，針閥在上升的過程中加速度增加，開啟時間縮短，t2減小。同時，較大的Ag使得針閥在下降過程中加速度減小，t4變長。

圖9 Ag對電控噴油器響應時間的影響

5 結論與建議

通過分析Aa、Ab、Ac、Ag這4個參數(shù)對電控噴油器響應特性的影響特性，可得出以下結論：

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

（2）Aa主要影響針閥的關閉速度，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閉速度，應選取較大的Aa。為了提高針閥的開啟速度，應該提高Ab與Aa的比值。較大的Aa和Ab會增加回油流量，降低共軌系統(tǒng)的機械效率并加劇回油溫升[7]。

（3）Ac、Ag對t2的影響較其對t4的影響大。為了減輕運動件的質量，縮小電控噴油器的尺寸，設計時在保證運動件強度基礎上選取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，不利于柴油機燃燒。為加速電控噴油器的響應過程，應充分考慮Ac、Ag對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，2001．

2 Keiki Tanabe等．用計算機模擬分析共軌系統(tǒng)的噴射特性[J]．國外內(nèi)燃機，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．高壓共軌柴油機電控噴油器的仿真[J]．農(nóng)機化研究，2009(2)：196-198．

7顧慧芽，唐焱．共軌噴油器參數(shù)對噴油規(guī)律的仿真研究[J]．液壓氣動與密封，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，工學碩士，主要研究方向為內(nèi)燃機結構設計及性能研究。