陳健 戴冬 譚勇敢 韓毅 王志偉 張兵

（1.常州中車柴油機零部件有限公司；2.江蘇大學）

與相同工況的汽油式內燃機相比，柴油機的氮氧化物及顆粒物的排放量更少、燃油經(jīng)濟性更佳、熱效率更高，是目前實現(xiàn)全社會節(jié)能減排目標的重要方式[1-4]。目前，針對柴油機共軌系統(tǒng)噴油器的研究主要集中于德國博世公司、日本電裝公司與美國德爾福公司。以博世公司為例，其生產(chǎn)的第4 代高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，其噴射壓力最高可達1 80 MPa，且采用的壓電式噴油器使得電磁響應更快，燃油效率更高，但未見其大規(guī)模的裝機使用[5]；國內針對高壓系統(tǒng)噴油器的研究相對歐美等西方發(fā)達國家來說較為滯后，文獻[6]搭建了船用低速機雙閥電控噴油器的數(shù)值模型，并與實際產(chǎn)品的循環(huán)噴油量進行了比對，結果表明所搭建模型與實際測量值的誤差僅為3.38%；文獻[7]以某型船用中速柴油機燃油系統(tǒng)為研究對象，分析了全工況下針閥預緊力等關鍵參數(shù)對共軌系統(tǒng)噴射效率的影響；文獻[8]以壓電式噴油器為研究對象，基于模糊自適應控制算法對柴油機高壓共軌系統(tǒng)多噴控制理論進行了深入研究，結果表明其自適應控制算法下的針閥升程誤差較小，多噴穩(wěn)定性較高；文獻[9]針對傳統(tǒng)電磁閥式噴油器固有的液力響應遲滯的問題，優(yōu)化設計了一種新型噴油器的結構，并利用一維液力仿真軟件Hydism 對所設計的新型噴油器噴油特性進行了仿真分析，結果表明所設計的新型噴油器能夠有效減緩液力延遲，噴油穩(wěn)定性更高。文章對柴油機共軌系統(tǒng)及其噴油器的結構與工作過程進行了簡單的介紹，并借助一維液力仿真軟件AMESim 對噴油器的噴油特性進行了研究，旨在推動國內柴油機共軌系統(tǒng)噴油器研發(fā)工作的進展。

1 噴油器建模

1.1 柴油機共軌系統(tǒng)組成與工作原理

柴油機高壓燃油共軌系統(tǒng)（以下簡稱共軌系統(tǒng)）是一個典型的機、電、液一體化的產(chǎn)品[10-12]，其組成如圖1 所示。共軌系統(tǒng)主要包括低壓部分、高壓部分與電控部分。其中，低壓部分主要包括油箱、低壓油泵、燃油濾清器及低壓管路；高壓部分主要包含高壓油泵、油軌、噴油器、共軌管路等；電控部分主要包括傳感器、執(zhí)行器、控制單元等。高壓泵、高壓共軌管路、噴油器、控制單元為共軌系統(tǒng)的4 大核心部件。

圖1 高壓燃油共軌系統(tǒng)組成[13]

高壓泵的作用是將低壓齒輪泵輸出的低壓燃油經(jīng)過其內部的柱塞壓縮至高壓狀態(tài)，并將其送入高壓共軌管路中，從而滿足發(fā)動機根據(jù)實時工況下噴油量與噴油速率的要求；高壓共軌管路用于儲存高壓燃油，同時可以作為壓力容器吸收管內壓力脈動，從而實現(xiàn)噴油器的穩(wěn)定噴射；噴油器可將共軌管路中的柴油霧化并噴出，其噴射量、噴射時刻與噴射持續(xù)時間均由控制單元根據(jù)發(fā)動機的實時工況計算得出；控制部分是整個高壓燃油共軌系統(tǒng)的“大腦”，其主要作用是采集各類傳感器采集到的發(fā)動機實時工況，經(jīng)由內部預置算法與邏輯電路處理，輸出控制參數(shù)至各執(zhí)行器，實現(xiàn)柴油機的工作狀態(tài)控制與故障診斷。

1.2 噴油器的組成與工作原理

柴油機共軌系統(tǒng)噴油器的結構與工作過程如圖2所示。該電磁式噴油器主要由電磁鐵、球閥、針閥桿等部分組成。其工作過程可以劃分為4 個階段：噴油器關閉、噴油器開啟、噴油器完全開啟、噴油器關閉。當未給電磁閥線圈通入激勵電流時，電磁閥芯未得電產(chǎn)生吸力，銜鐵在電磁閥彈簧的作用下壓在控制腔的回油孔處，回油通道關閉，共軌管中的高壓燃油分別作用于針閥桿上端、針閥盛油槽與針閥座處，且由于針閥桿上端的有效作用面積大于針閥下腔的面積，故而在針閥回位彈簧的向下合力作用下，噴油器處于落座關閉狀態(tài)；當給電磁閥線圈通入激勵脈寬足夠的電流時，電磁閥芯得電產(chǎn)生吸力，克服電磁鐵彈簧的預緊力緩慢打開卸油通道，控制腔中的高壓共軌燃油經(jīng)過進油孔回流至低壓油道，此時針閥所受向上的合力大于向下的合力，針閥緩慢開啟并逐漸達到最大升程，盛油槽中的高壓燃油迅速得以霧化并噴出，即為噴油器開啟狀態(tài)；當電磁閥線圈切斷激勵電流時，電磁閥芯失電，銜鐵在電磁閥彈簧的作用下重新壓在控制腔的回油孔處，回油通道關閉，噴油器關閉。利用AMESim 軟件對該噴油器進行物理模型的搭建，其仿真模型如圖3 所示。該仿真模型主要由電磁模塊、機械模塊、液壓模塊組成，其中電磁部分的激勵信號選定軟件人工設置輸入模塊，液壓部分控制腔可由軟件液壓庫的容腔模塊設定，機械模塊可由軟件機械庫的各組員集成。為了驗證該模型的準確性，可參考文獻[14]中的“軌壓—噴油量”工程實測數(shù)據(jù)并設置與之相同的工況參數(shù)，兩者的對比曲線如圖4 所示。從圖中可以看出，仿真與試驗總體變化趨勢相同，且相同軌壓下，仿真與試驗的最大數(shù)值誤差不超過10%，因此可以認為該模型可以用于后續(xù)噴油特性的性能研究并指導參數(shù)的優(yōu)化。

圖2 噴油器結構及工作過程示意圖

圖3 噴油器仿真模型

圖4 仿真、實測數(shù)據(jù)對比

2 仿真與分析

在對建立的噴油器AMESim 模型進行仿真之前，給出系統(tǒng)各主要仿真參數(shù)的具體數(shù)值：共軌壓力設置為100 MPa，銜鐵質量0.003 kg，針閥質量0.007 kg，控制腔出油口直徑0.3 mm，噴孔直徑0.12 mm，給定激勵信號如圖5 所示，設置系統(tǒng)仿真時間為0.003 s，采樣周期設為0.000 01 s，其余部分參數(shù)采用系統(tǒng)默認參數(shù)即可。

圖5 給定激勵信號

給定激勵信號作用下電磁閥芯與針閥位移仿真結果如圖6 所示。

圖6 給定激勵信號作用下電磁閥芯與針閥位移

從圖6 可以看出，在給定激勵信號的上升沿時刻，電磁閥芯與針閥芯并未相應產(chǎn)生電位移與機械位移，即電磁閥芯與針閥芯相對激勵信號存在液力滯后，且針閥芯的滯后效應明顯大于電磁閥芯，這主要是由于從電激勵脈寬產(chǎn)生到氣隙磁通的建立存在時間差，針閥上下壓差的建立需要一定的時間累積，最終反映為電磁閥芯與針閥位移皆滯后于激勵信號，且針閥位移的液力滯后效應更加明顯。正是由于這種液力滯后效應的存在，使得柴油機噴油器的噴油正時不夠準確，噴油效率有待提升。文章將從銜鐵質量、針閥質量、共軌壓力、控制腔直徑4 個關鍵因素，分析其不同取值對噴油器噴油特性的影響。

2.1 銜鐵質量對噴油器噴油特性的影響

銜鐵質量分別取0.001 kg、0.003 kg、0.005 kg 時噴油器噴油特性如圖7 所示。

圖7 不同銜鐵質量下針閥位移、流量與噴油量仿真曲線

從圖7 可以看出，銜鐵質量對針閥開啟特性影響較大，對針閥關閉特性影響較小，且隨著銜鐵質量的減小，針閥開啟時的動態(tài)特性更佳，流量與噴油量也明顯增加，這主要是由于銜鐵質量減小，動態(tài)響應更靈敏，所以在保證針閥正常動作的前提條件之下，銜鐵質量應盡可能取小值。

2.2 針閥質量對噴油器噴油特性的影響

針閥質量分別取0.005 kg、0.007 kg、0.009 kg 時噴油器噴油特性如圖8 所示。從圖8 可以看出，針閥質量對針閥開啟特性和關閉特性皆有影響，且隨著針閥質量的減小，針閥開啟與關閉時的動態(tài)特性更佳，這主要是由于針閥質量減小，動態(tài)響應更靈敏，所以在保證針閥結構強度的條件之下，針閥質量應盡可能取小值。

圖8 不同針閥質量下針閥位移、流量與噴油量仿真曲線

2.3 共軌壓力對噴油器噴油特性的影響

共軌壓力分別取100 MPa、120 MPa、140 MPa 時噴油器噴油特性如圖9 所示。從圖9 可以看出，共軌壓力對針閥開啟特性和關閉特性皆有影響，且隨著共軌壓力的增大，針閥開啟與關閉時的動態(tài)特性更佳，所以在保證針閥正常動作的前提條件之下，共軌壓力應盡可能取大值。

圖9 不同共振壓力下針閥位移、流量與噴油量仿真曲線

2.4 控制腔直徑對噴油器噴油特性的影響

控制腔直徑（即控制腔出油口直徑）分別取0.30 mm、0.31 mm、0.32 mm 時噴油器噴油特性如圖10所示。從圖10 可以看出，控制腔直徑對針閥開啟特性和關閉特性皆有影響，且隨著控制腔直徑的增大，針閥開啟動態(tài)特性更佳，關閉動態(tài)特性變差，且控制腔直徑對針閥開啟特性的影響更大。

圖10 不同控制腔直徑下針閥位移、流量與噴油量仿真曲線

3 結論

噴油器是柴油機高壓共軌系統(tǒng)中的關鍵零部件，但是針對該部件的研究仍然缺乏系統(tǒng)化的研究。文章利用AMESim 軟件建立了噴油器的物理模型，重點分析了銜鐵質量、針閥質量、共軌壓力、控制腔直徑4 個關鍵因素對噴油器噴油特性的影響，結果表明：控制腔直徑對針閥開啟特性的影響更大，且在保證針閥正常動作的前提條件之下，銜鐵質量與針閥質量應盡可能取小值，共軌壓力應盡可能取大值。文章的研究能夠為柴油機共軌系統(tǒng)噴油器的國產(chǎn)化提供借鑒思路，但仍然需要指出的是，文章的仿真分析與實際還是存在差異的，今后可通過實物測試對其進行驗證。