莫福廣 王洪勃 林 嘉 潘蘭濤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007）

引言

為了滿足越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)，降低油耗，各發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)采取優(yōu)化進(jìn)排氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、燃燒模型等措施[1-3]，不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率。噴油器作為燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)不可或缺的零部件，接受ECU 送來(lái)的噴油脈沖信號(hào)，精確控制燃油噴射量。其精準(zhǔn)高效、穩(wěn)定可靠的運(yùn)作，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、排放等具有決定性的影響[4-5]。噴油器的噴霧特性包括霧化粒度、油霧分布、油束方向、射程和擴(kuò)散錐角等，這些特性應(yīng)符合發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的要求，形成均勻混合的可燃?xì)怏w，提高燃燒效率，減少污染物排放。

噴孔板作為燃油經(jīng)過(guò)噴油器進(jìn)入氣缸的末端，其噴孔的直徑、數(shù)量、角度、分布對(duì)噴油器的噴霧特性有決定性的影響。通常，噴孔板非常薄，通過(guò)激光連續(xù)焊焊接在閥座上。在發(fā)動(dòng)機(jī)高油壓不斷快速?zèng)_擊下，如何保證孔板牢牢地焊接在噴油器閥座上且不產(chǎn)生疲勞失效，成為孔板厚度、材料選擇時(shí)必須考慮的因素。

前人對(duì)噴油器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究主要集中在影響噴油器輸出性能方面，如內(nèi)部子零件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6-9]，以及對(duì)噴孔板焊接工藝[10]、噴孔孔徑、噴孔數(shù)量[11]的研究等，而對(duì)噴孔板疲勞強(qiáng)度的研究較少。本文通過(guò)研究搭載不同厚度噴孔板的噴油器在高加速壽命試驗(yàn)（Highly Accelerated Life Test，HALT）中的不同疲勞強(qiáng)度表現(xiàn)，對(duì)噴油器噴孔板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 噴油器的工作原理

1.1 噴油器

噴油器主要由上下O 型密封圈、濾網(wǎng)、殼體、線圈組件、彈簧、球閥組件、閥座組件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 噴油器結(jié)構(gòu)

自然狀態(tài)下，球閥組件的球閥和閥座配合成密封狀態(tài)，而整車在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，ECU 根據(jù)工況輸出電壓信號(hào)給噴油器，噴油器線圈產(chǎn)生向上克服彈簧的電磁力，球閥組件向上移動(dòng)，球閥和閥座分開(kāi)，燃料在高壓力作用下通過(guò)閥座上的噴孔板孔噴射到氣缸內(nèi)，ECU 斷電，球閥組件（球閥）在回位彈簧的作用力下下移，重新與閥座密封，噴油結(jié)束。

1.2 噴孔板

噴孔板位于閥座外表面，一般通過(guò)激光連續(xù)焊焊接在閥座上，主要參數(shù)包括噴孔板厚度、噴孔數(shù)量、噴孔大小、噴孔分布情況、燃油噴射霧錐角度、燃油噴射雙霧錐角度等，如圖2 所示。

圖2 噴孔板在噴油器上的位置

目前，噴孔板的噴孔數(shù)量為1～12 個(gè)不等，孔徑大多在150～300 μm 之間，孔板厚度在100～200 μm之間。常見(jiàn)形狀有平面、圓錐體等，噴孔一般對(duì)稱分布，如圖3 所示。

圖3 噴孔板不同噴孔數(shù)量、分布及噴孔板形狀

2 問(wèn)題來(lái)源

在發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)某型號(hào)噴油器存在噴孔板疲勞斷裂的情況，斷裂位置在噴孔板焊縫內(nèi)側(cè)，如圖4 所示。

圖4 噴孔板開(kāi)裂

因斷裂位置在噴孔板焊接焊縫的內(nèi)側(cè)邊緣，從理論上分析，疲勞失效主要有4 個(gè)根本原因，見(jiàn)表1。

表1 疲勞失效原因

但采取表1 中的1、2 優(yōu)化措施后，噴油器仍存在噴孔板疲勞斷裂問(wèn)題?；诖?，研究噴油器噴孔板厚度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，并運(yùn)用沃勒疲勞曲線（S-N 曲線）進(jìn)行高加速壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化效果的可靠性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)材料疲勞強(qiáng)度理論，進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)。

3.1 沃勒曲線模型

圖5 是沃勒曲線模型，X 軸為疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù)，Y 軸為疲勞應(yīng)力。

圖5 所示的曲線中，各段含義如下：

圖5 沃勒曲線模型

1）靜應(yīng)力強(qiáng)度（AB 段）。循環(huán)次數(shù)N≤1 000 以前，使試件材料發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力基本不隨N 而變化，這時(shí)的變應(yīng)力強(qiáng)度可看作是靜應(yīng)力強(qiáng)度。

2）低周疲勞（BC 段）。隨著循環(huán)次數(shù)增加，使材料發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力不斷下降。C 點(diǎn)相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)大約在10 000 左右。這階段的疲勞稱為應(yīng)變疲勞。由于循環(huán)次數(shù)相對(duì)很小，所以也叫做低周疲勞。

3）高周疲勞（CD 段及D 點(diǎn)以后的水平線）。CD段代表有限壽命疲勞破壞，在此范圍內(nèi)，試件經(jīng)過(guò)相應(yīng)次數(shù)的變應(yīng)力作用后總會(huì)發(fā)生疲勞破壞。在D 點(diǎn)以后，如果應(yīng)力低于D 點(diǎn)應(yīng)力，則無(wú)論應(yīng)力變化多少，材料都不會(huì)破壞，故D 點(diǎn)以后的水平線代表試件無(wú)限壽命疲勞階段。這2 段曲線所代表的疲勞統(tǒng)稱高周疲勞。

對(duì)于具有應(yīng)變時(shí)效的金屬及合金，S-N 曲線具有明顯的水平部分，即該材料的疲勞極限具有持久疲勞極限。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

內(nèi)部壓力疲勞試驗(yàn)在室溫進(jìn)行，測(cè)試媒介為DOT4 剎車液，均帶15 Hz 的正弦負(fù)載（循環(huán)應(yīng)力），壓力比Rp=0.10，噴油器安裝在液壓系統(tǒng)上。

1）配152 μm 噴孔板測(cè)試樣件，從4.0 MPa 壓力開(kāi)始，每降低0.25 MPa 進(jìn)行一組試驗(yàn)；

2）配101 μm 噴孔板測(cè)試樣件，從3.0 MPa 壓力開(kāi)始，每降低0.25 MPa 進(jìn)行一組試驗(yàn)。

將噴孔板焊接在接桿上制成測(cè)試樣件，并安裝在疲勞循環(huán)試驗(yàn)設(shè)備上，見(jiàn)圖6。

圖6 疲勞循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)高壓噴射器電磁線圈終止測(cè)試設(shè)備作用于噴孔板的壓力。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)高加速壽命試驗(yàn)，疲勞循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 疲勞循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖7 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用MATLAB 擬合沃勒曲線方程：

101 μm 測(cè)試樣件：

152 μm 測(cè)試樣件：

式中：y 為疲勞應(yīng)力，Pa；x 為疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)公式（1）和公式（2），600 000 000 循環(huán)的壓力極限（循環(huán)耐久性代表零件壽命）為：101 μm 測(cè)試樣件：y1=1.87 MPa；152 μm 測(cè)試樣件：y2=2.89 MPa。

安全壓力裕度的計(jì)算公式為：

零件工作壓力，即零件實(shí)際應(yīng)用的整車燃油系統(tǒng)壓力，為0.38 MPa。根據(jù)公式（3）計(jì)算出厚噴孔板對(duì)比薄噴孔板的安全壓力裕度為A=268%。

優(yōu)化噴孔板厚度后，噴油器總成的動(dòng)態(tài)流量測(cè)試結(jié)果、靜態(tài)流量測(cè)試結(jié)果、泄漏量測(cè)試結(jié)果、線性測(cè)試結(jié)果分別如圖8、圖9、圖10、圖11 所示。圖11中，縱坐標(biāo)shift 表示偏移量。燃油噴射霧錐角度、雙霧錐夾角、噴孔夾角、SMD 見(jiàn)表2?？芍?，結(jié)果均符合零件性能標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 動(dòng)態(tài)流量測(cè)試結(jié)果

圖9 靜態(tài)流量測(cè)試結(jié)果

圖10 泄漏量測(cè)試結(jié)果

表2 噴油器其它性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖11 線性測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過(guò)增加噴油器噴孔板厚度對(duì)疲勞斷裂的問(wèn)題進(jìn)行了研究。基于材料力學(xué)性能的沃勒曲線，通過(guò)MATLAB 軟件擬合HALT 試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出優(yōu)化設(shè)計(jì)后的安全壓力裕度。試驗(yàn)表明，增加噴孔板厚度能顯著提高噴孔板的疲勞強(qiáng)度，安全壓力裕度提高268%。同時(shí)，優(yōu)化噴孔板后的噴油器性能未發(fā)生變異，均在技術(shù)規(guī)范范圍內(nèi)。