基于AMESim的電控噴油器的結構仿真與分析

孫世磊，牛志剛

(太原理工大學機械工程學院，山西太原030024)

高壓共軌噴油系統可以有效地降低柴油機油耗和尾氣排放，顯著提高其動力性。電控噴油器作為高壓共軌噴油系統的核心部件，其關鍵結構參數對整個系統的響應特性影響深刻。通過優化噴油器結構，能夠使噴油器對控制信號作出更為快速的響應，更為迅捷地控制針閥開啟和關閉，改善燃油系統的噴油性能。作者采用AMESim 軟件對電控噴油器的結構參數進行仿真分析，了解電控噴油器關鍵結構參數對燃油噴射過程的影響，為其結構設計和優化提供參考依據，從而降低開發成本［1－2］。

1 創建模型

1.1 電控噴油器的工作原理

電控噴油器結構示意圖如圖1所示。高壓燃油從油泵經共軌管進入噴油器后，一部分通過進油口進控制腔，另一部分通向蓄壓腔。電磁閥通電時，控制閥開啟，控制腔內的高壓燃油通過出油口瀉出，針閥受到的向下的壓力快速減小，向上的力大于向下的力，針閥抬起，開始噴油?？刂泼}寬過后，電磁閥未通電，控制閥關閉，從而密封住控制腔內的高壓燃油，控制腔和蓄壓腔壓強相等時，針閥受到的向下的壓力大于向上的力，重新關閉，噴油結束。電控噴油器根據電控單元(ECU)發出的控制信號，將高壓燃油以最佳的噴油定時、噴油量、噴油率和噴射方式噴射到燃燒室中［1］。

圖1 電控噴油器結構示意圖

1.2 建立仿真模型

采用AMESim 軟件對電控噴油器進行仿真模擬，建模過程中對噴油器進行了模塊劃分，根據各部分的液力特性，分為容積腔模型、管道模型、閥件模型。

1.2.1 容積腔模型

對于容積腔模型，比如控制腔、蓄壓腔、共軌管等，在建模時，基本的數學模型遵守流量守恒方程［3］:

式中:V 為容積腔的體積;

E 為燃油的彈性模量;

Qi為容積腔的燃油流量;

對于移動的部件則有

式中:A 是有效面積，v 是速度。

由貝努利方程，進流出容積腔的流量:

其中:Cd為流量系數，對于沒有氣穴現象的液流管，Cd與孔的幾何形狀、液體流速、液體密度以及液體黏度相關;A 是有效面積;ρ 是燃油密度。

泄漏量的計算。根據環形間隙滲油流量公式:

其中:Δp 為兩端壓力差;δ 為控制活塞與配合面間隙;l 為密封長度;μ 為運動黏度。

1.2.2 管道模型

由于噴油器噴油工作時的間歇性，使得噴油器內高壓油道中有壓力波動。做單次噴射仿真時，壓力波動可以忽略。在建立燃油管道模型時可采用一維連續流動方程:

式中:q 為燃油通過管道時的流量;

p 為管道內燃油壓強;

ρ 為燃油密度;

A 為管道的有效截面積;

u 為管道內燃油流速;

h(q)為與管道相對剛度有關的黏度摩擦。

1.2.3 閥件模型

閥件是由壓力驅動機械部件運動的機構，如電控噴油器中控制閥、控制腔活塞、針閥等，閥件模型的數學運動方程如下:

式中:h 為燃油通過管道時的流量;

m 為閥件的質量;

k 為閥件彈簧的彈性系數;

x0為閥件彈簧預緊量;

Fi為作用在閥件上的力;

Ai為Fi作用在閥件上的面積;

c 為閥件阻尼系數。

1.2.4 電控噴油器AMESim 仿真模型

電控噴油器的AMESim 仿真模型主要參數以Bosch 公司CR 共軌系統電磁式噴油器為參考，設計仿真模型如圖2所示。

圖2 電控噴油器仿真模型

建立仿真模型時，取噴油控制信號如圖3所示，設定噴油脈寬為1.5 ms，仿真時間5 ms。

圖3 噴油控制信號

2 仿真結果與分析

2.1 共軌管壓力對電控噴油器噴油過程的影響

為了分析共軌管壓力對噴油過程的影響，分別取共軌壓力為100、120、140、160 MPa 進行仿真，分析不同共軌壓力下針閥啟閉時間、噴油率和噴油量的變化情況。

由圖4—6 可以看出:相同噴油脈寬時，共軌壓力越大，針閥開啟和關閉速度越快;噴油率隨著共軌壓力的升高而增加，噴油量也有所升高。所以，在滿足機械要求的情況下，可以通過提高共軌壓力來優化噴油過程。

圖4 不同共軌壓力時針閥升程曲線

圖5 不同共軌壓力時噴油率曲線

圖6 不同規格壓力時噴油量曲線

2.2 進油口、出油口直徑對噴油過程的影響

進油口、出油口的大小直接影響控制腔油壓的變化速度，從而影響控制活塞和針閥升降速度，對噴油器的噴射性能有重要影響。為了比較直觀地反映進油出油口直徑對噴油過程的影響，可以分別改變進油口和出油口直徑，通過AMESim 仿真得到一系列針閥升程曲線。

保持出油口直徑為0.3 mm 不變，將進油口直徑分別設為0.13、0.15、0.17、0.18 mm，仿真得到的針閥升程曲線如圖7所示。

由圖7 可以看出:隨著進油口直徑增加，針閥開啟速度減慢，當進油口直徑過大時，由于控制腔壓力卸載過慢導致針閥不能正常開啟。同時針閥關閉速度加快，而且關閉速度要比開啟速度變化更為明顯。由此可見進油口大小對針閥的關閉速度影響很大。

保持出油口直徑為0.15 mm 不變，將進油口直徑分別設為0.28、0.30、0.32、0.34 mm，仿真得到的針閥升程曲線如圖8所示。

圖7 改變進油口直徑時針閥升程曲線變化

圖8 改變出油口直徑時針閥升程曲線變化

由圖8所示:隨著出油口直徑增加，針閥開啟速度明顯加快，關閉速度基本不變，因而出油口大小對針閥開啟速度影響很大。

綜上可以看出，合理選擇進油口、出油口直徑直接影響噴油器的噴油過程。

2.3 控制活塞直徑對噴油過程的影響

控制活塞直徑會直接影響控制腔作用到針閥上的向下的壓力，從而影響針閥的開啟關閉速度。圖9 顯示了不同控制活塞直徑時針閥的動態特性。

圖9 控制活塞直徑變化時針閥升程曲線

圖9 表明:當控制活塞直徑過小，控制腔無法產生足夠的壓力作用到針閥上，導致針閥開啟后不能正常關閉;控制活塞直徑增大后，針閥開啟時間延長，關閉時間也逐漸延長。由此可知:在針閥可以正常開啟關閉的情況下，控制活塞直徑越小，噴油器的噴射特性越好。

2.4 針閥直徑對噴油過程的影響

針閥直徑與針閥密封帶的投影面積對應的直徑共同決定了作用在針閥上的力，由此影響針閥動態響應特性。因此此次仿真取了4 組數據，針閥直徑r1與針閥密封帶的投影面積對應的直徑r2分別取為(3，2)、(3，2.5)、(3.5，2)、(3.5，2.5)，單位為mm，結果如圖10所示。

圖10 針閥直徑r1 與針閥密封帶的投影面積對應的直徑r2 對針閥升程的影響

由圖10 可以看出:當針閥直徑不變，針閥密封帶的投影面積對應的直徑增加時，針閥開啟速度減慢明顯，而關閉速度則有所增加;當針閥密封帶的投影面積對應的直徑不變、針閥直徑增大時，針閥開啟速度增加，而關閉速度減慢。由此可見，針閥直徑與針閥密封帶的投影面積對應的直徑對針閥開啟和關閉有著重要影響，合理選擇二者的大小可優化噴油器的噴油特性。

3 結論

通過對電控噴油器的關鍵結構參數進行分析，得出主要結論如下:

(1)提高共軌壓力可以優化針閥升程，提高噴油率和噴油量;

(2)進油口、出油口直徑對針閥升程影響很大，設計時要合理選擇;

(3)在針閥可以正常開啟關閉的情況下，控制活塞直徑越小，噴油器的噴射特性越好;

(4)合理選擇針閥直徑與針閥密封帶的投影面積對應的直徑的大小可優化噴油器的噴油特性。

【1】周龍保.內燃機學［M］.2 版.北京:機械工業出版社，2010.

【2】蔡振輝，楊海青，杭勇，等.基于AMESim 的高壓共軌噴油器的建模及分析［J］.柴油機設計與制造，2008，15(1):4－9.

【3】顧慧芽，唐焱，蔣順文.共軌噴油器參數對噴油規律影響的仿真研究［J］.液壓氣動與密封，2009(6):41－44.

【4】菅寶玉，袁寶良.共軌噴油器結構參數的分析研究［J］.現代車用動力，2006(3):5－9.

【5】曾東健，楊建軍，黃海波，等.基于AMESim 的噴油器工作過程模擬［J］.小型內燃機摩托車，2008(2):5－8.

【6】平濤，徐建新，谷峰，等.共軌用新型電控噴油器結構及性能研究［J］.柴油機，2008，30(6):20－23.

【7】董堯清，顧萌君，紀麗偉，等.共軌噴油器參數對噴油規律影響的仿真研究［J］.現代車用動力，2007(4):35－39.

【8】PAYRI R，SALVADOR F J，MARTí-ALDARAVí P，et al.Using One-dimensional Modeling to Analyze the Influence of the Use of Biodiesels on the Dynamic Behavior of Solenoid-operated Injectors in Common Rail Systems:Detailed Injection System Model［J］.Energy Conversion and Management，2012，54(1):90－99.