基于AMESim的高壓共軌噴油器仿真分析

程傲，孟利清，白海

（1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224；2.廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林 541004）

基于AMESim的高壓共軌噴油器仿真分析

程傲1，孟利清1，白海2

（1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224；2.廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林 541004）

柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)中噴油器是其核心部件，燃油系統(tǒng)的噴油特性受噴油器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。在對(duì)高壓共軌噴油器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，在AMESim下建立其模型，并進(jìn)行仿真分析不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴油特性的影響。

AMESim；高壓共軌噴油器；仿真分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.008

CLC NO.:TK422 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-21-03

引言

柴油機(jī)電控噴射技術(shù)的發(fā)展有效的提高了柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、改善了排放。在經(jīng)歷了位置控制式、時(shí)間控制式和時(shí)間位置控制式。現(xiàn)階段普遍使用的是壓力時(shí)間控制式，也就是我們現(xiàn)在說的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)。它在噴射正時(shí)和噴射壓力的實(shí)現(xiàn)上具有很大的靈活性，同時(shí)具有很高的噴射壓力[1-2]。因此在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)達(dá)到一定軌壓后，噴油器能否精準(zhǔn)控制噴油規(guī)律成為了關(guān)鍵。通過優(yōu)化高壓噴油器結(jié)構(gòu)，可以很好的提高系統(tǒng) 響應(yīng)速度、噴油性能。本文通過AMESim軟件建立高壓共軌噴油器仿真模型，研究共軌壓力及噴油器不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴油率的影響，為噴油器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[3]。

1、高壓共軌噴油器的工作原理

在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中，高壓燃油泵將燃油從油箱抽出以一定的壓力送至共軌管，通過共軌管分配到各缸噴油器中。噴油時(shí)刻以及噴油量由高速電磁閥控制。右圖是高壓共軌噴油器的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖[4]。

噴油器主要由電磁閥控制部分、球閥、控制活塞、頂桿以及針閥等組成。如圖所示高壓燃油從共軌進(jìn)入噴油器后會(huì)分為兩路，一部分進(jìn)入噴油器控制活塞上部的活塞控制腔，另一部分進(jìn)入針閥下部的盛油槽。在針閥彈簧以及承壓面積不同的作用下針閥不會(huì)被抬起，噴油器處于不工作狀態(tài)[5]。

圖1所示為噴油器噴油狀態(tài)，此時(shí)電磁閥在ECU指令下通電，電磁閥銜鐵在磁力作用下克服彈簧預(yù)緊力向上方移動(dòng)，球閥打開。高壓燃油從球閥流入回油箱，此時(shí)控制腔的壓力迅速下降而盛油槽壓力保持不變，針閥在壓力作用下開啟，噴油器開始噴油。當(dāng)電磁閥斷電后，球閥在彈簧預(yù)緊力作用下關(guān)閉，控制腔壓力迅速上升，球閥關(guān)閉，噴油停止。

圖1 高壓共軌噴油器

2、噴油器模型建立

噴油器是由機(jī)、電、液組成的復(fù)雜系統(tǒng)，采用AMESim軟件進(jìn)行仿真分析，利用其豐富的電磁、液力、機(jī)械庫建立模型可以全面分析噴油器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴油特性的影響。建模過程中針對(duì)噴油器進(jìn)行了模塊的劃分，這里將其劃分為電磁閥控制模塊、容積腔控制模塊、閥件控制模塊。

2.1 電磁閥控制模型

電磁閥數(shù)學(xué)模型包括電路方程、電磁力方程、銜鐵運(yùn)動(dòng)方程[6]：

電路方程：

其中，u-電磁鐵驅(qū)動(dòng)電壓，i-線圈電流，r-線圈內(nèi)阻，N-線圈匝數(shù)，φ-磁通。電磁鐵在工作過程中由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生電磁渦流，這里為了簡(jiǎn)化將不予考慮。

電磁力方程：

其中，F(xiàn)m-電磁力，uδ-氣隙磁位降，G-氣隙磁導(dǎo)，δ-氣隙。

當(dāng)系統(tǒng)中的氣隙很小的時(shí)候，公式可以簡(jiǎn)化為：

其中，B-氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，u0-空氣磁導(dǎo)率，S-氣隙導(dǎo)磁面積。

(3)銜鐵運(yùn)動(dòng)方程

其中，F(xiàn)p-銜鐵受到泄壓腔有效的燃油作用力，F(xiàn)s-彈簧的作用力，m-銜鐵質(zhì)量，x-銜鐵位移。

2.2 容積腔控制模型

對(duì)于容積腔控制模型，例如控制腔、蓄壓腔、油嘴腔等，考慮時(shí)認(rèn)為容積內(nèi)部的壓力與速度分布是均勻的，此時(shí)滿足連續(xù)性方程：

系統(tǒng)中各閥體的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響重大，可以將其簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧震蕩系統(tǒng)，即質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，其基本方程如下：

其中，m-閥體的質(zhì)量，c-粘性阻尼系數(shù)，k-彈簧剛度，F(xiàn)0-彈簧預(yù)緊力，x-銜鐵位移，F(xiàn)-作用在閥體軸向上的外力和。

2.4 高壓共軌噴油器AMESim仿真模型

根據(jù)噴油器結(jié)構(gòu)特征及數(shù)學(xué)模型在AMESim下建立的高壓共軌噴油器模型，如圖2。

圖2 高壓共軌噴油器仿真模型

3、仿真結(jié)果與分析

3.1 軌壓對(duì)噴油器噴油率的影響

較高的燃油噴射壓力可以獲得較好的燃油霧化質(zhì)量，但是過高的壓力又會(huì)導(dǎo)致共軌管的中燃油壓力波動(dòng)從而影響噴油的穩(wěn)定。

分別設(shè)定軌壓在120、130、160、200MPa下，分析噴油率的變化情況。

圖3 軌壓對(duì)噴油率的影響

著重關(guān)注主噴射部分，由圖3可以看出隨著共軌壓力的升高噴油器的響應(yīng)速度變快，并且噴油量以及噴油脈寬都相應(yīng)增大。所以在機(jī)械性能滿足的情況下，提高軌壓可以有效的提高噴油效率增加噴油量。

3.2 控制活塞直徑對(duì)噴油過程的影響

控制活塞通過傳遞控制腔的壓力從而控制針閥的動(dòng)作，控制活塞直徑的大小會(huì)直接影響控制腔容積的大小、作用在噴油嘴針閥上的壓力大小、噴油器運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量等。

圖4 控制活塞直徑對(duì)針閥升程的影響

由圖4可以看出隨著控制活塞直徑的增大，針閥的開啟時(shí)間滯后關(guān)閉時(shí)間提前。從而導(dǎo)致了針閥開啟的時(shí)間縮短，噴油量也會(huì)隨之縮短。理想情況下針閥的開啟時(shí)不會(huì)太快，但可以迅速關(guān)閉，所以合適的控制活塞直徑對(duì)噴油器的響應(yīng)力至關(guān)重要。

3.3 控制腔體積對(duì)噴油率的影響

由于高壓共軌系統(tǒng)中燃油的壓力很高，所以燃油的壓縮性不可忽略，噴油器中控制腔容積的大小將影響控制壓力的大小從而會(huì)終止針閥的開啟響應(yīng)速度，最終影響噴油量。

圖5、圖6分別顯示了控制腔容積在15 mm3、25 mm3、30mm3下控制腔壓力和噴油率的變化情況。

從圖中可以看出，隨著控制腔容積的變化噴油率曲線變化不是很大，噴油率曲線有一定的平移，而且噴油起點(diǎn)受影響較大。隨著控制腔容積的增大噴油始點(diǎn)推遲，導(dǎo)致噴油脈寬縮短從而降低了噴油量。

圖5 控制腔體積對(duì)控制腔壓力的影響

圖6 控制腔體積對(duì)噴油率的影響

4、結(jié)論

通過高壓共軌噴油器仿真分析，改變噴油器不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)觀察分析對(duì)噴油率的影響，可以得出以下結(jié)論。

（1）軌壓的提高會(huì)使噴油量顯著提高，但會(huì)導(dǎo)致共軌燃油的壓力波動(dòng)，所以選擇合適的軌壓至關(guān)重要。

（2）控制活塞直徑的大小對(duì)針閥開啟關(guān)閉響應(yīng)速度影響較大。

（3）控制腔容積的改變對(duì)噴油率的影響不大，但會(huì)影響噴油的起始點(diǎn)。

[1] 閆俊輝.柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)控制策略研究[D].重慶：重慶理工大學(xué)2012.

[2] 孫世磊.牛志剛.基于AMESim的電控噴油器的結(jié)構(gòu)仿真與分析[J].機(jī)床與液壓.2013.41(17):163-168.

[3] 許文燕.吳小軍. 王家雄等.高壓共軌噴油器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真分析[J].內(nèi)燃機(jī)2011.(2):11-12.

[4] 張建新.高壓共軌噴油器工作特性的仿真試驗(yàn)與研究[D].上海：上海交通大學(xué).2003.2-4.

[5] 金海勇.傅連東. 柴油機(jī)高壓共軌噴油器的仿真分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車2012.41(5)：6-7.

[6] 李捷輝.李忠海. 趙哲等. 高壓共軌柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)的仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究.2009(2)：196-197.

Simulation of High Pressure Common Rail Injector Based on AMESim

Cheng Ao1, Meng Liqing*1, Bai Hai2
( 1.School of Mechanical and Transportation, Southwest Forestry University, Yunnan Kunming 650224; 2. School of Technology and Education, Guangxi Normal University, Guangxi Guilin 541004)

Rail injector is the key component of the high pressure common rail fuel injection system, the response characteristics of fuel injection system affect by the main structural parameters of injector. Set up a model with AMESim software after analysis the structure of the high common rail injector, and analysis the effect of varied structural parameters of injector on injection rule.

AMESim; high pressure common rail injector; simulation analysis

TK422

A

1671-7988(2016)01-21-03

程傲，碩士研究生，就讀于西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院。主要從事柴油機(jī)高壓共軌噴油器仿真研究。孟利清，博士，教授，就職于廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院。碩士研究生導(dǎo)師，主要從事交通運(yùn)輸及物流管理與工程研究。