高壓共軌噴油器響應特性優化分析

緱慶偉，趙 暢，張 欣

（1. 北京交通運輸職業學院 汽車工程系，北京 102618；2. 北京交通大學 動力與能源工程系，北京 100044）

高壓共軌噴油器響應特性優化分析

緱慶偉1，趙 暢2，張 欣2

（1. 北京交通運輸職業學院 汽車工程系，北京 102618；2. 北京交通大學 動力與能源工程系，北京 100044）

為了提高某型號重型柴油機噴油器的響應特性，以高壓共軌噴油器為研究對象，利用 AMESim 軟件建立仿真模型并分析了控制柱塞直徑、控制腔容積、針閥彈簧預緊力、針閥密封直徑對于響應特性的影響。采用正交試驗設計的方法，通過極差和方差分析對這些參數及其交互作用進行優化。結果表明，當控制柱塞直徑為 4.2 mm，控制腔容積為 0.02 cm3，針閥彈簧預緊力為 79 N，針閥密封直徑為 3.8 mm 時高壓共軌噴油器的響應特性最好，優化后響應特性提升了 30.65%。

高壓共軌噴油器；結構參數；響應特性；正交試驗設計

柴油機具有熱效率高、功率大、經濟性好等特點，在貨車、大客車等商用車上得到了廣泛應用[1]。采用高壓共軌燃油系統是提高柴油機動力性和排放性的必要措施，高壓共軌噴油器作為核心部件，其響應特性將直接影響柴油機噴油特性，從而影響柴油機燃燒和排放，合理選取噴油器的結構參數是提高其響應特性的關鍵[5]。本文首先根據實際工程需求選取了4個關鍵結構參數，通過單因素的仿真分析，獲得各結構參數合理的選取范圍。利用正交試驗設計的方法分析了各因素以及各因素之間的交互作用對于響應特性的影響，確定最佳優化方案，為噴油器的結構設計提供了理論依據。

1 高壓共軌噴油器模型構建及試驗驗證

1.1 高壓共軌噴油器仿真模型的建立

根據高壓共軌噴油器各部件的結構特點及工作原理，對其進行合理的簡化假設，建立相對應的數學模型。在所建立的數學模型的基礎上，以某型號重型柴油機高壓共軌噴油器為參考，利用 AMESim仿真軟件液壓元件設計庫中的各類單元模型搭建本研究的仿真模型。構建的高壓共軌噴油器仿真模型如圖1所示。

圖1 高壓共軌噴油器仿真模型

1.2 仿真模型的試驗驗證

利用單次噴射儀試驗臺開展了高壓共軌噴油器噴油特性的試驗。將共軌壓力分別設定為 1 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa，控制多種噴油脈寬，獲得不同工況下噴油器的單次循環噴油量數據，將獲得的試驗數據與仿真數據進行對比并做誤差分析。循環噴油量的試驗數據與仿真數據對比圖如圖2所示。

圖2 循環噴油量的試驗數據與仿真數據對比圖

由圖2可知，利用共軌噴油器仿真模型計算出的單次循環噴油量結果與試驗結果在變化趨勢上基本一致，單次循環噴油量隨噴油脈寬的增加近似呈線性增長的趨勢，多數工況點下仿真數據與試驗數據吻合較好。在個別工況點下，仿真結果與試驗結果相比存在一定誤差，主要是仿真模型所做的簡化及試驗條件的細微差別等，但其最高誤差度不超過 10%，模型能夠較為真實地反映出共軌噴油器的噴油特性。

2 高 壓 共 軌 噴 油 器 關 鍵 結 構 參 數 對 響 應 特 性的影響

2.1 噴油器響應特性的評價指標

響應特性分析的是噴油器開啟響應時間和關閉響應時間。具體包括開啟延遲時間（以下簡稱“開啟延時”）、開啟時間、關閉延遲時間（以下簡稱“關閉延時”）、關閉時間四個部分，可用圖3中的 T1、T2、T3、T4四個時間參數進行表征。

圖3 噴油器動態響應特性評價指標

2.2 控制腔容積對響應特性的影響

在保持原機參數的基礎上將控制腔的容積分別設定為 0.01 cm3、0.02 cm3、0.03 cm3、0.04 cm3，分析控制腔容積變化對高壓共軌噴油器響應特性的影響。針閥升程曲線如圖4所示。

圖4 不同控制腔容積下噴油器針閥升程曲線

由圖4可知，噴油器響應特性指標只有微小的變化，控制腔容積的變化對噴油器響應特性的影響程度很小。

2.3 控制柱塞直徑對響應特性的影響

在保持原機參數的基礎上將控制柱塞直徑分別設 定 為 4.2 mm、4.3 mm、4.4 mm、4.5 mm， 分 析控制柱塞直徑變化對噴油器響應特性的影響。針閥升程曲線如圖5所示。

由圖5可知，柱塞直徑的變化對于開啟響應影響較大，但若控制柱塞直徑過大，會導致控制腔內燃油作用在控制柱塞上的力過大，使針閥無法正常開啟。同時若柱塞直徑過小，針閥雖然能夠快速開啟，但影響其正常關閉。因此，柱塞直徑的選取也應當在合理的范圍內，過大或過小都會影響噴油器的正常工作。

圖5 不同柱塞直徑下噴油器針閥升程曲線

2.4 針閥密封直徑對響應特性的影響

在保持原機參數的基礎上將針閥密封直徑分別設 定 為 3.9 mm、4.0 mm、4.1 mm、4.2 mm， 分 析針閥密封直徑變化對噴油器響應特性的影響。針閥升程曲線如圖6所示。

圖6 不同針閥密封直徑下噴油器針閥升程曲線

由圖6可知，開啟時間的降幅遠遠高于關閉時間的增幅，適當增加針閥密封直徑有利于提高噴油器的整體響應特性。

2.5 針閥彈簧預緊力對響應特性的影響

在共軌壓力建立前，針閥彈簧預緊力能夠保證針閥不受氣缸內壓力的影響而處于關閉狀態，它的大小也會影響噴油器針閥的運動。為分析其對噴油器響應特性的影響，在保持原機參數的基礎上將針閥彈簧預緊力分別設定為 59 N、69 N、79 N 和 89 N，分析針閥彈簧預緊力變化對噴油器響應特性的影響。針閥升程曲線如圖7所示。

圖7 不同針閥彈簧預緊力下噴油器針閥升程曲線變化

由圖7可知，針閥彈簧預緊力對噴油器響應特性的影響較小，對開啟時間的影響略大于對關閉時間的影響。

3 共軌噴油器關鍵結構參數優化設計

3.1 正交試驗方案的確定

本研究中噴油器關鍵結構參數的優化目標為噴油器的響應特性。因此，選取針閥開啟延時 T1、針閥開啟時間 T2、針閥關閉延時 T3、針閥關閉時間T4，四個指標衡量試驗結果。

根據優化需求，將前文分析的4個關鍵結構參數（控制柱塞直徑、控制腔容積、針閥彈簧預緊力、針閥密封直徑）作為試驗因素，從單因素分析中較為理想的區域里選取3個值，作為試驗因素的水平，另外分析它們的交互作用對噴油器響應特性的影響程度。其中，交互作用主要包括因素A與因素B的交互作用A×B，因素A與因素C的交互作用A×C，因素A與因素D的交互作用A×D，因素B與因素C 的交互作用 B×C。因素及水平表見表2。

由于選取4個3水平因素，4個3水平交互作用，因此自由度為 4×2+4×2×2=24，選用的正交表自由度≥ 24，所以選用 L27（313）正交表，總試驗次數為 27次。

表2 因素及水平表

評價方法采用綜合評分法來評價共軌噴油器的動態響應特性，根據理想噴油器的噴油規律曲線形狀可知，在噴油器工作過程中，希望噴油器能夠斷油迅速，因此優先考慮關閉響應，并且響應時間比延遲時間更為重要。以此對四個試驗指標的重要性進行排序，針閥關閉時間最重要，針閥關閉延時次之，針閥開啟時間第三重要，針閥開啟延時是四個指標中重要性最小的。取針閥關閉時間的權重系數為 0.5，針閥關閉延時的權重系數為 0.25，針閥開啟時間的權重系數為 0.15，針閥開啟延時的權重系數為 0.1。則綜合評分的公式為：

式中：i為第 i次試驗；Xi1為第 i次試驗的針閥開啟延時 T1；Xi2為第 i次試驗的針閥開啟時間 T2；Xi3為第 i次試驗的針閥關閉延時 T3；Xi4為第 i次試驗的針閥關閉時間 T4；Yi為第 i次試驗的綜合公式分。

表3 極差分析表

3.2 正交試驗結果及分析

3.2.1 極差分析

計算貢獻系數k，從而判斷該因素各水平對試驗指標影響的大小。表3為極差分析表。

由表 3 可知，RA＞ RB＞ RA×B＞ RC= RA×C＞RA×D＞ RD＞ RB×C，即因素 A 對響應特性的影響程度最大，其次為因素 B、A×B、因素 C、A×C、A×D、因素 D、B×C。其中控制柱塞直徑對響應特性的影響最大。由圖8各因素對響應特性的影響效應曲線圖可以看出，響應特性隨著控制柱塞直徑增大而得到明顯提升。

圖8 各因素對響應特性的影響效應曲線圖

3.2.2 方差分析

計算總偏差平方和與各因素平方和與均差和后，檢驗各因素的統計量F值，獲得各因素的顯著性大小，方差分析表見表4。

表4 方差分析表

由表 4可知，因素 A、B×C對試驗結果的影響是高度顯著的，而因素 B、因素 C、A×B、A×C的影響顯著。

3.2.3 優化方案的構建

通過方差分析表對各組參數及交互作用進行分析。

（1）由于因素 A、因素 B 及 A×B 的影響都是顯著的，應選擇［ab］ij中最小者所對應的因素 A和因素B的水平為優水平組合，為此列出因素A和因素B的二元表見表5。

表5 因素A和因素B的二元表

由表5可知，所對應的因素A和因素B的最優水平搭配為 A1B1，次為 A1B2。

（2）與因素A和因素B相同，因素A和因素C的二元表見表6。

表6 因素A和因素C的二元表

由表6可知，所對應的因素A和因素C的最優水平搭配為 A1C3，次為 A1C2。

（3）因素 B 和因素 C 的二元表見表 7。

表7 因素B和因素C的二元表

由表7可知，因素A和因素C的最優水平搭配為 B2C2，次為 B2C1。

（4）由于因素A顯著，因素D、A×D不顯著，故因素 D 取最優值 D1。

由以上分析可得到響應特性的各結構參數最佳方案表，見表8。

表8 各結構參數最佳方案表

3.3 最優方案的分析及選取

根 據 分 析 得 到 優 化 方 案 分 別 為 A1B1C2D1、A1B1C3D1、A1B2C2D1、A1B2C3D1。對優化方案進行仿真分析。在仿真過程中，有的方案出現了由于部件不匹配而造成的針閥復抬現象。方案 A1B2C3D1能夠進行噴油器噴油的完整過程，并且在響應特性評價指標變化上具有一定的優勢，因此確定其為最優方案。

將獲得的最優方案與原機進行響應特性的對比，獲得針閥升程曲線圖（圖9）及響應特性評價指標變化對比表（表9）。

由圖9和表9可知，優化后的噴油器針閥保持在最大升程處的時間增加，并且開啟響應及關閉響應均有所提升，其中開啟延時 T1較優化前縮短了 0.01 ms，提升幅度達到 4.35%；開啟時間 T2較優化前縮短 0.2 ms，提升了 20.2%；關閉延時 T3較優化前縮短 0.01 ms，提升了 7.69%，而關閉時間T4則有微小的增大，噴油器總體響應特性提高了30.65%。

表9 優化前后響應特性評價指標變化對比表

圖9 最優方案與原機方案針閥升程曲線圖

4 結論

在仿真分析的基礎上利用正交試驗設計的方法，確定控制柱塞直徑為 4.2 mm，控制腔容積為0.02 cm3，針閥彈簧預緊力為 79 N，針閥密封直徑為 3.8 mm 時，噴油器響應特性達到最佳，優化后噴油器整體響應特性提高了 30.65%。

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作者介紹

責任作者：緱慶偉（1976-），男，遼寧營口人。碩士，講師，主要研究方向為汽車技術。

Te1：13661255952

E-mai1：gouqingwei@sina.com

Optimization Analysis of the Response Characteristics of High Pressure Common Rail Fuel Injector

GOU Qingwei1，ZHAO Chang2，ZHANG Xin2
（1. Department of Automotive Engineering，Beijing Vocational College of Transportation，Beijing 102618，China；2. Department of Power and Energy Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

In order to improve the response characteristics of the high pressure common rail fuel injector, this paper studied a heavy-duty diesel fuel injector and built a simulation model based on AMESim software. The paper analyzed the effects of the control chamber volume, the control plunger diameter, the needle valve’s spring preload and the needle valve’s sealing diameter on response characteristics of the injector. The range analysis and variance analysis were used to optimize these parameters and the optimization increased the response characteristics of the high pressure common rail injector by 30.65%.

high pressure common rail injector；structure parameters；response characteristics；orthogonal design test

TK423.8

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.03

趙暢（1992-），女，黑龍江大慶人。碩士研究生，主要研究方向為動力機械。

2016-12-28 改稿日期：2017-02-20

國家科技支撐計劃“歐Ⅵ重型柴油機開發及應用”（2014BAG11B01）

參考文獻引用格式：

緱慶偉，趙暢，張欣 . 高壓共軌噴油器響應特性優化分析［J］.汽車工程學報，2017，7(3)：175-181.

GOU Qingwei，ZHAO Chang，ZHANG Xin. Optimization Ana1ysis of the Response Characteristics of High Pressure Common Rai1 Fue1 Injector［J］.Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2017，7(3)：175-181.（in Chinese）

Te1：15201325342

E-mai1：14121350@bjtu.edu.cn