共軌噴油器墊片對其性能的影響分析

談德榮

（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200030）

共軌噴油器墊片對其性能的影響分析

談德榮

（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200030）

隨著國家對環(huán)保法規(guī)的日益重視以及對應(yīng)的道路用車輛國四排放的執(zhí)行，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在中國已朝向低排放，低油耗方向發(fā)展。對于提高燃油經(jīng)濟(jì)性降低排放的技術(shù)方案，提高柴油系統(tǒng)的壓力和更精確地控制燃燒過程將成為整個(gè)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。共軌系統(tǒng)由于其高達(dá)1400bar以上（國四排放將達(dá)到1600bar以上）的系統(tǒng)壓力，通過ECU可以對噴油器的噴油時(shí)間及噴油量進(jìn)行精確控制，達(dá)到最大程度的改善油耗和尾氣排放。目前共軌技術(shù)已成為國四時(shí)代的電控發(fā)動(dòng)機(jī)的主流發(fā)展技術(shù)。共軌系統(tǒng)的核心部件共軌噴油器由于制造的高精密性，博世工廠必須通過墊片來調(diào)節(jié)和補(bǔ)償噴油器內(nèi)部零部件的極微小公差引起的位置變化從而保證產(chǎn)品功能和性能的一致性。共軌噴油器在裝機(jī)使用過程中其承受著極高的壓力，此外中國油品質(zhì)量（含雜質(zhì)）的參差不齊導(dǎo)致了大量的噴油器損壞，而售后噴油器維修過程中對于功能的復(fù)原除了更換磨損零部件之外對于性能的還原起到更重要作用的仍是墊片的選用和調(diào)整。文章將闡述調(diào)整墊片的功能及調(diào)整方法，以及不同故障模式下墊片選取對噴油器性能影響的分析。

共軌；噴油器；維修；調(diào)整墊片

Abstract:With increasing significance being attached to China’s environmental laws and China IV being implemented for all vehicles on the road, low emission and low fuel consumption have become the new focus for diesel engines in China. As for the technical solution to improve fuel efficiency and reduce emission, the main concern would be how to increase the pressure of diesel system and how to control the combustion process more precisely. Common rail system, featuring a high-pressure over1, 400 bar (China IV will requires more than 1,600 bar) and precise control over fuel injection time and quantity through ECU, consumes much less diesel and produces much lower emissions. This is why common rail system has become the mainstream technology in the era of China IV. Common rail injector, as the core part of common rail system,requires highly precise manufacturing process. This makes shim a must for Bosch factories to adapt to and compensate the position change caused by the minimal tolerance among internal injector components. The extremely high pressure and fuel of different quality in China (with impurities) both lead to the failure of a large number of injectors. During the repair process for injector in aftermarket, it would make a much bigger difference on the recovery of performance by choosing the right shim and adjust it compared to the replacement of worn parts. This paper will focus on why and how to adjust shims and analyze different shims’ influence on injector’s performance under different failure modes.

Keywords: Common Rail; injector; repair; shim

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-173-04

前言

電控調(diào)整墊片對于噴油器調(diào)整的作用是不言而喻的。目前在中國市場90%的在共軌噴油器的工業(yè)生產(chǎn)中，由于各個(gè)零部件需要極為精密的配合，在生產(chǎn)和制造過程中會(huì)因?yàn)榧?xì)小的誤差引起大批量生產(chǎn)的噴油器的性能一致性受到考驗(yàn)。因此在噴油器設(shè)計(jì)過程中引入了尺寸差別極微小的墊片來補(bǔ)償由于零部件加工的細(xì)微差異或者制造中的不確定性造成的配合間隙。由此噴油器的性能一致性便可以在大批量制造中得以穩(wěn)定。而在維修噴油器的過程中，售后人為的拆卸和重新安裝也導(dǎo)致了整體噴油器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生改變，且變化情況無法參照原廠的噴油器內(nèi)部參數(shù)，只能通過對相應(yīng)的裝配尺寸進(jìn)行詳細(xì)測量，并依據(jù)油量測試的結(jié)果來調(diào)整相應(yīng)墊片。單單更換相應(yīng)磨損件就能復(fù)原噴油器性能的情況幾乎不存在，由此我們便需要了解墊片的結(jié)構(gòu)和調(diào)整方法。中國市場目前主要的博世噴油器型號為第二代噴油器簡稱CRIN2，目前已完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，系統(tǒng)壓力可從 1400bar升級至 1600bar，完全能夠應(yīng)對國四甚至國五的要求。基于其是國內(nèi)的主流配套型號，以下內(nèi)容將圍繞共軌二代噴油器展開對調(diào)整墊片的分析研究。

1 調(diào)整墊片的功能與調(diào)整方法

1.1 博世二代共軌噴油器的調(diào)整墊片類型及功用

如圖1所示，二代博世共軌噴油器的墊片分為五種，自下而上分別是：針閥升程調(diào)整墊片（中間墊片），油嘴彈簧調(diào)整墊片，緩沖升程墊片，銜鐵升程墊片以及閥彈簧調(diào)整墊片[1]。

在噴油器生產(chǎn)過程中，墊片的使用并非隨意，而是經(jīng)過精細(xì)測量計(jì)算得出，整個(gè)墊片的厚度選用符合工業(yè)生產(chǎn)的正態(tài)分布曲線，并且其精度可以達(dá)到微米級別。墊片厚度的不同將對噴油器的各項(xiàng)性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

圖1 噴油器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 閥彈簧調(diào)整墊片

調(diào)整電磁閥彈簧力的大小。彈簧力根據(jù)不同類型的噴油器其設(shè)定值不同。博世噴油器的彈簧力基本的要求額定值為55N到90N，公差范圍在超出公差尺寸的閥彈簧力會(huì)影響噴油性能。如果電磁閥沒有電壓輸入，彈簧將球閥壓緊在閥座面上，球閥底面液壓力將平衡彈簧力。電磁閥彈簧力的大小對其閥芯運(yùn)動(dòng)特性及響應(yīng)時(shí)間均有巨大影響。不同的彈簧力對球閥的升程，球閥的速度，針閥升程及噴油量都是不同的。電磁閥的相應(yīng)速度會(huì)隨著彈簧力的增加而降低。

1.1.2 銜鐵升程調(diào)整墊片

銜鐵升程指的是，調(diào)整由于閥球由于不規(guī)則垂直跳動(dòng)而產(chǎn)生的最大位移。銜鐵升程對于不同類型的噴油器有些許差別。一代博世噴油器的銜鐵升程規(guī)定值在39微米到59微米之間，而中國市場的二代噴油器基本上規(guī)定值都在52微米到55微米，最大公差范圍在±5微米之間，過大或過小將直接造成噴油器無法噴油或噴油過小。對噴油器而言，在正常范圍內(nèi)的規(guī)定值，銜鐵升程的調(diào)整最多就影響到預(yù)噴點(diǎn)油量的多寡，并不會(huì)對其他噴射點(diǎn)產(chǎn)生影響[2]。

1.1.3 緩沖升程調(diào)整墊片

緩沖升程調(diào)整墊片是對銜鐵片在運(yùn)行過程中最大位移的調(diào)整。緩沖升程墊片無法加的過厚，否則噴油器的回油量將會(huì)變得過大。而回油量過大的裝車現(xiàn)象則是無法啟動(dòng)或怠速不穩(wěn)。規(guī)定值基本上在19微米至59微米之間，最大公差范圍為±20微米左右。如果其調(diào)整范圍在最大公差之內(nèi)，它的厚度對單個(gè)測試點(diǎn)的噴油量影響非常小，但是對短時(shí)間內(nèi)的多次噴油總量有一定影響。而普通的維修用測試臺架是無法測出差別所在的。

1.1.4 油嘴彈簧調(diào)整墊片

油嘴彈簧力同時(shí)也是油嘴的軸針開啟壓力。油嘴彈簧力的大小直接影響著油嘴的噴射相應(yīng)時(shí)間及噴射量。油嘴開啟壓力為34 N，最大公差范圍為±3N。超過公差范圍的彈簧力會(huì)使得噴油量發(fā)生較大的偏差，在怠速工況下表現(xiàn)非常突出。

1.1.5 針閥升程調(diào)整墊片

油嘴針閥的最大位移即為針閥升程。其設(shè)定值隨噴油器型號的不同而不同。規(guī)定值為200微米至350微米，最大公差范圍為10微米左右。全負(fù)荷工況下的噴油量將受到針閥升程的影響。

1.2 博世二代共軌噴油器墊片對噴射性能的影響

噴油器在不同軌壓和不同通電時(shí)間下的噴油性能的好壞可用噴油器燃油噴射曲線來表達(dá)。對于模擬真實(shí)工況起到非常重要的參考和標(biāo)定意義[3]。我們用博世二代噴油器 04451 20078（此噴油器通過升級可達(dá)國四標(biāo)準(zhǔn)）為例分析墊片厚度對燃油曲線的影響程度如何。

1.2.1 針閥升程的影響

圖2 針閥升程對噴射的影響

如圖2所示：當(dāng)針閥升程為250微米階段用藍(lán)色曲線表示噴射流量，當(dāng)針閥升程為280微米時(shí)，噴油量變?yōu)榧t色曲線所形成的狀態(tài)。而當(dāng)針閥升程切換為230微米時(shí)，同一噴油器的噴射曲線會(huì)成為如綠色曲線所示狀態(tài)。從圖上可得出，當(dāng)調(diào)整針閥升程的大小發(fā)生變化時(shí)，僅對全負(fù)荷點(diǎn)的油量產(chǎn)生相應(yīng)影響。因此可以預(yù)見到針閥升程的改變對于發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出影響。

1.2.2 油嘴彈簧力的影響

如下圖3所示，當(dāng)油嘴彈簧力為34N時(shí)的噴射曲線為藍(lán)色，而當(dāng)油嘴彈簧力降低為31N時(shí)，噴油量曲線會(huì)成為紅色。當(dāng)油嘴彈簧力變成為37N時(shí)，噴油器的噴射曲線會(huì)成為綠色表征的曲線狀態(tài)。從圖可得，當(dāng)調(diào)整油嘴彈簧力的大小時(shí)，對低怠速點(diǎn)的噴油量產(chǎn)生主要影響，對其他噴油量影響非常小。

圖3 油嘴彈簧力對噴射的影響

1.2.3 電磁閥彈簧力的影響

如下圖4所示：63N,67N,71N,三種不同閥彈簧力的作用下的噴油量曲線分別在不同工況下的狀態(tài)。從圖可以顯示，當(dāng)閥彈簧力的變化，直接對整個(gè)噴射區(qū)域的噴油量產(chǎn)生了影響，在其中對排放點(diǎn)噴油量的影響明顯比其他檢測點(diǎn)的變化來的大。

圖4 電磁閥彈簧力對噴射的影響

1.2.4 銜鐵升程的影響

如下圖5所示，噴油器的銜鐵升程為40，50，60微米時(shí)其噴射曲線的變化狀態(tài)。從圖上可看出，改變銜鐵升程大小時(shí)，在40-60微米范圍內(nèi)只對預(yù)噴點(diǎn)的油量產(chǎn)生相應(yīng)影響。

在維修過程中，通過大量測試還發(fā)現(xiàn)，如果大幅度調(diào)整銜鐵升程的墊片厚度，各個(gè)噴射點(diǎn)的噴油量都會(huì)產(chǎn)生非常明顯的變化和影響，究其原因是由于銜鐵升程不在正常范圍內(nèi)所導(dǎo)致的結(jié)果，這個(gè)時(shí)候一旦調(diào)整區(qū)間超過 70微米或小于30微米，噴油器將無法正常工作。噴射曲線將如下圖所示，動(dòng)態(tài)工作性能如圖所示形成不規(guī)則現(xiàn)象。由此可見，在調(diào)整過程中控制好銜鐵升程的區(qū)間以及其厚度的把控是至關(guān)重要的。

圖5 銜鐵升程對噴射的影響

圖6 銜鐵升程超調(diào)對噴射的影響

2 銜鐵升程墊片調(diào)整試驗(yàn)

在上文中已經(jīng)提到，保證銜鐵升程在設(shè)定范圍之內(nèi)是影響噴油器工作的最關(guān)鍵因素。

本章節(jié)專門通過一組試驗(yàn)來解釋銜鐵升程墊片位于怎樣的范圍噴油器才能性能正常工作。

2.1 試驗(yàn)方法和步驟

1）噴油器的標(biāo)準(zhǔn)噴油量測試（預(yù)噴，排放，怠速點(diǎn)以及全負(fù)荷）。

2）將電磁閥從噴油器上拆除，銜鐵升程墊片厚度作為主要試驗(yàn)對象，每5微米為一個(gè)等級，調(diào)整總厚度30微米。即銜鐵升程設(shè)定值分別為22,27,32,42,47,52,57,62,67,72,77,82微米。

3）銜鐵升程調(diào)整墊厚度每一次的改變，都上臺架測試各額定點(diǎn)的油量數(shù)據(jù)，共測試10次；

4）銜鐵升程隨噴油量動(dòng)態(tài)改變的趨勢。

注：只能變動(dòng)銜鐵升程墊片，其他墊片沒有絲毫調(diào)整。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

全負(fù)荷點(diǎn)（1600bar,2000us）油量隨銜鐵升程值的變化如圖7所示。

圖7 油量隨銜鐵升程值的變化

排放點(diǎn)（1000bar,600us）油量隨銜鐵升程值的變化如圖8所示。

圖8 排放點(diǎn)油量隨銜鐵升程值的變化

預(yù)噴點(diǎn)（1000bar,250us）油量隨銜鐵升程值的變化如圖9所示。

圖9 預(yù)噴點(diǎn)油量隨銜鐵升程值的變化

低怠速點(diǎn)(250bar,1000us) 油量隨銜鐵升程值的變化如圖10所示。

圖10 低怠速點(diǎn)油量隨銜鐵升程值的變化

從圖7到圖10中可得到結(jié)論，銜鐵升程的厚薄對所有流量點(diǎn)的趨勢影響全然不同，升程偏差直接導(dǎo)致噴油器的性能出現(xiàn)較大異常。然而，在32微米和67微米的墊片之間所有的性能指標(biāo)都在合格范疇內(nèi)。以上試驗(yàn)結(jié)果對于博世原廠閥組件的更換起到比較好的參考作用，但如果更換非博世原廠閥組件，由于加工水平問題，銜鐵升程墊片上下區(qū)間將會(huì)收得更加狹窄。這也是為什么替代件不好調(diào)整或質(zhì)量不過關(guān)的根本原因所在。并且銜鐵升程的偏差，有很大風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致閥組件的回流孔穴蝕，從而使得回油量過大。噴油器性能出現(xiàn)異常。

3 結(jié)論

在共軌噴油器制造或維修過程中需要組裝閥組件或油嘴，但由于組裝過程中拆解噴油器造成的內(nèi)部原有結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，需要使用精密測量量具進(jìn)行控制，并根據(jù)測量結(jié)果更換相應(yīng)厚度的墊片來確保性能的復(fù)原。由于其精密度的要求，推薦使用針對每一個(gè)調(diào)整墊片所適用的對應(yīng)測量量具并且精度最好在十分之一微米級別，但如果條件和成本所限，對于非工業(yè)化生產(chǎn)型企業(yè)，如半工業(yè)化，或維修類企業(yè)，則需要至少對銜鐵升程進(jìn)行測量與控制，使之在標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間內(nèi)。這樣便能加快效率通過臺架測試，而保證噴油器的合格裝配。以下是針對博世2代共軌噴油器的調(diào)整總結(jié)。

表1 各類墊片調(diào)整方法表

[1] 張建新,施光林，胡林峰.高壓共軌噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油量特性影響的研究[J]. 現(xiàn)代車用動(dòng)力2003(01): 1-5.

[2] 胡林峰 段煉 FCRS共軌噴油器噴油性能一致性的試驗(yàn)研究[J]現(xiàn)代車用動(dòng)力2015(01) :1-7.

[3] 菅寶玉; 袁寶良 共軌噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析研究 現(xiàn)代車用動(dòng)力[J] 2006(03) :5-9.

[4] 鄒麗,噴油器氣隙及彈簧墊片厚度對高壓共軌系統(tǒng)影響[D]. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué),2013

The influence of common rail spray gasket on its performance is analyzed

Tan Derong
( Shanghai jiaotong university school of mechanical and dynamic engineering, Shanghai 200030 )

U467 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-173-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.060

談德榮，(1985-)，男，就職于博世汽車技術(shù)服務(wù)（中國）有限公司，并任產(chǎn)品經(jīng)理。專業(yè)從事共軌燃油噴射系統(tǒng)的服務(wù)解決方案的開發(fā)與制定。