高壓共軌噴油器針閥開啟與關閉過程規律研究

仇滔， 劉天翔， 安曉東， 雷艷， 代賀飛

(1.北京工業大學 環境與能源工程學院， 北京 100124； 2.北京電動車輛協同創新中心， 北京 100081；3. 北京理工大學 機械與車輛學院， 北京 100081)

高壓共軌噴油器針閥開啟與關閉過程規律研究

仇滔1,2， 劉天翔1， 安曉東3， 雷艷1， 代賀飛1

(1.北京工業大學 環境與能源工程學院， 北京 100124； 2.北京電動車輛協同創新中心， 北京 100081；3. 北京理工大學 機械與車輛學院， 北京 100081)

高壓共軌噴油器的針閥運動規律直接決定了噴油規律和霧化效果，決定針閥運動規律的因素對改進噴油器結構以及提升霧化效果有著重要意義。自行搭建了高壓共軌噴油器仿真模型；該計算模型對噴油器的控制油路中進出油節流孔和球閥區域處，有空化和無空化兩個階段的流量系數進行了優化；結合噴油器的理論分析與試驗驗證，研究了噴油器針閥的運動規律。結果表明：針閥開啟過程分為2個階段，第1階段開啟緩慢，第2階段開啟迅速，針閥關閉過程只有1個階段；導致針閥開啟過程出現2個階段是由于噴油器控制室內泄油過程的節流位置由球閥開啟處轉到了回油節流孔；針閥關閉過程為1個階段是由于球閥與閥座形成的間隙對控制室內回油過程起主要節流作用；軌壓主要對針閥開啟第2階段有影響，而對針閥開啟第1階段與關閉階段影響很小；隨著軌壓的升高，針閥開啟第2階段開啟速度加快，當軌壓達到一定值時，針閥開啟第2階段不再變化。

動力機械工程； 柴油機； 噴油器； 針閥升程； 液力過程

0 引言

噴油器是高壓共軌系統中連接供油系統與燃燒系統的關鍵部件，噴油器的針閥升程是柴油機工作指標的重要參數之一。針閥升程決定噴油器噴射霧化效果，精確控制噴油器針閥升程，有助于提高柴油機的燃燒效率，降低油耗，減少尾氣排放[1-2]。

高壓共軌噴油器針閥運動是由噴油器內液力控制來驅動的，針閥升程控制噴油規律以實現更快、更精確地噴射，所以研究針閥升程的影響因素具有重要意義。Payri等[3]通過研究不同針閥升程對燃油霧化效果的影響，發現針閥升程對噴孔上游壓力與霧化效果有很大的影響；陳威等[4]通過三維動態模擬研究針閥升程對噴孔的質量流量以及空化影響；解方喜等[5]通過數值模擬研究針閥運動過程及控制室、蓄壓腔內壓力變化對噴射霧化的影響。可見研究噴油器針閥升程的重要性，可以提高霧化效果，降低油耗，減少污染。

上述研究都是利用數值模擬研究針閥開啟對噴射霧化的影響，但是針閥開啟與關閉(簡稱啟閉)過程的控制因素以及針閥啟閉規律并非簡單地由于壓力差而造成的。針閥運動過程是個非常復雜的過程，Lino等[6]、蘇海峰等[7]幾乎認為針閥運動是受噴油器內液力與針閥彈簧共同作用的。因此有必要更清晰地研究噴油器針閥運動過程以及針閥升程規律。本文以德國博世公司生產的高壓共軌噴油器為對象，在高壓共軌試驗臺架上通過位移傳感器測得噴油器針閥升程規律，著重對比軌壓壓力pr分別在60 MPa、100 MPa和140 MPa 3個工況針閥升程的試驗結果，分析針閥升程的規律以及影響針閥啟閉的因素。

1 針閥開啟液力分析

高壓共軌噴油器主要由電磁閥控制部分、球閥、控制活塞、閥桿以及針閥組成，如圖1所示。

圖1 高壓共軌噴油器Fig.1 Schematic diagram of solenoid injector

根據噴油器針閥閥體的受力分析可知，針閥的運動方程表示為

(1)

式中：m為閥桿和針閥總質量；pcc為控制室內壓力；k為針閥彈簧彈性系數；y是針閥升程；y0為針閥彈簧初始位移；G為針閥重力；f為針閥的摩擦系數；ANe為針閥在蓄壓腔內有效承壓面積，AN為針閥在控制室內有效承壓面積，而且ANe

由針閥運動方程可知，控制室內壓力pcc變化決定著針閥的運動，所以噴油器是通過調整控制室內壓力變化實現對針閥的運動控制。

高壓共軌噴油器控制室工作原理如圖2所示。圖2(a)為球閥關閉狀態，其控制室內壓力pcc等于軌壓pr，即pr=pcc=pa，pa為出油節流孔處壓力。圖2(b)為球閥開啟狀態，當球閥向上開啟時，球閥與閥座之間間隙c-c的橫截面積Ac-c增大。此時，球閥與閥座之間間隙c-c的橫截面積Ac-c小于回油節流孔a-a橫截面積Aa-a，即Ac-cpcc>pa>pc，pc為出油間隙處壓力。

圖2 高壓共軌噴油器控制室結構原理圖Fig.2 Structure diagram of control chamber

控制室內的壓力pcc變化由控制室內的燃油體積流量q決定，其表達式為

(2)

式中：Cd是流量系數；ρ是燃油密度；pre為回油管內壓力；Δp為回油管內壓力與控制室內壓力之間的差。

由于控制室內的壓力pcc等于軌壓pr，遠大于回油管內壓力pre，控制室內與回油管形成的巨大壓力差，在很小的間隙c-c處會使流體產生空化現象，空化對流體流量與流動特性有很大的影響。通過作者之前的研究中發現，較大的壓力差使流體通過較小的截面時有空化現象的產生[8]。研究結果表明，在沒有空化產生時流量系數Cd是常數，其大小由流通截面的結構與面積決定；如果空化發生，其流量系數是隨著入口壓力的增加而減小的。因此(2)式中的流量系數Cd并不是常數，而是隨著控制室內壓力變化與流體流動特性而變化的。

空化的產生會對燃油流量系數產生的影響，應研究控制室內的流動狀態。因此，通過流量系數公式、連續性方程以及伯努利方程，流量系數Cd表達式為

(3)

式中：Cc是間隙c-c出口的收縮系數；pi是入口壓力；pb是出口壓力，即背壓；pv是流體的飽和蒸汽壓。

將(3)式帶入到(2)式，得

(4)

在球閥打開過程中，Ac-c逐漸增大，當Ac-c小于Aa-a時，控制室的體積流率q取決于于Ac-c，當Ac-c大于Aa-a時，則控制室的體積流率q取決Aa-a，所以噴油器控制室內的質量守恒方程為

(5)

式中：Ap是頂桿的上端面積；Az-z為進油節流孔z-z的橫截面積；Cdz為進油節流孔z-z的流量系數；Cdc為間隙c-c的流量系數；Cda為回油節流孔a-a的流量系數；Vcc0是控制室初始體積；β為燃油體積彈性模量。

由上述理論分析可知：控制室內壓力pcc變化是由于控制室內燃油流量的變化導致，而控制室內燃油流量由流經控制室內的體積流量q決定；控制室的體積流量q取決于回油油路最低有效流動截面，即間隙c-c的橫截面積Ac-c與回油節流孔a-a橫截面積Aa-a. 在球閥打開過程中，Ac-c逐漸增大，當Ac-c小于Aa-a時，控制室的體積流量q取決于Ac-c；當Ac-c等于或者大于Aa-a時，控制室的體積流量q取決于Aa-a.

2 試驗裝置

如圖3所示，為高壓共軌噴油器針閥升程試驗測試裝置流程圖。壓力傳感器測量噴油器入口壓力，電流位移傳感器測量針閥升程位移。高壓油泵以不同的轉速運行以提供不同的軌壓。試驗裝置如表1所示。

圖3 試驗裝置流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of CR test apparatus

在試驗過程中，高壓油泵保持一個恒定的轉速，通過調節閥調節以維持穩定的壓力。調節油泵轉速以保持不同軌壓壓力，軌壓壓力pr在60 MPa、100 MPa和140 MPa進行試驗以測試噴油器工作過程中針閥升程。在試驗過程中，燃油溫度維持一個恒定的溫度(25 ℃)。對于每一個穩定的試驗條件，高壓油泵需要持續運行3分鐘，噴油器針閥升程測試3次并采用平均值。

表1 試驗裝置

3 模型建立及驗證

根據針閥液力過程分析的公式和測得的高壓噴油器特性數據在Matlab/Simulink中建立高壓共軌噴油器的仿真模型，模型主要參數如表2所示。

表2 模型主要參數

4 結果與分析

4.1 針閥運動的規律

如圖4所示，噴油器針閥升程曲線有5個轉折點，依次命名為A、B、C、D和E，其中A點對應針閥開啟時刻，B點為針閥開啟過程中的轉折點，將針閥開啟過程分為2個階段，C點對應針閥開啟到最大時刻，D點對應針閥開始關閉時刻，E點對應針閥完全關閉時刻，噴油器停止噴射燃油。

圖4 在不同壓力下試驗針閥升程曲線圖Fig.4 Experimental needle lifts at different rail pressures

因此，針閥升程曲線可分為4段，即AB、BC、CD與DE段。AC段是針閥開啟過程，開啟時間大約為1 ms，其中：AB段為針閥開啟初始階段，BC段為針閥快速開啟階段，AB段與BC段的斜率不相同；CD段是針閥持續開啟階段，即升程開啟到最大值；DE段是針閥關閉階段。

在pr為140 MPa工況下，噴油器針閥升程試驗結果表明：針閥開啟過程分為2個階段，針閥開啟初始段曲線的斜率較小，快速開啟段曲線的斜率較大；針閥關閉段只有1個階段。

圖4為在pr為60 MPa、100 MPa和140 MPa 3個工況下的試驗針閥升程曲線圖。從圖4中可以看出：不同工況下，針閥的開啟過程都為2個階段，而關閉過程只有1個階段。同時，隨著軌壓壓力的升高，只有B點與C點位置變化，A點、D點與E點基本保持不變。

圖5為不同工況下針閥開啟過程兩個階段AB、BC段與關閉階段DE段曲線的斜率，其中AB與DE段曲線的斜率隨軌壓壓力增大幾乎保持不變，而BC段曲線的斜率隨軌壓壓力增大而增大。

圖5 不同工況針閥升程各段斜率圖Fig.5 Slopes of the needle lifts at different rail pressures

因此，軌壓壓力的變化影響針閥快速開啟段(BC段)，隨著軌壓壓力升高，BC段曲線斜率逐漸增大，即BC段開啟時間逐漸減小；而軌壓壓力的變化不影響針閥開啟初始段(AB段)以及針閥關閉段(DE段)。

4.2 導致針閥開啟過程兩段原因分析

由第1節針閥開啟液力的理論分析可知，針閥打開過程是因為控制室內的壓力降低，而控制室內壓力的降低是由回油節流孔橫截面積和球閥開啟的面積共同決定的。

在噴油器針閥開啟整個過程，Aa-a和Az-z保持不變，但Ac-c是隨著球閥開啟在變化，如圖2(b)所示。由(5)式可知，控制室回油有效流通橫截面積由Ac-c和Aa-a共同決定。在0 ms到0.5 ms的針閥開啟初始階段，控制室回油有效流通橫截面積由Ac-c決定，Ac-c是隨球閥的開啟而增加；當球閥開啟到一定時刻(B點時刻)，Ac-c等于Aa-a，則B點時刻以后控制室回油的有效流通面積由Aa-a決定。

如圖6所示，在pr為140 MPa狀態高壓共軌噴油器仿真模型計算得到的回油質量流量與有效流通截面積圖可以看出：針閥在開啟過程中，回油有效流通面積曲線在0 ms到0.5 ms時刻(B點時刻)，有效流通面積與Ac-c相等，在0.5 ms到1 ms時刻，有效面積等于Aa-a. 同時回油的質量流量曲線在0.5 ms時刻(B點時刻)出現明顯轉折點，而流量變化是由有效流通橫截面積決定的，因此仿真數據很好地驗證了上述理論分析。

圖6 pr為140 MPa工況仿真質量流量與有效流通橫截面積Fig.6 Effective sectional areas and mass flow rate (pr=140 MPa)

因此，針閥開啟過程兩個階段是由回油節流孔有效流通橫截面積決定的：針閥開啟初始段的回油節流孔有效流通橫截面積為Ac-c；針閥快速開啟段的回油節流孔有效流通橫截面積為Aa-a.

4.3 導致針閥關閉過程一段原因分析

針閥升程曲線圖4中，DE段是針閥關閉過程，其過程只有1個階段，斜率保持不變。

由第1節針閥開啟液力的理論分析可知，針閥關閉是因為控制室內壓力升高，針閥所受到壓力差逐漸減小為0，針閥彈簧作用針閥使其落座；控制室內壓力升高主要由Ac-c決定(即Ac-c小于Az-z)，其控制室內的質量守恒方程為

(6)

由(6)式可知，在針閥關閉過程中當Ac-c小于Az-z時，球閥與閥座間隙c-c的流通能力在針閥關閉過程中起主要作用，控制室內壓力pcc逐漸變大，針閥蓄壓腔壓力作用力與控制室內壓力作用力相互作用；隨著控制室內壓力pcc逐漸增加，又由(1)式可知，當針閥上下無壓力差作用時，針閥關閉過程主要受針閥彈簧力以及重力；由于針閥彈簧力與重力保持不變，針閥落座。

如圖6所示，在pr為140 MPa狀態高壓共軌噴油器仿真模型計算得到的回油質量流量與有效截面積圖中看出，關閉過程的質量流量曲線沒有明顯轉折點；而圖6中流量曲線與有效面積曲線可以看出：當有效面積為Ac-c時，流量開始下下降，當有效面積變為0時，流量也變為0.

因此，球閥與閥座間隙c-c的流通能力在針閥關閉過程中起主要作用，所以針閥關閉段只有1個階段。

5 結論

本文通過高壓共軌試驗研究了噴油器針閥升程規律，得出以下結論：

1) 噴油器針閥在開啟過程中分為2個階段；針閥快速開啟段比針閥開啟初始段曲線斜率大，即針閥快速開啟段開啟速度大于針閥開啟初始段開啟速度。

2) 軌壓對噴油器針閥開啟初始段和關閉段幾乎無影響，但對針閥快速開啟段有明顯影響，隨著軌壓的增大，針閥快速開啟段時間減少。

3) 針閥開啟過程中出現兩段開啟階段主要是由回油過程中的橫截面積Ac-c和Aa-a決定的，即回油的有效流通面積。針閥剛開啟時，燃油流通的有效面積為Ac-c；隨著球閥開啟，其燃油流通有效橫截面積變為Aa-a. 針閥關閉段只有1個階段，主要由Ac-c決定。

4)通過對針閥升程的研究，發現噴油器針閥升程不是簡單的機械運動，而針閥運動主要由噴油器內部燃油流動決定，其升程規律由噴油器內部壓力變化決定。

References)

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ResearchonMovementCharacteristicsofNeedleValveinCommonRailInjectorforDieselEngine

QIU Tao1,2， LIU Tian-xiang1， AN Xiao-dong3， LEI Yan1， DAI He-fei1
(1.College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2.Beijing Electric Vehicle Collaborative Innovation Center, Beijing 100081, China; 3.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The movement of needle valve in the common rail injector determines the injection and atomization effect directly. The movement rule of needle valve in the common rail injector is important to improve the structure of injector and the atomization effect. A high-pressure common rail injector simulation system was built, and a calculation model was established for optimizing the flow coefficients in two stages of cavitation and non-cavitation at the oil inlet and outlet holes of high pressure common rail injector and in the ball valve area. The movement characteristics of needle valve in the common rail injector are studied through theoretical analysis and experiments. The results show that the opening process of needle valve can be divided into two stages: slow opening stage and fast opening stage. Two opening stages of needle valve are due to the transfer of the throttled position. However, the needle valve is mainly influenced by the throttled position, so the closure of the needle valve is a single-stage. Rail pressure has an effect on the second fast opening stage, but not on the slow opening stage or the closing process. The opening process speeds up with the rise of the rail pressure. When the rail pressure reaches to a certain value, the fast opening stage of needle valve remains unchanged.

power machinery engineering; diesel engine; common rail injector; needle lift; hydraulic process

2017-03-23

國家自然科學基金項目(91641106)； 北京市自然科學基金項目(3172007)

仇滔(1976—), 男, 副教授。 E-mail: qiutao@bjut.edu.cn

TK 421+.42

A

1000-1093(2017)10-2069-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.10.025