基于AMESim 的柴油機共軌系統噴油器噴油特性研究*

陳健 戴冬 譚勇敢 韓毅 王志偉 張兵

（1.常州中車柴油機零部件有限公司；2.江蘇大學）

與相同工況的汽油式內燃機相比，柴油機的氮氧化物及顆粒物的排放量更少、燃油經濟性更佳、熱效率更高，是目前實現全社會節能減排目標的重要方式[1-4]。目前，針對柴油機共軌系統噴油器的研究主要集中于德國博世公司、日本電裝公司與美國德爾福公司。以博世公司為例，其生產的第4 代高壓共軌燃油噴射系統，其噴射壓力最高可達1 80 MPa，且采用的壓電式噴油器使得電磁響應更快，燃油效率更高，但未見其大規模的裝機使用[5]；國內針對高壓系統噴油器的研究相對歐美等西方發達國家來說較為滯后，文獻[6]搭建了船用低速機雙閥電控噴油器的數值模型，并與實際產品的循環噴油量進行了比對，結果表明所搭建模型與實際測量值的誤差僅為3.38%；文獻[7]以某型船用中速柴油機燃油系統為研究對象，分析了全工況下針閥預緊力等關鍵參數對共軌系統噴射效率的影響；文獻[8]以壓電式噴油器為研究對象，基于模糊自適應控制算法對柴油機高壓共軌系統多噴控制理論進行了深入研究，結果表明其自適應控制算法下的針閥升程誤差較小，多噴穩定性較高；文獻[9]針對傳統電磁閥式噴油器固有的液力響應遲滯的問題，優化設計了一種新型噴油器的結構，并利用一維液力仿真軟件Hydism 對所設計的新型噴油器噴油特性進行了仿真分析，結果表明所設計的新型噴油器能夠有效減緩液力延遲，噴油穩定性更高。文章對柴油機共軌系統及其噴油器的結構與工作過程進行了簡單的介紹，并借助一維液力仿真軟件AMESim 對噴油器的噴油特性進行了研究，旨在推動國內柴油機共軌系統噴油器研發工作的進展。

1 噴油器建模

1.1 柴油機共軌系統組成與工作原理

柴油機高壓燃油共軌系統（以下簡稱共軌系統）是一個典型的機、電、液一體化的產品[10-12]，其組成如圖1 所示。共軌系統主要包括低壓部分、高壓部分與電控部分。其中，低壓部分主要包括油箱、低壓油泵、燃油濾清器及低壓管路；高壓部分主要包含高壓油泵、油軌、噴油器、共軌管路等；電控部分主要包括傳感器、執行器、控制單元等。高壓泵、高壓共軌管路、噴油器、控制單元為共軌系統的4 大核心部件。

圖1 高壓燃油共軌系統組成[13]

高壓泵的作用是將低壓齒輪泵輸出的低壓燃油經過其內部的柱塞壓縮至高壓狀態，并將其送入高壓共軌管路中，從而滿足發動機根據實時工況下噴油量與噴油速率的要求；高壓共軌管路用于儲存高壓燃油，同時可以作為壓力容器吸收管內壓力脈動，從而實現噴油器的穩定噴射；噴油器可將共軌管路中的柴油霧化并噴出，其噴射量、噴射時刻與噴射持續時間均由控制單元根據發動機的實時工況計算得出；控制部分是整個高壓燃油共軌系統的“大腦”，其主要作用是采集各類傳感器采集到的發動機實時工況，經由內部預置算法與邏輯電路處理，輸出控制參數至各執行器，實現柴油機的工作狀態控制與故障診斷。

1.2 噴油器的組成與工作原理

柴油機共軌系統噴油器的結構與工作過程如圖2所示。該電磁式噴油器主要由電磁鐵、球閥、針閥桿等部分組成。其工作過程可以劃分為4 個階段：噴油器關閉、噴油器開啟、噴油器完全開啟、噴油器關閉。當未給電磁閥線圈通入激勵電流時，電磁閥芯未得電產生吸力，銜鐵在電磁閥彈簧的作用下壓在控制腔的回油孔處，回油通道關閉，共軌管中的高壓燃油分別作用于針閥桿上端、針閥盛油槽與針閥座處，且由于針閥桿上端的有效作用面積大于針閥下腔的面積，故而在針閥回位彈簧的向下合力作用下，噴油器處于落座關閉狀態；當給電磁閥線圈通入激勵脈寬足夠的電流時，電磁閥芯得電產生吸力，克服電磁鐵彈簧的預緊力緩慢打開卸油通道，控制腔中的高壓共軌燃油經過進油孔回流至低壓油道，此時針閥所受向上的合力大于向下的合力，針閥緩慢開啟并逐漸達到最大升程，盛油槽中的高壓燃油迅速得以霧化并噴出，即為噴油器開啟狀態；當電磁閥線圈切斷激勵電流時，電磁閥芯失電，銜鐵在電磁閥彈簧的作用下重新壓在控制腔的回油孔處，回油通道關閉，噴油器關閉。利用AMESim 軟件對該噴油器進行物理模型的搭建，其仿真模型如圖3 所示。該仿真模型主要由電磁模塊、機械模塊、液壓模塊組成，其中電磁部分的激勵信號選定軟件人工設置輸入模塊，液壓部分控制腔可由軟件液壓庫的容腔模塊設定，機械模塊可由軟件機械庫的各組員集成。為了驗證該模型的準確性，可參考文獻[14]中的“軌壓—噴油量”工程實測數據并設置與之相同的工況參數，兩者的對比曲線如圖4 所示。從圖中可以看出，仿真與試驗總體變化趨勢相同，且相同軌壓下，仿真與試驗的最大數值誤差不超過10%，因此可以認為該模型可以用于后續噴油特性的性能研究并指導參數的優化。

圖2 噴油器結構及工作過程示意圖

圖3 噴油器仿真模型

圖4 仿真、實測數據對比

2 仿真與分析

在對建立的噴油器AMESim 模型進行仿真之前，給出系統各主要仿真參數的具體數值：共軌壓力設置為100 MPa，銜鐵質量0.003 kg，針閥質量0.007 kg，控制腔出油口直徑0.3 mm，噴孔直徑0.12 mm，給定激勵信號如圖5 所示，設置系統仿真時間為0.003 s，采樣周期設為0.000 01 s，其余部分參數采用系統默認參數即可。

圖5 給定激勵信號

給定激勵信號作用下電磁閥芯與針閥位移仿真結果如圖6 所示。

圖6 給定激勵信號作用下電磁閥芯與針閥位移

從圖6 可以看出，在給定激勵信號的上升沿時刻，電磁閥芯與針閥芯并未相應產生電位移與機械位移，即電磁閥芯與針閥芯相對激勵信號存在液力滯后，且針閥芯的滯后效應明顯大于電磁閥芯，這主要是由于從電激勵脈寬產生到氣隙磁通的建立存在時間差，針閥上下壓差的建立需要一定的時間累積，最終反映為電磁閥芯與針閥位移皆滯后于激勵信號，且針閥位移的液力滯后效應更加明顯。正是由于這種液力滯后效應的存在，使得柴油機噴油器的噴油正時不夠準確，噴油效率有待提升。文章將從銜鐵質量、針閥質量、共軌壓力、控制腔直徑4 個關鍵因素，分析其不同取值對噴油器噴油特性的影響。

2.1 銜鐵質量對噴油器噴油特性的影響

銜鐵質量分別取0.001 kg、0.003 kg、0.005 kg 時噴油器噴油特性如圖7 所示。

圖7 不同銜鐵質量下針閥位移、流量與噴油量仿真曲線

從圖7 可以看出，銜鐵質量對針閥開啟特性影響較大，對針閥關閉特性影響較小，且隨著銜鐵質量的減小，針閥開啟時的動態特性更佳，流量與噴油量也明顯增加，這主要是由于銜鐵質量減小，動態響應更靈敏，所以在保證針閥正常動作的前提條件之下，銜鐵質量應盡可能取小值。

2.2 針閥質量對噴油器噴油特性的影響

針閥質量分別取0.005 kg、0.007 kg、0.009 kg 時噴油器噴油特性如圖8 所示。從圖8 可以看出，針閥質量對針閥開啟特性和關閉特性皆有影響，且隨著針閥質量的減小，針閥開啟與關閉時的動態特性更佳，這主要是由于針閥質量減小，動態響應更靈敏，所以在保證針閥結構強度的條件之下，針閥質量應盡可能取小值。

圖8 不同針閥質量下針閥位移、流量與噴油量仿真曲線

2.3 共軌壓力對噴油器噴油特性的影響

共軌壓力分別取100 MPa、120 MPa、140 MPa 時噴油器噴油特性如圖9 所示。從圖9 可以看出，共軌壓力對針閥開啟特性和關閉特性皆有影響，且隨著共軌壓力的增大，針閥開啟與關閉時的動態特性更佳，所以在保證針閥正常動作的前提條件之下，共軌壓力應盡可能取大值。

圖9 不同共振壓力下針閥位移、流量與噴油量仿真曲線

2.4 控制腔直徑對噴油器噴油特性的影響

控制腔直徑（即控制腔出油口直徑）分別取0.30 mm、0.31 mm、0.32 mm 時噴油器噴油特性如圖10所示。從圖10 可以看出，控制腔直徑對針閥開啟特性和關閉特性皆有影響，且隨著控制腔直徑的增大，針閥開啟動態特性更佳，關閉動態特性變差，且控制腔直徑對針閥開啟特性的影響更大。

圖10 不同控制腔直徑下針閥位移、流量與噴油量仿真曲線

3 結論

噴油器是柴油機高壓共軌系統中的關鍵零部件，但是針對該部件的研究仍然缺乏系統化的研究。文章利用AMESim 軟件建立了噴油器的物理模型，重點分析了銜鐵質量、針閥質量、共軌壓力、控制腔直徑4 個關鍵因素對噴油器噴油特性的影響，結果表明：控制腔直徑對針閥開啟特性的影響更大，且在保證針閥正常動作的前提條件之下，銜鐵質量與針閥質量應盡可能取小值，共軌壓力應盡可能取大值。文章的研究能夠為柴油機共軌系統噴油器的國產化提供借鑒思路，但仍然需要指出的是，文章的仿真分析與實際還是存在差異的，今后可通過實物測試對其進行驗證。