甲醇噴油器結構參數對液力響應的正交試驗研究

張步勇， 朱建軍， 劉 鵬， 王柯瑩， 楊 濤， 陳 琛， 柴 帥

(太原理工大學 機械與運載工程學院， 山西 太原 030024)

引言

我國的能源結構是“缺油少氣、相對富煤”。 在2018 年原油的對外依存度達到了 70%，其中40%以上的煤炭資源是高硫煤，這些高硫劣質煤雖然不適合作為工業或發電的燃料，但是能夠用來生產汽車用甲醇燃料。目前我國大約有75%甲醇是通過煤來制取的，也可以通過煤層氣和焦爐氣等原料來制取甲醇。結合我國甲醇汽車發展現狀和能源結構來看， 推動甲醇汽車的發展，不僅有利于充分發揮我國煤炭資源優勢，促進傳統工業轉型升級，而且有利于推動綠色循環發展，實現能源多元化，保障國家能源安全[1]。徐銘辰等[2]指出甲醇汽車的排放性能和經濟性能良好；同時甲醇燃料及甲醇汽車規模應用對于緩解油氣需求壓力，在交通領域節能減排、發展中國特色新能源汽車產業具有重要意義。VANCOILLIE J等[3]研究發現甲醇相比于汽油可以使熱效率提高10%，同時減少NOx和CO2的排放。馮麗艷等[4]利用正交試驗在兼顧發動機的動力性的同時對噴油器的噴孔直徑、噴孔數目等參數與發動機的油耗率和NOx排放量進行最優匹配。康雙琦等[5]利用了一種新型噴射伺服控制系統，使得高壓共軌噴射系統在短時間內動作快速穩定。PAYRI R等[6]采用實驗和計算相結合的方法，研究了生物柴油的物理特性對噴射過程的影響，結果表明生物柴油與標準柴油在一些關鍵參數上存在著重要差異，生物柴油會影響噴油器的動態響應。裴自立等[7]通過比較柴油與甲醇的物化性質，指出純甲醇燃料噴射系統的開發是甲醇發動機能夠應用于工程實際的關鍵技術難題。

本研究運用AVL Hydsim仿真軟件建立甲醇噴油器模型，并用此甲醇噴油器噴射柴油燃料對仿真模型進行標定，然后將共軌噴油器的噴射燃料換成甲醇燃料進行仿真計算，分析了甲醇噴油器的結構參數對其液力響應的影響，并運用正交試驗對其中關鍵參數進行優選，對甲醇發動機燃料噴射系統的開發具有重要意義。

1 計算模型的建立

1.1 共軌噴油器的結構及其工作原理

甲醇噴油器作為甲醇供油系統的關鍵核心部件，工作原理如圖1所示，由頂部的電磁閥、中部的控制柱塞以及下部的噴油嘴和針閥組成。

其工作原理是當噴油器靜止不噴時，控制腔燃油壓力與針閥頭部蓄壓腔的燃油壓力均等于軌壓，而向下壓力的承壓有效面積大于向上壓力的承壓有效面積，同時柱塞彈簧通過柱塞對針閥向下施加彈簧力，因此針閥所受到的合力方向向下，噴油器的噴孔關閉；當需要噴油器工作時，電磁閥通電使得常閉型單向球閥由于電磁銜鐵被吸起而得以打開，控制腔中的高壓燃油經控制腔卸油孔流出使得控制腔壓力迅速降低，而蓄壓腔中的壓力仍維持在軌壓，使得針閥能夠克服柱塞彈簧通過柱塞對針閥向下施加的彈簧力而向上運動，

圖1 甲醇噴油器工作簡圖Fig.1 Working diagram of methanol injector

噴油器的噴孔打開，噴油器開始噴油；當噴油器需要停止噴油時，電磁閥斷電，電磁銜鐵在電磁閥回位彈簧作用下使得單向球閥關閉，控制腔再次充滿高壓油直至恢復至軌壓，針閥所受到的合力再次恢復為方向向下的力，噴油器的噴孔關閉，噴油器停止噴油。

電控噴油器的噴油起始點是通過控制噴油器頂部的電磁閥的通電時刻來控制，共軌噴油器在軌壓一定時，共軌噴油器電磁閥的加電時間的長短決定了噴油量的多少，針閥的運動情況決定了噴油器的動態響特性。

1.2 噴油器數學模型

1) 針閥模型[8]

針閥是噴油器最重要的運動部件，是液壓力驅動機械部件運動的機構，該噴油器的針閥與柱塞之間沒有彈簧連接，彈簧安裝在柱塞上，且柱塞與針閥四周充滿高壓燃料，因此可以將柱塞和針閥看做一個整體，其運動方程如下所示：

(1)

式中，m—— 針閥和柱塞的運動質量

fc—— 柱塞橫截面積

fn—— 針閥橫截面積

Cn—— 柱塞阻尼系數

Kn—— 彈簧剛度

y0—— 柱塞彈簧預壓縮量

yn—— 針閥升程

pc—— 控制腔壓力

pn—— 蓄壓腔壓力

2) 控制腔模型

此噴油器只有柱塞偶件，因此在柱塞處存在柱塞偶件泄漏，但柱塞偶件上部為控制腔壓力，下部充滿高壓燃料，因此泄漏量可以忽略不計。

(2)

式中，Qcr→c—— 共軌管至控制腔的流量

Vc—— 控制腔集中容積

E—— 甲醇的彈性模量

Qcr→0—— 控制腔至回油道的流量

1.3 建立仿真模型

根據圖1介紹的電控噴油器的結構特點和工作原理，在AVL Hydsim軟件中對其建立仿真模型并進行仿真模擬，共軌噴油器的AVL Hydsim模型如圖2所示。

圖2 共軌噴油器的仿真模型Fig.2 Simulation model of common rail injector

噴油器針閥響應的四動態指標[9-10]如圖3所示，圖中，T1為開啟延時，即電磁閥開始打開到針閥開始打開所需要的時間；T2為開啟時間，即針閥開始打開到上升至最大升程所需的時間；T3為關閉延時，即電磁閥開始關閉到針閥開始關閉所需的時間；T4為關閉時間，即針閥開始關閉至完全落座所需的時間。

圖3 針閥響應動態指標Fig.3 Definition of needle valve response time

1.4 仿真模型驗證

張志穎等[11]發現甲醇對一些金屬的腐蝕性和一些橡膠的溶脹性，導致噴油器不能在現有高壓共軌試驗臺架上對噴射甲醇燃料噴油器進行標定，且市面上也沒有專門開發適合甲醇噴油器的高壓共軌試驗臺。因此先用柴油在高壓共軌試驗臺(EFS-2)標定噴油器，再用甲醇進行仿真計算。

在高壓共軌試驗臺(EFS-2)上，使用本研究共軌噴油器在60, 80, 100, 120 MPa 4個軌壓下依次設置0.5～2.0 ms控制脈寬W并記錄下柴油燃料的噴油量。

為了驗證仿真模型的精確性與正確性，將試驗所得的單次柴油燃料噴油量與仿真計算的結果進行比較。

圖4為60, 80, 100, 120 MPa時，柴油燃料在不同控制脈寬下噴油量V的仿真計算值與試驗值對比，柴油燃料噴油量仿真值與實驗值的最大誤差為4.1%，表明本研究搭建的仿真模型正確、有效，能夠相對準確地描述共軌噴油器實際工作過程中的噴油量。存在的部分偏差主要是與模型的簡化與忽略燃油在噴油器中溫度的變化有直接關系。

圖4 柴油噴油量仿真與試驗對比Fig.4 Comparison of fuel injection volume between diesel simulation and test

2 噴油器結構參數對液力響應的影響

甲醇燃料與柴油燃料在流體黏度、彈性模量和密度等物理性質方面有較大差別，使噴射甲醇燃料時噴油器的結構參數對液力響應的影響有別于噴射柴油燃料。根據式(1)和式(2)可知，噴油器控制腔壓力、柱塞彈簧預緊力、蓄壓腔內針閥承壓環帶受力共同決定噴油器液力響應， 其中控制腔壓力受到控制腔進卸油孔孔徑決定。因此選擇進油孔孔徑、卸油孔孔徑、柱塞彈簧預緊力、柱塞直徑和針閥直徑5個參數對噴油器液力響應的影響。

為了研究噴油器單一結構參數對液力響應的影響分析，以下仿真均是基于軌壓100 MPa、控制脈寬1.5 ms 進行的。

2.1 控制腔進卸油孔孔徑

根據式(2)可以得出，甲醇噴油器控制腔內壓力變化的快慢主要由進油孔和卸油孔孔徑大小決定，直接影響到針閥的響應速度。當控制腔卸油速度高于進油速度時，控制腔才能保證正常卸壓，針閥才能正常升起，噴油器才能正常進行噴油動作，這便要求進油孔孔徑要小于卸油孔孔徑。

由圖5可知，進油孔孔徑對針閥的開啟時間與關閉時間都有較大影響，隨著進油孔孔徑增大，針閥的開啟速度和關閉速度均有所提高，但進油孔孔徑過大接近卸油孔孔徑時，針閥還沒完全開啟便關閉，即噴油器不能正常工作，這是由于控制腔單位時間內進油量接近卸油量，控制腔壓力變化速率較小，使得作用于柱塞上的液壓力變化緩慢，從而使針閥動態響應變差。

圖5 進油孔孔徑對針閥升程的影響Fig.5 Influence of diameter of inlet hole on lift of needle valve

由圖6可知，卸油控孔孔徑對針閥的開啟時間有較大影響，對針閥關閉時間基本沒影響。隨著卸油孔孔徑增大，針閥的開啟速度顯著提高，但卸油孔孔徑過小接近進油孔孔徑時，針閥還沒完全開啟便關閉，即噴油器不能正常工作，這是由于過小的卸油量導致控制腔壓力變化速度緩慢，從而使得針閥動態響應變差。

圖6 卸油孔徑對針閥升程的影響Fig.6 Influence of oil discharge aperture on lift of needle valve

2.2 柱塞彈簧預緊力

噴油器柱塞彈簧是為了保證共軌壓力建立起來前，針閥能夠克服蓄壓腔對針閥液壓力而保持關閉狀態；保證控制腔壓力下降到背壓之前，針閥能夠迅速升起，噴油器球閥關閉后針閥能夠迅速落座。

由圖7可知，取不同柱塞彈簧預緊力，隨著彈簧預緊力的增大，針閥的開啟時間變長，針閥的關閉時間縮短，使得針閥升程呈現先急后緩的趨勢。

2.3 柱塞直徑的影響

柱塞直徑直接影響了控制腔油壓對噴油器針閥向下的力。

由圖8可知，取不同柱塞直徑，柱塞的直徑越小，針閥的動態響應性能越差，尤其是對針閥關閉時間影響尤為明顯；隨著柱塞直徑減小，控制腔中的燃油壓力需要降低到更低才能使得針閥上升，從而導致針閥開啟時間變長，但會使控制腔中更小的壓降對針閥產生更大的液壓力，使針閥關閉時間有所減少。

圖8 柱塞直徑對針閥升程的影響Fig.8 Influence of diameter of plunger on lift of needle valve

2.4 針閥直徑的影響

針閥直徑決定了針閥座面處燃油作用在針閥上的液壓力，從而影響針閥的運動狀態。

由圖9可知，取不同針閥直徑，針閥直徑過大時，會使針閥座面處產生過小的燃油液壓力，無法克服柱塞彈簧的預緊力使針不能正常開啟，噴油器不能正常工作。但針閥直徑的增大會使針閥的關閉時間縮短，但不利于針閥的開啟動態響應，其主要原因是，針閥直徑變大導致燃油作用在針閥錐面處液壓力變小，加快了針閥的落座，阻礙了針閥的開啟。

圖9 針閥直徑對針閥升程的影響Fig.9 Influence of diameter of needle valve on lift of needle valve

3 關鍵參數正交試驗方案及結果

根據上述分析，進油孔孔徑、卸油孔孔徑、柱塞彈簧預緊力、柱塞直徑和針閥直徑5個參數對噴油器液力響應有著直接的影響，然而根據圖6可以明顯得出卸油孔徑對針閥關閉時間幾乎沒有影響。因此， 進油孔孔徑Din、柱塞直徑Dc、針閥直徑Dn、柱塞彈簧預緊力F是直接影響噴油器液力響應的4個關鍵因素。根據上述噴油器結構參數對液力響應的影響分析結論設計出試驗因素水平表，各因素水平取值見表1。

表1 各因素和水平取值Tab.1 Values of each and planes

通過SPSS軟件自動生成帶空列的L16(45)正交試驗表進行試驗，A，B，C，D的物理意義分別是進油孔孔徑Din、柱塞直徑Dc、針閥直徑Dn、柱塞彈簧預緊力F，正交試驗結果見表2。

表2 正交表試驗結果Tab.2 Orthogonal array results

3.1 數據分析

根據表2正交試驗結果計算出A，B，C，D 4個因素和空列的極差，見表3。

表3 各因素極差結果Tab.3 Range results of various factors

從圖10可以看出，針閥開啟延時與進油孔孔徑和針閥直徑呈高度線性正相關，說明進油孔孔徑和針閥直徑對針閥開啟延時影響較大；隨著柱塞直徑的增大，針閥開啟延時縮短，但柱塞直徑大于4.4 mm時，針閥開啟延時降低幅度不并不明顯。

圖10 各因素水平的變化對T1的影響

從圖11可以看出，隨著進油孔孔徑的增大，針閥開啟時間不斷增加，且隨著進油孔孔徑的增大上升幅度越明顯。

圖11 各因素水平對T2的影響Fig.11 Influence to T2 by factors’ variety

從圖12可以看出，針閥關閉延時受進油孔孔徑影響極為明顯，隨著進油孔孔徑的增大，針閥關閉延時逐漸縮短；柱塞直徑和針閥直徑對針閥關閉延時影響幾乎可以忽略不計。

圖12 各因素水平對T3的影響Fig.12 Influence to T3 by factors’ variety

從圖13可以看出，隨著進油孔孔徑和針閥直徑的增加，針閥關閉時間縮短，但當進油孔孔徑小于0.19 mm時，針閥關閉時間縮短幅度大大增加；針閥關閉時間隨著柱塞直徑增大呈先降低后增加趨勢， 拐點出現在柱塞直徑為4.2 mm處。

圖13 各因素水平對T4的影響Fig.13 Influence to T4 by factors’ variety

綜上所述，利用正交試驗的方法可以分析出甲醇噴油器關鍵結構參數對噴油器液力響應的影響程度，并且可以根據試驗結果優選出較好的試驗方案。對于甲醇噴油器而言，需要進行多次噴射，便需要噴油器噴射后針閥迅速落座，以免對下次噴射造成影響，因此優選方案為A3B2C4D4，優化后還需考慮噴油器的噴油速率vs是否受到影響。

圖14 優化前后液力響應對比曲線Fig.14 Comparison curve of hydraulic response before and after optimization

優選前后針閥升程與噴油速率的對比如圖14與表4所示，優選后針閥開啟時間相比于優選前縮短了4.8%，關閉時間相比于優選前縮短了7.6%；與此同時，最大噴油速率有一定的提升，即相比于優選前最大噴油速率提升了1.6%，能夠達到噴油器開啟迅速、斷油徹底的目標。優選后的甲醇噴油器不僅提高了針閥的動態液力響應性，還在一定程度上提高了最大噴油速率，使得噴油器能夠進行實時靈活地控制以達到理想噴油狀態，滿足甲醇噴油器多次噴射的要求。

表4 優選前后對比Tab.4 Optimization before and after optimization

4 結論

甲醇噴油器的液力響應受噴油器的多個結構參數共同影響，其中進油孔孔徑、柱塞直徑、針閥直徑和彈簧預緊力對噴油器的液力響應影響程度較大，其中進油孔孔徑對噴油器的液力響應尤為顯著。

運用正交試驗可以明確噴油器各個參數對液力響應各個階段的影響程度，然后根據關鍵結構參數影響性能指標的程度大小順序，得到優選方案。優選后的噴油器相比于優選前在最大噴油速率提升了1.6%的基礎上，針閥開啟時間與關閉時間各自縮短了4.8%和7.6%，表明噴油器在針閥的液力響應方面有著明顯提高，能滿足甲醇噴油器多次噴射的要求，對甲醇發動機燃料噴射系統的開發具有重要意義。