某柴油機噴油器噴射過程數值研究

張俊杰，黃希宇

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

柴油機中燃油的噴射過程非常重要，因為它直接決定噴射率、噴射量及其混合氣的形成。無論發動機轉速或負載大小，高壓共軌燃油噴射系統的問世為控制燃油的噴射壓力和噴射正時提供了更大的靈活性。通過實驗很難得到噴油器結構參數和燃油粘度、密度的變化對噴油過程的影響[1]。利用一維仿真軟件建立仿真模型，通過仿真分析得出了不同結構參數、燃油粘度和密度對噴油過程的影響規律[2]，為其結構設計和優化提供參數，從而減少開發成本。

1 噴油器模型的建立

1.1 噴油器結構及工作原理

噴油器的結構如圖1 所示。高壓燃油通過燃油泵和高壓共軌管進入噴油器。部分燃油通過進油孔進入控制室，部分燃油進入噴嘴儲壓室[3]。當蓄電池閥通電時，控制閥打開，控制室內的燃油通過出油量孔流出,控制室中的壓力和活塞壓力降低[4]，噴嘴針閥錐面上的壓力高于噴嘴彈簧和活塞壓力的合力，打開針閥噴油[5]。電磁閥隨噴油脈寬結束而關閉，電磁閥芯被壓下，出油量孔關閉，控制室的壓力隨著燃油的進入而增大[6]，油壓作用在柱塞端面上產生向下的壓力。柱塞橫截面壓力和噴油彈簧的合力大于用于噴油器承受錐壓的針閥的合力，針閥關閉，噴油完成。

圖1 噴油器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of injector structure

1.2 噴油器的數學模型

1.2.1 噴油器液壓系統子模型

噴油器液壓系統通過控制閥的開啟與關閉從而控制著燃油的噴射以及燃油在燃油腔中的流動，管路、節流孔和容積腔組成噴油器的液壓系統，數學模型如下：

（1）管路模型

管路中的壓力波動來源于噴油過程的間隙性，管路中的壓力波動在單次噴油過程中可以忽略不計，采用一維流動連續方程[7]：

式中：ρ——流體的密度；t，μ，x——運動的時間、速度及沿管路運動的位移；p ——壓力；D——管道的直徑；c——聲速。

（2）節流孔模型

節流孔包括進油量孔和出油量孔，節流孔對噴油量有重要影響，流量方程為

式中：A——節流孔的有效流通面積；ρ——燃油密度；Cq——流量系數。

（3）容積腔模型

盛油槽、噴嘴壓力室、控制室和不規則的腔在噴油器中能當成集中的容積，計算燃油流動速率和燃油流量的方程如下[8]：

式中：B——燃油的彈性模量；p1——容積腔出口壓力；pi——容積腔各個入口壓力；qi——各個入口的流量；volo——固定容積。

1.2.2 噴油器針閥組件運動方程

噴油器的噴油量和噴油速率由針閥的開啟和關閉的時間決定，針閥的開啟和關閉對噴油器的噴油過程有著重要的作用。噴油器針閥組件運動方程如下[9]：

式中：m——針閥組件質量；h——針閥組件位移；c——針閥阻尼系數；Fp——盛油槽的液壓力；Fi——針閥座面液壓力；Fc——液壓作用力；Fs——彈簧力；FV——油壓作用力。

油壓作用力：

式中：dv——控制柱塞直徑。

彈簧力：

式中：k ——彈簧系數；h0——彈簧預緊行程。盛油槽的液壓力：

式中：Ap——盛油槽的液壓力作用面積。

針閥座面液壓力：

式中：d——針閥直徑；di——針閥密封帶直徑。

液壓作用力：

式中：dc——針閥的桿徑。

1.2.3 噴油器電磁閥子模型

電磁閥可以分為電路、磁路、電磁力和電磁閥運動，其數學模型如下[10]：

（1）電路模型

式中：Rm——等效電阻；L——電感；i——通電電流。

（2）磁路模型

式中：N——線圈匝數；φ——磁通量；Gi——氣隙間歇；Gm——鐵磁導。

（3）電磁力模型

式中：N ——電磁線圈砸數：n——電磁線圈繞組數：I ——電磁線圈通電電流；φ——磁通量；Ru——非工作氣隙磁阻。

（4）電磁閥運動方程

式中：m ——運動件質量；xmax——電磁閥最大升程；x ——電磁閥位移；x0——預緊行程：ks——電磁閥彈簧的勁度系數；ζ——電磁閥運動過程的階躍函數。

1.3 噴油器的仿真模型

噴油器參數見表1。噴油器仿真計算過程中，為了便于記錄完整的曲線，噴油器脈寬的時間應小于求解器時間。

表1 噴油器參數Tab.1 Injector parameters

1.3.1 電磁閥模型

基于一維仿真平臺搭建如圖2 所示的電磁閥模型，電磁力信號如圖3所示，符合噴油器的要求。

圖2 電磁閥模型Fig.2 Solenoid valve model

圖3 電磁力信號Fig.3 Electromagnetic force signal

1.3.2 整體模型

基于一維仿真平臺搭建的噴油器仿真模型如圖4 所示。

圖4 仿真模型Fig.4 Simulation model

2 仿真分析

為了研究噴油器不同結構參數和燃油的密度、粘度等不同條件對噴射過程的影響，設置模擬條件，如表2 所示。

表2 不同模擬條件和參數Tab.2 Different simulation conditions and parameters

2.1 燃油密度對噴油過程的影響

分別取不同的燃油的密度805，825，845 kg/m3，其余參數保持不變。分析不同燃油密度對噴射過程的影響，如圖5 所示；分析不同燃油密度下針閥升程和速度、噴射率、噴油量的變化情況，仿真結果分別如圖6—圖8 所示。

圖5 燃油密度對針閥升程的影響Fig.5 Influence of fuel density on needle valve lift

圖6 燃油密度對針閥速度的影響Fig.6 Influence of fuel density on needle valve speed

從圖5—圖8 可以看出，隨著燃油密度的增加，噴油器針閥開啟時間增長、關閉時間減短，針閥的運動減慢，噴油率、噴油量有所減小，影響不是很大。因為密度的增加使進油孔最大放電系數增加，燃油的流速減小，控制腔壓力達到的針閥開啟壓力減慢，從而針閥的開啟關閉有所減慢；出油孔的最大放電系數增加時，燃油的流速減小，噴油器不能快速排除控制腔中的燃油，使針閥關閉延遲。噴油嘴噴射壓力隨著燃油密度增加而降低，噴射率有所下降，從而噴油量下降。

圖7 燃油密度對噴油率的影響Fig.7 Influence of fuel density on fuel injection rate

圖8 燃油密度對噴油量的影響Fig.8 Influence of fuel density on fuel injection volume

2.2 燃油粘度對噴油過程的影響

燃油粘度會影響燃油的粘度摩擦力，分別取燃油的運動粘度為2.4，10.0，22.5 mm2/s，研究燃油粘度對針閥升程和速度的影響。仿真結構如圖9、圖10 所示。

圖9 燃油粘度對針閥升程的影響Fig.9 Effect of fuel viscosity on needle valve lift

圖10 燃油粘度對針閥速度的影響Fig.10 Effect of fuel viscosity on needle valve speed

從圖9、圖10 可以看出，隨著燃油密度的增加，噴油器針閥開啟時間增長、關閉時間減短，針閥的運動減慢。當燃油粘度增加時，粘度摩擦力增加使燃油進入控制腔減慢，針閥開啟減慢；隨著燃油粘度的增加，針閥針頭粘性力增加，增加了針閥關閉的時間。隨著燃油的粘度增加，燃油的粘性摩擦力和針閥的粘性力增加，針閥的運動速度減小。

2.3 共軌壓力對噴油過程的影響

分析共軌壓力對噴射過程的影響。分別取不同的共軌壓力80，100，120 MPa，其余參數保持不變，分析共軌壓力對針閥升程、針閥速度、噴射率、噴射量的變化情況，仿真結果分別如圖11—圖14 所示。

圖11 共軌壓力對針閥升程的影響Fig.11 Effect of common rail pressure on needle valve lift

圖12 共軌壓力對針閥速度的影響Fig.12 Effect of common rail pressure on needle valve speed

圖13 共軌壓力對噴油率的影響Fig.13 Effect of common rail pressure on fuel injection rate

圖14 共軌壓力對噴油量的影響Fig.14 Effect of common rail pressure on fuel injection volume

由圖11—圖14 可知，隨著共軌壓力增加，針閥上升、下落的時間提前，從而噴油率增大、噴油量增加?？刂魄粔毫﹄S著共軌壓力增大而增大，出油孔的泄油速度增快，加快了針閥的上升速度，從而使針閥開啟時間提前。控制腔壓力隨著針閥開啟，下降速度更快，針閥的下降速度也加快，針閥的關閉時間提前?？梢钥闯觯叩墓┯蛪毫砀玫膰娪退俾是€和噴油量特性，滿足機械要求的情況下可以提高共軌壓力來優化噴油過程。

2.4 針閥大端直徑對噴油過程的影響

分析針閥大端直徑對噴射過程的影響。分別取不同的針閥大端直徑3.5，3.3，3.1 mm，其余參數保持不變，分析針閥大端直徑對針閥升程、針閥速度、噴射率、噴射量的變化情況。仿真結果如圖15—圖18 所示。

由圖15—圖18 可知，針閥開啟時間隨著針閥大端直徑的減小而延后，導致噴油持續時間減少。針閥座受力面積隨著針閥大端直徑減小而減小，使控制腔壓力上升速度減小，針閥上升速度減小，從而導致針閥的開啟時間延后，控制腔壓力下降的速度加快，針閥的下降速度加快，使針閥在最大位移持續時間減小，噴油的持續時間變短，所以噴油率的持續時間變短，噴油量下降。

圖15 針閥大端直徑對針閥升程的影響Fig.15 Effect of needle valve's large end diameter on needle valve lift

圖16 針閥大端直徑對針閥速度的影響Fig.16 Effect of needle valve's large end diameter on needle valve speed

圖17 針閥大端直徑對噴射率的影響Fig.17 Effect of needle valve's large end diameter on injection rate

圖18 針閥大端直徑對噴油量的影響Fig.18 Effect of needle valve's large end diameter on injection volume

2.5 噴孔直徑對噴油過程的影響

分析不同噴孔直徑對噴射過程的影響。分析不同燃油密度下噴孔直徑對針閥升程、針閥速度、噴射率、噴射量的變化情況。仿真結果如圖19—圖22 所示。

圖19 噴孔直徑對針閥升程的影響Fig.19 Effect of nozzle diameter on needle valve lift

圖20 噴孔直徑對針閥速度的影響Fig.20 Effect of nozzle diameter on needle valve speed

圖21 噴孔直徑對噴油率的影響Fig.21 Effect of nozzle hole diameter on fuel injection rate

圖22 噴孔直徑對噴油量的影響Fig.22 Effect of nozzle hole diameter on fuel injection volume

由圖19—圖22 可知，隨著噴孔的直徑增加，總流通面積增加，流速加快，針閥的開啟速度略有減慢，而關閉速度幾乎不變，即噴孔直徑尺寸的變化對針閥的動態響應特性影響不大。由圖可知，隨著噴孔的直徑增加，噴油率明顯增加，噴油量也明顯增加。

3 結論

基于一維仿真平臺建立的噴油器模型，分析了不同燃油密度、粘度、共軌壓力、針閥大端直徑和噴孔直徑等參數對噴射過程的影響，結論如下：

燃油粘度對噴油率和噴射量的影響大于燃油密度，因為在相同的燃油溫度內，燃油粘度的變化比密度大。

隨著燃油密度、粘度的增加，針閥升程開啟關閉持續時間變小、針閥速度減慢。

一定范圍內隨著共軌壓力增大，噴油率增大、噴油量增加。

針閥大端的直徑減小，針閥升程開啟關閉持續時間變小、針閥速度明顯減緩，噴油率、噴射時間減小，噴油量下降。

噴孔直徑的增加對針閥的開啟時間影響不大、對關閉時間幾乎沒有影響，對噴射率和噴射量影響較大。