共軌噴油器小油量噴射特性優(yōu)化

共軌噴油器是高壓共軌系統(tǒng)中最復(fù)雜的部件，噴油器參數(shù)直接影響噴油器總成的性能，從而影響發(fā)動機的燃燒與排放性能[。噴油器設(shè)計需要充分考慮發(fā)動機工況，對于中小負荷工況，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率較低，噴油器的噴油速率很容易滿足發(fā)動機使用要求，此時噴油器的設(shè)計難點在于如何保證小油量工況下噴油的穩(wěn)定性和一致性，從而保證發(fā)動機中小負荷工作過程中各缸工作的一致性，這也是目前高速大流量噴油器設(shè)計的主要難題。

噴油器小油量工況一致性難以保證的原因如下：在控制脈寬較短的小油量工況下，針閥運動未達到最大升程，針閥開啟階段運動規(guī)律不受限制，導(dǎo)致針閥關(guān)閉狀態(tài)不一致，放大了尺寸公差對噴油量的影響系數(shù)；同時，回油壓力、控制閥桿升程、進出油孔直徑、針閥升程和噴孔流量等參數(shù)在短脈寬工況下對循環(huán)噴油量的影響呈現(xiàn)出強烈的非線性特征[2-3]。

經(jīng)研究，小油量工況下，影響控制閥流動穩(wěn)定性的主要因素是燃油空化和密封鋼球落座時發(fā)生的沖擊反跳[4-6]，且在軌壓較高或銜鐵升程較小時，進出油量孔內(nèi)燃油流動對銜鐵升程的變化更加敏感[7-8]。目前提升噴油器小油量工況穩(wěn)定性和一致性的方法有：降低銜鐵桿的質(zhì)量[9-10]；優(yōu)化進回油量孔孔徑和流量[11-12]；采用負錐度的節(jié)流量孔（出口直徑小于入口直徑）[13]；增大控制腔死區(qū)容積[14]等。

本研究根據(jù)某典型結(jié)構(gòu)噴油器試驗數(shù)據(jù)分析其小油量噴射特性，并通過一維仿真模型分析，對其小油量噴油性能進行優(yōu)化。

1噴油器小油量MAP測試

1.1 測試設(shè)備

試驗在EFS高壓共軌試驗臺上進行。該試驗臺集成了變量泵的驅(qū)動系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、噴油規(guī)律測試系統(tǒng)和帶交互界面的電子控制系統(tǒng)，如圖1所示。變量泵、油軌、高壓油管與試驗噴油器樣件組成了試驗高壓共軌系統(tǒng)。采用單次噴射儀測量循環(huán)油量與噴射持續(xù)期，利用示波器存儲噴油規(guī)律數(shù)據(jù)。

1.2 試驗測試結(jié)果

測試得到的某典型結(jié)構(gòu)噴油器油量MAP如圖2所示。小油量工況下噴油量隨控制脈寬增加存在明顯的“調(diào)頭”現(xiàn)象，即循環(huán)噴油量隨控制脈寬增大而減小，且不同軌壓下的油量MAP曲線存在明顯的交叉。為防止整機ECU插值計算出現(xiàn)混亂，需要手動調(diào)整數(shù)據(jù)，將油量MAP中交叉的曲線分離，這將造成小油量工況的油量控制精度變差。理想的油量MAP曲線應(yīng)當(dāng)隨控制脈寬增加單調(diào)遞增且過渡平滑。

圖3示出 180MPa 軌壓下各工況點2000次噴射的循環(huán)噴油量標(biāo)準(zhǔn)差。可以看出， 600μs 控制脈寬下循環(huán)噴油量標(biāo)準(zhǔn)差最大，該工況位于大油量工況的油量MAP拐點處，針閥恰好能達到最大升程[15]。小油量工況下，控制脈寬為 275μs 時循環(huán)噴油量標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)生突變，噴射穩(wěn)定性突然變差。

綜上所述，在小油量MAP曲線“調(diào)頭\"的工況，該噴油器噴射穩(wěn)定性和油量控制精度較差，初步判斷優(yōu)化噴油器小油量MAP形狀有助于改善小油量噴射特性。

2 噴油器性能仿真

2.1仿真模型建立

試驗用噴油器為單進回油量孔，其有靜態(tài)泄漏的結(jié)構(gòu)。為研究小油量工況下油量MAP產(chǎn)生“調(diào)頭\"的原因，建立噴油器一維仿真模型，如圖4所示。設(shè)置軌壓為 180MPa ，控制脈寬為 200～1000μs 對比仿真與試驗得到的噴油器油量MAP，如圖5所示。可以看出，仿真與試驗結(jié)果基本重合，說明仿真模型精度滿足研究需求。

2.2 仿真結(jié)果分析

試驗測得的油量MAP在 275μs 控制脈寬處出現(xiàn)\"調(diào)頭\"現(xiàn)象，計算電磁閥關(guān)閉延遲（控制信號終點至電磁閥關(guān)閉的時間）和針閥關(guān)閉延遲（控制信號終點至針閥關(guān)閉的時間），計算結(jié)果如圖6所示。當(dāng)控制脈寬小于 275μs 時，電磁閥與針閥關(guān)閉延遲隨控制脈寬增大而增大，電磁閥處于“無碰撞狀態(tài)”；當(dāng)控制脈寬等于 275μs 時，電磁閥與針閥關(guān)閉延遲出現(xiàn)調(diào)頭現(xiàn)象，電磁閥處于“臨界狀態(tài)”；當(dāng)控制脈寬為275～325μs 時，電磁閥與針閥關(guān)閉延遲隨控制脈寬增大而減小，電磁閥處于“慣性碰撞狀態(tài)”；當(dāng)控制脈寬大于 時，電磁閥關(guān)閉延遲不再發(fā)生變化，電磁閥處于“完全碰撞狀態(tài)”，針閥關(guān)閉延遲先隨控制脈寬增大而增大，在達到最大針閥升程后，針閥關(guān)閉延遲則維持不變[15]。可以看出，小油量工況下，油量MAP變化規(guī)律與電磁閥和針閥關(guān)閉延遲變化規(guī)律一致，因此判斷小油量工況下油量MAP發(fā)生“調(diào)頭”與電磁閥和針閥的關(guān)閉延遲相關(guān)。

不同狀態(tài)下電磁閥、針閥運動狀態(tài)變化規(guī)律如表1所示，對應(yīng)的電磁閥位移曲線、電磁閥速度曲線和針閥位移曲線如圖7所示。表1中電磁閥泄油時間為圖7a中電磁閥位移從0增加至最大值再減小到0的時間，針閥噴油時間為圖7c中針閥位移從0增加至最大值再減小到0的時間。

需要注意的是，“慣性碰撞”階段電磁閥速度存在突變現(xiàn)象，如圖7b“慣性碰撞”曲線所示。這是由于電磁鐵斷電后，電磁閥會依靠慣性克服彈簧力繼續(xù)向上運動，在達到最大升程時速度不為0，隨后與電磁鐵限位平面發(fā)生撞擊，導(dǎo)致速度突變?yōu)?。由于電磁鐵達到最大升程后僅受彈簧力作用，因此電磁閥關(guān)閉階段運動狀態(tài)不隨控制脈寬變化而變化，電磁閥泄油時間僅受電磁閥開啟階段運動狀態(tài)影響，控制脈寬增大，電磁閥開啟速度最大值隨之增大，電磁閥達到最大升程發(fā)生速度突變所需的時間減小，電磁閥泄油時間減小，針閥噴油時間和噴油量也隨之減小。

綜上所述，噴油器小油量工況油量MAP出現(xiàn)“調(diào)頭”的原因是電磁閥與電磁鐵發(fā)生完全碰撞前，針閥就已經(jīng)開啟，隨著控制脈寬增加，電磁閥依靠慣性與電磁鐵碰撞發(fā)生速度突變，使電磁閥關(guān)閉延遲降低，針閥關(guān)閉延遲和循環(huán)噴油量隨之下降，油量MAP出現(xiàn)“調(diào)頭\"現(xiàn)象。

3 噴油器優(yōu)化

為保證電磁閥控制的閥門開度、流通面積的一致性，必須要保證噴油器工作過程中電磁閥可以開啟到最大升程。為優(yōu)化噴油器小油量MAP形狀，可以通過降低電磁閥開啟時間和增大針閥開啟延遲兩種方法保證小油量工況下電磁閥完全開啟，電磁閥關(guān)閉延遲保持不變。

3.1降低電磁閥開啟時間

電磁閥開啟速度受電磁力和電磁閥彈簧力影響，增大電磁力需要增加電磁鐵和銜鐵盤體積，受限于安裝尺寸和電磁鐵散熱要求，電磁鐵產(chǎn)生的電磁力難以增加。為縮短電磁閥開啟到最大升程所需的時間，只能減小電磁閥升程，將電磁閥升程從0.1mm 減小至 0.06mm ，噴油量MAP仿真結(jié)果如圖8所示。可以看出，小油量工況MAP曲線“調(diào)頭”現(xiàn)象消失，曲線過渡平滑，油量控制精度提升。

減小電磁閥最大升程后，電磁閥閥門節(jié)流加劇，噴油器回油量孔背壓升高，導(dǎo)致控制腔壓力下降速度和針閥開啟速度均降低，噴油持續(xù)期增加。優(yōu)化前后噴油器標(biāo)定工況噴油速率對比如圖9所示。可以看出，優(yōu)化后噴油速率曲線上升階段斜率下降，噴油持續(xù)期增加 。

可見，減小電磁閥升程雖然使噴油器小油量控制精度得到改善，但會使噴油持續(xù)期延長，犧牲了部分噴油器性能。

3.2增大針閥開啟延遲

對于圖4所示的典型結(jié)構(gòu)噴油器，增大針閥開啟延遲可以采用增大進回油量孔流量比、減小控制柱塞直徑、增大針閥密封錐面直徑等3種方法。經(jīng)過仿真計算，確定表2所示的3種優(yōu)化方案。如圖10所示，優(yōu)化后小油量工況MAP曲線“調(diào)頭\"現(xiàn)象消失，曲線過渡平滑。優(yōu)化后噴油器標(biāo)定工況性能存在差異，3種優(yōu)化方案標(biāo)定工況噴油速率對比如圖11所示。

根據(jù)圖11所示仿真結(jié)果，增大進回油量孔流量比和減小控制柱塞直徑后，標(biāo)定工況噴油持續(xù)期（噴油速率曲線從0增至最大值再減小到0所需的時間）均有明顯增加（分別增加 和 ，噴油速率曲線上升段斜率明顯下降，說明針閥開啟速度降低。實際上，表2所示的3種優(yōu)化方案均會導(dǎo)致針閥開啟速度下降，但由于方案3增大了針閥密封錐面直徑，使針閥偶件座面流通面積增加，降低了流動損失，因此如圖11中“優(yōu)化針閥密封錐面\"曲線所示，最大噴油速率提高。同時，針閥密封錐面直徑增加還可以使針閥關(guān)閉過程中受到的向上的液壓力減小，針閥關(guān)閉速度增大，因此增大針閥密封錐面直徑后，噴油速率曲線下降段的斜率較優(yōu)化前增大，標(biāo)定工況噴油持續(xù)期減小 。

綜上所述，減小電磁閥升程、增大進回油量孔流量比、減小控制柱塞直徑可以消除噴油器小油量MAP\"調(diào)頭\"現(xiàn)象，但會導(dǎo)致標(biāo)定工況噴油持續(xù)期上升；增大針閥密封直徑可以在消除噴油器小油量MAP“調(diào)頭\"現(xiàn)象的同時減小標(biāo)定工況噴油持續(xù)期。

3.3 優(yōu)化效果驗證

根據(jù)上述仿真結(jié)果改進針閥偶件設(shè)計，將針閥密封錐面直徑由 2.2mm 增大至 3mm ，改進后在EFS高壓共軌試驗臺上測試噴油器油量MAP，測試結(jié)果如圖12所示。可以看出，小油量工況下油量MAP曲線“調(diào)頭”現(xiàn)象消失，循環(huán)噴油量標(biāo)準(zhǔn)差突變現(xiàn)象消失，噴油穩(wěn)定性得到改善。

標(biāo)定工況噴油規(guī)律測試結(jié)果如圖13所示（數(shù)據(jù)處理將噴油起始點修正對齊），改進后標(biāo)定工況噴油持續(xù)期縮短 0.03ms ，最大噴油速率提高，針閥開啟速度降低，關(guān)閉速度提高，與仿真結(jié)果的變化規(guī)律相同。

4結(jié)論

a）噴油器小油量工況下噴油量MAP單調(diào)性差、油量標(biāo)準(zhǔn)差突變和穩(wěn)定性惡化與電磁閥的慣性碰撞有關(guān)，應(yīng)避免針閥在電磁閥處于完全碰撞狀態(tài)前開啟；

b）優(yōu)化噴油器小油量MAP形狀可以從降低電磁閥開啟時間和增大針閥開啟延遲兩方面進行；

c）適當(dāng)增加針閥密封錐面直徑，可以在消除噴油器小油量MAP“調(diào)頭\"現(xiàn)象的同時減小標(biāo)定工況噴油持續(xù)期；

d）提出的優(yōu)化方案會使噴油器開啟延遲增大，從而導(dǎo)致多次噴射間隔增大，影響噴油器多次噴射性能；若對噴油器多次噴射性能要求較高，則需要在本優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上更換動作速度更快的電磁閥。

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