电控喷油器参数对高压共轨系统循环喷油量波动影响的量化分析*

马修真，田丙奇，范立云，宋恩哲，刘 洋

(哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨 150001)



2015010

电控喷油器参数对高压共轨系统循环喷油量波动影响的量化分析*

马修真，田丙奇，范立云，宋恩哲，刘 洋

(哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨 150001)

为研究电控喷油器参数对高压共轨系统循环喷油量波动的影响，利用AMESim仿真平台建立了电控高压共轨喷油系统数值仿真模型，并通过在高压共轨系统试验台上试验，验证了仿真模型的准确性。接着在此基础上对循环喷油量波动进行分析，揭示了喷油器参数对循环喷油量波动的影响规律。最后进行了量化分析，得到了喷油器参数变化引起的循环喷油量波动百分比的变化规律。结果表明，衔铁残余气隙、电磁阀预紧力、出油孔直径、进油孔直径、针阀预紧力和针阀升程是影响高压共轨系统循环喷油量的主要电控喷油器参数，在不同的轨压和喷油脉宽下，这些参数的变化引起的循环喷油量波动百分比分别为5.0%～16.8%、7.8%～26.2%、14.1%～22.9%、17.0%～23.3%、7.5%～33.2%和0～21.8%。

高压共轨系统；电控喷油器；循环喷油量波动；量化分析

前言

随着对柴油机经济性、动力性和排放性能要求的不断提高，能够独立控制喷油压力，灵活控制喷油率，优化燃烧，有效降低排放、油耗和噪声的电控高压共轨喷油系统成为当前柴油机喷油系统的主要研究对象之一[1-3]。

高压共轨喷油系统喷油压力高，实现对循环喷油量稳定和精确的控制，对高压共轨系统至关重要。高压共轨喷油系统通过时间-压力控制方式对喷油过程进行控制，电控喷油器是系统的核心部件，负责控制喷油定时、喷油脉宽和喷射次数，将共轨管内近似恒高压的燃油按工况需求喷入气缸。电控喷油器利用电磁阀进行电磁转换，产生电磁力，对密封球阀动作和控制腔油压进行控制，实现对针阀动作的控制，进而达到灵活调节喷油过程的目的。由于电控喷油器中集成了涉及电、磁、机、液多种作用且各精密配合的零部件结构复杂，喷油器各部分参数均会直接或间接地影响系统的循环喷油量，参数的变化更会引起循环喷油量的波动，导致喷油系统及其匹配的柴油机工作稳定性变差[5]。

研究电控喷油器参数对高压共轨系统循环喷油量波动的影响，对设计和优化喷油器参数，提高喷油系统工作一致性和稳定性具有重要的意义[6]。本文中通过仿真分析，研究高压共轨系统电控喷油器衔铁残余气隙、电磁阀预紧力、回油孔直径、进油孔直径、针阀升程、针阀预紧力和针阀配合间隙等参数对系统循环喷油量波动的影响，分析各参数对循环喷油量的影响规律，通过对循环喷油量波动的进一步量化分析，确定电控高压共轨喷油系统循环喷油量波动的关键影响参数。

1 模型的建立和验证

高压共轨系统主要由高压油泵、共轨管、电控喷油器和电控单元(ECU)等部分组成[7-8]。

利用AMESim仿真平台建立了电控高压共轨喷油系统数值仿真模型，如图1所示。为确保模型能够准确预测共轨系统的喷射性能，在共轨喷油系统试验台(图2)上进行试验，对模型的准确性进行了验证。

在950r/min凸轮转速，135MPa共轨压力，2.5ms喷油脉宽工况点测取了试验数据并与仿真结果进行了对比。图3为轨压对比曲线，压力波动曲线在相位和幅值上均有较好的一致性，喷油过程中轨压波动幅值在4MPa左右。图4为相同控制电流条件下喷油率的试验和仿真对比曲线。由图可见，喷油率的仿真预测结果与试验测量值具有较好的吻合度。由对比结果可知，利用仿真模型能够在数值和时序上准确地对轨压和喷油率进行预测，证明了仿真模型的准确性。

2 循环喷油量波动分析

本文中所研究的高压共轨系统电控喷油器结构如图5所示。主要由进回油接口、电磁阀控制部分、控制腔、控制活塞和针阀组件等组成。

根据电控喷油器的结构原理，选择衔铁残余气隙、电磁阀预紧力、回油孔直径、进油孔直径、针阀预紧力、针阀升程和针阀配合间隙等喷油器主要参数，研究了参数对系统循环喷油量波动的影响。参考试验台装备的电控喷油器结构参数和喷油器设计过程中的参数选取原则，确定了各参数的基准值和变化范围，如表1所示。

表1 电控喷油器参数基准值及变化范围

基准参数值条件下高压共轨系统的循环喷油量如图6所示。仿真中取参数分别为最小值和最大值时的循环喷油量与基准参数值下的循环喷油量偏差的最大值作为循环喷油量波动量。

在分析参数变化对循环喷油量的影响时，仅改变要分析的参数值，其它参数均取基准值。喷油压力皆指轨压。

2.1 衔铁残余气隙

衔铁残余气隙是电磁铁与衔铁吸合时，两者之间的最小距离。衔铁残余气隙的变化通过改变电磁力的大小而影响电磁阀的开启时间，从而改变喷油持续期，引起喷油量的波动。衔铁残余气隙由80变化到120μm时，引起的循环喷油量波动如图7所示。

循环喷油量波动随着喷油压力的升高而增大，最大值为8.3mm3，出现在120MPa，0.4ms工况点。当喷油脉宽大于0.8ms时，循环喷油量波动基本上不受喷油脉宽的影响。

图8为80MPa喷油压力，0.8ms喷油脉宽时不同衔铁残余气隙对应的电磁力曲线。由图可见：残余气隙越小，电磁力越大，控制阀杆开启的时间越早，从而喷油时刻提前。而在喷油结束阶段，小衔铁残余气隙对应的电磁力大，衰减速度慢，延缓了控制阀杆的落座速度，造成喷油结束时刻滞后。所以随着衔铁残余气隙减小，喷油持续期增长，循环喷油量增大。而随着喷油压力增加，单位时间内喷油量增加，因衔铁残余气隙变化而造成的循环喷油量波动也随之增加。在小喷油脉宽时，针阀在达到最大升程前即落座复位，衔铁残余气隙变化对喷油过程的影响更大，所以此时的循环喷油量波动更明显。

2.2 电磁阀预紧力

电磁阀预紧力由安装在电磁阀中的复位弹簧决定。电磁阀预紧力的变化直接影响电磁阀的开启和关闭时间，改变喷油持续期，导致循环喷油量波动，其值由70变化到110N对循环喷油量的影响如图9所示。由图可见：循环喷油量波动随喷油压力的升高而增加，在120MPa、0.4ms工况点处最大，为13.0mm3。小脉宽下，针阀无法达到最大升程，喷油持续期受电磁阀预紧力的影响更明显，循环喷油量波动的变化也最为剧烈。

2.3 出油孔直径

出油孔是控制腔内燃油向低压油路回油的通路，其直径决定出油孔的流通特性。出油孔直径的变化通过影响控制腔内燃油的回油速度而影响针阀的开启和闭合，改变喷油持续期，造成循环喷油量波动。

出油孔直径由0.35变化到0.37mm时，引起的循环喷油量波动如图10所示。由图可见：波动随着喷油压力的升高而减小，最大值在喷油压力40MPa，喷油脉宽1.2ms工况点，为14.7mm3；在60，80，100和120MPa喷油压力条件下，循环喷油量波动无明显差别，但在40MPa喷油压力条件下，循环喷油量波动显著，在小喷油脉宽条件下尤其明显；循环喷油量波动在小喷油脉宽条件下受喷油脉宽的影响较大，但当喷油脉宽大于1.6ms时，循环喷油量波动基本上不再变化。

图11为喷油压力80MPa，喷油脉宽0.8ms下控制腔压力和针阀升程随出油孔直径变化的曲线。由图可见：随着出油孔直径的增加，控制腔内压力下降速率加快，针阀的开启速度快，开启时刻提前，从而增加了喷油初期的喷油速率并延长了喷油持续期，造成循环喷油量波动；小喷油脉宽条件下循环喷油量波动更为明显，是因为在喷油过程中针阀未达到最大升程即开始复位落座，喷油初期的喷油速率对循环喷油量起主要作用；而此时出油孔直径的变化对针阀升程和喷油初期的喷油率的影响更显著，因此循环喷油量波动幅度大；在40MPa喷油压力下，喷油压力低，针阀开启速率慢，出油孔直径变化对针阀开启速率和喷油初期喷油率的影响增大，因此循环喷油量波动更显著。

2.4 进油孔直径

进油孔直径是燃油由共轨管进入控制腔的进油通路，决定着进油孔的流通特性。进油孔直径的变化会影响控制腔内燃油建压速率，从而会影响针阀的开启和闭合，改变喷油时间，造成循环喷油量波动。进油孔直径由0.31变化到0.33mm引起的循环喷油量波动如图12所示。由图可见：在喷油压力40MPa下，循环喷油量波动最显著，当喷油脉宽为1.2ms时，波动取得最大值为15mm3；当喷油压力为60～120MPa时，循环喷油量波动随轨压的升高和喷油脉宽的增加无明显变化。

2.5 针阀预紧力

针阀预紧力由喷油器中的针阀复位弹簧决定，其变化通过改变针阀开启和复位的速度，从而改变喷油持续期，引起循环喷油量的变化，针阀预紧力变化引起的循环喷油量波动如图13所示。由图可见：循环喷油量波动随喷油压力的降低而增加，而受喷油脉宽的影响不明显；喷油压力40MPa下循环喷油量波动明显高于其它喷油压力下的波动值；波动的最大值出现在喷油压力40MPa、喷油脉宽1.2ms工况点，为21.6mm3。

图14为喷油压力60MPa、喷油脉宽1.2ms工况点不同针阀预紧力对应的针阀升程曲线。由图可见：随着针阀预紧力的增加，针阀开启速率降低，导致喷油初期喷油率降低，同时针阀关闭时刻提前，造成喷油持续期缩短，从而引起循环喷油量波动；随着喷油压力的增加，针阀预紧力的变化对循环喷油量的影响相对减小，循环喷油量波动减小；喷油压力40MPa下，迫使针阀升起的燃油压力低，针阀预紧力变化对针阀开启和关闭过程的影响大，因此造成的循环喷油量波动更显著。

2.6 针阀升程

针阀向上运动的最大位移，即针阀升程决定针阀的运动时间和针阀与喷孔之间的节流特性，其变化所引起的循环喷油量变化如图15所示。由图可见：循环喷油量波动随着喷油压力升高和喷油脉宽增加而增大；在喷油压力120MPa、喷油脉宽3.6ms工况点处循环喷油量波动最大，为9.3mm3。

图16为不同针阀升程条件下针阀升程曲线。由图可见：随着针阀升程增加，针阀开启速率不变，但达到最大升程的时间滞后，喷油结束时，针阀复位落座时间延长，喷油持续期增长，循环喷油量增加；同时，随着针阀升程的增加，针阀和喷孔间的节流效应降低，喷油率增加，也会增加循环喷油量。因此针阀升程变化引起循环喷油量波动，随着喷油压力的升高和喷油脉宽的增加而增大。

2.7 针阀配合间隙

针阀配合间隙是针阀与针阀体间的间隙，盛油腔内燃油经由配合间隙的泄漏通过影响盛油腔内燃油压力引起循环喷油量波动。针阀配合间隙变化对循环喷油量的影响如17所示。由图可见：循环喷油量波动随着喷油压力的增加而增大，受喷油脉宽的影响较小，循环喷油量波动的最大值为4.1mm3，出现在喷油压力120MPa，喷油脉宽0.4ms工况点。针阀与针阀体配合间隙的燃油泄漏速率与配合间隙两侧的压差成正比。因此随着喷油压力升高，配合间隙两侧的燃油压差增大，针阀配合间隙变化引起的循环喷油量波动增加。

3 循环喷油量波动的量化分析

根据各参数变化对循环喷油量波动影响的分析结果，利用量化分析方法，计算单一参数变化引起的循环喷油量波动在该工况点总循环喷油量波动所占的百分比，可得到各参数变化所引起的循环喷油量波动百分比量化指标。图18为不同喷油压力条件下，喷油器参数变化引起的循环喷油量波动的百分比量化指标随喷油脉宽的变化规律。

衔铁残余气隙和电磁阀预紧力均为电磁阀部分参数，其变化对应的循环喷油量波动百分比量化指标分别为5.0%～16.8%和7.8%～26.2%；百分比量化指标均随喷油压力的升高而增大，随喷油脉宽的增加而减小，在高轨压小脉宽工况点最显著。这是由于电磁阀参数会直接影响喷油时间而造成循环喷油量波动，在因衔铁残余气隙和电磁阀预紧力变化而引起喷油脉宽变化时间内，循环喷油量波动随着喷油压力的增加而增加。而随着喷油脉宽的增加，因参数变化引起的喷油时间变化在总喷油时间内所占的比例减小，所以百分比量化指标随着喷油脉宽的增加而减小。

出油孔直径、进油孔直径和针阀预紧力变化引起的循环喷油量波动百分比量化指标分别为14.1%～22.9%、17.0%～23.3%和7.5%～33.2%；百分比量化指标均随着喷油压力和喷油脉宽的增加而减小，在低压小脉宽区域对循环喷油量的影响最明显。这是由于出油孔直径、进油孔直径和针阀预紧力均是通过改变喷油器针阀的受力，从而改变喷油时间，造成循环喷油量波动。所以随着喷油压力的升高，燃油对针阀承压锥面的作用力增加，出油孔直径、进油孔直径和针阀预紧力变化而引起的针阀受力变化对喷油时间的影响减小，百分比量化指标减少。而随着喷油脉宽的增加，因上述参数变化引起的喷油时间变化在总喷油时间内所占的比例减少，百分比量化指标也减少。

针阀升程变化引起的循环喷油量波动百分比量化指标为0～21.8%，随喷油压力和喷油脉宽的增大均呈增加趋势，受喷油脉宽的影响更显著。针阀升程变化通过改变针阀与喷孔间的节流特性而影响循环喷油量，因此其变化对循环喷油量的影响随喷油压力和喷油脉宽的增加均呈增加趋势。

针阀配合间隙变化引起的循环喷油量波动百分比量化指标变化范围为3.1%～8.3%。由于配合间隙间的泄漏量主要受压力的影响，因此其变化引起的循环喷油量波动百分比量化指标随喷油压力的增加而明显增大，对喷油脉宽变化不敏感。

通过量化分析可知电控喷油器的衔铁残余气隙、电磁阀预紧力、出油孔直径、进油孔直径、针阀升程和针阀预紧力是高压共轨喷油系统循环喷油量主要影响参数。由于这些参数的变化会使喷油系统循环喷油量产生明显的波动，因此是喷油器参数设计和优化的主要目标。同时在生产加工过程中也须提高对这些参数的质量控制标准，尽量减少因生产加工造成的参数不一致而引起的循环喷油量波动。

4 结论

(1) 建立的高压共轨喷油系统AMESim数值仿真模型能够准确预测系统的喷射特性。

(2) 电控喷油器参数对循环喷油量的影响在小喷油脉宽时更为明显，由于此时喷油器针阀无法达到最大升程，循环喷油量波动在喷油器参数的影响下表现出强烈的非线性，并且波动变化剧烈。

(3) 通过对循环喷油量波动进行量化分析，得到了各参数变化引起的循环喷油量波动百分比量化指标。分析得出参数变化引起的循环喷油量波动百分比量化指标主要受喷油压力的影响，仅针阀升程变化对应的百分比量化指标随喷油脉宽的增加表现出明显的上升趋势。其中衔铁残余气隙、电磁阀预紧力、出油孔直径、进油孔直径、针阀预紧力和针阀升程是对循环喷油量影响最为显著的电控喷油器参数。参数变化所引起的循环喷油量波动百分比量化指标分别为5.0%～16.8%、7.8%～26.2%、14.1%～22.9%、17.0%～23.3%、7.5%～33.2%和0～21.8%。

[1] 刘振明,邵利民,欧阳光耀.基于近似模型的共轨柴油机喷射系统参数优化研究[J].内燃机工程,2011,32(6):63-67,73.

[2] 周家东,欧阳光耀,欧大生,等.船用共轨柴油机控制策略的硬件在环验证[J].内燃机工程,2010,31(5):74-77,80.

[3] 郑金保,缪雪龙,洪建海,等.共轨系统电磁喷油器盛油槽压力测量与分析[J].内燃机学报,2012,30(1):86-90.

[4] 闫萍,冯明志,平涛,等.喷孔参数对高压共轨船用柴油机燃烧与排放影响的仿真研究[J].内燃机工程,2010,32(3):43-47.

[5] 袁方恩,林学东,黄丫,等.高压共轨喷射系统参数对柴油机性能影响的研究[J].内燃机工程,2012,33(2):11-19.

[6] Seppo Niemi, Jyri Tornvall, Mika Lauren, et al. Optimization of Some Injection Parameters in a Common-Rail Non-Road Diesel Engine[C]. SAE Paper 2009-01-1833.

[7] Paolo Lino, Bruno Maione, Alessandro Rizzo. Nonlinear Modelling and Control of a Common Rail Injection System for Diesel Engines[J]. Applied Mathematical Modelling,2007,31:1770-1784.

[8] Catania Andrea E, Ferrari Alessandro, Manno Michele. Development and Application of a Complete Multijet Common-Rail Injection-System Mathematical Model for Hydrodynamic Analysis and Diagnostics[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2008,130:1-13.

Quantitative Analysis on the Effects of Parameters of Electronic Injector on theCycle Fuel Injection Quantity Fluctuation of High Pressure Common Rail System

Ma Xiuzhen, Tian Bingqi, Fan Liyun, Song Enzhe & Liu Yang

DepartmentofPowerandEnergyEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001

For investigate the effects of electronic injector parameters on the cycle fuel injection quantity fluctuation (CFIQF) of high-pressure common rail (HPCR) system, a numerical simulation model for an electronically-controlled HPCR system is created with AMESim platform, and a test on a HPCR system test rig is conducted to verify the correctness of the model built. Then on this basis, the CFIQF is analyzed to reveal the law of the effects of injector parameters on CFIQF. Finally a quantitative analysis is performed to obtain the changing law of the CFIQF percentage with the change of injector parameters. The results show that the residual air-gap of armature, the pre-tightening force of solenoid, the diameter of fuel inlet orifice, the diameter of fuel outlet orifice, and the pre-tightening force and lift of needle valve are the main parameters of injector affecting the cycle fuel injection quantity of HPCR system, the percentage of CFIQF caused by the change of theses parameters are 5.0%-16.8%, 7.8%-26.2%, 14.1%-22.9%, 17.0%-23.3%, 7.5%-33.2% and 0-21.8% respectively.

high-pressure common rail; electronically controlled injector; cycle fuel injection quantity fluctuation; quantitative analysis

*国家自然科学基金(50909024&51279037)、新世纪优秀人才支持计划(NECT-11-0826)和中央高校基本科研业务费专项资金(HEUCF110301)资助。

原稿收到日期为2013年4月8日。