某柴油机喷油器喷射过程数值研究

张俊杰，黄希宇

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

柴油机中燃油的喷射过程非常重要，因为它直接决定喷射率、喷射量及其混合气的形成。无论发动机转速或负载大小，高压共轨燃油喷射系统的问世为控制燃油的喷射压力和喷射正时提供了更大的灵活性。通过实验很难得到喷油器结构参数和燃油粘度、密度的变化对喷油过程的影响[1]。利用一维仿真软件建立仿真模型，通过仿真分析得出了不同结构参数、燃油粘度和密度对喷油过程的影响规律[2]，为其结构设计和优化提供参数，从而减少开发成本。

1 喷油器模型的建立

1.1 喷油器结构及工作原理

喷油器的结构如图1 所示。高压燃油通过燃油泵和高压共轨管进入喷油器。部分燃油通过进油孔进入控制室，部分燃油进入喷嘴储压室[3]。当蓄电池阀通电时，控制阀打开，控制室内的燃油通过出油量孔流出,控制室中的压力和活塞压力降低[4]，喷嘴针阀锥面上的压力高于喷嘴弹簧和活塞压力的合力，打开针阀喷油[5]。电磁阀随喷油脉宽结束而关闭，电磁阀芯被压下，出油量孔关闭，控制室的压力随着燃油的进入而增大[6]，油压作用在柱塞端面上产生向下的压力。柱塞横截面压力和喷油弹簧的合力大于用于喷油器承受锥压的针阀的合力，针阀关闭，喷油完成。

图1 喷油器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of injector structure

1.2 喷油器的数学模型

1.2.1 喷油器液压系统子模型

喷油器液压系统通过控制阀的开启与关闭从而控制着燃油的喷射以及燃油在燃油腔中的流动，管路、节流孔和容积腔组成喷油器的液压系统，数学模型如下：

（1）管路模型

管路中的压力波动来源于喷油过程的间隙性，管路中的压力波动在单次喷油过程中可以忽略不计，采用一维流动连续方程[7]：

式中：ρ——流体的密度；t，μ，x——运动的时间、速度及沿管路运动的位移；p ——压力；D——管道的直径；c——声速。

（2）节流孔模型

节流孔包括进油量孔和出油量孔，节流孔对喷油量有重要影响，流量方程为

式中：A——节流孔的有效流通面积；ρ——燃油密度；Cq——流量系数。

（3）容积腔模型

盛油槽、喷嘴压力室、控制室和不规则的腔在喷油器中能当成集中的容积，计算燃油流动速率和燃油流量的方程如下[8]：

式中：B——燃油的弹性模量；p1——容积腔出口压力；pi——容积腔各个入口压力；qi——各个入口的流量；volo——固定容积。

1.2.2 喷油器针阀组件运动方程

喷油器的喷油量和喷油速率由针阀的开启和关闭的时间决定，针阀的开启和关闭对喷油器的喷油过程有着重要的作用。喷油器针阀组件运动方程如下[9]：

式中：m——针阀组件质量；h——针阀组件位移；c——针阀阻尼系数；Fp——盛油槽的液压力；Fi——针阀座面液压力；Fc——液压作用力；Fs——弹簧力；FV——油压作用力。

油压作用力：

式中：dv——控制柱塞直径。

弹簧力：

式中：k ——弹簧系数；h0——弹簧预紧行程。盛油槽的液压力：

式中：Ap——盛油槽的液压力作用面积。

针阀座面液压力：

式中：d——针阀直径；di——针阀密封带直径。

液压作用力：

式中：dc——针阀的杆径。

1.2.3 喷油器电磁阀子模型

电磁阀可以分为电路、磁路、电磁力和电磁阀运动，其数学模型如下[10]：

（1）电路模型

式中：Rm——等效电阻；L——电感；i——通电电流。

（2）磁路模型

式中：N——线圈匝数；φ——磁通量；Gi——气隙间歇；Gm——铁磁导。

（3）电磁力模型

式中：N ——电磁线圈砸数：n——电磁线圈绕组数：I ——电磁线圈通电电流；φ——磁通量；Ru——非工作气隙磁阻。

（4）电磁阀运动方程

式中：m ——运动件质量；xmax——电磁阀最大升程；x ——电磁阀位移；x0——预紧行程：ks——电磁阀弹簧的劲度系数；ζ——电磁阀运动过程的阶跃函数。

1.3 喷油器的仿真模型

喷油器参数见表1。喷油器仿真计算过程中，为了便于记录完整的曲线，喷油器脉宽的时间应小于求解器时间。

表1 喷油器参数Tab.1 Injector parameters

1.3.1 电磁阀模型

基于一维仿真平台搭建如图2 所示的电磁阀模型，电磁力信号如图3所示，符合喷油器的要求。

图2 电磁阀模型Fig.2 Solenoid valve model

图3 电磁力信号Fig.3 Electromagnetic force signal

1.3.2 整体模型

基于一维仿真平台搭建的喷油器仿真模型如图4 所示。

图4 仿真模型Fig.4 Simulation model

2 仿真分析

为了研究喷油器不同结构参数和燃油的密度、粘度等不同条件对喷射过程的影响，设置模拟条件，如表2 所示。

表2 不同模拟条件和参数Tab.2 Different simulation conditions and parameters

2.1 燃油密度对喷油过程的影响

分别取不同的燃油的密度805，825，845 kg/m3，其余参数保持不变。分析不同燃油密度对喷射过程的影响，如图5 所示；分析不同燃油密度下针阀升程和速度、喷射率、喷油量的变化情况，仿真结果分别如图6—图8 所示。

图5 燃油密度对针阀升程的影响Fig.5 Influence of fuel density on needle valve lift

图6 燃油密度对针阀速度的影响Fig.6 Influence of fuel density on needle valve speed

从图5—图8 可以看出，随着燃油密度的增加，喷油器针阀开启时间增长、关闭时间减短，针阀的运动减慢，喷油率、喷油量有所减小，影响不是很大。因为密度的增加使进油孔最大放电系数增加，燃油的流速减小，控制腔压力达到的针阀开启压力减慢，从而针阀的开启关闭有所减慢；出油孔的最大放电系数增加时，燃油的流速减小，喷油器不能快速排除控制腔中的燃油，使针阀关闭延迟。喷油嘴喷射压力随着燃油密度增加而降低，喷射率有所下降，从而喷油量下降。

图7 燃油密度对喷油率的影响Fig.7 Influence of fuel density on fuel injection rate

图8 燃油密度对喷油量的影响Fig.8 Influence of fuel density on fuel injection volume

2.2 燃油粘度对喷油过程的影响

燃油粘度会影响燃油的粘度摩擦力，分别取燃油的运动粘度为2.4，10.0，22.5 mm2/s，研究燃油粘度对针阀升程和速度的影响。仿真结构如图9、图10 所示。

图9 燃油粘度对针阀升程的影响Fig.9 Effect of fuel viscosity on needle valve lift

图10 燃油粘度对针阀速度的影响Fig.10 Effect of fuel viscosity on needle valve speed

从图9、图10 可以看出，随着燃油密度的增加，喷油器针阀开启时间增长、关闭时间减短，针阀的运动减慢。当燃油粘度增加时，粘度摩擦力增加使燃油进入控制腔减慢，针阀开启减慢；随着燃油粘度的增加，针阀针头粘性力增加，增加了针阀关闭的时间。随着燃油的粘度增加，燃油的粘性摩擦力和针阀的粘性力增加，针阀的运动速度减小。

2.3 共轨压力对喷油过程的影响

分析共轨压力对喷射过程的影响。分别取不同的共轨压力80，100，120 MPa，其余参数保持不变，分析共轨压力对针阀升程、针阀速度、喷射率、喷射量的变化情况，仿真结果分别如图11—图14 所示。

图11 共轨压力对针阀升程的影响Fig.11 Effect of common rail pressure on needle valve lift

图12 共轨压力对针阀速度的影响Fig.12 Effect of common rail pressure on needle valve speed

图13 共轨压力对喷油率的影响Fig.13 Effect of common rail pressure on fuel injection rate

图14 共轨压力对喷油量的影响Fig.14 Effect of common rail pressure on fuel injection volume

由图11—图14 可知，随着共轨压力增加，针阀上升、下落的时间提前，从而喷油率增大、喷油量增加。控制腔压力随着共轨压力增大而增大，出油孔的泄油速度增快，加快了针阀的上升速度，从而使针阀开启时间提前。控制腔压力随着针阀开启，下降速度更快，针阀的下降速度也加快，针阀的关闭时间提前。可以看出，更高的供油压力带来更好的喷油速率曲线和喷油量特性，满足机械要求的情况下可以提高共轨压力来优化喷油过程。

2.4 针阀大端直径对喷油过程的影响

分析针阀大端直径对喷射过程的影响。分别取不同的针阀大端直径3.5，3.3，3.1 mm，其余参数保持不变，分析针阀大端直径对针阀升程、针阀速度、喷射率、喷射量的变化情况。仿真结果如图15—图18 所示。

由图15—图18 可知，针阀开启时间随着针阀大端直径的减小而延后，导致喷油持续时间减少。针阀座受力面积随着针阀大端直径减小而减小，使控制腔压力上升速度减小，针阀上升速度减小，从而导致针阀的开启时间延后，控制腔压力下降的速度加快，针阀的下降速度加快，使针阀在最大位移持续时间减小，喷油的持续时间变短，所以喷油率的持续时间变短，喷油量下降。

图15 针阀大端直径对针阀升程的影响Fig.15 Effect of needle valve's large end diameter on needle valve lift

图16 针阀大端直径对针阀速度的影响Fig.16 Effect of needle valve's large end diameter on needle valve speed

图17 针阀大端直径对喷射率的影响Fig.17 Effect of needle valve's large end diameter on injection rate

图18 针阀大端直径对喷油量的影响Fig.18 Effect of needle valve's large end diameter on injection volume

2.5 喷孔直径对喷油过程的影响

分析不同喷孔直径对喷射过程的影响。分析不同燃油密度下喷孔直径对针阀升程、针阀速度、喷射率、喷射量的变化情况。仿真结果如图19—图22 所示。

图19 喷孔直径对针阀升程的影响Fig.19 Effect of nozzle diameter on needle valve lift

图20 喷孔直径对针阀速度的影响Fig.20 Effect of nozzle diameter on needle valve speed

图21 喷孔直径对喷油率的影响Fig.21 Effect of nozzle hole diameter on fuel injection rate

图22 喷孔直径对喷油量的影响Fig.22 Effect of nozzle hole diameter on fuel injection volume

由图19—图22 可知，随着喷孔的直径增加，总流通面积增加，流速加快，针阀的开启速度略有减慢，而关闭速度几乎不变，即喷孔直径尺寸的变化对针阀的动态响应特性影响不大。由图可知，随着喷孔的直径增加，喷油率明显增加，喷油量也明显增加。

3 结论

基于一维仿真平台建立的喷油器模型，分析了不同燃油密度、粘度、共轨压力、针阀大端直径和喷孔直径等参数对喷射过程的影响，结论如下：

燃油粘度对喷油率和喷射量的影响大于燃油密度，因为在相同的燃油温度内，燃油粘度的变化比密度大。

随着燃油密度、粘度的增加，针阀升程开启关闭持续时间变小、针阀速度减慢。

一定范围内随着共轨压力增大，喷油率增大、喷油量增加。

针阀大端的直径减小，针阀升程开启关闭持续时间变小、针阀速度明显减缓，喷油率、喷射时间减小，喷油量下降。

喷孔直径的增加对针阀的开启时间影响不大、对关闭时间几乎没有影响，对喷射率和喷射量影响较大。