高壓共軌式噴油器針閥液壓控制腔的液力過程分析

高壓共軌式噴油器針閥液壓控制腔的液力過程分析

r-燃油密度；。E——燃油的體積彈性模量;Fi——作用在運(yùn)動件上的力;Ai——流通截面積;N——線圈匝數(shù);Φ——磁通;di——各偶件直徑;u——流速;V——控制體容積;t——時間;Δp——壓力差;Gδ——?dú)庀洞艑?dǎo);Qi——各偶件之間的泄漏流量;μ——燃油動力粘度;As——控制體的過流斷面面積;M——運(yùn)動件質(zhì)量;Q——流量;I——電流;GM——鐵磁導(dǎo);Li——偶件密封帶長度;p——控制體壓力;x——運(yùn)動件位移;Cd——流量系數(shù);R——電阻;Ψ——磁鏈;δi——各偶件間隙;Δpi——偶件兩端的壓差;To——從電磁閥開始通電到噴油器針閥剛好完全打開所用的時間;To1——從電磁閥開始通電到噴油器針閥開始打開所用的時間;To2——從電磁閥開始打開到噴油器針閥開始打開所需的時間;To3——從針閥開始打開到噴油器針閥剛好完全打開所需的時間;Tc——從電磁閥開始斷電到噴油器針閥剛好完全關(guān)閉所用的時間;Tc1——從電磁閥開始斷電到電磁閥開始關(guān)閉所需的時間;Tc2——從電磁閥開始關(guān)閉到噴油器針閥開始關(guān)閉所需的時間;Tc3——從噴油器針閥開始關(guān)閉到噴油器針閥剛好完全關(guān)閉所需的時間;Ain——控制室的進(jìn)油口截面積;Aout——控制閥閥孔截面積;ρ——燃油密度;pb——控制室的壓力;pr——共軌油壓;Ap——液壓活塞面積;An——針閥的受壓面積;U——電磁閥電壓,V;L——電磁閥升程,mm;pb——控制室壓力,MPa;Sv——針閥升程,μm;q——噴油器噴油速率,mm3/ms。國外噴油器的噴油特性隨著對柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放和噪聲要求的日益提高,尤其是近年來對有害排放物的苛刻要求,使得電控技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用十分迅速,已成為當(dāng)今柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢。柴油機(jī)電控的核心技術(shù)是燃油噴射系統(tǒng)的電控。高壓共軌式電控燃油噴射系統(tǒng),以其近乎完美的噴油特性(高的平均有效噴射壓力,噴油定時靈活控制,噴油壓力獨(dú)立控制,預(yù)噴射或可控噴油規(guī)律,快速斷油),成為國外各大公司近年來競相開發(fā)的目標(biāo)。其中具有代表性的是Bosch公司的高壓共軌系統(tǒng)和日本電裝公司的ECD-U2系統(tǒng)。Bosch公司的高壓共軌式電控噴油器與電裝公司的ECD-U2電控噴油器是兩種典型設(shè)計(jì),這兩種設(shè)計(jì)的主要區(qū)別是Bosch式采用二位二通電磁閥控制液壓活塞,而ECD-U2則采用了二位三通電磁閥,另外ECD-U2在液壓活塞與電磁閥之間還用了單向節(jié)流閥,用于實(shí)現(xiàn)噴油規(guī)律的控制。從性能上講二位三通閥能夠保證噴油器的開啟響應(yīng)和停噴速度,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高。本文擬針對高壓共軌式單體噴油器研究開發(fā)中遇到的關(guān)鍵技術(shù),通過計(jì)算模擬方法,為電控噴射系統(tǒng)中的核心部件——電控噴油器的開發(fā)工作提供可靠的設(shè)計(jì)原則和依據(jù)。1數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建1.1噴油器的關(guān)閉狀態(tài)原理圖如圖1所示。其工作過程是:電磁閥通電之前,電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài),高壓共軌油經(jīng)節(jié)流孔與液壓活塞上部的控制室和嘴端連通,由于液壓活塞上部的面積大于噴嘴針閥處的作用面積,再加上噴嘴彈簧的作用力,使得噴嘴針閥不能抬起而處于關(guān)閉狀態(tài);當(dāng)電磁閥通電后,電磁閥在電磁力的作用下迅速打開,控制室與高壓油管是通過一個節(jié)流進(jìn)油孔連通的,如果控制閥泄油的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高壓油通過進(jìn)油孔的充油率,控制室的壓力降低,這時液壓活塞上行,噴嘴針閥打開,開始噴油。當(dāng)電磁閥斷電后,電磁閥在彈簧力的作用下復(fù)位,控制室的壓力上升,推動液壓活塞下行,噴嘴針閥關(guān)閉,停止噴油。因此,通過控制電磁閥的通電時刻及通電時間可以實(shí)現(xiàn)噴油器的噴油定時和噴油量的靈活控制。但是如上所述,噴油器的響應(yīng)時間將受電磁閥響應(yīng)和液力響應(yīng)的共同影響,試驗(yàn)已經(jīng)證明,液力響應(yīng)時間有時遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電磁閥響應(yīng)。因此改善液力響應(yīng)時間和改善電磁閥響應(yīng)時間一樣,是開發(fā)高壓共軌電控系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。1.2油壓力傳播歷程根據(jù)高壓共軌系統(tǒng)的特點(diǎn)和模擬計(jì)算要求,在模型建立和計(jì)算中作了以下假設(shè):(1)假定各腔為集中容積,燃油向各腔流動,因?yàn)橛吐泛芏?不考慮油壓傳播歷程;(2)不考慮平面密封和錐面密封因加工問題造成的泄漏,只考慮圓柱運(yùn)動副的泄漏及其對于各腔壓力的影響。1.3evdv3運(yùn)動方程及互通電路(1)質(zhì)量守恒方程∮ρuAs=0(2)燃油壓縮性方程dp=-EVdVdp=?EVdV(3)運(yùn)動方程Μd2xdt2=∑FiMd2xdt2=∑Fi(4)流量方程Q=Cd?Ai?√2?Δpρ(5)電磁方程電路方程dΨdt+Ι?R=U磁路方程Ι?Ν=ΦGδ+ΦGΜ(6)泄漏流量方程Qi=π?di?δ3i12?μ?LiΔpi2計(jì)算結(jié)果和分析2.1針閥開啟和關(guān)閉影響模擬計(jì)算的結(jié)果表明,共軌式高壓噴油器的性能,主要決定于控制腔的液力過程和針閥的受力狀態(tài),由于共軌式噴油器應(yīng)用范圍覆蓋了轎車到大型工程機(jī)械柴油機(jī),因此本文采用無量綱參數(shù)研究方法,從而使其具有更廣泛的參考價(jià)值。它們是:(1)液壓活塞上部控制腔的有效進(jìn)油口面積和控制閥出油孔的截面積之比A1(A1=Ain/Aout);(2)液壓活塞受力面積與噴嘴針閥的受力面積之比A2(A2=Ap/An);(3)液壓活塞上部控制腔的有效進(jìn)油口面積與液壓活塞受力面積之比A3(A3=Ain/Ap);(4)液壓活塞上部控制腔的控制閥出油孔的面積與噴嘴針閥的受力面積之比A4(A4=Aout/An)。各時間參數(shù)關(guān)系如圖2所示。2.1.1A1和A2的影響控制室的進(jìn)油口截面積與控制閥閥孔截面積之比為A1,液壓活塞橫截面積與噴嘴針閥橫截面積之比為A2。電磁閥通電打開后,如果通電時間足夠長,控制室的壓力pb最終會達(dá)到平衡,即控制室的進(jìn)油量和出油量相等。即:Ain?√2(pr-pb)ρ=Aout?√2pbρ,推導(dǎo)可得:A21=pbpr-pb。針閥的開啟條件為pb·Ap<pr·An,即pb·A2<pr。如圖3~圖8所示,A2和pr一定時,比值A(chǔ)1越大,即控制室進(jìn)油口面積與泄油口面積之比越大,電磁閥通電后,在單位時間內(nèi)控制室的進(jìn)油量相對較大,而泄油量相對較小。這樣,控制室的壓力下降較慢,響應(yīng)時間To2加長。通過模擬計(jì)算結(jié)果可知,對To1沒有影響,對To3的影響不大,但對液力響應(yīng)時間To2影響很大,總的開啟響應(yīng)時間To加長。而當(dāng)電磁閥斷電之后,控制室的壓力將迅速上升,使得針閥快速回位,響應(yīng)的時間Tc2縮短。A1的變化對Tc1沒有影響,但使Tc縮短。但是,A1的值不能太大,否則,控制室的平衡壓力過大,使得針閥無法滿足開啟條件(pb·A2<pr)而不能正常工作。A2=1.6,A1>1時,針閥就無法打開了。A1的值過小,會使關(guān)閉響應(yīng)時間過長,噴油速率就會出現(xiàn)后期過緩的情況,對燃燒造成不利的影響。A1和pr一定時,A2的變化也會影響針閥的啟閉響應(yīng)時間,針閥的開啟與關(guān)閉決定于針閥上、下兩端的壓力差,壓力差不僅僅決定于壓強(qiáng),與受力面積也有直接關(guān)系。隨著A2的增大,針閥上部受力面積即液壓活塞的橫截面積(Ap)會相對增大,液壓活塞上部控制室的壓力需降到較低針閥才能抬起,所以,開啟響應(yīng)時間To2增長,To增長;而關(guān)閉響應(yīng)時間Tc2縮短,Tc縮短。同樣,A2的值不能過大,否則會造成針閥無法滿足開啟條件(pb·A2<pr),噴油器不能正常工作。2.1.2A3和A4的影響A3為液壓活塞上部控制室的有效進(jìn)油口面積與液壓活塞受力面積之比,A3=Ain/Ap;A4為液壓活塞上部控制室的控制閥孔面積與噴嘴針閥受力面積之比,A4=Aout/An。如圖9~圖14所示,隨著A3的增大,對于一定的液壓活塞橫截面積,控制室的進(jìn)油口面積增大,單位時間內(nèi)控制室的進(jìn)油量增多,電磁閥通電打開后,控制室的壓力下降較慢,使得針閥的開啟響應(yīng)時間To2增長,對To3影響不大,To增長。當(dāng)電磁閥斷電關(guān)閉后,控制室的壓力上升較快,使針閥開始回位,關(guān)閉響應(yīng)時間Tc2縮短,對Tc3的影響不大,Tc縮短。在A3不變的情況下,如果A4增大,說明控制室的泄油口面積相對增大,在電磁閥通電開啟后,控制室的壓力迅速下降,而且下降較多,針閥迅速移開,電磁閥斷電后,控制室的壓力需要較長的時間才能回升到足以使針閥回位的壓力。開啟響應(yīng)時間To2縮短,To縮短。關(guān)閉響應(yīng)時間Tc2增長,Tc增長。2.2響應(yīng)時間的影響從圖15~圖17可以看出,共軌油壓pr對針閥啟閉響應(yīng)時間的影響不大,僅在0.05ms以內(nèi),共軌油壓主要影響噴油器的最大噴油速率。隨著pr的增加,噴嘴室與燃燒室的壓力差增大,其最大噴油速率增大。2.3噴油過程分析上面討論了幾個參量對針閥啟閉響應(yīng)時間的影響,針閥的啟閉響應(yīng)時間不同,也就決定了噴油器的噴油開始時刻和噴油結(jié)束時刻的不同,噴油持續(xù)時間不同,噴油量不同。圖18給出了兩種具有代表性的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴油器的噴油過程。圖18a給出了A1=0.01,A2=1.2,A4=23.7×10-3,pr=120MPa時噴油器的噴油過程,圖18b給出了A1=1.4,A2=1.2,A4=23.7×10-3,pr=120MPa時噴油器的噴油過程。從圖中可以看出,A1=0.01時,To很短,To2短,而Tc較長,Tc2較長;當(dāng)A1=1.4時,To很長,To2很長,而Tc較短,Tc2較短。如果A2、A4、pr不變,A1值再增大,To隨著A1的增大,噴油器針閥的開啟過程加長。從圖中也可看出結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化主要是對To2和Tc2的影響較大,而對To3和Tc3,即針閥實(shí)際打開時間的影響很小,結(jié)果A1參數(shù)的變化表現(xiàn)為噴油規(guī)律的變化,這種變化很難通過電子控制脈沖進(jìn)行修正,因此加工中嚴(yán)格控制參數(shù)A1及其它無量綱參數(shù)是極為重要的。3噴油器的響應(yīng)時間,在共軌油(1)通過模擬計(jì)算可知,高壓共軌式電控噴油器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對To1和Tc1沒有影響,對To3和Tc