高壓共軌柴油機(jī)噴油器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析與預(yù)測(cè)

高壓共軌柴油機(jī)噴油器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析與預(yù)測(cè)

電控噴油規(guī)律研究電動(dòng)汽車是高壓共軌系統(tǒng)中最復(fù)雜的部件。電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作性能直接影響整個(gè)高壓共軌系統(tǒng)的工作性能，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生重要影響。因此,應(yīng)對(duì)電控噴油器進(jìn)行詳細(xì)研究。由于噴油器最終獲得的是噴油規(guī)律,因此,本文以噴油規(guī)律為最終研究對(duì)象,對(duì)電控噴油器各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析研究。噴油速率是單位時(shí)間內(nèi)的噴油量,亦稱噴油率。噴油速率隨時(shí)間的變化關(guān)系,稱為噴油規(guī)律。噴油規(guī)律直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒率和放熱率,即影響著燃燒和放熱的進(jìn)程。大量研究證明,對(duì)直噴式柴油機(jī)噴油規(guī)律的要求是:先緩后急斷油快。即初期噴入氣缸內(nèi)的油量要少,而中后期的噴油量要急而多,即絕大部分油量在中后期噴入氣缸,并在最后結(jié)束噴油時(shí)要斷油快而干凈利落。前期逐步增加的噴油率可以降低NOx和噪聲,并在噴油定時(shí)提前較大時(shí)改善比油耗;后期斷油迅速可以減少后燃期噴入的燃油,改善排放和降低油耗。但是必須強(qiáng)調(diào)指出的是,不能孤立地評(píng)價(jià)噴油規(guī)律的優(yōu)劣,而應(yīng)該與噴霧霧化質(zhì)量與分布,燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)情況,燃燒室結(jié)構(gòu)型式,混合氣的形成以及發(fā)動(dòng)機(jī)工況等多種因素統(tǒng)一考慮,同時(shí)也要考慮在運(yùn)用了預(yù)噴射、后噴射或多次噴射后的情況。1高壓燃油噴油器本文運(yùn)用AVL公司的Hydsim軟件,針對(duì)某一車用電控柴油機(jī)帶二通電磁閥的共軌系統(tǒng)建立計(jì)算仿真模型。其電磁閥結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。該噴油器通過控制電磁閥的開閉來控制壓力腔的壓力,從而控制針閥運(yùn)動(dòng)。該二通型電磁閥為常閉型,當(dāng)二通閥開啟(通電)時(shí),控制腔內(nèi)的高壓燃油經(jīng)量孔2流向低壓腔,控制腔中的燃油壓力降低,噴油嘴壓力室中的高壓使針閥開啟,向氣缸內(nèi)噴入燃油。當(dāng)二通閥關(guān)閉(不通電)時(shí),通過量孔1,控制腔中的燃油壓力升高,使針閥下降,噴油結(jié)束。二通閥通電時(shí)刻即確定了噴油始點(diǎn),通電持續(xù)時(shí)間決定了噴油量。1.1啟時(shí)間和噴油結(jié)束時(shí)間不變情況下的噴油過程本文運(yùn)用先進(jìn)的燃油系統(tǒng)模擬計(jì)算軟件Hydsim,建立帶二缸的燃油共軌實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),在共軌壓力、噴油開啟時(shí)間和噴油結(jié)束時(shí)間不變情況下,考察噴油器中各主要參數(shù)對(duì)噴油規(guī)律的影響情況。對(duì)共軌噴油器而言,噴油嘴部分與常規(guī)系統(tǒng)的噴油嘴是一樣的,其最大區(qū)別是噴油器的上部有一控制腔,由電磁閥的通斷來決定回油量孔的開閉,從而控制控制腔內(nèi)的燃油壓力,進(jìn)而控制噴油嘴的噴油過程。圖2為所建高壓共軌系統(tǒng)的Hydsim計(jì)算模型。1.2噴孔密度和噴孔壓力研究人員在一電控共軌燃油系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了一組試驗(yàn),試驗(yàn)用電控噴油器噴孔數(shù)為6個(gè),噴孔直徑為Φ0.19mm。試驗(yàn)用共軌壓力為135MPa。圖3為系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,可見計(jì)算所得的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,實(shí)驗(yàn)結(jié)果在噴射完成后的波動(dòng)則是由于傳感器的慣性所引起的。2不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析2.1噴孔孔數(shù)及孔徑配置噴油器噴孔是燃油噴入燃燒室的通道,在共軌壓力和噴射持續(xù)時(shí)間一定的情況下,噴孔總截面積的大小直接決定了循環(huán)噴油量的大小。同時(shí),為了獲得更好的噴射霧化效果,需要縮小噴孔直徑,在要求循環(huán)噴油量不變的情況下,只能通過增加噴孔數(shù)來達(dá)到要求。因此,正確選擇噴孔數(shù)和孔徑是優(yōu)化柴油機(jī)噴射和燃燒匹配的關(guān)鍵。當(dāng)今中重型車用柴油機(jī)從歐Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)向歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程中,噴油嘴結(jié)構(gòu)趨向于增加噴孔數(shù),減小噴孔直徑,采用最小的壓力室容積和選用帶錐形噴孔結(jié)構(gòu)形狀。噴孔數(shù)將從歐Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的5～6孔增加到6～8孔;噴孔孔徑將由歐Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的0.20～0.25mm縮小到0.15～0.20mm左右。并將普遍采用小壓力室容積,選用錐形小壓力室或無壓力室結(jié)構(gòu),以降低HC和PM排放。壓力室和噴孔容積之和一般將控制在0.4mm3以下。表1為6組不同的噴孔孔數(shù)和孔徑配置方案。其中第1,2,3組的總流通面積基本一致,第4,5,6組也基本一致。圖4給出了不同噴孔孔數(shù)和孔徑配置情況下的噴油規(guī)律計(jì)算結(jié)果。從結(jié)果中可以看到,在總流通面積大致相等的情況下,由于孔徑變小導(dǎo)致節(jié)流明顯,噴油率有明顯下降;且隨著孔數(shù)增加和孔徑的減少,初期噴油速率有一定提高。因此,在選擇噴孔截面積時(shí),應(yīng)根據(jù)選定的高壓油軌壓力以及柴油機(jī)所需最大循環(huán)噴油量的要求,結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果、柴油機(jī)燃燒室形狀以及試驗(yàn)結(jié)果綜合確定。2.2流量系數(shù)低排放圖5為噴孔不同流量系數(shù)μ對(duì)噴油規(guī)律的影響計(jì)算結(jié)果。從圖中可明顯看出,提高噴油嘴流量系數(shù)可大幅提高平均噴油速率,提高流量系數(shù)與提高噴射壓力一樣會(huì)有同樣的效果,能同時(shí)有效地降低NOx排放和煙度。為提高流量系數(shù),現(xiàn)代高性能、低排放柴油機(jī)要求噴油嘴進(jìn)行液體研磨,其流量系數(shù)可控制達(dá)0.8～0.9。雖然現(xiàn)在先進(jìn)的加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)小直徑噴孔的加工,而現(xiàn)實(shí)情況是噴孔數(shù)卻不能增加過多,因而努力提高流量系數(shù)將是更加切實(shí)可行的途徑。2.3預(yù)緊力對(duì)噴油規(guī)律的影響圖6為調(diào)壓彈簧預(yù)緊力F從80N到200N時(shí),燃油系統(tǒng)噴油規(guī)律的計(jì)算結(jié)果比較。從圖中可看出,隨著預(yù)緊力F的變大,由于啟噴壓力基本成線性提高,初期噴油速率上升變得緩慢,后期噴油率斷油也變得更快,且噴油率的峰值降低?？梢?預(yù)緊力雖然可以使得噴油規(guī)律有一定的“先緩后急”趨勢(shì),但這是以損失噴油壓力為代價(jià)的。另外,計(jì)算還表明,由于針閥升程很小,所以調(diào)壓彈簧的剛度對(duì)噴油規(guī)律基本沒有影響。2.4針閥等運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量對(duì)噴油規(guī)律的影響圖7為針閥等運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量從5g到20g時(shí)其噴油規(guī)律變化的計(jì)算結(jié)果?？梢?隨著針閥等運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量的增加,噴油規(guī)律略微有向先緩后急的趨向變化,且噴油中期噴油速率波動(dòng)減小。但由于針閥慣性增加,當(dāng)針閥等運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量取到20g時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生微量的二次噴射,同時(shí)針閥等運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量的增加,會(huì)對(duì)針閥座面的沖擊等帶來不利影響。2.5進(jìn)出油量孔尺寸經(jīng)分析可知,因?yàn)檫M(jìn)油量孔和出油量孔的孔長都比較小,決定其流量的主要因素便是其孔徑,因而只有在滿足進(jìn)油量孔直徑小于出油量孔直徑的情況下,控制腔才有可能卸壓,噴油器進(jìn)行噴油。在滿足這個(gè)條件下,利用正交分析法對(duì)進(jìn)出油量孔之間的關(guān)系進(jìn)行分析。表2為滿足進(jìn)油量孔孔徑小于出油量孔孔徑的前提下所設(shè)計(jì)的9組不同進(jìn)出油量孔孔徑尺寸設(shè)置。圖8為出油量孔和進(jìn)油量孔直徑對(duì)噴油規(guī)律的影響的計(jì)算結(jié)果。由計(jì)算發(fā)現(xiàn),在滿足上述條件情況下,進(jìn)油量孔直徑對(duì)噴油規(guī)律基本沒有影響,主要是出油量孔直徑在產(chǎn)生作用。隨著出油量孔直徑的不斷增大,平均噴油率不斷提高,前期噴油率逐漸變陡,但后期噴油率變化不大。2.6控制腔容積圖9為改變油壓活塞上方的控制腔容積Vc對(duì)噴油規(guī)律的影響的計(jì)算結(jié)果。從結(jié)果可以看出,不同的控制腔容積,致使噴油規(guī)律有一定平移,從而導(dǎo)致響應(yīng)速度變慢。因此理論上來說,油壓活塞上方的控制腔其容積應(yīng)該設(shè)計(jì)得越小越好。2.7律的影響確定圖10給出了不同噴油背壓Pcyc對(duì)噴油規(guī)律的影響計(jì)算結(jié)果。背壓高后,噴孔處的壓差變小,最大噴油速率應(yīng)下降,但由于系統(tǒng)壓力非常的高,從而噴油規(guī)律幾乎不受噴油背壓的影響。3噴孔數(shù)對(duì)噴油速率的影響a.運(yùn)用Hydsim軟件對(duì)共軌系統(tǒng)進(jìn)行了模擬計(jì)算分析,所建立的計(jì)算模型能較好地模擬共軌系統(tǒng)噴油器的內(nèi)部工作過程,且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相符。b.隨著排放法規(guī)的逐步趨嚴(yán),對(duì)柴油機(jī)噴油系統(tǒng)霧化能力的要求越來越高,導(dǎo)致噴油器噴孔數(shù)不斷增加,噴油孔徑逐漸趨小,但由于噴孔數(shù)的進(jìn)一步增加受到結(jié)構(gòu)上的限制,因此提高噴油嘴流量系數(shù)成為一個(gè)保證噴油速率