高压共轨喷油器设计参数对性能影响的研究

1、文章编号 :100020909(2001 0420289206190063高压共轨喷油器设计参数对性能影响的研究林铁坚 1, 汪洋 1, 苏万华 1, 谢辉 1, 李绍安 2, 程刚 2, 王小波 2(11天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室 , 天津 300072; 21无锡威孚集团有限公司 , 江苏 无锡 214031 摘要 :对一种新型高压共轨式柴油机电控喷油器的结构参数对喷油器响应特性 、 喷油规律的影响进行了试验研究 , 设计了一种新型的液力平衡式电磁阀并对其结构参数进行了参数优化研究 。 给出了控制室结 构参数对喷油器液力响应特性和喷油规律形状剪裁的研究结果 , 实现了喷油规律形状

2、的灵活控制 , 因此 称该喷油器为灵活控制喷油规律的共轨喷油器 , 简称 F I RCR I 。 关键词 :高压共轨 ; 响应特性 ; 喷油规律 ; 平衡阀 中图分类号 :T K 423184文献标识码 :A引言喷油系统是柴油机实现低排放 、 低噪声目标的关 键 。 面对严格的法规 , 求 :1 ; 2柔性调节 ; 3 (形状 。, 高压共轨喷油系统自身所 具有的优势 , 使其能够完全满足以上要求 。 这些优势包 括 :1 在高压共轨系统中 , 压力形成与油量计量在时 间 、 位置和功能方面是分开的 , 高压共轨系统在宽广的 转速范围内均能实现高压喷射 ; 2 喷射定时由执行器 (电磁铁 的开

3、启决定 , 可完全柔性地控制 ; 3 通过执 行器的多次动作 , 可实现预喷射或多次喷射 ; 4 通过 对高压共轨喷油器内部结构参数的调整 , 可形成所需 的喷油规律形状 。目前 , 德国 Bo sch 、 日本 D en so 、 英国 L ucas 等公司已相继开发成功高压共轨系统 , , 4。 本文从电磁铁响应特性 和高压共轨喷油器液力过程入手 , 综合分析了作者开 发的高压共轨电控喷油器 (F I RCR I 设计参数对性能 的影响 。1 F IRCR I 高压共轨喷油器工作原理图 1是 F I RCR I 高压共轨喷油器的部分剖面图 。 其工作原理是电磁铁未通电时 , 与电磁铁衔铁相

4、连的 平衡控制阀处于关闭状态 , 高压共轨压力通过进油节 流孔作用在液压活塞顶面 , 由于液压活塞顶面面积大 于喷油嘴承压面积 , 加上喷嘴弹簧的作用力 , 使得喷嘴 针阀不能抬起 。 当电磁铁通电后 , 在电磁力的作用下衔 铁带动平衡阀迅速开启 , 将控制室与回油口连通 , 而高图 1 F IRCR I 喷油器F ig . 1 F IRCR I i n jector第 19卷 (2001 第 4期 内燃机学报Tran saction s of CSI CE V o l . 19(2001 N o . 4收稿日期 :2000210210; 修订日期 :2001201210。 基金项目 :国家自

5、然科学基金重点资助项目 (59936130 。 作者简介 :林铁坚 (1975- , 男 , 博士生 , 主要研究方向为车用柴油机电子控制 。压油管与控制室之间通过节流孔相连 , 使控制室内的 压力下降 , 针阀打开喷油 。 电磁铁断电后 , 在弹簧力的 作用下 , 平衡阀关闭 , 作用于液压活塞顶面的压力增 大 , 喷嘴针阀落座 , 停止喷油 。 显然 , 高压共轨喷油器的 性能不但受电磁铁和控制阀的影响 , 也受与控制室相 关的诸参数的影响 。2 F IRCR I 喷油器试验系统2. 1试验装置及总体布置图 2所示为 F I RCR I 喷油器试验系统示意图 。 表 1为主要试验装置说明

6、。图 2 I 喷油器试验系统示意图F ig . 2 Sche ma tic of test bench for F IRCR I i n jector11调压阀控制信号 21衔铁升程反馈31比例电磁铁控制信号41共轨油压反馈 51喷油器电磁阀驱动信号61电磁阀电流反馈 71喷油规律及单次喷油量表 1试验装置说明Tab . 1 Exper i m en t dev ice共轨压力传感器 CY 2YL 1应变式压力传感器 (0M Pa150M Pa 升程传感器AVL 424电感式位移传感器及信号放大器 喷油规律仪 EFS E M I 21喷油规律及单次油量测量仪比例电磁铁A PECS A CTUA

7、 TOR 0250P (最大行程 2415mm 2. 2测控系统 F I RCR I 喷油器试验系统采用基于微机的测控系统 , 其中包括 A D 板和定时 I O 板 。 A D 板用于采集 衔铁升程 、 电磁铁线圈电流 、 共轨油压和喷油规律 。 定 时 I O 板用于产生驱动喷油器电磁铁 、 比例电磁铁和 调压阀的控制脉冲 。 2. 3控制方法试验中的主要被控制量是喷油量和共轨油压 。 共轨油压的调节分为粗调和精调 。 通过微机改变 比例电磁铁控制脉冲 (PWM 的占宽比 , 从而控制高压 油泵的供油量 , 进行油压的粗调 。 精调是微机根据共轨 油压的反馈 , 改变调压阀控制脉冲 (PW

8、M 的占宽比 ,从而控制调压阀阀芯上的电磁力而实现的 。喷油量由共轨油压和喷油器电磁铁控制脉冲的宽 度共同确定 。3喷油器设计参数对动态特性影响的研究表征高压共轨喷油器动态特性的主要参数是响应 时间 , 其中包括电磁铁响应时间和喷油器液力响应时 间 。 电磁铁的响应时间又分为电响应时间和机械响应 时间 。 在下面的讨论中各种响应时间分别表示为 : T o1 电磁铁电开启响应时间 , 即从电磁铁通电 到衔铁开始运动所用的时间 ; T o2 电磁铁机械开启响应时间 , 即从衔铁开始 运动到电磁铁完全打开所用的时间 ; T o3 喷油器液力开启响应时间 , 即从衔铁开始 ;T c1, 即从电磁铁断电

9、 , 即从衔铁开始 ; T c3 喷油器液力关闭响应时间 , 即从衔铁开始 回落到喷嘴针阀开始回落所用的时间 。3. 1电磁铁响应特性分析3. 1. 1研究电磁铁响应特性的基本方程电磁铁线圈电路方程如下 : u =ir +d t(1式中 :u 为电磁铁驱动电压 ; i 为线圈电流 ; r 为线圈内 阻 ; 7为磁链 。考虑到线圈电感 , 上式可变为 : u =ir +L d t +i d t(2式中 :L 为电感 。 磁路方程如下 : IN =G +G m(3式中 :I 为电流 ; N 为线圈匝数 ; 5为磁通 ; G 为气息磁导 ; G m 为铁磁导 。 电磁力方程为 : F m =220S

10、(4 式中 :F m 为电磁力 ; 0为空气磁导率 ; S 为导磁面积 。 电磁铁衔铁运动方程为 : m a =F m +F h -F s -F f(5 式中 :F s 为衔铁弹簧力 ; F f 为衔铁及控制阀运动阻力 ;F h 为控制阀所受液压力 , 开启时液压力有助于开启 ,关闭时液压力阻碍关闭 ; m 为衔铁及与其相连的控制 092 内燃机学报第 19卷第 4期阀质量 ; a 为衔铁的运动加速度 , 开启时 a >0, 关闭时 a <0。根据以上基本方程 , 可从试验角度分析降低电磁 铁响应时间的主要措施 。3. 1. 2电磁铁响应特性试验研究3. 1. 2. 1电磁铁的结构

11、及尺寸参数对响应时间的影响图 3为两种采用 E 型结构的电磁阀示意图 。 E 型电磁铁结构紧凑 , 运动件的质量相对较小 , 吸力相对较 大 , 通过参数优化 , 能够较好地满足高压共轨喷油器的 需要 , 是国外高压共轨喷油器电磁铁普遍采用的结 构 57。 这两种电磁铁结构不同点在于图 3b 所示的电 磁铁底部有缩口 , 设计缩口的目的是为了降低衔铁质 量 。(a (F ig . ma tics electro magnets经试验对比 , 无缩口电磁铁的响应时间和吸力均优于有缩口电磁铁 。 这主要是由于在缩口处发生了磁 路的短路 。图 4为在图 3a 结构基础上对采用不同 d 2、 d 3两

12、 个参数所得的试验结果 。 综合比较来看 , 采用第 1组即 较大 d 2、 较小 d 3的电磁铁性能较好 。主要是由于在保 证磁流通面积情况下 , d 2较大的电磁铁铁芯与侧壁之 间漏磁较少 , 通过衔铁的有效磁通较大 , 根据式 (4 可 知其电磁力较大 ; d 3较小的衔铁运动惯性质量较小 , 根据式 (5 可知其运动加速度较大 , 机械响应时间 T o2缩短 。图 4电磁铁 d 2, d 3对性能的影响F ig . 4 Effects of param eter d 2and d 3A :较大 d 2、较小 d 3; B :较大 d 2、 较大 d 3C:较小 d 2、较小 d 3;

13、D:较小 d 2、 较大 d 33. 1. 2. 2衔铁弹簧力的影响图 5为开启响应时间和关闭响应时间随弹簧力的变化 。 衔铁弹簧力主要影 响机械响应时间 。 根据电磁铁衔铁运动方程 , 电磁力一 定时 , 减小弹簧力则开启响应时间减少 , 关闭响应时间 加长 , 反之亦然 。 显然 , 在保证可靠密封的前提下 , 弹簧 力应选择在图中的曲线交点 。图 5F ig . 5spr i ng. 1. 6为驱动。 从图中可以看出 , 采用高压驱动时 , 关闭响应时间与采用 24V 驱动时差别不大 , 开启响应时间较短 。 3. 1. 3电磁铁试验优化结果图 7所示为经过对电磁铁结构参数、 线圈参数及

14、图 6线圈驱动电压对电磁铁响应时间的影响F ig . 6 I nf luence of dr iv i ng voltage on respon se ti m e图 7电磁阀优化试验结果 (未加共轨油压 F ig . 7 Respon se ti m e of electro magnet192 2001年 7月林铁坚等 :高压共轨喷油器设计参数对性能影响的研究控制参数进行匹配优化后所得的结果 。 在带有衔铁升 程传感器这一惯性质量的条件下 , 总开启响应时间 T o1+T o2为 0. 35m s , 总关闭响应时间 T c1+T c2为 0. 30 m s 。3. 2喷油器液力过程分析以

15、上所讨论的电磁铁的高速响应特性是在未加共 轨油压的情况下测得的 , 这只是高压共轨喷油器实现 良好动态性能的基础 , 而喷油器最终性能的好坏还取 决于共轨油压作用下的液力过程 。3. 2. 1高压共轨喷油器控制方程控制室液压方程为 d t =V c(Q in -Q out -Q l -A pd t(6 Q in =C 1 A in (7 Q out =C 2 A out (8 式中 :p c 为控制室压力 ; p r 为共轨压力 ; p 0压 ; V c 为控制室容积 ; E ;进油孔流量 ; Q outp ; A in 为控 ; ; h p 为液压 活塞升程 ; C 1、 C 2为流量系数

16、; 为液体密度 。液压活塞力平衡方程为 m p a =p c A p -p r A n -F f (9 式中 :m p 为液压活塞质量 ; a 为液压活塞运动加速度 ; F f 为液压活塞运动阻力 ; A n 为针阀受压面积 。 根据以上方程可得出对喷油器液力过程影响敏感 的 4个无量纲结构参数是 4:1 A 1 液压活塞上部 控制室进油孔面积与出油孔面积之比 ; 2 A 2 液压 活塞受压面积与喷嘴针阀受压面积之比 ; 3 A 3 控 制室进油孔面积与液压活塞受压面积之比 ; 4 A 4 控制室出油孔面积与喷嘴针阀受压面积之比 。 文献 4中已对这 4个参数对高压共轨喷油器动态性能的 影响进

17、行了计算机模拟计算分析 , 本文着重从试验的 角度讨论它们对高压共轨喷油器液力动态性能的影 响 。3. 2. 2高压共轨喷油器结构参数对液力过程的影响 为了从试验的角度研究结构参数对液力过程的影 响 , 分别采用了 2组不同结构参数的喷油器进行了对 比试验 。 这 2组喷油器的结构参数关系如下 :(A 1 1= 0. 23, (A 1 2=0. 59; (A 2 1=(A 2 2; (A 3 1 (A 3 2= 0. 74; (A 4 1 (A 4 2=1. 89。图 8所示为在共轨油压 60M Pa 、 控制脉宽为 111 m s 时 , 两组喷油器喷油规律的对比 。 可以看出 , 两组喷

18、油器的液力开启响应时间 T o3基本相同 , 而第 1组 (A 1 =0123 喷油器的喷油规律形状接近于梯形 , 第 2组 (A 1=0159 接近于三角形 (喷油规律先缓后急 。与第 2组相比 , 第 1组喷油器的 A 1、 A 3较小 , A 4较大 , 即第 1组喷油器的控制室进油孔较小 , 出油孔较大 。 根据式 (6 、 (7 、 (8 以及文献 4的模拟计算 , 两组喷油器的 控制室达到进出油流量平衡时 , 控制室压力不同 , 液压 活塞的加速度和升程不同 , 因此导致最终的喷油规律 形状不同 。 考虑到第 1组喷油器的控制室容积 V c 较 大 , 两组喷油器的液力开启响应时间

19、 T o3基本相同 。图 8 A 1不同时喷油规律的对比F ig . 8 Effect of d i m en sion less nu m berA 1on i n jection ra te图 9所示为将第 2组喷油器的控制室进油孔面积 减小 40%后的喷油规律 。可以看出 , 出油孔关闭后 , 由 于控制室压力建立很慢 , 针阀无法正常落座 , 喷油持续 期已超出采样的时间窗 。图 9进油孔面积过小时的喷油规律F ig . 9 Effect of too s ma ll i n let or if iceon i n jection ra te3. 2. 3共轨油压对液力过程的影响根据文

20、献 4,对于一定的喷油器结构参数 , 在不 考虑控制阀所受液压力 F h 的情况下 , 共轨油压对喷油 器响应时间的影响可以忽略不计 。但实际上 , 如图 10a 所示的控制阀为球阀的结构 , 由共轨油压产生的液压 力 F h 对其喷油器液力过程有较大的影响 。 为了尽可能292 内燃机学报第 19卷第 4期消除共轨油压对液力过程的影响 , 作者引入了平衡阀 结构 。 平衡阀是指油压对阀产生的液压力的轴向合力 为 0, 由于在阀运动过程中会产生液动力 , 因此又分为 静平衡和动平衡结构 。图 10b 所示即为一种静平衡结 构 。 动平衡结构阀可参见文献 8。 本研究设计了一种 静平衡结构控制阀

21、 , 取得了满意的效果 。(a 球阀 (b 静平衡结构图 10两种控制阀结构F ig . 10 Co m par ison of con trol va lve图 11所示为喷油量脉宽特性曲线 脉冲很小时 , 015m 时 在 100M Pa mm 3, 30共轨油压下喷油量为135mm 3, 液力关闭响应时间 T c3很长 。图 11喷油量脉宽特性F ig . 11 Correla tion of i n jection quan titywith con trol pulse width图 12为平衡阀和球阀的喷油规律对比 。 虽然共轨 油压仅为 30M Pa , 但球阀喷油持续时间仍远大

22、于平衡 阀 100M Pa 时的喷油持续时间 。 在开启时 , 控制室压 力为共轨油压 (如图 10a 所示 , 油压作用在球阀上的 面积为控制室出油孔面积 , 液压力推动球阀开启 。 关闭 时 , 虽然控制室油压低于共轨油压 , 但是 , 由于此时油 压作用在球阀的整个投影面积上 , 液压力仍较大 , 阻碍 球阀关闭 。 共轨油压越高 , 阀关闭时控制室油压越高 , 阻碍球阀关闭的液压力越大 , 导致液力关闭响应时间 T c3越长 。 若不采用平衡阀 , 为了减少液压力对球阀的 影响 , 只有减小控制室出油孔面积 , 减小球阀直径 。 但 减小出油孔面积破坏了控制室各参数之间的匹配关 系 ,

23、 球阀直径则受加工条件的限制不可能过小 。12F Co ba lancelve with ba ll va lve图 13为采用平衡阀的喷油器在控制脉宽为 113m s 时 , 喷油量随共轨油压的变化情况 。图 13共轨油压喷油量特性F ig . 13 Effect of ra il pressure on i n jection quan tity3. 2. 4预喷射高压共轨喷油器依靠电磁铁的两次开启可实现预 喷射 。 对预喷射控制的 3个基本量是 :预喷射定时 、 预 喷射量和预喷射与主喷射间隔 。 较小的预喷射量 (2mm 33mm 3对高压共轨喷油器电磁铁响应特性提 出了较高的要求 。

24、 预喷射与主喷射间隔时间的最小值 也与电磁铁响应特性有较大的关系 。 F I RCR I 喷油器 的高速响应特性保证了它有较小的预喷射量 , 预喷射 与主喷射间隔时间可灵活调节 。图 14所示为 F I RCR I 喷油器在 60M Pa 时的预 喷射控制脉冲和喷油规律 。392 2001年 7月林铁坚等 :高压共轨喷油器设计参数对性能影响的研究294 内燃机学报第 19 卷第 4 期 和共轨油压的不同而灵活调节。 参考文献: 1 ENDO Sh in. D evelopm en t of J 2Series Eng ine and A d 2 op tion of Comm on R a i

25、l Fuel In jection System C . SA E Pap er 970818. System J . D iesel P rog ress, 1998, 64 ( 10 : 301 g ine C . SA E Pap er 910252. Pap er 199920120191. ER ST E I N ztechn ik J . M T Z, 1997, 58 ( 10 : 5722582. Eng inesC . SA E Pap er 980803. tion C . SA E Pap er 199920120196. sp ritzsya tem E inneues

26、 Kap itel der D ieselein sp rit2 2 BR EZON ICK M ike. L uca s V a ritys N ew Comm on R a il 3 FLA IG U lrich. Comm on R a il System (CR 2System fo r Pa ssenger Ca r D I D iesel Eng ines; Exp eri ences w ith m A pp lica tion s fo r Series P roduction P ro jects C . SA E 图 14预喷射控制脉冲和喷油规律 F ig. 14P ilo

27、t in jection ra te 共轨油压为 60 M Pa 4结论 ( 1 高压共轨喷油器电磁铁响应特性对结构参 数、 弹簧力及线圈参数敏感。 通过优化结构参数, 降低 漏磁, 减小运动件质量, 适当选取衔铁弹簧力, 采用高 压驱动, 可减少响应时间, 增大电磁力。 ( 2 控制室结构参数不但影响高压共轨喷油器 的液力响应过程, 而且通过控制室结构参数的选取还 可以改变喷油规律形状, 这一特性为从喷油规律角度 优化燃烧提供了有效途径。 ( 3 在共轨油压作用下, 控制阀结构形式对高压 共轨喷油器液力过程也有较大影响。 球阀结构受共轨 油压影响较大, 无法实现小油量。 平衡阀结构最大限度

28、地消除了共轨油压的影响, 保证了喷油量随控制脉宽 A Study on D es ign ing Param eters of H igh Pressure Comm on Ra il In jector 1 1 1 1 L IN T ie - j ian , W ANG Yang , SU W an - hua , X IE Hu i , 2 2 2 L I Shao -an , CHENG Gang , W ANG X iao - bo ( 1. N a tiona l Eng ine Com bu stion L ab, T ian jin U n iversity, T ian jin

29、 300072, Ch ina; 2. W ux iW eifu Co. L td,W ux i 214031, Ch ina Abstract: A n exp eri en ta l study ha s been com p leted w h ich eva lua ted the influence of structu re p a ram eters of m © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. a h igh p ressu re comm on ra il in jecto r on the respon se ab ility and in jection ra te. In th is study, structu re p a ram e2 flex ib ly by chang ing the p a ram eters rela ted to the con tro l cham ber, a s a resu lt w e ca lled the comm on ra il in 2 . jecto r a s F lex ib