柴油机电控喷油器的试验研究与优化

柴油机电控喷油器的试验研究与优化

高压共轨系统的优势喷油系统是实现低排放和低噪声目标的关键。面对严格的法规,柴油机喷油系统应满足以下要求:1)高压喷射及喷射压力灵活可控;2)喷射定时可柔性调节;3)可控喷油率(如预喷射和可变喷油规律形状)。与其它喷射系统相比,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Bosch、日本Denso、英国Lucas等公司已相继开发成功高压共轨系统,并应用于批量生产的柴油机上,而国内单位开发高压共轨系统时间还不长。作者曾对高压共轨喷油器液压系统设计参数对喷油特性的影响进行了研究。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(FIRCRI)设计参数对性能的影响。1液压基本单元图1是FIRCRI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菲尔斯-奔驰试验系统2.1试验设施和一般配置图2所示为FIRCRI喷油器试验系统示意图。表1为主要试验装置说明。2.2a/d板和传统i/o板FIRCRI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调节系统的控制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(PWM)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响应时间的确定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:To1——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;To2——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;To3——喷油器液力开启响应时间,即从衔铁开始运动到喷嘴针阀开始运动所用的时间;Tc1——电磁铁电关闭响应时间,即从电磁铁断电到衔铁开始回落所用的时间;Tc2——电磁铁机械关闭响应时间,即从衔铁开始回落到电磁铁完全关闭所用的时间;Tc3——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电磁铁反应性能分析3.1.1电磁铁感官衔接电磁铁线圈电路方程如下:式中:u为电磁铁驱动电压;i为线圈电流;r为线圈内阻;Ψ为磁链。考虑到线圈电感,上式可变为:式中:L为电感。磁路方程如下:式中:I为电流;N为线圈匝数;Φ为磁通;Gδ为气息磁导;Gm为铁磁导。电磁力方程为:式中:Fm为电磁力;μ0为空气磁导率;S为导磁面积。电磁铁衔铁运动方程为:m·a=Fm+Fh-Fs-Ff(5)式中:Fs为衔铁弹簧力;Ff为衔铁及控制阀运动阻力;Fh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磁极电流反应性能的研究3.1.2.有缩口、无缩口电磁铁图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。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。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d2、d3两个参数所得的试验结果。综合比较来看,采用第1组即较大d2、较小d3的电磁铁性能较好。主要是由于在保证磁流通面积情况下,d2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;d3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To2缩短。3.1.2.影响机械响应时间图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。3.1.2.高压驱动开启响应时间图6为驱动电压对电磁铁响应时间的影响。从图中可以看出,采用110V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结果分析图7所示为经过对电磁铁结构参数、线圈参数及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To1+To2为0.35ms,总关闭响应时间Tc1+Tc2为0.30ms。3.2高压共轨油压过程以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液压基本情况控制室液压方程为式中:pc为控制室压力;pr为共轨压力;p0为环境背压;Vc为控制室容积;E为体积弹性模量;Qin为控制室进油孔流量;Qout为控制室出油孔流量;Q1为液压活塞配合间隙泄漏流量;Ap为液压活塞顶面面积;Ain为控制室进油孔面积;Aout为控制室出油孔面积;hp为液压活塞升程;C1、C2为流量系数;ρ为液体密度。液压活塞力平衡方程为mp·a=pcAp-prAn-Ff(9)式中:mp为液压活塞质量;a为液压活塞运动加速度;Ff为液压活塞运动阻力;An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:1)A1——液压活塞上部控制室进油孔面积与出油孔面积之比;2)A2——液压活塞受压面积与喷嘴针阀受压面积之比;3)A3——控制室进油孔面积与液压活塞受压面积之比;4)A4——控制室出油孔面积与喷嘴针阀受压面积之比。文献中已对这4个参数对高压共轨喷油器动态性能的影响进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喷油规律对比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:(A1)1=0.23,(A1)2=0.59;(A2)1=(A2)2;(A3)1/(A3)2=0.74;(A4)1/(A4)2=1.89。图8所示为在共轨油压60MPa、控制脉宽为1.1ms时,两组喷油器喷油规律的对比。可以看出,两组喷油器的液力开启响应时间To3基本相同,而第1组(A1=0.23)喷油器的喷油规律形状接近于梯形,第2组(A1=0.59)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A1、A3较小,A4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Vc较大,两组喷油器的液力开启响应时间To3基本相同。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。3.2.3静平衡结构阀根据文献,对于一定的喷油器结构参数,在不考虑控制阀所受液压力Fh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Fh对其喷油器液力过程有较大的影响。为了尽可能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。本研究设计了一种静平衡结构控制阀,取得了满意的效果。图11所示为喷油量—脉宽特性曲线,球阀在控制脉冲很小时,喷油量仍然很大。控制脉宽为0.5ms时,在100MPa共轨油压下,平衡阀喷油器喷油量为50mm3,而球阀喷油器在30MPa共轨油压下喷油量为135mm3。说明球阀喷油器受共轨油压影响,液力关闭响应时间Tc3很长。图12为平衡阀和球阀的喷油规律对比。虽然共轨油压仅为30MPa,但球阀喷油持续时间仍远大于平衡阀100MPa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Tc3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,球阀直径则受加工条件的限制不可能过小。图13为采用平衡阀的喷油器在控制脉宽为1.3ms时,喷油量随共轨油压的变化情况。3.2.4高压共轨喷射电磁铁响应特性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(2mm3～3mm3)对高压共轨喷油器电磁铁响应特性提出了较高的要求。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。FIRCRI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FIRCRI喷油器在60MPa时的预喷射控制脉冲和喷油规律。4高压共轨喷油器特性(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