高压共轨式喷油器针阀液压控制腔的液力过程分析

高压共轨式喷油器针阀液压控制腔的液力过程分析

r-燃油密度；。E——燃油的体积弹性模量;Fi——作用在运动件上的力;Ai——流通截面积;N——线圈匝数;Φ——磁通;di——各偶件直径;u——流速;V——控制体容积;t——时间;Δp——压力差;Gδ——气隙磁导;Qi——各偶件之间的泄漏流量;μ——燃油动力粘度;As——控制体的过流断面面积;M——运动件质量;Q——流量;I——电流;GM——铁磁导;Li——偶件密封带长度;p——控制体压力;x——运动件位移;Cd——流量系数;R——电阻;Ψ——磁链;δi——各偶件间隙;Δpi——偶件两端的压差;To——从电磁阀开始通电到喷油器针阀刚好完全打开所用的时间;To1——从电磁阀开始通电到喷油器针阀开始打开所用的时间;To2——从电磁阀开始打开到喷油器针阀开始打开所需的时间;To3——从针阀开始打开到喷油器针阀刚好完全打开所需的时间;Tc——从电磁阀开始断电到喷油器针阀刚好完全关闭所用的时间;Tc1——从电磁阀开始断电到电磁阀开始关闭所需的时间;Tc2——从电磁阀开始关闭到喷油器针阀开始关闭所需的时间;Tc3——从喷油器针阀开始关闭到喷油器针阀刚好完全关闭所需的时间;Ain——控制室的进油口截面积;Aout——控制阀阀孔截面积;ρ——燃油密度;pb——控制室的压力;pr——共轨油压;Ap——液压活塞面积;An——针阀的受压面积;U——电磁阀电压,V;L——电磁阀升程,mm;pb——控制室压力,MPa;Sv——针阀升程,μm;q——喷油器喷油速率,mm3/ms。国外喷油器的喷油特性随着对柴油机的动力性、经济性、排放和噪声要求的日益提高,尤其是近年来对有害排放物的苛刻要求,使得电控技术在柴油机上的应用十分迅速,已成为当今柴油机技术的发展趋势。柴油机电控的核心技术是燃油喷射系统的电控。高压共轨式电控燃油喷射系统,以其近乎完美的喷油特性(高的平均有效喷射压力,喷油定时灵活控制,喷油压力独立控制,预喷射或可控喷油规律,快速断油),成为国外各大公司近年来竞相开发的目标。其中具有代表性的是Bosch公司的高压共轨系统和日本电装公司的ECD-U2系统。Bosch公司的高压共轨式电控喷油器与电装公司的ECD-U2电控喷油器是两种典型设计,这两种设计的主要区别是Bosch式采用二位二通电磁阀控制液压活塞,而ECD-U2则采用了二位三通电磁阀,另外ECD-U2在液压活塞与电磁阀之间还用了单向节流阀,用于实现喷油规律的控制。从性能上讲二位三通阀能够保证喷油器的开启响应和停喷速度,但结构复杂,成本高。本文拟针对高压共轨式单体喷油器研究开发中遇到的关键技术,通过计算模拟方法,为电控喷射系统中的核心部件——电控喷油器的开发工作提供可靠的设计原则和依据。1数学模型的构建1.1喷油器的关闭状态原理图如图1所示。其工作过程是:电磁阀通电之前,电磁阀处于关闭状态,高压共轨油经节流孔与液压活塞上部的控制室和嘴端连通,由于液压活塞上部的面积大于喷嘴针阀处的作用面积,再加上喷嘴弹簧的作用力,使得喷嘴针阀不能抬起而处于关闭状态;当电磁阀通电后,电磁阀在电磁力的作用下迅速打开,控制室与高压油管是通过一个节流进油孔连通的,如果控制阀泄油的速率远远大于高压油通过进油孔的充油率,控制室的压力降低,这时液压活塞上行,喷嘴针阀打开,开始喷油。当电磁阀断电后,电磁阀在弹簧力的作用下复位,控制室的压力上升,推动液压活塞下行,喷嘴针阀关闭,停止喷油。因此,通过控制电磁阀的通电时刻及通电时间可以实现喷油器的喷油定时和喷油量的灵活控制。但是如上所述,喷油器的响应时间将受电磁阀响应和液力响应的共同影响,试验已经证明,液力响应时间有时远远大于电磁阀响应。因此改善液力响应时间和改善电磁阀响应时间一样,是开发高压共轨电控系统的关键问题。1.2油压力传播历程根据高压共轨系统的特点和模拟计算要求,在模型建立和计算中作了以下假设:(1)假定各腔为集中容积,燃油向各腔流动,因为油路很短,不考虑油压传播历程;(2)不考虑平面密封和锥面密封因加工问题造成的泄漏,只考虑圆柱运动副的泄漏及其对于各腔压力的影响。1.3evdv3运动方程及互通电路(1)质量守恒方程∮ρuAs=0(2)燃油压缩性方程dp=-EVdVdp=−EVdV(3)运动方程Μd2xdt2=∑FiMd2xdt2=∑Fi(4)流量方程Q=Cd⋅Ai⋅√2⋅Δpρ(5)电磁方程电路方程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计算结果和分析2.1针阀开启和关闭影响模拟计算的结果表明,共轨式高压喷油器的性能,主要决定于控制腔的液力过程和针阀的受力状态,由于共轨式喷油器应用范围覆盖了轿车到大型工程机械柴油机,因此本文采用无量纲参数研究方法,从而使其具有更广泛的参考价值。它们是:(1)液压活塞上部控制腔的有效进油口面积和控制阀出油孔的截面积之比A1(A1=Ain/Aout);(2)液压活塞受力面积与喷嘴针阀的受力面积之比A2(A2=Ap/An);(3)液压活塞上部控制腔的有效进油口面积与液压活塞受力面积之比A3(A3=Ain/Ap);(4)液压活塞上部控制腔的控制阀出油孔的面积与喷嘴针阀的受力面积之比A4(A4=Aout/An)。各时间参数关系如图2所示。2.1.1A1和A2的影响控制室的进油口截面积与控制阀阀孔截面积之比为A1,液压活塞横截面积与喷嘴针阀横截面积之比为A2。电磁阀通电打开后,如果通电时间足够长,控制室的压力pb最终会达到平衡,即控制室的进油量和出油量相等。即:Ain⋅√2(pr-pb)ρ=Aout⋅√2pbρ,推导可得:A21=pbpr-pb。针阀的开启条件为pb·Ap<pr·An,即pb·A2<pr。如图3~图8所示,A2和pr一定时,比值A1越大,即控制室进油口面积与泄油口面积之比越大,电磁阀通电后,在单位时间内控制室的进油量相对较大,而泄油量相对较小。这样,控制室的压力下降较慢,响应时间To2加长。通过模拟计算结果可知,对To1没有影响,对To3的影响不大,但对液力响应时间To2影响很大,总的开启响应时间To加长。而当电磁阀断电之后,控制室的压力将迅速上升,使得针阀快速回位,响应的时间Tc2缩短。A1的变化对Tc1没有影响,但使Tc缩短。但是,A1的值不能太大,否则,控制室的平衡压力过大,使得针阀无法满足开启条件(pb·A2<pr)而不能正常工作。A2=1.6,A1>1时,针阀就无法打开了。A1的值过小,会使关闭响应时间过长,喷油速率就会出现后期过缓的情况,对燃烧造成不利的影响。A1和pr一定时,A2的变化也会影响针阀的启闭响应时间,针阀的开启与关闭决定于针阀上、下两端的压力差,压力差不仅仅决定于压强,与受力面积也有直接关系。随着A2的增大,针阀上部受力面积即液压活塞的横截面积(Ap)会相对增大,液压活塞上部控制室的压力需降到较低针阀才能抬起,所以,开启响应时间To2增长,To增长;而关闭响应时间Tc2缩短,Tc缩短。同样,A2的值不能过大,否则会造成针阀无法满足开启条件(pb·A2<pr),喷油器不能正常工作。2.1.2A3和A4的影响A3为液压活塞上部控制室的有效进油口面积与液压活塞受力面积之比,A3=Ain/Ap;A4为液压活塞上部控制室的控制阀孔面积与喷嘴针阀受力面积之比,A4=Aout/An。如图9~图14所示,随着A3的增大,对于一定的液压活塞横截面积,控制室的进油口面积增大,单位时间内控制室的进油量增多,电磁阀通电打开后,控制室的压力下降较慢,使得针阀的开启响应时间To2增长,对To3影响不大,To增长。当电磁阀断电关闭后,控制室的压力上升较快,使针阀开始回位,关闭响应时间Tc2缩短,对Tc3的影响不大,Tc缩短。在A3不变的情况下,如果A4增大,说明控制室的泄油口面积相对增大,在电磁阀通电开启后,控制室的压力迅速下降,而且下降较多,针阀迅速移开,电磁阀断电后,控制室的压力需要较长的时间才能回升到足以使针阀回位的压力。开启响应时间To2缩短,To缩短。关闭响应时间Tc2增长,Tc增长。2.2响应时间的影响从图15~图17可以看出,共轨油压pr对针阀启闭响应时间的影响不大,仅在0.05ms以内,共轨油压主要影响喷油器的最大喷油速率。随着pr的增加,喷嘴室与燃烧室的压力差增大,其最大喷油速率增大。2.3喷油过程分析上面讨论了几个参量对针阀启闭响应时间的影响,针阀的启闭响应时间不同,也就决定了喷油器的喷油开始时刻和喷油结束时刻的不同,喷油持续时间不同,喷油量不同。图18给出了两种具有代表性的不同结构参数的喷油器的喷油过程。图18a给出了A1=0.01,A2=1.2,A4=23.7×10-3,pr=120MPa时喷油器的喷油过程,图18b给出了A1=1.4,A2=1.2,A4=23.7×10-3,pr=120MPa时喷油器的喷油过程。从图中可以看出,A1=0.01时,To很短,To2短,而Tc较长,Tc2较长;当A1=1.4时,To很长,To2很长,而Tc较短,Tc2较短。如果A2、A4、pr不变,A1值再增大,To随着A1的增大,喷油器针阀的开启过程加长。从图中也可看出结构参数的变化主要是对To2和Tc2的影响较大,而对To3和Tc3,即针阀实际打开时间的影响很小,结果A1参数的变化表现为喷油规律的变化,这种变化很难通过电子控制脉冲进行修正,因此加工中严格控制参数A1及其它无量纲参数是极为重要的。3喷油器的响应时间,在共轨油(1)通过模拟计算可知,高压共轨式电控喷油器的结构参数对To1和Tc1没有影响,对To3和Tc