高压共轨喷油器的结构仿真与影响因素分析.pdf

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高压共轨喷油器的结构仿真与影响因素分析高翔，刘文林(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013)StructuralSimulationandAnalysisforHighPressureCommonRailInjectorGAOXiang，LIUWenlin(SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering，JiangsuUniversity，Zhe~iang212013，China)摘要：以某高压共轨啧油器为研究对象，根据要的组成部分，其结构参数对整个高压共轨燃油系其基本结构与工作原理，基于AMESIM系统仿真统乃至整个发动机的响应特性有着重要的影响。软件建立了喷油器仿真模型，并通过实验验证了模在此采用AMESIM软件对其结构参数进行仿真研型的准确性。利用该仿真模型分析高压共轨喷油究，分析共轨喷油器关键结构参数的变化对喷油规器关键结构参数的变化对喷油规律的影响，为共轨律的影响，为共轨喷油器的设计及优化提供理论喷油器的设计及优化提供理论依据。依据]。关键词：高压共轨喷油器；结构参数；仿真分析1高压共轨喷油器的工作原理中图分类号：TK422文献标识码：A在高压共轨喷油器中，高压燃油从进油接头进文章编号：1001—2257(2015)07—0015一O4入喷油器后分成两部分，一部分进入蓄压腔，另一Abstract：Thisarticleintroducesaninjector部分进入控制腔。当电磁铁通电时，阀球打开，控structureandworkingelementshavingacommon制腔内的高压燃油从回油接口流出，控制腔内的压railiniector．Themodeloftheinjectoriscreated力下降，作用在阀组件的力减少，当向上的压力大withAMESIMmodelingsoftwareandtheaccuracy于向下的作用在阀组件力时，针阀打开，喷油器开ofthemodelisimprovedbyexperiments．Thede—始喷油。电磁铁断电后，阀球关闭，控制腔内压力terminationofinjectorstructuralparametersaf—上升，阀组件受到向下的压力大于针阀受到向上的fectstheinjectionrate．Itprovidesatheorybase力，针阀关闭，喷油器停止喷油。共轨喷油器根据forthedesignandoptimizationofelectrical—con—电控单元发出控制信号，将高压油以最佳的喷油定trolledinjector．时，喷油量和喷油率喷射到燃烧室]。Keywords：highpressurecommonrailinjee—tor；structuralparameter；simulationanalysis2喷油器模型的建立根据高压共轨喷油器的喷油特性，将喷油器当作由电磁、液压和运动等系统组成，将其分为电磁0引言铁运动模型、容积腔模型和阀件模型。随着日趋严重的能源危机，人们对汽车的排放2．1电磁铁运动模型标准也越来越严格。高压共轨技术成为柴油机达根据电磁铁响应特性以及电磁铁受力平衡方到更严格排放标准的主要手段，高压共轨燃油技术程，将其分为3个基本方程：电路方程、磁路方程和以其喷油压力柔性可调，喷油正时，控制灵活及喷机械方程，即油量自由调节等优点越来越受到人们青睐n]。高一2～优：F+F～F，一Fp(1)压共轨喷油器是发动机高压共轨燃油系统中最重Qm，z分别为衔铁片的质量和位移；F为电磁收稿日期：2015一O2一O4力；F为衔铁片所受的液压力；F，为衔铁片所受的基金项目：江苏省研究生培养创新工程项目(CXZZ1l_0578)摩擦力；为阀弹簧力。《机械与电子)2015(7)·】5· 压表1某高压共轨喷油器主要参数F一(2)U05g为磁通量；“o为空气磁导率；为气隙导磁面积。u：Rj+(3)U为驱动电压；R为线圈电阻；J为线圈中的电流；L为线圈电感。L一(4)N为线圈匝数；R。为磁路中总磁阻。2．2容积腔模型对于容积腔模型，如控制腔，蓄压腔等，在建立模型时，其数学模型是基于流量守恒方程：Vdp+dV一Ed￡d￡一奎Q，(⋯5)4模型校验—f1V为容积腔体积；E为燃油的弹性模量；p为容采用EFS公司的EFS8246型瞬时流量测量仪对喷油器的喷油特性进行测试，如图1所示。积腔的燃油压力；Q为容积腔燃油流量。由流体的可压缩性和连续方程，可得容积腔的流量：、===Q一A√吾IAPl．’，’，1fI；为流量系数，对于没有气穴现象的液流管，与_，Ij孑L的几何形状，液体流速，液体密度以及黏度相关；A⋯⋯．．⋯-iJ}：j为有效面积；』D为燃油的密度；Ap为两端压力差。2．3阀件模型0．00．51．01．52．02．53．035阀件是外力驱动机械部件运动的一种机构，如tllO～s针阀，阀组件等，根据牛顿第二定律，阀件的数学模图1喷油器喷油率的仿真曲线与实验曲线对比型的运动方程：在轨压保持在1600bar的情况下，将测试结果F+F一F～Fp—F，一m：(6)与仿真结果进行比对，在针阀上升开始阶段，仿真喷油率曲线与实验喷油率曲线重合度比较好，在针F【=，F一k(y+yoF=譬(d一阀上升的结束阶段，实验的喷油率曲线要比仿真的；)，Fp—A,p¨F√一dy喷油率曲线的斜率要大，即喷油率上升较快。在稳。定喷射阶段，实验的喷油率曲线与仿真的喷油率曲F为控制腔燃油压力；F为针阀处弹簧力；F线趋于一致。在喷油器针阀下降阶段，仿真的喷油为针阀座处的燃油压力；F为蓄压腔燃油压力；Fr率曲线要比实验的喷油率曲线下降迅速。总体来为针阀组件受到的阻力；优。为针阀组件的质量；Y为说，该仿真模型能较好地反映出喷油器的喷油特性。针阀升程。5喷油器结构参数对喷射特性的影响3喷油器AMESIM模型5．1进、出油孔孔径的影响采用AMESIM仿真软件对某高压共轨喷油器由上文喷油器工作原理可知，只有在满足出油进行仿真建模，喷油器的基本参数如表1所示。孔直径A大于进油孔直径Z的情况下，控制腔才能·16·《机械与电子)2o15(7) 一一口I几一、褂舞螫一llO0050505压共建立压力，喷油器针阀才能升起，喷油器才能正常m0．280mm工作。在轨压1600bar不变的情况下，设定出油孔；mO．285mm·_一0．290mm孔径A=0．31mm不变，进油孔孔径Z的直径为￡-一-0295mm0．280mm，0．285mm，0．290mm，0．295mm时Ir对喷油特性的影响如图2～图5所示。：『}8⋯’．●由图2～图5可知，进油孔直径Z过小时，电磁_I．⋯．．⋯J!⋯11I【．⋯铁通电后，控制腔内的压力下降较快，针阀开启速度较快，导致喷油速率上升较快；电磁铁断电后，压力室内的压力上升缓慢，针阀关闭速度较慢，导致断油较慢，而且由于针阀腔的压力波动，还有可能图4进油孔孔径Z对喷油压力的影响产生二次喷射，影响喷射效果。随着进油孔直径Z-；▲的增大，进油量和出油量的差值减小，控制腔压力．皿r、、下降缓慢，针阀开启速度较慢，上升速度较慢，电磁J一铁断电以后，控制腔压力上升迅速，针阀落座迅速，n0H、坦趄器辑使针阀提前关闭，喷油E0器H、持磴续爨螫喷射的．时间较短l。1当11l1O00O1llO000004208642O2进油孔直径Z增大到一定程度，由于控制腔内∞压∞力∞m∞蚰舳∞下降过慢导致针阀无法正常打开。^i_糟；；、吁卜一0．295nlnll~0．280mm～图5进油孔孔径z对控制腔压力的影响⋯⋯翟⋯一-~0⋯．290mm2·。一O．3lmm1．5量一引一，{{1．一-⋯0．_3234mm。．jlf●{J{j2．O3．O4．Of，lO-3s蓍-：li。·。图2进油：fL：fL径Z对喷油率的影响一0．5图6出油孔孔径A对喷油率的影响’萋匿本誊i善善O0n0．32341mm图3进油：fL~L径Z对针阀升程的影响在轨压1600bar不变的情况下，设定进油孔孔1．02．O径Z一0．28mm，给出出油：fL：fL径A的直径为0．31t／lO—smm，0．32mm，0．33mm，0．34mm时对喷油特性的图7出油~L：fL径A对针阀升程的影响影响，如图6～图9所示。从图6～图9可以看出，当出油孔孔径A过小《机械与电子}2015(7)·17· 器的结构仿真与影¨％时，电磁铁通电后，控制腔内的压力不能迅速下降，在其他条件一定的情况下，喷油量会随着控制腔容喷油器的针阀抬起较慢，喷油速率上升较慢；当出积的增大而减小。2·5油孔孔径A增大时，电磁铁开启后，控制腔压力下一0．015cm3l—．o．o3o‘mI降迅速，针阀抬起时刻早，针阀上升迅速，快速到达2．0⋯I持续喷油期，出油孑L直径越大，喷油率上升越快，喷一0．000cm3油时间越长。随着出油孔直径的增大，由于控制腔j·f十⋯一参1．0压力下降较快，针阀开启时间相对提前，且电磁铁篓o．s断电后控制腔压力下降较大，进油孔需要较长的时螫撼_，：{O·0间使控制腔压力升高，导致针阀关闭滞后。，．I—-一03lmltl-0．5_-．一|墓i_ID_NO0．3323mm葛lr图1O控制腔容积对喷油率的影响6⋯．．{：_}-·-·034mm2】Ifl{l_lllj0-015CFO3出I0．030till~燕●’Ir．．一螫O．(H5em3．，，lI|J．．；{f⋯⋯O．060tin3jj吕nnngnnnn如加m=gm索3．O4．O匿本图8出油孔孔径A对喷油压力的影响0．01．02．03．04，0t／10-3S茸图11控制腔容积对针阀升程的影响宝1．61_4锚器1．2舔l1．00．8出0．6·露雹0．4O．2rE一～图9出油4L；fb径A对控制腔压力的影响O．0综上所述，进油孔和出油孔孔径的选择应尽可-0．2能保证针阀既能够迅速开启又能快速关闭，其选择o．0102．o3．04．ot／1o-3s的大小对喷油器的喷油过程有直接的影响。图12控制腔容积对喷油压力的影响5．2控制腔容积的影响在轨压1600bar不变的情况下，给出控制腔容6结束语积为0．015cII1。，0．030cm。，0．045cm。，0．060Cm。在此利用仿真软件AMESIM建立高压共轨喷时对喷油特性的影响，如图1O～图13所示。油器的仿真模型，对喷油器的关键结构参数进行分从图l0w图13可以看出，当容积较小时，电磁析比较，得到喷油器各结构参数对喷油特性的影响铁通电后，控制腔内的压力下降较快，针阀迅速开规律，结论如下：启喷油，当电磁铁断电后，控制腔内的压力迅速升a．控制腔的进出油孔孔径对喷油率的影响较高，针阀关闭较快，断油迅速。增大控制腔容积，喷大，在设计时要合理选择孔径。进油孔直径的变化，油开启的时间推迟，断油的时间基本不受影响，这(下转第23页)样导致喷油持续的时间减少，进而喷油量减少。即·18·《机械与电子》2O15(7) 区激光烧结的不均匀温度场对成形过程的影响分材料进行预热和保温能够减小烧结过程中的应力KruthJP，BadrossamayM，YasaE，eta1．Partandmaterialpropertiesinselectivelasermeltingofmetals和变形，与温度场的有限元分析一致。[C]／／Proceedingsofthe16thInternationalSymposiumonEleetromachining，2010．李佳桂，史玉升，鲁中良，等．选择性激光熔化成形瞬态温度场数值模拟[J]．中国机械工程，2008，19(20)：2492—2495．TianX，SunB，HeinrichJG，eta1．Scanpattern，stressandmechanicalstrengthoflaserdirectlysinteredceramics~J]．TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology，2013，64(1／2／3／4)：239—246．图9不I司预热保温温度F烧结样品变形曲率和应力HusseinA，HaoL，YanC，eta1．Finiteelementsire—ulationofthetemperatureandstressfieldsinsingle3结束语layersbuiltwithout—supportinselectivelasermelting激光烧]结过程中，激]光扫描方]式以及对材料]预][J]．Mater]ials8L]Design，2013，52：638—647．i]二』]周文晓，王翔，崔瑞，等．粉末薄层选区激光烧结温度热保温能够影响温度场分布，进而影响烧结物的应场数值模拟与实验研究[J]．现代制造工程，2012(5)：力和变形。不同的扫描方式中，长线扫描的烧结物12—16．23．容易与基板脱离，短线扫描的烧结物变形较大，长陈丽华，封艳．6061铝合金薄板焊接应力与焊接变形短线交叉扫描的烧结物变形最小，且能够有效与基[J]．机械与电子，2013(3)：70—73．板粘接。随着预热保温温度的增加，激光烧结的温宋天明．焊接残余应力的产生与消除[M]．北京：中国度场分布更加均匀，烧结物的应力和变形也更小。石化出版社，2005．参考文献：[1]VaughanMR，CrawfordRH．Effectivenessofvirtual作者简介：武帅(1991一)，男，安徽宿州人，硕士研究生，modelsindesignforadditivemanufacturing：alaser研究方向为快速成型技术；王翔(1964一)，男，安徽合肥人，副sinteringcasestudy[J]．RapidPrototypingJournal，教授，研究方向为光学测量及光机电一体化技术、微纳米制造技术、2O13，19(1)：11—19．光(快速)成型技术。{一t争·夺·-4-·{·夺·{一夺·-4-·夺·寺·寺·幸·夺·寺一年·争·牛·(上接第18页)的容积，来保证喷油器的响应速度。参考文献：徐家龙．柴油机电控喷油技术[M]．北京：人民交通出版社2004．呈李捷辉，李忠海．高压共轨柴油机电控喷油器的仿真·R[J]．农机化研究，2009，31(2)：196—198．是嘉顾慧芽，唐焱，蒋顺文．共轨喷油器参数对喷油规律影响的辎仿真研究[J]．液压气动与密封，2009，24(6)：41—44．张明阳．基于HYDSIM的高压共轨喷油器设计的仿真研究[D]．南京：南京航空航天大学，2009．蔡珍辉．柴油机高压共轨电控燃油喷射系统数值模拟计算ED]．南京：南京航空航天大学，2008．图13控制腔容积对控制腔压力的影响曾东建，杨建军，黄海波．基于AMESIM的喷油器工作过对针阀的开启与关闭都有影响，尤其对关闭的时候程模拟[J]．小型内燃机与摩托车，2008，37(2)：5—8．影响更大。出油孑L直径的变化，主要影响针阀的开启速度。作者简介：高翔(1953一)，男，江苏涟水人，教授，博士研b．控制腔容积的大小主要影响针阀的开启，在究生导师，主要从事汽车及其零部件设计理论的研究；刘文林确保针阀正常开启的情况下，尽可能的减少控制腔(1989一)，男，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向为电控喷油器。《机械与电子》2015(7)·23·