高压共轨喷油器平面阀技术研究

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使作用在喷油器控制活塞上的液力发生很的变化，因而能保证喷油嘴针阀有很大的启速度。喷油器总成如图1所示，通常喷中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会CSICE2014-155高压共轨喷油器平面阀技术研究高敏明俞建达王凌云褚云舟（无锡油泵油嘴研究所，江苏无锡214063）摘要：本文针对高压共轨喷油器，通过理论计算、仿真分析和台架试验，研究了平面阀结构、液压力、运动行程、液力伺服机构和材料等关键技术点，并提出了满足200MPa及以上超高压喷射的高压密封性、快速响应性和工作稳定性的技术措施。关键词：高压共轨；喷油器；平面阀；控制阀引言作者简介：高敏明（1985-），男，江苏南通人，硕士，主要研究方向为大关工作。E-mail：gmm@wfieri.com2013年最让公众关心的环保问题莫过于“雾霾”，据中国社会科学院的最新研究进展，雾霾的主要成分之一为汽车尾气。对于使用柴油机作为动力的交通工具，提高燃油喷射压力能够有效降低CO、HC排放，同时烟度和油耗也有所下降[1]。这是由于喷射压力的提高，可以显著改善喷雾质量，优化燃烧过程。作为清洁柴油机燃油系统的典型代表，Bosch公司为中重型柴油机设计的CRIN3.3系统喷油压力可实现220MPa，Denso公司第三代G3系统可达到200MPa，Delphi开发的HPCRS超高压共轨系统，主要在欧5以上排放中重型柴油机上匹配应用，工作轨压可达250MPa。高喷射压力的燃油系统对于喷油器的开发是一个巨大挑战，面临密封性能、响应快速灵活和工作稳定可靠等难题。开油器壳体和喷油嘴的外型尺寸设计得和传统喷油器的一致，这样对柴油机缸盖的改动就会很小。控制阀是喷油器的重要部件，在喷油器工作过程中起着承上启下的作用。高压力喷射共轨系统需要在控制阀上解决一系列问题：要尽可能的减小作用于电控控制阀上的液压力，减小密封阀的预紧力，这样阀座处冲击磨损可以减轻；还要考虑液力伺服机构的设计要保证针阀能够按照要求正常开启和关闭；减少控制活塞上部的高压油泄露，从而减少功率损失；保证稳定可靠的连续工作等等。1.共轨喷油器的构成和原理共轨喷油器是一个电控液压伺服喷射系统，因受柴油机缸盖安装空间的限制电磁阀一般设计得很小，在喷油器上应用了一个类似增压活塞的液力放大机构，采用很小的泄油孔径使电磁阀关闭的弹簧力很小，电磁阀仅仅需要克服该弹簧关闭泄油孔的弹簧力，控制泄油孔开启使控制腔内燃油泄压，图1共轨喷油器结构示意图2.主流控制阀的特点全球主流共轨系统的研发机构用于共985 中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会CSICE2014-155轨喷油器的控制阀结构主要有三种：平衡阀、球阀、平面阀。图2就密封性能对比三种结构的泄漏情况。图3平面阀座结构示意图图2三种控制阀密封性能对比平衡阀的阀芯和阀体存在配合间隙，会增加泄漏，特别到高轨压后，泄漏量较多。但是由于阀芯两端轴向液动力相互平衡，所以平衡阀能够提高响应速度[2]。球阀由于没有密封间隙，而被期待有很好的密封性。但是球阀迅速关闭时，钢球的中心线与密封座面的中心轴线不重合，而使泄漏增加，密封性恶化。因此球形密封形式的泄漏比预期的要大。并且球阀为线接触会导致加速磨损而影响耐久性。不过，球阀的结构简单，而且加工容易，成本低。随着共轨喷油系统压力的不断提高，为了降低系统的泄漏，需要采用平面阀。试验研究表明平面阀的密封性要优于球阀和平衡阀。并且平面阀密封时为环带面接触，接触应力小，耐久性好。DENSO公司正在开发的第四代共轨系统，工作压力可达250～300MPa，喷油器设计就是采用了平面阀的结构。图4带泄油槽孔板密封面平面阀可以理解为：在一个确定的小面积并且平行间隙中的一个层流粘性液体流，随着间隙的长度产生一个线性压力降。对于中间带孔的平座，面积与座的直径呈线性增加。因此这个平座下的压力随着座外径延长而减少[3]。作用在电磁阀上的液压力是由泄油孔直径至外座直径之间分布压力的合成，但座的外径上的压力可以忽略，因此液压力可由下式计算：FS=π∗PS/60(3da+4dadi−7di)(1)式中：FS为平座作用在电磁阀上的液压力；PS为系统压力；di泄油孔直径；da为环带的外径。为获得作用在电磁阀上的总力，必须将泄油孔上的力FH加到FS上：22π2(2)FH=��di∗PS43.平面阀喷油器技术研究因此F=FS+FH=�π�∗PS∗(3d2+a603.1液压力的设计2)(3)4dadi+8di阀座与节流孔板之间的接触压紧力必须满足以上要求。在喷油器工作过程中，当阀座被电磁阀弹簧推回以关闭泄油孔，阀座和孔板之间产如图3为平面阀的结构示意图。为确定密封所需要的预紧力，必须知道座面下的燃油压力分布。986 中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会CSICE2014-155生撞击力，而这个力超过上述总液压力F。环带的外径da在设计时必须引起足够重视，由式（3）可以看出da越小，加载到控制阀上的预紧力就越小。但是，实际上我们需要适当地增加环带的外径，这样落座时的撞击力得到缓冲。但是这个用于缓冲的外径在阀关闭时会引起一个相当大的阻尼液压力。为解决这个问题，需采用泄油沟槽，如图4所示。泄油沟槽和平座的外径相通以排空环带密封面和平座之间的泄漏量，这样，平面阀座落座时受到的阻尼力大大减小。比较一下，一个不带沟槽的座，在PS=200MPa时，电磁阀预紧力需要200N才能正常关闭；当采用带释放沟槽的座时，只需要50N。从喷油器的性能来说，希望喷油器的稳定性好，开启延迟和关闭延迟皆较小。因此希望在现有基础上继续减小运动行程，同时避免密封座的节流效应。平面密封阀的开启时的流通截面积应满足以下条件：(4)S≥S流通出油节流孔由上式可推导出：d2H≥出油节流孔（H为运动最小行程）(5)4d出3.3液力伺服机构的设计为满足高压力下喷射的响应需求，需要对液力私服机构中进、出油节流孔的流量进行匹配，同时满足控制动态回油量的需求。现固定节流孔板出油孔流量，通过改变进油孔流量，实现不同的流量比控制。分别设置进、出油孔流量比为0.65、0.7、0.75、0.8、0.85，分析不同流量比的共轨喷油器性能。图6为进、出节流孔流量比对控制腔压力波动的影响。当流量比不同时，喷油器控制腔内压力曲线具有不同的形状，流量比越大，控制活塞上升时间越长，控制腔内底部压力值越高。说明流量比越大，系统的反应越慢。3.2阀座运动行程设计从阀座和孔板接触到运动至最远处的距离称为阀座运动行程。当行程过低时，会影响出油节流的作用，降低出油的效率，使喷油器开启延迟增大，关闭延迟减小，致使喷油器在中小脉宽时不能正常工作。当行程过高时，阀座在下落的过程中时间较长，导致喷油器的关闭延迟增大，由于平面阀在关闭的过程中受到液压阻力较大（平面密封座下落时受到的是挤压力，而球阀在下落时受到的是剪切力）。若不改变电磁铁弹簧调整垫片，当运动行程过大时，衔铁复位弹簧的预紧力会有下降的趋势；同时运动行程过大，也会使阀座下降的时间增大，进一步影响喷油器的关闭延迟。如图5，从三维计算分析来看，在阀座的运动行程不断增大的过程中，流动阻力来源由阀座与孔板之间的流通区域变为节流孔板的泄油孔。图6进出油孔流量比对控制腔压力的影响图7为进、出油节流孔流量比对喷油速率的影响。流量比越大，喷油速率上升的起始时刻越晚，不同流量比所对应的最大喷油速率接近。所取的几组数值中，当流量比减小时，喷油速率的关闭响应变慢。图5流动阻力占比987 中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会CSICE2014-155该材料会被选择作为控制阀相关零部件，但是成分中硫、磷、氧等杂质含量一定要尽可能降低，以提高寿命。热处理过程相当重要，要采用特殊的保护气氛淬火。同时，热处理后的金相组织要求马氏体针、碳化物细小，分布均匀，残余奥氏体含量低，甚至完全消除残余奥氏体。残余奥氏体含量过多，则显著降低试样的强度和硬度。此外，可以采用性能更优良的复合材料和表面镀膜处理技术可进一步提升耐久性。半球形阀盘用陶瓷材料制成，而密封阀座接触表面也可覆盖涂层。图7进出油孔流量比对喷油规律的影响因为控制腔的体积很小，燃油的可压缩性是次要的因素。经分析可知，进、出油节流孔流量比直接影响控制活塞抬起时间，导致喷油速率上升段的斜率差异，并造成控制腔内部压力最低值差异，进油孔的尺寸是为获得适宜的针阀关闭速度。针阀关闭速度取决于进油孔尺寸、压力差和运动活塞件的面积。综上可见，流量比越小的针阀开启响应速度越快。当控制腔的容积一定时，进油孔的流量越大，关闭也越迅速。因此，在实际应用中需要结合实际匹配的发动机对喷油速率形状、喷油量的需求来综合决定进、出油节流孔流量的具体值。此外，在电磁阀打开期间，燃油从泄出孔流出。控制燃油流量也是一种伴生的损失，因此必须尽可能小。泄出的控制流量与控制腔进油孔流量直接正比。4.样品试验结果将上述讨论内容应用于高压力电控共轨喷油器的开发过程，完成后的样品喷油器进行性能试验，运行工况为轨压200MPa脉宽1.5ms，结果显示，密封能力较好，动态回油量实现75mm3/str，并具有较好的响应能力，开启响应约0.5ms，关闭相应约1.0ms。图8展示的是喷油器的油量线性，在各区域均具有很好的线性。这些指标可以满足发动机的性能需求。3.4材料设计以上阐述主要是为了解决喷油器的喷油性能，通过对关键技术的研究，使喷油器具有较好的稳定性、响应性和密封性能。但是要进行产品开发，可靠性就值得好好研究。国内共轨产品的可靠性常常会受到质疑，一方面是因为加工能力薄弱，缺乏精密的加工设备、自身对于加工内容的理解也不深入；另一方面国产材料常常无法满足精密的共轨产品需求。共轨喷油器的零部件材料要求强度高，抗冲击性能好，耐磨性能好，高压下尺寸的稳定性要好等等。以国产轴承钢GCr15为例，图8各轨压下喷油器油量线形5.结束语本文探讨将平面阀应用于高压力的共轨喷油器所面临的各种挑战，通过液压力的设计保证良好的密封性能，通过阀座运动行程设计和伺服液力机构设计保证良好的响应性和稳定性，通过材料的选择和热处理保证喷油器工作的可靠性。结果表明，采用以988 中国内燃机学会燃烧节能净化分会2014年学术年会CSICE2014-155上设计方法的高压共轨喷油器性能指标完全满足的发动机性能需求。[2]李少鹤，高压共轨柴油机电控液压喷油器设计研究，硕士论文，p18～22.[3]宓浩祥，喷射压力达200MPa以上的电控共轨喷油器设计，现代车用动力，2003年2月p6～11.参考文献：[1]胡林峰等，新型共轨喷油系统的开发和应用，现代车用动力，2007年2月p9～14.989