針對大流量、高轉(zhuǎn)速高壓共軌噴油器回油量大、響應(yīng)慢的問題，設(shè)計一種帶滑閥結(jié)構(gòu)的共軌噴油器控制閥，通過仿真計算分析了高壓共軌噴油器控制閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油性能的影響規(guī)律，并以此為依據(jù)，開展噴油器控制閥滑閥結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。通過試驗驗證了共軌噴油器控制閥增加滑閥結(jié)構(gòu)設(shè)計后對提高噴油響應(yīng)速度、降低回油量有明顯的作用，優(yōu)化了噴油器的性能，提高了供油系統(tǒng)的效率。

　　高壓共軌噴油器控制閥結(jié)構(gòu)是影響噴油器性能的重要因素，其中進(jìn)、回油節(jié)流孔和控制腔容積的合理匹配最終影響噴油器針閥開啟速度和關(guān)閉速度，是決定噴油器響應(yīng)特性的關(guān)鍵。提高高壓共軌噴油器響應(yīng)特性的重要途徑是優(yōu)化控制閥的進(jìn)、回油節(jié)流孔的流量，但在控制腔容積、孔流量系數(shù)不變的條件下，增加進(jìn)、回油節(jié)流孔直徑會造成噴油器回油量增加，降低供油系統(tǒng)效率，造成整機(jī)功率損失。

　　針對以上問題，本研究以某高速大流量高壓共軌噴油器為基礎(chǔ)，通過仿真計算和試驗研究相結(jié)合的方式對控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了研究，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對循環(huán)噴油量、噴油規(guī)律及循環(huán)回油量的影響規(guī)律；通過滑閥結(jié)構(gòu)設(shè)計，在不改變進(jìn)、回油節(jié)流孔直徑的前提下實現(xiàn)噴油嘴針閥快速關(guān)閉，優(yōu)化了噴油規(guī)律，降低了循環(huán)回油量。

1、結(jié)構(gòu)原理分析

　　在某高壓共軌噴油器控制閥結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計一種滑閥結(jié)構(gòu)(見圖1)。這種結(jié)構(gòu)共軌噴油器控制閥工作過程如下：

　　1)噴油器開始噴油過程：電磁閥充電，低壓油路打開，環(huán)槽內(nèi)高壓油流向低壓油路，油腔內(nèi)高壓燃油通過滑閥節(jié)流孔也流向低壓油路，此時滑閥節(jié)流孔是回油節(jié)流孔，由于滑閥節(jié)流孔的節(jié)流作用，環(huán)槽內(nèi)高壓燃油壓力比控制腔內(nèi)燃油壓力下降得快，所以滑閥受到環(huán)槽內(nèi)燃油向下作用力減小得更快，滑閥不動，副油道依然封閉。在控制腔壓力下降同時，噴油嘴針閥受到的向下作用力減小，噴油嘴針閥抬起，噴油器開始噴油。

　　2)噴油器噴油結(jié)束過程：電磁閥斷電，低壓油路關(guān)閉，環(huán)槽內(nèi)壓力迅速升高，高壓燃油由環(huán)槽通過主油道、滑閥節(jié)流孔流入控制腔，此時滑閥節(jié)流孔是進(jìn)油節(jié)流孔，由于滑閥節(jié)流孔的節(jié)流作用，環(huán)槽內(nèi)燃油壓力比控制腔內(nèi)燃油壓力建立得快，此時滑閥受到的向下作用力大于向上作用力，滑閥向下運動，副油道打開與環(huán)槽接通，環(huán)槽內(nèi)高壓燃油通過副油道迅速補充流入控制腔，噴油嘴針閥受到的控制腔和針閥彈簧向下的作用力大于噴嘴腔內(nèi)作用力，噴油嘴針閥關(guān)閉，噴油結(jié)束。

1—進(jìn)油孔；2—進(jìn)油節(jié)流孔；3—環(huán)槽；4—滑閥主油道；5—滑閥節(jié)流孔；6—滑閥副油道；7—控制腔；8—滑閥彈簧；9—滑閥彈簧座；10—滑閥

圖1 共軌噴油器滑閥結(jié)構(gòu)示意

　　在噴油開始和結(jié)束過程中，噴油器滑閥是影響響應(yīng)特性的關(guān)鍵因素，因此以滑閥中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為主要研究點，通過對滑閥進(jìn)油節(jié)流孔、滑閥節(jié)流孔、滑閥副油道的影響規(guī)律進(jìn)行研究，以達(dá)到某噴油速率范圍為目標(biāo)值，確定滑閥參數(shù)范圍。

2、仿真模型的建立和結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

　　2.1、仿真模型的建立

　　利用仿真軟件AMESim建立共軌噴油器仿真模型(見圖2)。在共軌系統(tǒng)中，由供油泵提供高壓燃油，經(jīng)高壓油管，高壓燃油儲存在燃油軌中，電磁閥直接控制針閥升程進(jìn)行噴射，噴油壓力與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此在模型中用穩(wěn)壓源代替高壓泵及燃油軌。模型主要包括針閥偶件、控制閥、電磁閥、高壓油路等。模型建立過程中作了以下處理：(1)不考慮噴油過程中的熱量傳遞，燃油溫度保持不變，取為40℃；(2)本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的容積視為剛性容積；(3)僅考慮電磁閥閥芯、針閥處的泄漏。

　　在仿真分析中主要用到以下方程。

　　噴孔流量方程：

　　式中：μh為噴孔流量系數(shù)；Ah為噴孔總面積；pinj為噴射壓力；p0為缸內(nèi)壓力；ρ為燃油密度。

　　高壓油路內(nèi)控制腔連續(xù)方程：

　　式中：pc為控制腔壓力；E為燃油體積彈性模量；Qin為控制腔進(jìn)油量孔流量；Qout為控制腔回油量孔流量；AN為控制腔針閥受力面積；xv為針閥升程；din為進(jìn)油量孔直徑；pr為軌道壓力；dout為回油量孔直徑；p0為回油壓力；μ1為進(jìn)油量孔流量系數(shù)；Vc為控制腔容積；μ2為回油量孔流量系數(shù)。

圖2 共軌噴油器仿真模型

　　在相同軌壓、轉(zhuǎn)速、控制脈寬下進(jìn)行仿真分析，對比不同進(jìn)油節(jié)流孔、不同滑閥節(jié)流孔、不同滑閥副油道直徑對共軌噴油器一次噴射噴油量、噴油規(guī)律、一次噴射回油量及噴油響應(yīng)時間的影響。

　　2.2、滑閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

　　2.2.1、進(jìn)油節(jié)流孔影響分析

　　針閥進(jìn)油節(jié)流孔與回油節(jié)流孔流量差決定了噴油嘴針閥開啟速度，這種帶滑閥設(shè)計的控制閥可以將滑閥進(jìn)油節(jié)流孔設(shè)計在一個較小的范圍內(nèi)，而在針閥關(guān)閉過程通過滑閥副油道打開來快速建立控制腔壓力，使噴油嘴針閥快速關(guān)閉。為了分析滑閥結(jié)構(gòu)中進(jìn)油節(jié)流孔變化對噴油性能的影響，設(shè)計以下進(jìn)油節(jié)流孔徑方案，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)條件不變的情況下，仿真分析不同進(jìn)油節(jié)流孔直徑對噴油器循環(huán)噴油量、噴油規(guī)律、循環(huán)回油量、油嘴針閥開啟延時和關(guān)閉延時等性能的影響。方案和計算數(shù)據(jù)見表1。圖3示出了不同進(jìn)油節(jié)流孔噴油規(guī)律。圖4示出了進(jìn)油節(jié)流孔直徑對控制腔壓力波動的影響。

表1 不同進(jìn)油節(jié)流孔方案仿真結(jié)果

圖3 不同進(jìn)油節(jié)流孔噴油規(guī)律對比

圖4 不同進(jìn)油節(jié)流孔控制腔壓力變化

　　計算結(jié)果顯示，隨著進(jìn)油節(jié)流孔增大，噴油持續(xù)期變短，共軌噴油器循環(huán)噴油量減小，噴油嘴針閥開啟延時變長，關(guān)閉延時變短，循環(huán)回油量增大。原因是其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，電磁閥通電，回油節(jié)流孔打開，隨著進(jìn)油節(jié)流孔直徑增大，有效的流通截面積增大，與進(jìn)油節(jié)流孔直接接通的滑閥頂部環(huán)槽壓力下降速度變慢，由圖4不同進(jìn)油節(jié)流孔控制腔壓力變化曲線得出，隨著進(jìn)油節(jié)流孔直徑的增大，控制腔內(nèi)壓力下降速率也降低，針閥開啟速度減慢，噴油嘴針閥達(dá)到開啟壓力的時間變長，因此噴油嘴針閥開啟延時增大。

　　當(dāng)電磁閥斷電，回油節(jié)流孔關(guān)閉，隨著進(jìn)油節(jié)流孔增大，滑閥頂部環(huán)槽壓力升高率提高，環(huán)槽壓力增大，達(dá)到使滑閥向下移動的作用力所需的時間縮短，即副油道與環(huán)槽接通的時間縮短，環(huán)槽內(nèi)高壓燃油通過副油道迅速補充流入控制腔，加快控制腔油壓建立，使控制腔噴油器針閥關(guān)閉速度提高，關(guān)閉延時減小。

　　當(dāng)進(jìn)油節(jié)流孔達(dá)到0.34mm時，噴油異常，由控制腔壓力變化曲線可知，通過進(jìn)油節(jié)流孔的流量大，在控制腔壓力還未達(dá)到針閥開啟壓力時，由于高壓燃油從進(jìn)油節(jié)流孔流入迅速補充控制腔壓力，針閥無法開啟。

　　若要達(dá)到發(fā)動機(jī)目標(biāo)噴油率，在一定噴油持續(xù)期內(nèi)需要增大噴油量，這就要求在主噴期間能快速達(dá)到較大的噴油速率，所以為了獲得理想的針 升程曲線和噴油規(guī)律曲線，進(jìn)油節(jié)流孔直徑應(yīng)盡量取較小值。

　　2.2.2、滑閥節(jié)流孔影響分析

　　在滑閥設(shè)計中滑閥節(jié)流孔的設(shè)計是影響控制閥性能的關(guān)鍵參數(shù)，它的特殊性表現(xiàn)在噴油嘴針閥開啟過程，控制腔的高壓燃油通過滑閥節(jié)流孔流出進(jìn)入低壓回油通道。在噴油嘴針閥關(guān)閉過程，通過進(jìn)油節(jié)流孔進(jìn)入環(huán)槽的高壓燃油會通過滑閥節(jié)流孔流入控制腔，所以在噴油器工作過程中它既是進(jìn)油節(jié)流孔，也是回油節(jié)流孔，并且其尺寸范圍選擇與進(jìn)油節(jié)流孔取值有密切關(guān)系。為了分析在噴油過程中滑閥節(jié)流孔直徑對噴油性能的影響，設(shè)置進(jìn)油節(jié)流孔直徑為0.12mm，仿真分析了5種不同孔徑的滑閥節(jié)流孔在噴油器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定條件下對噴油器相關(guān)性能參數(shù)的影響�；�閥節(jié)流孔方案仿真結(jié)果見表2。不同滑閥節(jié)流孔的噴油規(guī)律對比及控制腔壓力的變化分別見圖5與圖6。

表2 不同滑閥節(jié)流孔方案仿真結(jié)果

圖5 不同滑閥節(jié)流孔噴油規(guī)律對比

圖6 不同滑閥節(jié)流孔控制腔壓力變化

　　計算結(jié)果顯示，隨著滑閥節(jié)流孔增大，共軌噴油器循環(huán)噴油量先增大后減小，噴油嘴針閥開啟延時與關(guān)閉延時減小，循環(huán)回油量增大。原因是滑閥節(jié)流孔直接與控制腔接通，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，當(dāng)電磁閥通電，回油通道打開，控制腔內(nèi)高壓燃油通過滑閥節(jié)流孔流出，控制腔壓力下降，噴油嘴針閥抬起，噴油器開始噴油。在滑閥節(jié)流孔直徑小于等于進(jìn)油節(jié)流孔直徑(0.12mm)時，滑閥節(jié)流孔流出的流量小于進(jìn)油節(jié)流孔流入的流量，控制腔內(nèi)壓力下降速率太小，達(dá)到針閥開啟壓力的時間太長，因此針閥無法達(dá)到最大升程甚至不能開啟，循環(huán)噴油量隨滑閥節(jié)流孔直徑增大呈漸增趨勢。

　　在滑閥節(jié)流孔直徑大于進(jìn)油節(jié)流孔直徑時，雖然滑閥節(jié)流孔流通的截面積增加，但流通阻力系數(shù)會減小，所以滑閥節(jié)流孔有效流通截面積增大，減弱了滑閥節(jié)流孔的節(jié)流作用。控制腔內(nèi)壓力下降速率提高，噴油嘴針閥開啟速度提高，達(dá)到針閥開啟壓力所需的時間減少，即開啟延時縮短，循環(huán)噴油量呈減小趨勢。

　　當(dāng)電磁閥斷電，回油通道關(guān)閉，高壓燃油通過進(jìn)油節(jié)流孔流入環(huán)槽，再通過滑閥節(jié)流孔流入控制腔，此時滑閥節(jié)流孔是進(jìn)油節(jié)流孔。隨著其直徑增大，滑閥節(jié)流孔有效流通截面積增大，在噴油結(jié)束過程控制腔內(nèi)壓力快速建立，關(guān)閉延時減小。

　　綜合考慮目標(biāo)噴油率和循環(huán)噴油量，滑閥節(jié)流孔直徑宜選擇大于進(jìn)油節(jié)流孔直徑的數(shù)值來提高針閥關(guān)閉速度，從而有效提高噴油器的液力響應(yīng)速度。

　　2.2.3、滑閥副油道影響分析

　　在滑閥結(jié)構(gòu)中設(shè)計副油道的主要作用是在噴油嘴針閥關(guān)閉過程，由于壓力差使滑閥向下移動接通滑閥副油道與環(huán)槽，環(huán)槽內(nèi)高壓燃油通過副油道快速流入控制腔，使控制腔內(nèi)壓力快速恢復(fù)至針閥關(guān)閉的壓力值。為了分析在噴油過程中滑閥副油道直徑對噴油性能的影響，設(shè)計了5種不同孔徑的滑閥副油道，在噴油器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的條件下，分析滑閥副油道對噴油器相關(guān)性能參數(shù)的影響。不同滑閥副油道直徑方案仿真結(jié)果見表3。

表3 不同滑閥副油道直徑方案仿真結(jié)果

　　計算結(jié)果顯示，隨著滑閥副油道直徑增大，共軌噴油器循環(huán)噴油量減小，針閥開啟延時不變，關(guān)閉延時縮短，循環(huán)回油量不變。由圖7不同滑閥副油道直徑噴油規(guī)律對比看出，噴油嘴針閥在開啟過程不受滑閥副油道影響。原因主要是因為在開始噴油過程，控制器內(nèi)壓力降低，滑閥受到滑閥彈簧向上的作用力與上面零件貼緊，副油道被封閉。由圖8不同滑閥副油道直徑控制腔壓力變化也可以看出，在噴油過程控制腔壓力下降速率不變，即針閥開啟延時不變。

圖7 不同滑閥副油道直徑噴油規(guī)律對比

　　電磁閥斷電，在噴油結(jié)束過程，由于滑閥節(jié)流孔的節(jié)流作用，環(huán)槽內(nèi)燃油壓力比控制腔內(nèi)燃油壓力建立得快，此時滑閥受到向下的作用力大于向上的作用力，即向下運動，副油道打開與環(huán)槽接通。環(huán)槽內(nèi)高壓燃油一路通過滑閥節(jié)流孔流入控制腔，另一路通過直徑較大的滑閥副油道流入控制腔，隨著滑閥副油道直徑增大，控制腔壓力恢復(fù)速率加快，針閥關(guān)閉速度加快，噴油持續(xù)期縮短，噴油量減小。

　　這種滑閥設(shè)計在以達(dá)到目標(biāo)噴油率為前提下，可以盡可能將副油道直徑取在一個較大值范圍，以加快噴油嘴針閥關(guān)閉速度，而且由于副油道只在針閥關(guān)閉過程接通，所以不影響噴油器循環(huán)回油量和針閥開啟響應(yīng)速度。

3、試驗驗證

　　在EFS高壓共軌試驗臺上進(jìn)行高壓共軌噴油器試驗驗證。該試驗臺集成了高壓供油泵的驅(qū)動系統(tǒng)、低壓燃油供給系統(tǒng)和帶交互界面的電子控制系統(tǒng)(見圖9)。選用高壓供油泵、燃油軌、高壓油管與試驗共軌噴油器樣件組成試驗高壓共軌系統(tǒng)。采用單次噴射儀測量循環(huán)噴油量與噴油持續(xù)期，利用示波器存儲噴油規(guī)律與控制脈寬信號。試驗時兩個噴油器噴孔面積相等，1號噴油器為原始噴油器，2號噴油器為帶滑閥噴油器，分別進(jìn)行噴油性能試驗對比，對噴油器控制閥設(shè)計進(jìn)行驗證。

圖8 不同滑閥副油道直徑控制腔壓力變化

1—驅(qū)動系統(tǒng)；2—油濾；3—油箱；4—低壓油管；5—線束；6—柴油溫度傳感器；7—變量泵；8—油軌；9—噴油器；10—高壓油管；11—電子控制系統(tǒng)；12—壓力傳感器；13—單次噴射儀；14—示波器

圖9 試驗設(shè)備與測試系統(tǒng)示意

　　以達(dá)到相同噴油量為試驗?zāi)繕?biāo)，在相同轉(zhuǎn)速、軌壓、溫度等試驗條件下，通過調(diào)整控制脈寬使1號、2號噴油器噴油量一致，對比兩個噴油器不同壓力下的噴油規(guī)律(見圖10至圖13)。分析兩個噴油器在軌壓分別為80MPa，100MPa，120MPa和140MPa的響應(yīng)特性，試驗數(shù)據(jù)見表4，兩種噴油器不同壓力下關(guān)閉時間對比見圖14。結(jié)果顯示，在達(dá)到相同噴油量時，2號噴油器的關(guān)閉時間比1號噴油器最大提高了45.8%。由試驗對比分析得出，帶滑閥結(jié)構(gòu)的2號噴油器在相同壓力、相同噴油量時的響應(yīng)更快。原因是在噴油器噴油結(jié)束過程，2號噴油器滑閥結(jié)構(gòu)中的副油道打開，加快了控制腔內(nèi)燃油壓力的建立，即加快了針閥關(guān)閉時間。

圖10 80MPa兩種噴油器噴油規(guī)律對比

圖11 100MPa兩種噴油器噴油規(guī)律對比

圖12 120MPa兩種噴油器噴油規(guī)律對比

圖13 140MPa兩種噴油器噴油規(guī)律對比

表4 兩種噴油器試驗數(shù)據(jù)對比

圖14　兩種噴油器不同壓力下關(guān)閉時間對比

　　通過調(diào)整控制脈寬使兩個噴油器油量一致，測量噴油器在不同軌壓下一次噴射產(chǎn)生的回油量，試驗數(shù)據(jù)見表5。結(jié)果顯示，在循環(huán)噴油量相當(dāng)?shù)臈l件下，2號噴油器回油量明顯低于1號噴油器，燃油利用率更好，2號噴油器回油量占噴油量百分比也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1號噴油器。具體原因是增大回油量孔直徑是提高噴油器響應(yīng)特性的有效措施之一，而1號噴油器為了在不增大噴油持續(xù)期的前提下提高噴油量，必須提高噴油器響應(yīng)時間，所以增大回油量孔直徑在提高噴油器響應(yīng)特性的同時會造成噴油器回油量增大，并且隨著壓力的增高，回油量占噴油量的比例也增大。對于2號噴油器，增加滑閥結(jié)構(gòu)，通過增大滑閥上的滑閥節(jié)流孔和副油道就可以提高噴油器響應(yīng)特性，使噴油器循環(huán)回油量控制在較小的范圍內(nèi)。

　　2號噴油器噴油量、回油量仿真與試驗的對比結(jié)果見圖15。2號噴油器仿真噴油量與試驗噴油量最大相對誤差為3.8%，仿真回油量與試驗回油量最大相對誤差為4%。由此驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性，證明了這種共軌噴油器控制閥設(shè)計是可行的。

表5 回油量試驗結(jié)果對比

圖15 2號噴油器噴油量、回油量試驗與仿真結(jié)果的對比

4、結(jié)論

　　a)若要達(dá)到發(fā)動機(jī)目標(biāo)噴油率，在一定噴油持續(xù)期內(nèi)需要增大噴油量，這就要求在主噴期間能快速達(dá)到較大的噴油速率，在噴油器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，進(jìn)油節(jié)流孔、滑閥節(jié)流孔直徑應(yīng)盡量取較小值，滑閥副油道取較大值，這樣可以獲得理想的噴油規(guī)律曲線；

　　b)在不同共軌壓力下，達(dá)到相同循環(huán)噴油量時，帶滑閥的2號噴油器的關(guān)閉時間比1號噴油器最大提高了45.8%，響應(yīng)更快；2號噴油器一次噴射回油量占噴油量的百分比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1號噴油器，驗證了這種帶滑閥設(shè)計的共軌噴油器在相同試驗狀態(tài)下響應(yīng)更快，循環(huán)回油量更小，解決了共軌噴油器通過增大進(jìn)、回油量孔流量提高響應(yīng)時間而造成噴油器回油量增大的問題，提高了供油系統(tǒng)的效率，減少了發(fā)動機(jī)功率損失。