新型共轨电控喷油器的开发

张 晓，汪 洋，盖 超，朱 涛，何 方

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

二甲醚(dimethyl ether，DME)是一种适合应用在发动机缸内直喷的代用燃料．但由于其黏度低于柴油，尤其二甲醚仅为柴油十分之一，会对燃油喷射系统偶件带来严重的密封和磨损问题．国外 AVL、VOLVO和 NISSAN等公司对二甲醚共轨喷油系统进行了多年的研究，开发出二甲醚发动机样机和示范车[1-3]；国内上海交大和西安交大也在相应的喷射系统方面作了一定的研究，大多也是在机械式喷油器基础上进行改进，没有在根本解决低黏度燃料对喷油器泄漏和磨损问题．日本捷克赛尔公司开发出DME专用电磁直接驱动喷射器，尽管没有柱塞偶件，但喷射器存喷油特性受喷射压力和背压影响呈非常规变化，导致实际应用难以控制[4]．笔者从工作原理层面提出了一种适用于缸内直喷共轨式喷油器方案，回避了使用偶件，可以彻底解决喷油器的磨损和密封．利用三维电磁软件和液力软件 Flowmaster建立了喷油器的相应仿真模型，通过仿真模拟验证所提方案的可行性，最后开发出喷油器的实际样机并通过试验对仿真结果进行了验证．

1 新型共轨电控喷油器原理

所设计的喷油器原理如图1所示，喷油器由电磁铁、起衔铁作用的 T型块、针阀和复位弹簧等构成．在针阀和 T型块之间有一个自由间隙 h，称为自由升程．工作时，电磁铁通电所产生的电磁力首先拉动 T型块，T型块在不断加速过程中获得一定初速度，当自由升程 h缩小到 0时，T型块通过止口与针阀上端的凸缘接触，发生碰撞，针阀在碰撞拉动作用下打开，喷射开始；T型块带动针阀一起向上运动，直到总升程 H＝0，针阀开启过程结束；电磁铁断电后，针阀在复位弹簧力作用下带动T型块一起向下运动，直到针阀落座，喷油停止．和现有高压共轨式电控喷油器技术中相比，该喷油器在结构原理上有以下3个特点：①取消了液力柱塞，针阀外圆面也无需密封，彻底回避了偶件的泄漏和磨损问题；②没有回油口，输入喷油器的燃料全部从喷孔喷出；③采用 24,V电压直接驱动．

2 喷油器计算模型的建立

电控喷油器是电、磁、机、液四者非线性耦合系统．根据电控喷油器的特点，可将其分解为 3个子模型：电路模型，磁路模型和机械液压模型[5]．为了准确分析影响喷油器性能的各方面因素，笔者使用三维电磁分析软件搭建电磁场模型进行动态电磁场及电磁力计算分析，采用 Flowmaster 搭建液力仿真模型，耦合电磁计算的动态电磁力，对喷油器进行液力和响应特性地分析．

2.1 喷油器的电磁计算模型

良好的电磁铁动态吸力特性是保证喷油器快速响应稳定工作的关键因素[6]．利用三维电磁分析软件，根据喷油器的原理，搭建相应的电磁结构的三维模型，其结构仿真模型如图2所示．通过模型分析，影响喷油器响应特性的参数主要有驱动电压、线圈匝数、衔铁质量、弹簧预紧力、选用的磁性材料及阀芯的尺寸和行程等．利用电磁计算模型，重点分析导磁材料、衔铁结构和线圈匝数对动态电磁力的影响．

图2 喷油器电磁仿真模型Fig.2 Electro-magnetic simulation model for injector

2.1.1 导磁材料的影响

为了提高喷油器的响应特性，喷油器导磁材料的选择原则是高电阻率、高导磁率、高饱和磁感应强和低矫顽力，但实际材料选择往往不能兼顾[7]．目前国内主要的电磁材料特性如表1所示．

表1 主要铁磁材料特性Fab.1 Characteristics of main ferromagnetic materials

考虑经济性和加工的可行性，选择Fe-Co合金作为喷油器电磁铁阀芯导磁材料．图 3是 2种不同材料结构动态电磁力的响应曲线．一种导磁结构为 Fe-Co合金；另外一种为电铁．由图 3可以明显看出，采用 Fe-Co合金材料的电磁力响应特性远远优于电铁结构，主要原因是Fe-Co合金的高饱和磁感应强度和高电阻率所致．由图3还可以看出，采用Fe-Co合金材料在结构尺寸上具有更大的优化余地，通过使用脉宽调制(pulse width modulation，PWM)斩波电流驱动方式能更加有效地降低驱动能量的消耗．

2.1.2 衔铁结构的影响

电涡流是影响喷油器响应特性的一个不可忽视的因素，减少其影响除了采用高电阻率的导磁材料外，在不影响结构强度和静态力损失不大的前提下可对衔铁进行切槽处理．图 4是衔铁在 0.8,ms驱动脉冲下开槽与不开槽的动态电磁力曲线对比．由图 4看出开槽结构电磁力响应速度优于不开槽结构，但最大升程处的静态电磁力略有下降．随着切槽数地增加，有利于提高动态电磁力的响应速度．通过计算，再增加开槽数及开槽长度对响应时间几乎没有太大提高．通过开槽，衔铁到达最大升程处时间可提前0.02,ms．图 5是在 0.345,ms时电涡流的生成图．通过图 5的电涡流图可以看出，切槽可以有效阻断电涡流的大面积形成，使其限制在较小的截面内流通，降低了涡流强度，有利于提高外加磁场渗透和衰退速度，从而提高电磁力的响应．但切槽面积不能过大，否则会降低衔铁的强度，同时也会因为吸合面积减少而导致静态电磁力下降过大[8-9]．线．尽管线圈匝数地增加有利于提高磁势，促进电能与磁能地转换，增强电磁力，但电感地增大影响电磁铁的响应速度．由图 6看出，电磁力的响应速度随着线圈匝数地增加而降低，这主要由于线圈匝数增加使电感增大，增加了电流的响应时间导致电磁力的响应速度下降．在 45匝下，衔铁到达最大升程的时间比24匝延迟0.1,ms．

图3 不同材料的电磁力曲线对比Fig.3 Comparison of electromagnetic force curves of dif-Fig.3 ferent materials

图4 不同衔铁结构的电磁力曲线对比Fig.4 Comparison of electromagnetic force curves of dif-Fig.4 ferent armature structures

图5 衔铁的电涡流比较Fig.5 Comparison of armature eddies

2.1.3 线圈匝数的影响

线圈匝数是影响电磁铁响应速度的一个敏感参数．图 6是 3种不同线圈匝数动态电磁力的响应曲

图6 不同线圈匝数的电磁力曲线对比Fig.6 Comparison of electromagnetic force curves with Fig.6 different coil turns

图 7是电压激励后不同时刻的喷油器磁路动态分析结果．结果表明，喷油器导磁体的磁化是个渐进过程，磁场是逐步渗透进导磁材料进行磁化的．选择良好的导磁材料和结构优化设计，提高导磁体的磁化过程速度是提高喷油器响应性能的关键．分析结果还表明本文设计的喷油器的导磁结构所产生的漏磁很少，边缘效应影响较小，结构较为合理．

图7 磁路分析结果(24,V激励)Fig.7 Analytical results of magnetic circuit(24 V excitation)

2.2 喷油器的液力计算模型

新型共轨喷射系统原理如图 8所示．机油被高压泵加压，高压机油通过二位四通电磁阀输送到工质转换器实现对低黏度燃料的加压，加压后的燃料通过单向阀进入共轨，共轨管中的高压燃料通过高压管输送到电控喷油器．工质转换器包括 2个工作单元，每一个单元中有1个隔离膜片，进入工作单元的高压机油通过隔离膜片对燃料进行加压，2个工作单元交替工作，从工质转换器出来的高压二甲醚基本连续且波动较小．这种供油系统可以有效避免低黏度燃料对供油和喷射系统地磨损，也适用于常态下为气体的二甲醚地喷射．应用Flowmaster液力仿真软件，对上述二甲醚共轨系统地建立喷油器的液力仿真模型，如图9所示．为了准确计算受力影响，将 T型块和针阀看成是一个质量-弹簧-阻尼系统，并进行质量分割，质量块之间是刚性连接[10]．模型仿真计算分为 2个部分：一是油路计算，将系统作为一维非定常流动处理，且考虑燃料的压缩性；另一部分是针阀位移计算，没有现成的元件，利用该软件的接口编程来实现．

图9 共轨系统的液力仿真模型Fig.9 Hydraulic simulation model of common rail system

液力仿真过程是：先通过三维电磁有限元仿真模型调整不同升程，计算得到在不同脉冲激励下的动态电磁力曲线，再耦合到一维液力仿真模型中，得到相应条件下喷油器针阀的开启和关闭时间及针阀位移和喷油速率曲线．喷射速率曲线可以积分出单次喷油量，不同脉宽下的喷油量可以拟合出油量特性曲线．

对所开发的电控喷油器液力影响较大的重要设计参数是 T型块和针阀质量、弹簧预紧力、针阀和阀座密封面积、自由升程和有效升程(总升程-自由升程)．在喷油器结构确定的条件下，自由升程和有效升程的变化对喷油器的喷油性能影响极大．

2.2.1 自由升程对喷油器针阀升程的影响

图 10为不同自由升程下针阀位移仿真曲线．仿真条件：共轨压力 35,MPa，2,ms脉冲驱动，激励电压24,V，有效升程0.35,mm．

由图 10可以看出，针阀的开启延迟随着自由升程地增大而增大，针阀开启速度与自由升程的大小反向相关．这主要由于随着自由升程地增大，总升程变长，电磁力相对有所减弱，T型块自由加速的时间变长所致．从图中也可以看到，自由升程过短，针阀到达最大升程处所需的时间要长很多，其原因是T型块碰撞针阀时的速度小，碰撞力减弱，使得针阀开启比较困难．

图10 2,ms脉冲下自由程对针阀升程的影响Fig.10 Effects of free lift on needle lift at 2,ms pulse

2.2.2 有效升程对喷油器针阀升程的影响

图 11为不同有效升程下针阀位移仿真曲线．仿真条件：共轨压力 35,MPa，2,ms脉冲驱动，激励电压24,V，大自由升程．

图11 2 ms脉冲下有效升程对针阀升程影响Fig.11 Effects of effective lift on needle lift at 2 ms pulse

由图11可见，由于自由升程相同，不同有效升程对应的针阀开启过程基本重合；针阀关闭时刻和落座速率随着有效升程地增大而增大；针阀关闭过程是弹簧力、剩磁力和行程3种综合的结果．在满足针阀阀座不节流的前提下，应尽量减小有效升程，这有利于减少关闭响应延迟时间．

3 喷油器工作特性的试验验证

3.1 共轨喷射试验系统

由于二甲醚常态下是一种气态燃料，测量二甲醚系统的油量特性比较困难，用于验证模型有效性的实验采用柴油试验．柴油和二甲醚在弹性模量和密度上有所差异，这种差异会体现在油量特性上的不同．图 12是共轨压力 35,MPa下不同脉宽驱动下的柴油和二甲醚的单次喷油量油量特性仿真曲线．仿真结果表明，柴油和二甲醚动态特性相近，油量特性曲线变化趋势是一致的，但是二甲醚的喷油量要大于柴油．上述仿真结果说明用柴油试验验证二甲醚喷射系统的仿真模型具有较大的可信度．

在仿真计算和试验基础上，确定喷油器的相应电磁结构参数，开发出了实际样机．使自由升程和有效升程具有可调功能，并采用图 13所示的装置进行了试验研究．其工作原理是：油泵将机油加压后送送到压力转换器，压力转换器把机油压力转换为二甲醚压力后，通过二位四通阀传送至二甲醚轨，轨压的稳定由压力传感器反馈控制压力转换器．电控装置对喷油器进行喷射控制，同时将信号传给上位机PIV控制器用于触发激光器．

图13 喷射系统试验系统示意Fig.13 Sketch of testing system for injection

试验的主要目的，是对新开发的原理性样机进行性能测试，并对仿真研究的结果进行验证．所用的试验方法是利用PIV光学系统，获得喷雾不同时刻的高速图像，以准确获得针阀响应延迟，并对喷雾过程进行直接观察，试验中利用柴油模拟二甲醚燃料．油量特性试验是采用量筒收集多次喷油量取平均的办法．

3.2 喷油器启喷时间、喷油规律和油量特性仿真试验对比

试验中将共轨压力设置15、22.5和25,MPa，电流脉冲时间为2,ms．图14是不同的共轨压力下的喷油规律仿真曲线．

图14 2 ms脉冲共轨压力对喷油规律影响Fig.14 Effects of common rail pressure on injection law Fig.14 at 2 ms pulse

从图 14中可以看出，2,ms驱动脉冲时，共轨压力从 15,MPa到 25,MPa，针阀开启响应完全相同，都是0.545,ms．激光高速摄像获得的开启响应为0.7,ms，表明仿真结果比试验结果提前，差异的原因可能来源于电磁力响应的计算误差．

从图14中还可以得出喷油器关闭响应速度分别是 0.749,ms(25,MPa)、0.751,ms(22.5,MPa)和 0.765 ms(15,MPa)，即随着共轨压力增大，关闭响应略有加快．激光高速摄像获得的关闭响应为 0.7,ms，与仿真结果比较接近．

开启响应速度不受共轨压力的影响是本文所提出的喷油器的一个优点，这是由工作原理决定的，即碰撞发生的时刻就是喷油器启喷的时刻，在碰撞发生前的自由升程阶段，喷嘴内部的压力不会影响T型块的运动规律．

图 15是在 22.5,MPa的共轨压力下，中自由升程和0.25,mm有效升程组合下仿真和试验的油量特性对比曲线．由图15可以看出，实际的油量特性曲线的趋势和仿真曲线符合得比较好，但是试验油量均比仿真结果小，以误差百分比衡量，大油量时误差较小，而小油量时较大．差异的原因可能来源于电磁力响应的计算误差，仿真计算的电磁力响应提前，导致针阀的开启时间与实际开启时间比提前，导致喷油量偏大．

图15 22.5,MPa共轨压力下油量特性对比曲线Fig.15 Comparison of oil amount characteristic curves under common rail pressure of 22.5,MPa

4 结 论

(1)电磁铁结构选用高饱和磁感应强度和高导磁率材料，对衔铁切槽处理及优化线圈均有利于可以显著提高喷油器电磁铁的动态响应性，尤其电磁铁的阀芯选材影响尤其显著．

(2)随着自由升程增大，针阀开启响应时刻略微延长，但开启速度增快；减少有效升程可以有效提高针阀的关闭响应速度．

(3)合理匹配自由升程和有效升程，可以有效提高喷油特性的线性度．

(4)仿真模型能很好地预测喷油器的喷油特性．实际喷油器的开启和关闭响应时间与仿真结果较为接近；实际油量特性曲线与仿真结果趋势符合较好，实际喷油量比仿真结果小，大油量时误差较小，小油量时误差较大．

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