电控喷油器响应特性影响研究

（中北大学 车辆与动力工程系，太原030051）

电控喷油器响应特性影响研究

马富康

（中北大学 车辆与动力工程系，太原030051）

分别从理论分析和模拟计算的角度，定性、定量地分析了电控喷油器各关键结构参数对其响应特性的影响规律。以德尔福（DELPHI）共轨电控喷油器为研究对象，以系统轨压在160 MPa下的喷油规律试验研究为基础，以HYDSIM为仿真平台，建立了电控喷油器仿真模型。通过试验，验证了系统模型；运用模型，研究了对喷油器响应特性的影响因素，并以提高电控喷油器响应特性为出发点，探讨了各关键结构参数的设计原则。通过分析计算，为电控喷油器结构参数的合理选择和设计提供了理论依据。

电控喷油器 响应特性 模拟计算 影响

1 概述

电控喷油器是高压共轨式燃油喷射系统中的关键执行部件，其响应特性直接影响发动机的燃烧过程。喷油器的结构参数对喷射过程有着很大的影响，选择合适的结构参数可以提高喷油器的响应速度、改善喷射过程。为了全面了解电控喷油器的结构参数对响应特性的影响，本文以德尔福公司的电控喷油器为研究对象，进行了多参数的模拟计算，可为喷油器结构参数的优化提供理论依据。

2 参数定义

（1）电控喷油器响应时间

电控喷油器的响应特性在很多文献中有不同的定义方法。结合相关文献及现有的研究条件[1]，定义了描述电控喷油器针阀的4个响应时间，见图1。

（2）电控喷油器关键结构参数

喷油器结构见图2，影响喷油器的关键结构参数有：进出油量孔的有效流通面积、控制活塞直径、针阀导向体直径。此外，影响喷油器针阀响应特性的还有运动件的质量、针阀密封底径等参数。本文针对进出油量孔和有效流通面积、控制活塞截面积以及针阀导向体截面积对电控喷油器针阀响应特性的影响趋势进行探讨。

图1 针阀响应时间定义示意图

图2 针阀响应时间定义示意图

3 理论分析

电控喷油器在静止状态时，电控喷油器控制腔内压力和轨道压力相同。当喷油器电磁阀受激励开启后，控制腔内燃油从出油量孔泄出，控制腔压力降低。当控制腔压力降至针阀能够开启的临界压力时，针阀开始升起。针阀在升起过程中，控制腔内压力近似不变。针阀到达最大升程位置后，控制腔压力继续降低至一个稳定压力。喷油器电磁阀关闭后，控制腔内压力升高。当控制腔内压力上升至能够关闭的临界压力时，针阀开始关闭。针阀在关闭过程中，控制腔内压力近似不变。当针阀完全落座后，控制腔内压力继续上升至轨道压力。喷油器控制腔内压力变化过程见图3。

当电控喷油器针阀完全开启后，控制腔内压力将下降至稳定压力Pcr。此时，进油量孔和出油量孔的流量相同，即：

其中ρ为燃油密度。

由式（2）可知：(Ab/Aa)2越大，即出油量孔的有效流通面积与进油量孔的有效流通面积比值越大，Pcr/Pr越小，即控制腔内稳定压力越低。

图3 针阀响应时间定义示意图

由于电控喷油器的针阀弹簧一般较软，预紧力不大，可以忽略针阀弹簧的作用。因而针阀开启时控制腔临界压力为：

分析运动件的受力情况可知，针阀可以开启的条件是：Pcr＜Pco。由式（2）和式（3）可以得到，针阀的开启条件为：

针阀关闭时控制腔内临界压力为：

要使针阀能够关闭必须满足：Pr＞Pcc，即针阀的关闭条件是：

结合针阀响应过程，由上述一系列公式可知：

（4）Aa越大，针阀在关闭过程中控制腔压力上升越快。越小，针阀落座的加速度越大。则较大的Aa和较小的有利于加速针阀的落座过程，减小针阀关闭时间t4。

4 仿真分析

4.1 模型建立

为了准确地分析研究电控喷油器结构参数对其响应特性的影响情况[2,3]，本文采用AVL公司开发的喷油系统模拟计算软件HYDSIM，对德尔福电控喷油器进行数值建模，喷油器主要参数见表1。模型包括：喷嘴、针阀、控制活塞、控制腔、两节流孔、盛油槽、电磁阀以及针阀和控制活塞的泄漏[4]，见图4。

表1 德尔福电控喷油器主要参数

图4 电控喷油器计算模型

4.2 模型校验

为了验证模型的正确性和准确性，对共轨系统进行了台架试验，结果见图5。由图5可以看出：在喷射初期，即针阀开始升起的阶段，仿真喷油率曲线的斜率比试验测得的喷油率曲线的斜率要大，即喷油率上升较快。针阀上升的初期阶段，相对误差较大。轨道压力为160 MPa时，相对误差最大为10.7%。针阀升起的后期阶段，喷油率曲线重合较好。在稳定喷射阶段，喷油率仿真曲线和试验曲线趋势一致，局部区域有误差，相对误差最大为13.4%。喷油器针阀在落座阶段，喷油率的仿真曲线和试验曲线吻合较好，相对误差小于1%。

图5 喷油率试验曲线和仿真曲线对比

4.3 仿真结果分析

在模型校验准确的基础上，分析了Aa、Ab、Ac和Ag4个关键结构参数对喷油器响应特性的影响状况，参见图6～图9。

（1）Aa对电控喷油器响应特性的影响

图6表明：随着Aa的增加，t1、t2随之增加，t3、t4随之减小。t1、t3的变化相对于t2、t4较小，说明Aa对t2、t4有较大的影响。增大Aa，针阀上升缓慢，但落座速度增加，电磁阀开启时间相同时喷油持续期减小。但Aa不能取得太大，否则无法满足针阀开启条件[5,6]，同公式（4）所表明的相符合。

在电控喷油器运动件结构参数不变的情况下，其临界开启压力和临界关闭压力不变。Aa增大，Ab不变时，电磁阀的卸压能力相对减弱，则t1增大。Aa增大，针阀在上升过程中，控制腔内的压力相对较大，针阀上升的加速度减小，t2增大。同时，由于Aa增大，控制腔内充油的速度增加，则t3减小。针阀在下降过程中的加速度增加，t4减小。

图6 Aa对电控喷油器响应时间的影响

（2）Ab对电控喷油器响应特性的影响

图7表明：由于t1在喷油器整个响应时间中所占比例较小，Ab对电控喷油器的影响主要体现为其对电控喷油器开启过程的影响。增大Ab能够减小t1、t2，加速电控喷油器针阀的开启过程。

在电控喷油器运动件结构参数不变的情况下，其临界开启压力和临界关闭压力不变。Ab增大，则控制腔卸压能力加强，在较短的时间内控制腔内压力下降到开启压力，t1减小。同时，由于控制腔卸压能力的增强，针阀开启时，控制腔内压力较低，针阀上升的加速度增加，t2减小。对于本次研究的电控喷油器，其关闭时间很短，小于0.2 ms的时间内关闭。电磁阀一旦关闭，出油量孔不再对针阀关闭过程起作用。因此，Ab的变化对电控喷油器关闭过程没有影响。

图7 Ab对电控喷油器响应时间的影响

（3）Ac对电控喷油器响应特性的影响

图8表明：在Ac的变化范围内，t2相对于t1的变化较大，t4相对于t3的变化较大，Ac对t2、t4影响较大。增大Ac可以减少针阀的关闭时间，但同时减缓了针阀的升起过程。电磁阀开启时间相同情况下增大Ac，缩短了喷射持续期。根据式（4）可知：过大的Ac甚至使针阀无法满足开启条件。

Ac增大，则针阀开启的临界压力变小，控制腔内压力需要更长时间才能下降到开启临界压力，即t1增大。Ac是电控喷油器运动件上部的受力面积，Ac增大，则运动件向上运动的加速度减小，t2增大。Ac增大，减小了电控喷油器针阀的临界关闭压力，控制腔内压力上升到临界关闭压力的时间缩短，t3减小。由于Ac增大，增加了运动件上部受力面积，运动件的加速度增加，t4减小[7]。

图8 Ac对电控喷油器响应时间的影响

（4）Ag对电控喷油器响应特性的影响研究

图9表明：在Ag的变化范围内，t2相对于t1的变化较大，t4相对于t3的变化较大，t1、t3在电控喷油器整个响应时间中占份额相对较小。Ag对t2、t4影响相对较大。较小的Ag能够缩短针阀的落座时间，但延缓针阀的开启过程。根据式（4）可知：过小的Ag甚至使针阀无法满足开启条件。

Ag增加，则针阀的临界开启压力增加，临界关闭压力增加。因此，电控喷油器进出油量孔不变情况下，针阀的开启延时t1减小。控制腔内的压力需要更长时间达到临界关闭压力，故t3增加。Ag增加，运动件下部的受力面积增加，针阀在上升的过程中加速度增加，开启时间缩短，t2减小。同时，较大的Ag使得针阀在下降过程中加速度减小，t4变长。

图9 Ag对电控喷油器响应时间的影响

5 结论与建议

通过分析Aa、Ab、Ac、Ag这4个参数对电控喷油器响应特性的影响特性，可得出以下结论：

（1）在电控喷油器的响应过程中，t2、t4相对较长，t1、t3相对较短。为了加速电控喷油器的响应过程，应采取措施缩短t2、t4。

（2）Aa主要影响针阀的关闭速度，Ab主要影响针阀的开启速度。为了提高电控喷油器针阀的关闭速度，应选取较大的Aa。为了提高针阀的开启速度，应该提高Ab与Aa的比值。较大的Aa和Ab会增加回油流量，降低共轨系统的机械效率并加剧回油温升[7]。

（3）Ac、Ag对t2的影响较其对t4的影响大。为了减轻运动件的质量，缩小电控喷油器的尺寸，设计时在保证运动件强度基础上选取Ag的小值。合理控制Ac和Ag的比值。比值太大，则针阀上升缓慢，落座迅速，增加了针阀与座面撞击的能量，缩短针阀偶件的使用寿命；比值太小，则针阀落座缓慢，不利于柴油机燃烧。为加速电控喷油器的响应过程，应充分考虑Ac、Ag对t2的影响。

1郭海涛．高压共轨喷油系统喷油规律与控制策略的研究[D]．上海交通大学，2001．

2 Keiki Tanabe等．用计算机模拟分析共轨系统的喷射特性[J]．国外内燃机，2000（5）：36-39．

3 Miyaki M.Development of New Electronically Controlled Fuel Injection System ECD-U2 for Diesel Engines[C].SAE 910252.

4 AVL LIST GmbH.HYDSIM Reference Manual. 2007.

5 Lee Y G,Kim S H,Kim J U,et al.A High Pressure Fuel Control and Its Injection Characteristics.JSAE 9530175.

6李捷辉，李忠海．高压共轨柴油机电控喷油器的仿真[J]．农机化研究，2009(2)：196-198．

7顾慧芽，唐焱．共轨喷油器参数对喷油规律的仿真研究[J]．液压气动与密封，2009(6)：41-44.

Effects of Response Characteristics on the Electronic-control Injector

Ma Fukang
（Dept.of Vehicle and Power Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China）

Theoretical analysis and simulating calculation of the effects of response characteristics on the electronic-control injector are introduced in this article.A DELPHI common rail electronic-control injector is used as a research object.The models of the injector are created with HYDSIM,and the base of investigation is the test of the injector rule of the common rail system in the 160MPa rail pressure.The models are validated by test results.The effects of key construction parameters on its response characteristics are investigated by the simulation model.The determination of key construction parameters is also discussed aiming at the improvement of its response characteristics.By the analysis and simulating calculation,the theory base is been provided for the selection and design of construction parameters of the electronic-control injector.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.002

来稿日期：2011-01-17

马富康（1979-），男，工学硕士，主要研究方向为内燃机结构设计及性能研究。