温度对高压共轨喷油器喷射性能的影响

刘学荣，张 翼，李 静，胡学宝

（1.中北大学机电工程学院，太原030051；2.北汽福田汽车股份有限公司，潍坊262207）

温度对高压共轨喷油器喷射性能的影响

刘学荣1，张 翼1，李 静1，胡学宝2

（1.中北大学机电工程学院，太原030051；2.北汽福田汽车股份有限公司，潍坊262207）

温度对柴油的物性参数影响很大，为了研究温度对高压共轨喷油器喷射性能的影响，建立了柴油物性参数随温度和压力的变化公式，并构建和简化了喷油器的数学模型。利用软件AMESim建立了喷油器模型，根据试验数据验证了模型的正确性。在不同温度下仿真计算了喷油特性，得到了不同温度下喷油器的喷油速率曲线和一次喷油量曲线。结果表明，温度对喷油器的喷油速率有一定的影响。对喷油器的设计改进提供了理论指导。

喷油器高压共轨温度性能喷油速率

1 引言

随着发动机技术的不断提高，柴油机正朝着大功率、高效率、低排放的方向发展。高压共轨喷射系统的出现使得柴油机的经济性和排放性能得到了很大的提高。目前对高压共轨喷射系统的研究主要采用计算机软件仿真和试验方法。国内外学者对喷油器结构参数分析做了大量研究，但这些研究没有考虑柴油物性参数受温度、高压的影响而变化。实际上，柴油在高温高压的情况下，其物性参数会发生很大的变化。

本文研究了温度对柴油物性参数的影响，并通过对柴油机高压共轨喷油器结构和工作过程的分析，在液压仿真软件AMESim中建立了喷油器模型，分析在不同温度下的高压喷射性能。

2 喷油器工作原理[1]

共轨柴油机喷油器的原理图如图1所示。在自由状态下，电磁阀处于断电状态。电磁阀在弹簧力的作用下使枢轴的球体顶在泄油孔座上，泄油孔关闭，在喷油器控制腔和盛油槽各承压腔建立高压。在弹簧力和液压力的作用下，针阀紧紧顶在针阀座上，维持喷油嘴在关闭状态。当电磁阀受信号脉冲时，由电磁触发产生电磁力克服弹簧预紧力，电磁阀针阀上移，泄油孔开启。随后，较高的拾取电流降至较低的电磁铁所需的维持电流，磁路的磁隙变小，仅需较小的维持电流使得控制阀保持开启。当泄油孔打开时，柴油将从阀控制腔通过出油节流口、泄油孔、回油口、回油管回到油箱。出油节流口直径大于进油节流口直径，破坏了绝对的压力平衡，最终在阀控制腔内的压力也下降。这导致阀控制腔内的压力低于仍与高压油管有相同压力水平的喷油嘴盛油槽的压力。阀控制腔内压力的减小导致作用于控制活塞上的力的减小，盛油槽处的液压力克服弹簧力和控制活塞所受的液压力，使针阀上升，最终喷油嘴针阀打开，喷射开始。

图1 喷油器原理图

3 柴油物性参数[2]

高压共轨系统柴油的温度和压力变化范围大，其物性参数也随之变化。对喷油过程影响较大的参数为粘度、密度、音速和弹性模量。以下所有带下标0的参数指1个大气压、293K的环境条件下的值。

（1）柴油粘度随温度和压力变化的公式可用Roelands粘压－粘温关系式：

在上式中各参数分别为：

其中：λ为粘温系数，K-1；z为粘压指数；s为粘温指数；α为粘压系数，m2/N；T为柴油温度，K。

（2）密度随压力和温度的变化关系

根据前人相似介质经验公式提出了的柴油密度经验公式：

其中：λT为热膨胀系数，K-1；kT为压力温度系数，K-1。

（3）音速公式

（4）弹性模量随温度和压强的变化公式

4 实验、计算与分析

4.1 模型建立与验证

在AMESim中建立喷油器模型[3]，如图2所示。根据喷油器特征参数设置模型中各子模型的参数，并根据实际情况做适当的简化、适当的调整以使模型更加准确。

为了验证模型的准确性，在恒温高压135 MPa下，对单次喷油过程的仿真结果与试验结果进行了对比分析。从图3可以看出，单次喷油率的仿真值与试验值很吻合。试验数据相对于仿真数据有延迟的原因是由于仿真模型没有考虑电磁响应速度。

图2 喷油器AMESim模型

图3 轨压135 MPa下试验值与仿真值

4.2 不同温度对喷油器喷油性能的影响

喷油器喷油性能的研究需要重点考查喷油速率。本文模型采用标准ISO 4113柴油，在135 MPa的轨压下，分析计算了温度为20℃、50℃、80℃和110℃时喷油器的喷油速率，结果如图4（a）所示。从图中可以看出，不同温度下喷油速率曲线发生很大的变化。主要表现在喷油起始时刻、最大喷油速率和喷油结束时刻的差异。

（1）温度对喷油起始时刻的影响

由图4（b）可以看出，随着温度的升高，喷油起始时刻也在推迟。这是因为随着温度的增加，柴油音速减小，弹性模量也在减小，同等压力下单位体积的柴油的压缩量增大，蓄能能力增加。当泄油孔开启时，控制室一边要释放已存储的液压能一边泄压，喷油器的控制室不能及时降压，以至于控制室和盛油槽的压力差不能及时地建立，从而使针阀提升时刻推迟，喷油时刻延迟。

（2）温度对最大喷油速率的影响

由图4（c）可以看出，随着温度的升高，最大喷油速率也在增大。由于柴油的粘度随着温度的升高而降低，其流动性增强，喷油口的喷油速率也随之增大。

（3）温度对喷油结束时刻的影响

由图4（d）可以看出，随着温度的升高，喷油结束时刻也在推迟。由于柴油的弹性模量随着温度的升高而减小[4]，致使控制室一边要储存液压能一边升压，控制室的压力不能及时地恢复，控制室和盛油槽的压力差同样不能及时地建立，引起喷油结束时刻的推迟。

图4 不同温度下喷油速率曲线

喷油器喷油量受诸多因素的影响，其中主要由喷油速率和一次喷射时间决定。本文采用“重计算”的方法计算喷油量，即完成一次喷射过程喷油量归零。计算结果如图5所示。

从图5（a）可以看出，不同温度下，在相同的喷射控制时间内，其喷油量曲线图大致相似。其中的区别主要在于曲线的曲率（喷油速率）及喷油量开始上升和结束上升的时刻。这一规律与上述温度对喷油速率影响的规律相符。从图5（b）中可以看出，每次喷油量相差很少，原因在于：虽然温度对喷油速率有一定的影响，但是，温度同时对喷油起始与终止时刻的影响使得每次喷油时间略有差异，并且不同温度下柴油的密度也不相同，以致使喷油量相当。

5 结论

图5 不同温度下喷油量曲线

通过温度对喷油速率曲线的影响可以看出，温度对喷油器的最大喷油速率、喷油起始和结束时刻有一定的影响。温度越高，最大喷油速率越大，喷油起始和结束时刻推迟。同时温度对每次喷油量产生轻微影响。这一规律为喷油器的电控开发以及发动机的匹配工作提供了重要的理论依据。

1周雯芸，姜峰，张洪涛.共轨式喷油器容积腔压力波动仿真分析[J].广西工学院学报，2012，23（1）.

2王钧效，陆家祥，王桂华等.柴油机燃油物性参数的研究[J].内燃机学报，2001，19（6）.

3蔡珍辉，杨海青，杭勇等.基于AMESim的高压共轨喷油器的建模及分析[J].柴油机设计与制造，2008，15（X）.

4 Dow R B,Fink C E.Computation of Some Physical Properties of Lubricating Oils at High Pressure(Part I)[J].Journal of Applied Physics,1940,11(5): 353-357.

Influence of Temperature on High Pressure Common Rail Injector Spray Performance

Liu Xuerong1,Zhang Yi1,Li Jing1,Hu Xuebao2
（1.College of Mechatronic Engineering,North University of China,Taiyan 030051,China; 2.Beiqi Foton Motor Co,Ltd,Weifang 262207,China）

Temperature affects the physical parameters of diesel greatly.To investigate the influence of temperature on high pressure common rail injector spray performance,a formula about changes between diesel physical parameters and temperature as well as pressure was established.A mathematical injector model was built and simplified.The injector model was established by using AMESim and its correctness was verified based on experimental data.Simulation about injection characteristics at different temperatures was calculated,and the injection rate curve and the injection quantity curve at one time at different temperatures were obtained.The result shows that the temperature has influence on the injection rate.This paper provides a theoretical guidance for improving the design of such injector.

injector,high pressure common rail,temperature,performance,injection rate

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.01.002

来稿日期：2013-10-07

刘学荣（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向为发动机总体技术及结构动态设计。