使用HYDSIMm软件对双弹簧喷油器系统的仿真研究

双弹簧喷油器结构如图 1 所示，其与常规喷油器的最大不同点是针阀升程由两个阶段组 成，由两个弹簧控制。一级针阀升程阶段由弹簧 1 控制，一级开启压力 ps1 较低；二级升程 阶段则由两个弹簧共同控制，其承受喷油器的标定开启压力 ps。
表 1 某型带 有双 弹 簧喷 油器燃油系统 主要结 构 参 数
凸轮型线
本文运用 AVL HYDSIM 软 件，分析了双弹簧喷油器喷油系统的喷射特性，并对 配用常
1
规 等容出油阀 、带 削扁的等容出油阀 、阻尼出油阀 和等压 出油阀 情况 下的双弹簧喷油器喷油 系统的喷射特性进行了讨论。
2 双弹簧喷油器燃油喷射系统的基本数学模型
2.1 双弹簧喷油器结构及工作原理
本文所研究的高压燃油喷射系统为带有双弹簧喷油器的泵－管－嘴结构形式，其主要结 构参数见表 1。
In order to avoid the 2nd injection in the investigated system the high pressure fuel injection characteristics of two-spring injector systems matching with standard constant volume delivery valve, by-pass delivery valve, resistance type delivery valve and constant pressure delivery valve are discussed.
考虑到实际中偶件的泄漏，用“leakage”（泄漏）模块分别对柱塞、针阀偶件泄漏建模， 并定义偶件的密封长度和间隙。
图 2 为常规等容出油阀和不带削扁的等容出油阀系统建模对比。
从图中可以看出，与常规等容出油阀建模区别，在带削扁的等容出油阀模型中，由 “constant volume valve ”（等容出油阀）、“standard volume” （出油阀腔）、“slide valve” （滑阀）模块组成。其中，“constant volume valve”模块定义出油阀升程、减压容积等；“slide valve”模块定义有效流通面积随出油阀升程变化关系来等价削扁情况，有效流通面积指的 是在出油阀体没有离开阀座前，由于削扁作用，在低转速下，在削扁处流体提前供油改善供 油特性，调节扭矩特性。滑块和出油阀是用特殊连接，由于滑块等效削扁，削扁是在出油阀 上将减压环带磨去一部分，故滑块和出油阀是一体的，用特殊连接方式。
图 3 为带阻尼出油阀的双弹簧喷油器系统仿真模型。 在带削扁的等容出油阀模型基础 上加上“Delivery Valve”（卸载阀）、“Orifice”（节流孔）及“Volume”（卸载阀腔）模块组 成。其中“Delivery Valve”定义了阻尼滑块运动质量、阻尼滑块最大升程、阀座直径、开启 压力、弹簧刚度等；在“Orifice”定义了节流孔孔径、节流孔入口直径、节流管长度等；在 “Volume”定义了阻尼阀腔容积等。连接方式节流孔以液力连接方式，以常通的方式组合。
图 5 为本系统在全负荷不同发动机转速下的仿真模拟所得的结果。由图 5 可见，在怠速 情况下，只有第一级升程开启下，一级升程开启阶段明显，从而使一级升程期间的初期喷油量能起到 对喷油速率实现先缓后急的调节功能。在高转速情况下，一级升程开启阶段变得不明显，接 近于常规的单弹簧喷油器针阀的运动规律。
定流动。流体流动阻力又稳定流动公式计算。 4) 在柱塞腔、出油阀腔及喷嘴腔中的燃油，在压缩、膨胀时其状态变化系瞬间达到平衡。 5) 燃油通过各节流孔时的流动，在微小时间间隔内认为是定常流动，因此节流孔处的流量
由伯努利方程计算。喷孔及其它各孔处的流量系数取经验值。 6) 不考虑燃油喷射系统的弹性变形。 7) 不考虑弹簧的自振。
∑ mV 1
d2y dt 2
+
cV 1
dy dt
+
kV1 y
=
Di pi − F
2) 当 h1≤ y ≤h1 + h2 时，针阀运动方程为
式中， mV1 —针阀的运动质量（针阀、一级顶杆、1/3 一级弹簧质量）； mV 2 —二级顶杆和
1/3 二级弹簧质量；cV1 —针阀一级弹簧阻尼系数；cV 2 — 针阀二级弹簧阻尼系数；kV1 — 针阀一级弹簧刚度； kV 2 — 针阀二级弹簧刚度； Di —压力 pi 作用下的针阀面积； y —针 阀的升程； F —作用在针阀座面上的弹力（弹簧预紧力、阀座支反力、针阀摩擦力、针阀
由假设 4)可知，对喷油泵的柱塞腔和出油阀、喷油器的盛油腔和压力室作为集中容积 来处理，则有
连续方程：
V dp = 1 dm − dV E dt ρ dt dt
式中， dp 为容积中压力变化；V 为集中体的容积； dm 为质量流量的变化。
dt
dt
出油阀基本运动方程：
∑ mV
d2 y dt 2
+ cV
常规 等容出油 阀 、带 削扁等容 出油阀 、阻尼出 油阀 、等压 出油
阀
Φ1.8×647 5×0.29 0.10 0.34 17.65 21.57
2.2 对本模拟计算系统的基本假设
本系统研究所采用的基本假设是： 1) 实际的喷油系统在简化中忽略了高压油管变截面、缝隙滤清器等对喷射过程的影响。 2) 喷油压力变化所引起的温度变化是微小的，因此不考虑温度随压力和时间的变化。 3) 高压油管一般较细，本计算中其直径为φ1.8mm，因此管内流动认为是一维有摩擦不稳
5
双弹簧喷油器
针阀边界条件
14
16 针阀偶件泄漏
17
针阀
喷孔
15
13 喷嘴腔
12
纵油道
P
8
气缸压力
6
高压油管
7 进油管接头容积
21
高压油管
带削扁和不带削扁的等容阀建模对比
带削扁等容出油阀
18 出油阀腔
等容出油阀
5
20
出油阀腔
滑阀
19 出油阀
11 出油阀
直列泵
4 柱塞腔
3
进回油孔
2
dy dt
+ kV
y
=
Di pi − F
式中， mV —出油阀的质量； y — 出油阀的升程； F —作用在出油阀上的弹簧力； kV —
出油阀弹簧刚度；cV —出油阀弹簧阻尼系数；i — 变量序列； Di — 为压力 pi 作用下出
油阀的面积。
双弹簧喷油器针阀基本运动方程：
1) 当 0≤ y ≤ h1 时，针阀运动方程为
柱塞直径，mm 凸轮升程，mm 凸轮基圆直径，mm 滚轮直径，mm 柱塞预行程，mm 进回油孔孔数×直径（mm）
函数凸轮
10 12.5 Φ34 20 6.8 2×5
出油阀类型
高压油管内径×长度（mm） 喷孔数×喷孔直径（mm） 一级针阀升程（预升程）（mm） 二级针阀升程（全升程）（mm） 第一级开启压力（MPa） 第二级开启压力（MPa）
使用 Hydsim 软件对双弹簧喷油器系统的仿真研究
董尧清 朱朋 王志华
（同济大学汽车学院，上海 201804）
摘要：双弹簧喷油器由于结构的特点能实现先缓后急的喷油速率，从而改善了柴油机的低速稳定性和降低 噪声。通过 HYDSIM 液力模拟计算软件，对带双弹簧喷油器喷油系统的喷射特性进行了模拟计算。探讨了双 弹簧喷油器主要结构参数对喷射特性的影响规律。同时为消除本研究系统中出现的二次喷射，进而对双弹 簧喷油器配用常规等容出油阀、带削扁的等容出油阀、阻尼出油阀、等压出油阀等四种不同出油阀时的喷 射特性进行了分析研究，讨论了各种出油阀的主要结构参数对喷射特性的影响。
运动方程： 连续方程： 物态方程：
∂u + u ∂u + ρ ∂p = − f ∂t ∂x ∂x ∂ρ + u ∂ρ + ρ ∂u = 0 ∂t ∂x ∂x
dρ = dp ρE
式中， u 为燃油速度； ρ 为燃油密度； p 为燃油压力； E 为燃油体积弹性模量； f 为单位
流体流动阻力。
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（2）喷油泵和喷油器
图 4 为带等压阀的双弹簧喷油器系统仿真模型。在等压出油阀模块中，采用“Check Vavle”模块、 “Delivery Vavle” 模块及“Standard Volume”模块组合。在“Check Vavle” 模块中定义了钢球质量、钢球关闭压力等参数；在“Delivery Vavle”定义了出油阀质量、出 油阀最大升程及开启压力等参数；“Standard Volume”模块定义出油阀腔的容积等参数。值 得注意的是等压出油阀的液力连线有方向性，连线方向不能反。
3. 双弹簧喷油器系统仿真分析
3.1 双弹簧喷油器结构参数对双弹簧喷油系统特性影响的仿真研究
本研究工作中为提高仿真计算的精度，先将使用单弹簧喷油系统的喷射压力仿真计算的 结果与实测结果进行过比较，使两者达到良好的吻合关系。在此基础上，开展双弹簧喷油系 统的计算研究。
3.1.1 不同转速下双弹簧喷油器系统泵腔压力、喷嘴腔压力和针阀升程的计算
双弹簧喷油器模块中，采用“Laplace Line”模块和“standard volume”模块模拟纵油道 和喷嘴腔；“needle of 2－spring nozzle”和“sac nozzle orifice”定义了双弹簧针阀偶件和喷 孔的结构。一级弹簧刚度和预紧力在“mechanic connection”模块中定义，二级弹簧刚度和 预紧力在“needle of 2－spring nozzle”模块中定义。
1 前言
柴油机要满足日益严格的排放法规和噪声要求，又要满足用户对燃油经济性和动力性 的要求，必须改善其燃烧过程。采用高压喷射、提高喷油速率可促进燃烧，改善碳烟和颗粒 排放，但同时存在着 NOx 及噪声等指标恶化的问题，另外还易出现低速烟度增加、低速稳 定性恶化等问题，故必须控制喷油速率形状。