共轨喷油器结构参数的分析研究

图 17 控制室容积对喷油器流量的影响
4 结论
通过对喷油器模型中结构参数的分析比 较，可以得出如下结论： (1) 控制室的进、回油孔直径的大小对喷油 率影响很大，在设计时要合理的选择油 孔直径。 (2) 控制活塞的直径影响针阀开启时间，应 尽可能的减小直径，降低质量提高喷油 器的响应速度。 (3) 在满足流通面积的情况下，尽可能减小 针阀升程，避免针阀升程过大，带来的 不良影响。 (4) 在保证针阀开启的情况下尽可能的减小 控制室的容积， 来提高针阀的响应速度。
⎛ λ C q = C qm ⋅ tanh⎜ ⎜λ ⎝ crit
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
（4）
λ=
Dh v
2 Δp
ρ
（5）
式中：Q——流量 Ch——流量系数 A ——阀口流通面积 Cqm——最大流量系数 λ——雷诺数 λcrit——临界雷诺数
图 4 喷油器仿真模型
Dh——水力直径 v——运动粘度 当λ>λcrit 时流量系数为定值。
图 15 针阀的变形量和升程
3.5 针阀升程的影响 针阀升程的大小应保证密封座面处有必要 的流通面积， 使压力室压力不因座面节流而过分 下降，但针阀升程也不宜过大，升程增大，会加 大座面的冲击载荷， 引起磨损， 也会增加针阀落 座时间，增加了燃气回窜。 图 16 是针阀升程与压力室压力的关系， 。 压力室的压力随着针阀的升程增加， 但增加到一 定程度， 压力室内的压力已不再增加， 说明此时 针阀升程对喷油器内的节流损失已无明显影响。 所以在保证所需流通面积的前提下应尽可能减 小针阀升程。
Q = Cq ⋅ A ⋅
2 Δp
ρ
（3）
在公式中流量系数 Cq 和密度 ρ 都是定值。实际 液体在流经阀口时， 流量系数、 密度都是变化的， 所以简化公式并不能准确的反映液体的实际流 动情况。AMESim 软件中计算节流口处液体的 流量时考虑到这一点， 在计算流量系数时， 考虑 到了流量系数与雷诺数之间的关系。 流量系数计 算公式如下：
1 模型的建立
1.1 共轨喷油器的工作原理 共轨喷油器由喷油器体、 电磁阀、 控制活塞、 针阀偶件等组成。 其工作原理如图 1 所示： 高压 燃油进入喷油器后分作两部分， 一部分经进油孔 流入控制室， 另一部分进入喷嘴腔。 当电磁阀处 于关闭状态时， 高压燃油经进油孔与控制活塞上 部的控制室和喷嘴端连通， 由于控制活塞上部的 面积大于喷油嘴端针阀处的作用面积， 再加上针 阀 弹簧的作用力， 使得喷油嘴针阀不能抬起而处 于关闭状态；当电磁阀开启时，出油孔泄油的 速率远远大于高压油通过进油孔的充油率， 控 制室中的压力降低，这时控制活塞上行，喷油 嘴针阀打开，开始喷油；当电磁阀断电后，电 磁阀在弹簧力的作用下复位， 控制室的压力上 升，控制活塞下行，喷油嘴针阀关闭，停止喷 油。
3.5 针阀刚度的影响 针阀的弹性变形会使燃油的喷射始点延 迟，也会使控制室内压力波动，图 15 是针阀 的弹性变形量与针阀位移的比较。 针阀的刚度 取经验值 3×108N/m 。为了获得理想的燃油 的喷射规律，要尽可能提高针阀刚度，减少因 针阀变形引起的压力波动。
图 12 控制活塞直径对喷油速率的影响
1.2.4 短管类 短管用来连接两个容器 j 和 k，长度不能忽 略，但由于长度较短因而不需考虑压力波的传 播， 短管中的流动可以用 Bernoulli 方程来描述。
pj
ρ
=
pk
ρ
+
du jk dt
⋅ l R + u jk
2
lR ⋅ λ (6） dR
图 5 电磁阀输出力
式中：ujk——短管中的流速 LR——短管的长度 dR——短管的内径
图 13 针阀刚度对喷油量的影响
3.4 控制活塞刚度的影响 喷油器的控制活塞刚度比较小，因此其刚 度对喷油规律有一定的影响，图 14 是不同控 制活塞的刚度对针阀升程的影响。 刚度小针阀 关闭晚， 喷油持续期增长， 系统响应速度降低。 刚度大，针阀关闭迅速，系统响应速度提高。
针阀升程 图 14 控制活塞刚度对针阀升程的影响
73 91 103 115
76.7 93.2 104 控制室进、 出油孔直径对喷油性能的影响 控制室进油孔直径（ din ）和出油孔直径 （dout）对燃油喷射性能有重要的影响，不同 的孔径比对应不同的流量比， 不同的流量比会 使针阀的开启和关闭速率不同， 导致不同的喷 油规律。所以为了获得满意的喷油规律，一般 先通过仿真计算确定一个范围， 然后通过试验 选定最佳孔径比。图 9、10 是两组进回油孔直 径变化对针阀升程的影响。
3.3 针阀弹簧预紧力的影响 针阀弹簧的预紧力虽然远小于作用在其 上的液压力， 但不同的预紧力也会对喷油量产 生影响。图 13 是在轨压为 100MPa 时不同针 阀弹簧预紧力对喷油量的影响。 说明了在较大 的预紧力下，喷油始点延迟，喷油终点提前， 喷油量减少。
图 11 控制脉宽对针阀升程的影响
图 11 反映了不同控制脉宽下针阀的升程， 在 一定得压差和时间内，在针阀尚未完全开启时， 针阀密封面处得节流是影响喷油量得主要因素。 随着控制脉宽的增加，喷油量迅速增加。 3.2 控制活塞直径的影响 控制活塞直径的变化会影响针阀开启和关 闭的时间， 随着直径的增加， 针阀的开启速度和 关闭速度降低，喷油始点延迟，喷油终点提前。 图 12 显示了不同的控制活塞直径下的针阀升 程。其中轨压为 100MPa，控制脉宽是 1ms。 产生这样的原因是因为直径小的控制活塞 单位行程内排出的油量少，活塞的运动速度快， 因而针阀开启较快， 另外，控制活塞直径的减 少， 在针阀的环带承压面积不变的情况下， 作用 在针阀上压力差减小，因此针阀的开启速度增 加。试验表明，在脉宽较小的时候，油量差异较 大，脉宽较大时，油量差异趋于一致。
文章编号：1671-5446（2006）00-0000-00
共轨喷油器结构参数的分析研究
菅宝玉， 袁宝良 （无锡油泵油嘴研究所，江苏 无锡 214063） 摘要：阐述了共轨喷油器的工作原理，根据喷油器各部分的液力特性，将其分为容器类、压力驱 动阀类、流道类、短管类 4 个模块，利用仿真软件 AMESim 建立了喷油器的仿真模型，为了验证 模型的准确性，将仿真计算数据与试验数据进行了比较，结果表明：仿真模型的搭建合理，在此 基础上分析了喷油器不同结构参数对喷射规律的影响。 关键词：共轨喷油器；仿真；结构参数 中图分类号： 文献标识码：A Analysis of Structural Parameter of Common Rail Injector Jian Bao-yu, Yuan Bao-liang (Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute,Wuxi 214063,China ) Abstract: Describing the operation principle of Common rail injector .According to the hydraulic characteristic of the injector, which is divided into four parts containers ,outlet valves , pipelines and tubes .Using AMESim Software the simulation model was built. To test the accuracy of the simulation results, we compared the test data with the simulation data . The results are reasonable .Based on this simulation the structural parameters of Common rail injector is analysed. Key words: common rail injector, simulation, structural parameters
电磁阀
高压油轨
v0 ——容器的初始容积 ρ ——当前压力下液体的密度 AMESim 软件中计算容器压力变化的参 数都是动态变化的参数， 能准确地计算真实的 压力变化，提高计算了的准确度。
回油管 出油孔 控制室 进油孔
1.2.2 压力驱动阀类 压力驱动阀是液力系统中液力驱动机械 部件运动的结构，如喷油器的控制阀、喷油器 针阀。 图 2 是喷油器油嘴的结构示意图， 图 3 是 AMESim 软件中标准液压元件库中的锥面 阀的结构参数图， 通过设定阀的参数可以准确 的反映喷油嘴的结构。
表 1 每循环试验值与仿真值的对比 喷油脉宽 T/ms 0.8 0.8 0.8 0.8 1 1 1 1 共轨压力 P/ MPa 60 80 100 120 60 80 100 120 每循环供油量
3 -1 q / mm .s
图 9 出油孔直径对针阀升程的影响
图 9 所示的是控制室进油孔直径为 0.2mm 时，不同出油孔直径对针阀升程的影响。随着 出油孔直径的增大， 控制室内压力降低的速度 增大，针阀开启速加快，喷油持续时间增加， 喷油量增大。
din=0.2mm
图 7 喷油器喷油规律
图 8 每循环供油量
为了验证模型的准确性，对比了试验结果， 见表 1。 表中数据是喷油器每循环供油量的试验 数据与仿真数据的对比。 试验中所用的喷油器孔 为 7×0.17mm，针阀升程 0.3mm，控制阀升程 0.05mm。由于模型中没有考虑燃油泄漏，以及 轨压波动， 所以仿真结果比试验结果的值偏大一 些。 通过与试验数据的比较， 可知仿真模型的搭 建是合理的，可以作为下一步参数分析的依据。
控制柱塞 针阀弹簧
针阀 喷嘴
图 1 喷油器原理图
1.2 仿真模型的建立 AMESim 仿真软件在液压系统的仿真计算 中有着广泛的应用。 它专门为液压系统建立了标 准元件库和基本元件库， 利用元件库， 用户可以 建立自己需要的模型。 在建模的过程中，需要对系统进行模块划 分， 根据喷油器各部分的液力特性， 将其分为容 器类、压力驱动阀类、流道类、短管类。 1.2.1 容器类 容器内的压力变化主要是由于容积和容器 内液体流量的变化引起的； 容积的变化是由阀或 柱塞运动产生， 流量的变化主要是由于油管和节 流孔的流动产生。AMESim 软件中容器压力变 化计算公式为