电控喷油器控制柱塞副结构参数设计与优化

Ａｂ ｔ ｃ ：Ｔ ｅ ｓ ｕ ｔｒ ａａ ｔｒ ｆｃ ｎｒｌｐｕ ｇ ｒｉ ｎ ｅｅ ｔ ｎｃ ｌ ｏ ｔ ｌ ｄ ｉｊｃｏ ｒ ｅ ｓｒ ｔ ｈ ｔ ｃｕｅ ｐ ｒｍｅｅｓｏ ｏ ｔｏ ｌｎ ｅ ｎ ａ ｌｃｒ ｉａｌ ｃ ｎｒ ｌ ｎｅ ｔｒｗｅｅ ｄ — ａ ｒ ｏ ｙ ｏｅ
１ 电控 喷 油 器
电控 喷 油器 由电磁 阀控 制 喷油 开 始 和结 束 ， 通 过 控制 柱塞 传递 运 动关 系 ， 电磁 阀开 闭 与 针 阀开 将 关 对应 起来 。电控 喷油器 由喷 油嘴 、 控制 柱塞 副 、 进
出油孑 、 Ｌ 电磁 阀组 成 ， 图 １所示 。在 电磁 阀不 通 电 如
第３ ３卷 第 ７期
２０ １２年 ７月
兵
工
学
报
Ｖｏ ． ３ １ ３ ＮＯ． ７
ＡＣＴＡ ＡＲＭＡＭ ＥＮＴＡＲＩ Ｉ
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２ ２ ０１
电控 喷 油 器 控制 柱 塞 副 结构 参 数设 计 与优 化
王 军 ，张 幽 彤 ，金 毅 ，熊 庆 辉
（ ． 甲兵 工 程 学 院 机 械 工 程 系 ，北京 １０ ７ ； ． 京 理 工 大 学 机 械与 车 辆 学 院 ， 京 １
ａ ｃ ｒａｎ ｉ ｓ ｌ ｎ ｉ ｅ Ｇｅ ｅｉ ａｇ ｒｔ ｍ ｗａ ｐ ｌｅ ｏ ｐ ｉ ｚ ｈ ｍｕ ｔ— ｒ ｍｅ ｅ ｓ ａ ｏ ｔｍｕ ｅｔ ｉ ｄ ｅ ｅ ｅ ｇ ｎ ． ｎ ｔｃ ｌ ｏ ｉ ｈ ｓ ａ ｐ ｉｄ ｔ ｏ ｔｍｉｅ ｔ ｅ ｌｉｐａ ａ ｔｒ ， ｎ ｐ ｉ ｍ
摘 要 ： 提高 电控 喷油器 液力 响应速 度 ， 行 了电控 喷 油器 控 制柱塞 副结 构参 数 设计 及优 化 。 为 进 简要 分析 了电控 喷 油器 的工作 原理和 控制 柱塞 的作 用 ， 出 了电控 喷 油器 控 制柱 塞 副 参数 的计 算 提 方 法 ； 对某 型柴 油机 的喷油器 要 求 ， 步计算 了控 制柱塞 副结 构参数 ； 针 初 引入 遗传 优化 算法 ， 立 以 建
ｍｏ ｅ ｈ ｃ ｓｓｔｅｉｊｃｏ ｙ ｒｕｉ ｅ ｐ ｎ ｅｔ ｓａ ｂｅｔ ｅｆｎ ｔ ｎｗａ ｒｓ ｎｅ ｄ ｌｗ ｉｈ ｕ ｅ ｎｅ ｔｒｈ ｄ ａ ｌ ｒｓ ｏ ｓ ｉ ａ ｎｏ ｊｃｉ ｃｉ ｓｐ ｅｅ ｔｄ，ａ ｄ ｔｅｏ — ｈ ｃ ｍｅ ｖ ｕ ｏ ｎ ｐ ｈ ｔ ｚｔ ｎ ｒｓ ｌ ｗ ｓａ ｈｅ ｅ ．Ｔ ｅ ｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｏ ｎｅ ｔｒｗｉ ｐｉ ｍ ｓ ｕ ｔｒ ａａ ｔｒ ｓ ａ — ｉ ａｉ ｅｕｔ ａ ｃ ｉｖ ｄ ｈ ｅｆ ｍａ ｃ ｆｉｊｃｏ ｔ ｏ ｔ ｍｉ ｏ ｏ ｈ ｍｕ ｔ ｃｕ ｅ ｐ ｒｍｅｅｓｗａ ｐ ｒ
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ｉ ｌｃｒ ｎｃｌ ｎｒ ｌ ｄＩｊｃｏ ｎＥ ｅｔ０ ｉａｌ Ｃｏ ｔｏｌ ｎｅｔｒ ｙ ｅ
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作 者 简 介 ：王 军 （ ９ ８ ）， ， 教授 ， 士 。Ｅ ｍ ｉｊｅ １６ １ ３ ｃｒ １６一 男 副 博 － ａ ： ４ ２ ＠ ６ ．ｏ ｌｏ ｎ
第 ７期
电 控 喷 油器 控 制 柱塞 副 结 构参 数 设 计 与 优 化
７９ ８
喷 油器 的液 力 响应 时 间 的影 响
启和 落座 ， 控制 柱塞 副结 构 尺 寸确 定 必 须 满 足柱 塞
的运 动关 系 。 针 阀开启 时
Ｐ Ａ ＋ ｈ ＜ ｂ・ Ｋ … ＰＡ ， ｂ （） １ （） ２
针 阀关 闭时
Ｐ Ａ ＋Ｋ ０ ＰＡ ， ｂ・ ｈ ＞ ｂ
时， 电磁 阀关 闭控 制柱 塞顶 部 的出油孔 ， 压燃 油通 高 过 进油孔 作 用在控 制柱 塞 上 ， 由于 柱 塞 与针 阀 的承 压 面积 差 ， 力使 控 制 柱 塞 下行 ， 终使 针 阀落 座 ； 合 最
， 对 如 何 选 取 但
合 理 的结 构参 数研 究不 多 。本文从 工 程应 用 的角度 出发 ， 析控 制柱 塞 的液力 变化关 系 ， 分 根据 柴油 机边
２ 控 制 柱 塞 副 参 数 计 算
喷油 器 的针 阀尺寸取 决 于柴油 机最 大循环 喷油
量 ， 照 Ｂ ｓｈ公 司针 阀直 径选 择 原则 ： 按 ｏｃ Ｓ型 针 阀多
当 电磁 阀通 电时 ， 出油 孔被 打开 ， 控制 室 的燃油 压力
式 中 ： 为控 制柱 塞 承 压 面 积 ； Ａ 为针 阀导 向面 积 ； Ｋ为弹 簧 刚度 ； 。 弹 簧 预 压 缩量 ； … 为 弹簧 最 大 ｈ为 ｈ 压缩 量 ； 喷 嘴腔 内压力 ； ｂ ｐ为 Ｐ 为控 制 腔 内压 力 。 由于针 阀弹簧 只是 为确 保 针 阀可 靠 关 闭 ， 在柱 塞直 径初 算时 ， 不考 虑弹 簧影 响 ， 须保证 作用 在柱 必 塞 的合 力始 终指 向针 阀 ， 能保 证针 阀可靠 落座 ， 才 得 到控制 柱塞 直径
柱塞 运 动响应 时 间为 目标 函数 的优 化模 型 ， 获得 了较 合理 的柱塞 结构 参数 ； 通过 电控 喷油器 仿真模
型 计算 ， 比 了优 化后结 构参 数 的喷油器 性 能。 对 关键 词 ：动力机械 工程 ；遗传 算 法 ；控制柱 塞 ；喷油器 中 图分类 号 ： Ｋ ２ ． Ｔ ４ １２ 文献标 志码 ： Ａ 文章 编 号 ：１０ ．０ ３ ２ １ ） ７０ ８ －５ ０ ０１ ９ （０ ２ ０ －７ ８０
— — — — 一
（ ４ ）
（） ５
图 １ 电控 喷 油 器 结 构
Ｆｇ １ Ｓｒｃｕ ｅｏ ｌｃｒｎｃ ｃｎｒｌ ｄｉｊｃｏ ｉ． ｔｕ ｔｒ ｆ ｅｔｏ ｉ ｏ ｔ ｌ ｎｅ ｔｒ ｅ ｏｅ
Ｑ ＝ ａ ／ ｐ 一 。， 。 ｇ 。 二（ Ｐ）
式 中： ｐ 为共 轨 腔 燃 油 压 力 ； 。 电磁 阀 腔 内燃 油 Ｐ为 压 力 ； ｉ 共轨 腔 至控 制 腔 流 量 ；Ｑ 为 控 制 腔 至 电 Ｑ为 。 磁 阀腔 流量 ； ； 进 油 孔 面积 ； 。 出油 孔 面 积 ； Ａ为 Ａ为
ｐｏ ｅ ｓｎ ｈ ｉ ｌｔ ｎ ｍｏ ｅ ｆ ｌｃｒｎ ｃｌ ｏ ｔｏｌｄ ｉｊ ｃｏ． ｒｖ ｄ ｕ ｉｇｔｅ ｓ ｍｕ ａｉ ｄ ｌ ｅ ｔ ｉａｌ ｃ ｎｒｌ ｎｅ ｔｒ ｏ ｏｅ ｏ ｙ ｅ
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｓ：ｐ ｗｅ ｃ ｉ ｅｙ ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｇ；ｇ ｎ ｔｃ ａｇ ｒｔ ｍ ；ｃ ｎｒ ｌｐｌ ｇ ｒ ｌｃ ｒ ｎｃ ｌ ｏ ｔｏ ｌｄ ｄ ｏ ｒｍａ ｈ ｎ ｒ ｎ ｉ ｅ ｒｎ ｅ ｅｉ ｌｏ ｉｈ ｏ ｔｏ ｕｎ ｅ ；ｅ ｅ ｔｏ ｉａｌ ｃ ｎ ｒ ｌ ｙ ｅ
ｔｅｅｅｔ ｎｃ ｌ ｏｔ ｌ ｄｉｊｃ ｒ ａ ｒｓｎｅ ．Ｔ ｅｓ ｕ ｔｒ ｐｒｍ ｔｒ ｗ ｒ ｃｌｕ ｔ ｃ ｏ ｉｇ ｏ ｈ ｌ ｒ ｉ ｌ ｃｎｒ ｌ ｅｔ ｓ ｅｅ ｔ ｃ ｏ ａｙ ｏｅ ｎ ｏ ｗ ｐ ｄ ｈ ｔ ｃｕｅ ａａ ｅ ｓ ｅｅ ａ ｌ ｅ ａｃｒ ｎ ｒ ｅ ｃ ａ ｄ ｄ ｔ
ｉ ｅｔ ｎ ｃｏ ｊ ｒ
控 喷油器 的高 速响应 是确保 针 阀快速 开启 和关 闭 的
０ 引 言
高压 共轨 喷油 系统 能灵活 地 实现高 压喷射 和多 次 喷射 ， 是柴 油机最 有发 展前 途 的喷射 系统之 一 ， 它 由高压 油泵 、 共轨 管和 电控 喷油器 及 电控单元 组成 。
ＷＡ Ｇ Ｊｎ ， Ｈ Ｎ ｏ — ｎ ＪＮ Ｙ Ｉ Ｎ ｉｇｈ ｉ Ｎ ｕ Ｚ Ａ Ｇ Ｙ ｕｔ ｇ ， Ｉ ｉ，Ｘ Ｏ Ｇ Ｑｎ ．ｕ ｏ
（ ． ｅ ａｔ ｎ ｆＭｅ ｈ ｎｃ ｌ ｎ ｉｅｒｎ ，Ａｃ ｄ ｍｙｏ ｍｏｅ ｏｃ ｓＥ ｇｎ ｅｉｇ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ２，Ｃ ｉａ １ Ｄ ｐ ｒｍｅ ｔｏ ｃ ａ ｉａ ｇｎ ｅｉｇ Ｅ ａ ｅ ｆＡｒ ｒｄ Ｆ ｒｅ ｎ ｉｅ ｒ ｎ ｅｊ ｇ１ ０ ７ ｉ ｈｎ ； ２ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｃ ａ ｉａ ｅ ｉｕａ ｎ ｉｅ ｒ ｇ，Ｂ ｉｎ ｎｔｕｅｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ． ｃ ｏ ｌ ｆＭｅｈ ｎｃ ｌＶ ｈｃ ｌｒＥ ｇｎ ｅｉ ｎ ｅｊ ｇ Ｉｓｉ ｔ ｆ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｂｅ ｉｇ１ ０ ８ ，Ｃ ｉａ ｉ ｔ Ｔ ｉｎ ０ ０ １ ｈｎ ） ｊ
油孔 进 油孔
＾ Ｊｐ
（） ３
式 中 ｋ为放 大系数 。 柱 塞结 构如 图 ２所 示 ， 柱塞套 进 油量 、 出油量 和 控 制腔 的体 积决 定 了控 制腔 内压 力变 化 ， 制腔 的 控
燃 油输 入量 、 出量 为 输
— — — — — 一
Ｑ ｉ （ｉ ｂ ｉ √ —） ＝ Ｐ，
阀和机 械喷 油器 部 分组 成 ， 过 对 电磁 阀开 闭控 制 通
实现 喷 油量 、 油定 时和 多 次 喷 油 的柔 性 控 制 。电 喷
梁， 通过控 制柱 塞一 端 燃 油 压力 变 化 实 现 柱塞 的运 动 。 已有很 多 文献研 究 了控制 柱塞结 构参 数对 电控
收 稿 日期 ： ０ ０—１ ２ ２１ ２— ９ 基 金 项 目 ：国 家 自然科 学 基 金 项 目 （ １ ７ ０ ４ ５０６１）
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迅 速 降低 ， 向上 的合 力 使 控 制柱 塞 上 行 ， 阀升 起 ， 针
喷油器 开始 喷油 ； 以柱 塞 的运 动 和 受 力状 况决 定 所
了其结 构参数 ， 塞 直 径 、 度 和 柱塞 套 进 、 柱 长 出油 量
孔 直径影 响喷油器 针 阀的液 力 响应 。
Ｄ＞ ／ ｋ 生ｄ，
界 约束 条件 ， 出柱塞 副 的结构参 数 计算 过程 ， 给 并用 遗 传算 法对 控制 柱 塞结 构 参 数 进 行 优化 ， 通过 电 并 控 喷油器 仿 真模 型进 行验证 。
用于 大功 率柴 油机 ， Ｐ型 针 阀用于 小功 率柴 油 机 ， 进
而确定 针 阀导 向直径 ｄ ． 电控 喷油器 针 阀是 由控制 活塞 的压力 差实 现开
电控喷 油器是 该 系统 的一 个 关键 部 件 ， 由高 速 电磁
基 础 ， 取决 于 电磁 阀响应 时间 ， 与 喷油器 液 力 不仅 还
响 应 时 间 密 切 相 关 ， 磁 阀 响 应 时 问 是 电 磁 阀 获 得 电
控制信 号到 阀芯 动作 的时 间 大小 ， 喷油 器 液 力 响 而 应时 间是 喷油压 力 作用 于 喷油 器 液 力过 程 的长 短 。 控制 柱塞 是 电磁 阀动 作 转 换 为 针 阀运 动 的 中 间 桥
ｓ ｎ ｄ ａ ｄ ｏ ｔ ｚ ｄ ｔ ｉｃｅ ｓ ｈ ｙ ｒｕｉ ｅ ｐ ｎ ｅｓ ｅ ｄｏ ｌｃｒｎｃ ｌ ｏ ｔ ｌ ｄ ｉｊｃｏ ．Ｂａｅ ｉ ｅ ｎ ｐ ｉ ｅ ｏ ｎ ｒａｅ ｔｅ ｈ ｄ ａ ｌ ｒｓ ｏ ｓ ｐ ｅ ｆ ｅ ｔ ｉａｌ ｃ ｎｒ ｌ ｎｅｔｒ ｇ ｍｉ ｃ ｅ ｏ ｙ ｏｅ ｓｄ