HYDSIM_711_刘少彦_高压共轨系统喷油器设计参数仿真研究

激励单元 电磁接头 共轨管供给
燃油
球阀泄油节流孔进油节流孔通向喷嘴腔管道控制活塞针阀腔针阀
回 油
A B
控制腔 高压共轨系统喷油器设计参数仿真研究
刘少彦 方祖华 平涛，金江善，赵伟，方文超
（上海船用柴油机研究所）
摘要：利用HYDSIM 软件建立了高压共轨燃油系统的仿真模型，在对该模型试验验证的
基础上，分析了控制活塞直径、控制腔进油孔和卸油孔面积比等主要结构参数对针阀运动规律的影响，为喷油器结构参数的优化设计提供了理论依据。

关键词：柴油机 高压共轨 燃油系统 仿真
1.前言
为了满足日益严格的排放法规和提高燃油经济性，提高喷油压力和全面实现柔性控制功能是燃油喷射系统发展的必然趋势。

高压共轨燃油系统正是顺应这些需求而诞生。

其卓越的性能为柴油机和车辆的性能优化提供了巨大的自由空间，代表了柴油机燃油喷射系统的发展方向。

文章对柴油机高压共轨系统用电控喷油器的主要结构参数进行了研究。

以一维可压缩流体力学和二维多刚体动力为基础，利用HYDSIM 软件，建立了共轨燃油系统的仿真模型。

利用该模型详细讨论了控制活塞直径、控制腔进油孔和卸油孔面积比等主要结构参数对针阀运动的影响。

2. 共轨系统组成
研究的共轨系统，具体包括油箱、低压油泵、
滤清器、电控高压供油泵、 共轨管、电控喷油器、
ECU 和各种传感器。

工作原理如下：低压油泵经燃油滤清器向高压油泵供油，燃油经过高压油泵压缩，然后供给共轨管，通过限压阀可调整共轨管的压力，以保证系统所需燃油压力。

在适当时刻，ECU 驱动电磁阀打开，喷射开始，到达所需喷油量后，电磁阀关闭。

电控喷油器（图1）是共轨系统中最重要最复杂
的部件，一把由三部分组成：电磁阀、液力伺服机构和常规喷嘴。

从共轨管来得燃油分为两部分进入电控喷油器，一部分通过进油节流阀进入控制室，另一部分进入喷嘴针阀腔，控制室泄油孔由ECU 控制电磁阀（球阀）控制。

电磁阀打开，控制腔压力迅速降低，针阀抬起，喷射开始。

电磁阀关闭时，控制腔压力迅速恢复，由于控制活塞上大下小，受
压下移，压迫针阀关闭。

喷油器的结构参数（控制室进油孔、卸油孔直径、控制活塞上下面积、运动件质量、喷孔直径、数目等）直接决定了喷油系统的喷射性能，需进行
详细研究，以获得理想的喷油性能。

3. 仿真模型
以高压共轨系统的结构特点和工作原理为基础，建立了计算模型。

该模型包括高压油泵子模行、共轨管子模型、共轨管子模型和控制模块子模行。

该数学模型主要由系统中各液压腔和管道的连续方程、运动件的运动方程和其他物理学方程（如凸轮接触应力、喷雾锥角和贯穿度）构成。

主要方程如下：
液压方程：
0=∂∂+∂∂+∂∂x x t ρρρρ………………………. (1) 能量方程:
2
2341x u
x p x u u t u ∂∂=∂∂+∂∂+∂∂µ
ρ (2)
图2 共轨系统仿真模型
Simulation Model of Common
Rail Injection System
Common Rail
Injectors
图
3 共轨管压力验证图
图4 喷油率验证图
图5 针阀运动过程示意图
运动方程：
∑=i F dt
x
d m 22…………………………...... (3) 式中： ρ: 流体密度; u: 流体速度; p: 流体压力; µ: 弹性模量;
F i : 力; m: 运动质量.
根据这些方程、ECU 控制方式以及共轨系统的
燃油特性，利用燃油系统专业仿真软件HYDSIM 建立了柴油机共轨系统仿真模型，仿真模型图如图2所示。

搭建了共轨系统试验平台，验证仿真结果。

图3、图4是共轨管压力和喷油率曲线仿真结果与试验结果的对比图，可以看出两者在整个喷油期间内吻合
良好。

因此， 可以应用此模型进行电控喷油器的进一步研究，为共轨系统的设计提供一定的参考依据。

.
4.电控喷油器主要影响参数研究
从激磁电流的输入，驱动针阀打开，到定量的燃油喷入气缸之间经历了一系列复杂的过程，如何快速准确的控制各个过程按预定规律进行是电控喷油器研制和设计的关键，也是高压共轨系统研制过程中的一个很有意义且必须解决的课题。

针阀运动状况对喷油性能有着决定性的影响，对其进行研究对电控喷油器的设计有着重要的意义。

针阀运动完全有喷油器系统内的液力作用决定。

其运动方程式如下：
)
4.....(..........)( 4)(N N N N0N 2
C S Nb N Nb Na 2
N 2N dt
dh
C h h K d P P A P A A dt
h d m c −+−−+−=π
式中：m N : 针阀运动质量；
h N0:针阀弹簧预行程； K N : 针阀弹簧刚度； C N : 针阀运动阻尼； h N : 针阀升程
P N : 针阀腔中压力； P C : 控制腔中压力； d c : 控制活塞直径；
从该公式中分析，对针阀运动产生影响的因素有盛油腔压力、控制腔压力、压力室压力与控制活塞直径等。

盛油腔压力与共轨管压力一致，压力室压力在针阀打开后盛油腔压力保持一致。

而共轨管压力建立前面已有讨论。

因此，有必要对控制腔内压力变化、控制活塞直径对进行讨论。

针阀运动过程分为三个阶段即抬起段、持续段和落座段，分别用T1，T2和T3表示，如图5所示。

图8 不同i 对T3的影响
图7 不同i 对T1
的影响
图9 不同i 对T3的影响
理想的喷油规律要求针阀升起时不要太快，而落座时要迅速。

而高压共轨系统喷油器的结构参数确定后，喷油率随之确定，是轨压和时间的函数。

因此需要对喷油器主要结构尺寸进行优化设计，增大T1,减少T3,保证T2, 在结构上满足设计要求。

下面将讨论主要参数对这T1,T2,T3的影响。

4.1 控制腔进油孔与卸油孔面积比bleed
feed
A A =
i 的影响 此参数直接影响控制腔中的压力变化过程, 利用仿真模型进行计算研究, 分析对针阀运动的影响。

在其他参数不变的情况下,从图6可以看出，过小的i 值会使针阀不能落座，而过大的i 会使针阀不能完全抬起，在针阀正常开启的范围内，随着i 的增大，针阀抬起变慢，喷油持续期变短，而落座时间变短。

这是因为，当电磁阀开启时，i 越大，进油速度快，控制腔里的补充油量速度快，单位时间内控制腔进油量相对较大，而卸油量相对较小，而引起控制腔内压力下降相对缓慢，从而使针阀的抬起缓慢，当电磁阀关闭卸油节流孔时，由于进油量相对较大，控制腔内压力很快恢复，压迫针阀很快落座；而过大的值会使控制腔内的卸油过慢，而不能使针阀在一个喷油脉冲中完全打开。

i 越小，卸油速度快，单位时间内控制腔卸油量相对较大，而进油量相对过小，引起控制腔内压力下降很快，从而针阀抬起迅速。

而过小的i 值会使控制腔内油压补充不足而无法落座。

为了详细研究不同转速下i 值对针阀过程（T1,T2,T3）的影响，在针阀正常工作前提下，选取了四组面积比进行仿真研究：
1:i=0.54; 2: i=0.64; 3: i=0.75; 4 : i=0.87
在共轨压力为1000bar ，出油孔节流孔直径为0.3mm 的情况下，计算结果如图7～图9所示，可以
看出，在不同转速下，随着i 值的增大，T1增大而T2,T3减小。

且转速对T1,T2,T3影响不大，这也验证了共轨系统中喷油过程不依赖于发动机转速。

经计算分析，为了保证针阀正常运动，获取理想的喷油规律，i 值范围应在0.4~0.75之间为宜，研究的共轨系统中i 为0.75。

4.2 控制活塞直径的影响
控制腔里的液力直接施加在控制活塞上，通过控制活塞作用到针阀上，控制针阀的运动。

在针阀导向体直径不变的情况下，选取不同的控制活塞直径，研究活塞直径对针阀运动的影响。

从中可以看出，控制活塞直径越大，针阀开启越缓慢，过大的控制活塞直径会使针阀不能完全打开，而过小的控制活塞直径不能试针阀正常落座。

图6 i 对针阀升程的影响
图11 不同 dc 对T1的影响
T 1 (m s ）
图12 不同 dc 对T2的影响
T 2 (m s ）
图13 不同dc 对T3的影响
T 3 (m s ）
这是由于控制活塞直径越大，控制活塞传递给针阀的下压力越大，从而影响针阀的开启。

这个力过大，就使针阀不能抬起，过小，就不能使针阀落座。

而且，过大的控制活塞直径也受到结构尺寸的
限制。

因此须合适选择控制活塞直径，以便使喷油器具有良好的响应能力。

为了详细研究控制活塞直径对针阀三个时间参数（T1,T2,T3）的影响，选取了4组控制活塞直径(i=0.75)在不同共轨管压力下进行仿真计算。

1: dc=4.1mm; 2: dc=4.2mm 3: dc=4.3mm; 4: dc=4.4mm
从图11～13可以看出，在转速为1000rpm 时，在不同的共轨管压力下，dc 的增大，T1增大而T2,T3减小。

且共轨管压力对T1,T2,T3影响较大，共轨管压力越高，T1，T3越小，而T2越大，这说明，共轨管压力高，针阀动作迅速，在最高点维持时间长。

经计算发现，dc<4.0mm 时，针阀不能落座，dc>4.5mm 时，针阀不能完全打开，为了保证针阀正常运动，dc 范围应在4.0mm~4.5 mm 之间为宜。

另外通过仿真计算发现，其他如控制室容积、针阀质量、弹簧预尽力等对针阀运动的影响有限，限于篇幅，不再进行详述。

理想的喷油规律要求针阀升起时不要太快，而落座时要迅速，在喷油器结构尺寸上，通过对主要影响尺寸i, dc, 等匹配选择，增大T1,减少T3,保证T2, 在结构上满足设计要求。

5. 结论
1) HYDSIM 软件是专业的燃油系统（包括电控燃油系统和机械式燃油系统）性能分析软件，通过建立仿真模型、调整模型参数，可以保证仿真效果，满足计算的要求，证明了该软件用于电控式燃油系统性能计算效果令人满意，可用于共轨燃油系统的相关研究。

2) 电控喷油器中控制室的进油节流孔和卸油节流孔面积、控制活塞面积对针阀运动有着重要影响。

设计时需要综合考虑。

6. 参考文献
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图10 控制活塞直径对针阀升程的影响。