高壓共軌噴油器噴射特性研究

噴油規(guī)律精確控制研究燃油擠出系統(tǒng)是改善收割機(jī)燃燒系統(tǒng)的重要部件。在所有的燃油噴射系統(tǒng)中,高壓共軌系統(tǒng)在噴射正時(shí)和噴射壓力方面具有最大的靈活性。噴油器噴油規(guī)律的精準(zhǔn)控制是實(shí)現(xiàn)高壓共軌噴射系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ),因此,除正確設(shè)計(jì)以優(yōu)化共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)外,還必須研究噴油控制參數(shù)與噴射特性之間的規(guī)律,為噴油規(guī)律精確控制和控制算法的修改和實(shí)施奠定基礎(chǔ),使共軌系統(tǒng)在噴油規(guī)律精確控制的優(yōu)勢(shì)得到進(jìn)一步發(fā)揮。已有研究集中在通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提高噴油性能1噴油率、噴油量、k“n”及噴油器壓力檢測(cè)在自行設(shè)計(jì)的高壓共軌噴油系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行噴射特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝備了EFSIFR8420型單次噴射儀測(cè)量噴油率和噴油量、Kistler4067型瞬態(tài)壓力傳感器測(cè)量噴油器入口壓力,以及精確測(cè)量和控制轉(zhuǎn)速、油溫、高壓油泵供油壓等參數(shù)的設(shè)備2噴油脈寬單次噴射首先分析單次噴射的動(dòng)態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)工況包括:軌壓40~150MPa,步長(zhǎng)為10MPa;噴油脈寬0.1~2.0ms,步長(zhǎng)為0.1ms。圖2~5為實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)測(cè)單次噴射典型工況,圖中清晰顯示了噴油量、噴油率、針閥開(kāi)啟與關(guān)閉、噴油持續(xù)期隨軌壓與噴油脈寬的變化關(guān)系。圖中時(shí)間軸原點(diǎn)為噴油器線圈驅(qū)動(dòng)電流上升時(shí)刻。2.1噴油率隨噴油脈寬的變化特性噴油量隨軌壓、噴油脈寬變化特性曲線如圖2所示。噴油量由EFS單次噴射儀測(cè)量500次,取平均值得到。在軌壓一定時(shí),噴油量與噴油脈寬呈線性增加關(guān)系,隨軌壓增加,線性斜率增大。140MPa在1.8ms后、150MPa在1.7ms后斜率降低,原因是針閥升起到了機(jī)械行程上止點(diǎn)。噴油器零油量點(diǎn)隨軌壓增大而減小。噴油率隨軌壓變化的特性曲線如圖3所示。在噴油脈寬一定時(shí),隨軌壓增加,噴油率最大值增大,噴射初期噴油率上升的斜率增大,噴射末期噴油率下降的速率增大(說(shuō)明針閥啟閉迅速),針閥開(kāi)啟延遲減小,關(guān)閉延遲增加,噴射持續(xù)期延長(zhǎng),噴油量增加。140MPa,2ms工況因針閥到達(dá)上止點(diǎn),針閥關(guān)閉延遲減小。噴油率隨噴油脈寬變化的特性曲線如圖3b所示。在軌壓一定時(shí),隨噴油脈寬增加,噴油率最大值增大而后保持不變,噴射初期噴油率上升斜率和末期下降的斜率不變,上升和保持階段的瞬態(tài)噴油率曲線基本重合。噴射結(jié)束后的噴油率波動(dòng)現(xiàn)象是由于EFS噴油率測(cè)試儀的壓電傳感器座和噴油器噴嘴適配器處的壓力波反射造成的。最大噴油率隨軌壓、噴油脈寬變化的特性曲線如圖4所示。最大噴油率隨軌壓增大而不斷增加,軌壓升高時(shí),出現(xiàn)噴油率最大值的最小噴油脈寬減小,一定軌壓下,出現(xiàn)噴油率最大值后,噴油率最大值曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),噴油脈寬繼續(xù)增加時(shí),噴油率最大值曲線斜率降為零。出現(xiàn)噴油率最大值的最小噴油脈寬(140MPa時(shí)為1.2ms,圖4)小于針閥能夠到達(dá)機(jī)械上止點(diǎn)的最小噴油脈寬(140MPa時(shí)為1.8ms,圖5),可知,最大噴油率出現(xiàn)在針閥達(dá)到機(jī)械行程上止點(diǎn)前。2.2機(jī)械行程止點(diǎn)的變化針閥開(kāi)啟延遲t針閥關(guān)閉延遲t其中,b為常數(shù),由噴油器結(jié)構(gòu)和軌壓確定。t噴油脈寬大于0.45ms后,噴射過(guò)程相對(duì)于驅(qū)動(dòng)電流有所延遲且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),噴油持續(xù)期t軌壓一定時(shí),針閥在到達(dá)機(jī)械行程上止點(diǎn)前,t事實(shí)上,在此范圍內(nèi),t式中參數(shù)q和r由噴嘴結(jié)構(gòu)決定針閥在到達(dá)機(jī)械行程上止點(diǎn)后,圖5中直線的斜率發(fā)生改變,呈現(xiàn)如下的線性關(guān)系此時(shí),t其中系數(shù)z在實(shí)驗(yàn)研究的噴射系統(tǒng)中,在t3參數(shù)數(shù)字仿真為了研究噴油器噴油規(guī)律和針閥運(yùn)動(dòng)特性的基本規(guī)律,使用AMESim軟件進(jìn)行仿真研究,以探明傳感器難以檢測(cè)的噴油器內(nèi)部物理量的變化規(guī)律,計(jì)算得到難以測(cè)量的蓄壓腔和控制腔的壓力、控制閥和針閥的升程、Z孔和A孔的質(zhì)量流量的時(shí)間變化曲線,分析噴嘴開(kāi)啟和關(guān)閉的延遲與噴油器幾何特性、物理參數(shù)和控制閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的依賴關(guān)系。進(jìn)行參數(shù)數(shù)字實(shí)驗(yàn),以確定影響噴射特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)與控制參數(shù)。仿真過(guò)程考慮軌壓及高壓油管內(nèi)的壓力變化,以提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。噴油器中的運(yùn)動(dòng)部件:控制球閥、針閥等彈簧-質(zhì)量-阻尼振蕩系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為式中∑F控制腔壓力變化決定了針閥的運(yùn)動(dòng)?？刂魄蜷y打開(kāi)后,控制腔內(nèi)的壓力變化取決于進(jìn)油孔、泄油孔的流量和控制柱塞上下運(yùn)動(dòng)造成的控制腔容積的變化?？刂魄坏倪B續(xù)性方程可以表示為等熵流動(dòng)方程式中ρp選取4種工況進(jìn)行仿真-實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究,包括:80、140MPa兩種軌壓和0.8、2.0ms兩種噴油脈寬的4種工況組合。圖6表明4種工況下噴油率實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果有良好的一致性。圖7表明仿真得到的控制閥開(kāi)度,控制腔出油孔A、進(jìn)油孔Z的流量及控制腔內(nèi)壓力變化的液力過(guò)程;圖8為針閥升程與運(yùn)動(dòng)速度仿真結(jié)果,解釋了單次噴射的噴油規(guī)律和噴油器的動(dòng)態(tài)特性。4針閥開(kāi)啟特性針閥開(kāi)啟和落座取決于控制腔壓力、蓄壓腔壓力、摩擦阻力以及針閥彈簧的合力的方向和大小。在結(jié)構(gòu)和軌壓一定時(shí),控制腔壓力的變化決定了針閥的運(yùn)動(dòng)特性?？刂魄粔毫Φ淖兓煽刂魄蜷y的啟閉決定,控制球閥的運(yùn)動(dòng)由噴油脈寬產(chǎn)生的電磁力控制,且受到控制腔壓力和銜鐵彈簧力的影響?？刂崎y打開(kāi),泄油孔泄油,控制腔內(nèi)的壓力降低,但此時(shí)噴油器蓄壓腔內(nèi)的壓力仍然保持高壓,當(dāng)作用在針閥錐面上的壓力大于控制腔內(nèi)的壓力與噴嘴彈簧力之和時(shí),針閥就被高壓燃油抬起,噴油器開(kāi)始噴油。當(dāng)泄流孔關(guān)閉,高壓燃油通過(guò)進(jìn)油孔迅速進(jìn)入控制腔,快速建立起控制腔內(nèi)的壓力,當(dāng)控制腔內(nèi)的壓力與噴嘴彈簧力之和大于作用在針閥錐面上的壓力時(shí),推動(dòng)柱塞下移,直至針閥落到噴嘴座時(shí),噴油完全結(jié)束。由于噴油器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),軌壓不同造成的控制腔壓力變化特性,使得針閥啟閉特性隨軌壓、噴油脈寬而變化。在一定噴油脈寬下,軌壓高,針閥開(kāi)啟時(shí),控制閥打開(kāi)快,出油A孔流量大,控制腔內(nèi)壓力下降始點(diǎn)提前、壓力下降快、降幅大(圖7),針閥升起加速度快,針閥開(kāi)啟延遲t而當(dāng)針閥升程到達(dá)機(jī)械上止點(diǎn)后,軌壓高的控制腔對(duì)控制柱塞產(chǎn)生較大的推動(dòng)力,使針閥從行程上止點(diǎn)的下降加速度較大。由于針閥加速度隨軌壓升高而增大,針閥落座延遲時(shí)間t軌壓一定時(shí),隨著噴油脈寬增加,針閥在開(kāi)啟過(guò)程能夠達(dá)到的速度、升程增大,因此,線圈斷電,控制閥關(guān)閉后針閥落座需要的時(shí)間加長(zhǎng),t雖然t5壓力—結(jié)論(1)最大噴油率隨軌壓增加而不斷增大;一定軌壓下,出現(xiàn)最大噴油率的時(shí)刻隨軌壓增加而減小;在最大噴油率出現(xiàn)前,噴油率隨脈寬增加而增大。(2)壓力高,控制腔和蓄壓腔的液體流量大,壓力變化快,控制閥、針閥運(yùn)動(dòng)加速度大。壓力高針閥升起、落座的速度快。(3)噴射過(guò)程相對(duì)于驅(qū)動(dòng)電流有所延遲且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),噴油持續(xù)期和針閥開(kāi)啟時(shí)間一致。噴油持續(xù)期由脈寬、針閥關(guān)閉延遲