高压共轨喷油器预喷影响因素研究
陈晓辉 杨海龙 沈彬
摘要：高压共轨喷油器作为高压共轨系统中的核心部件，其喷油特性和动态性能对柴油发动机的整机性能有着至关重要的影响。本文对影响共轨喷油器总成预喷油量的关键参数进行研究，在理论分析和试验验证基础上进行研究。装配参数：电磁阀弹簧预紧力、衔铁升程、喷油嘴升程、油嘴弹簧预紧力。关键零件的控制参数：控制阀A/Z比、喷油嘴流量、喷油嘴密封交线。
关键词：共轨喷油器;关键参数;影响因素研究
中图分类号：TK421 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）09-0005-02
0 引言
共轨喷油器是高压燃油喷射系统的核心部件之一，在整个燃油喷射系统中承着喷射功能的实现和控制，其性能决定了高压共轨燃油喷射系统的工作状态[1]，其中预喷的作用是降低噪声、减少排放和提升发动机经济性。预喷油量大小影响发动机性能，也影响喷油器下线合格率。我公司预喷点合格率是最低，平均值偏下限，增加预喷油量和提升生产一致性是喷油器合格率提升的关键点。本文研究重点是影响预喷油量关键参数及其控制。
1 预喷影响因素研究
1.1 共轨喷油器工作原理和预喷影响分析 喷油器的工作原理见图1。研究预喷油量可以从下面喷油速率曲线图2入手，喷油速率曲线的积分就是喷油量。提前开启，开启斜率增加，喷射高度增加、关闭斜率减少、喷油持续期增加等都是提升预喷油量的办法。因为受发动机性能影响，喷油持续期在特定范围内增加。因为影响预喷油量的因素较多，样件无法挑选，DOE试验不适用。只能用单一因素夏宁试验方法。带预喷的工作压力较高@1000baror 600bar。
1.2 装配参数的影响研究
1.2.1 电磁阀弹簧预紧力
1.2.1.1 影响分析 陶瓷球受力分析：衔铁施加力和控制腔内的液压力。F球=F电磁+F液压-F弹簧-G（弹簧+衔铁+陶瓷球）因为零件自身的重量相对于其它力比太小，在以后所有受力分析中均不施加此力。如果F球增加，衔铁上升速度快，开启提前。但是电磁阀弹簧受本身结构尺寸和封液压力影响，只能在52-60N之间变动，占整个力分布10%左右。
1.2.1.2 不同电磁阀弹簧预紧力的影响 随着电磁阀弹簧力的增加，预喷油量变小。电磁阀弹簧力变化1N，在不同的衔铁升程下，对应的预喷油量的变化量是不同的。衔铁升程在65-70um，变化量0.2mm3/str左右。电磁阀弹簧力控制在52-55N。
1.2.2 衔铁升程
1.2.2.1 影响分析 衔铁升程对电磁力影响比较大。在生产过程中衔铁升程选择和散差控制精度高，按照um计算。衔铁升程控制在0.065-0.070之间。衔铁升程散差对电磁力影响占9%左右。电磁力与衔铁升程的平方成反比。衔铁升程也影响泄油速度。
Fm= （1）[2]
式中：Fm：电磁阀的电磁力;μ0：空气磁导率;I：线圈电流;N：线圈匝数;B：磁极表面的磁感应强度;S：吸合面积;δ：气隙长度mm。备注δ：衔铁升程H+凸台高度h1=气隙长度mm。
1.2.2.2 不同衔铁升程的影响 在相同的电磁阀弹簧力作用下，衔铁升程增加，喷油量增加，在65um左右流量突变，增加非常快，与平面密封结构相关，升程小有截流。在满足其它测试点的情况下，衔铁升程尽量按照上限控制。（图3）
1.2.3 油嘴升程
1.2.3.1 影响分析 喷油嘴偶件升程大小，决定控制腔容积的变化率，决定建压的快慢问题。建压快，关闭快，反之关的慢。升程散差中重型占3%左右，轻型占10%左右。对预喷油量影响不太。中重型对主喷影响较大。
1.2.3.2 不同油嘴升程影响 中重型产品，实际测量油嘴升程对预喷没有影响。（表2）
1.2.4 油嘴弹簧预紧力 ①油嘴弹簧力远远小于油针所受液压力，占其3%左右，对预喷影响不太。但是对低怠速影响较大。（表3）②不同油嘴弹簧力影响。实际测试过程中，油嘴弹簧力对预喷无影响。具体数据见表4。
1.3 关键零件的控制参数
1.3.1 控制阀套A/Z比和A孔直径
1.3.1.1 控制阀A/Z比和A孔直径影响分析 控制阀A/Z比决定喷油持续期长短，A/Z大喷油持续期长，喷油量大，反之喷油量[3]。陶瓷球抬起后，控制腔内压力降低，降低的速度与A（出孔）的直径、形状和流量系数相关。流量与出孔的直径平方成正比。如果不控制孔径，只控制流量，10MPa下测量相同，但是流量系数不同。实际使用过程中压力比较高，流量差距比较大，孔径公差0.01mm@100MPa，流量差距14.5%。
（2）[4]
式中，μout和Aout出油节流孔的流量系数和的流通截面积;rail代表共轨腔中的燃油压力;Po代表喷油器低压回油腔的燃油压力;Pc代表控制腔内的压力;ρ为燃油密度。
1.3.1.2 不同A/Z比和A孔直径对预喷油量 A孔直径相同，A/Z比大0.02，预喷油量大10%;A/Z比相同，A孔直径大0.005mm，預喷油量大30%。必须严格控制A孔直径散差在±0.002mm，控制A/Z在±0.01。
1.3.2 喷油嘴偶件流量
1.3.2.1 喷油嘴影响分析 预喷工作时，因为加电时间较短，喷油嘴工作行程<0.10mm，喷油嘴的流量受密封交线和压力室直径截流影响与喷孔直径不相关。即与喷油嘴流量不相关。
1.3.2.2 不同油嘴流量的影响 针阀体和针阀相同，只是变化喷孔数量、孔径，对预喷影响不明显。具体数据表6。实际测试中，因素变差超过影响。虽然对预喷影响不大，但是对主喷影响较大。
1.3.3 喷油嘴密封交线
1.3.3.1 喷油嘴密封交线影响分析 F2液压力与针阀导向直径和密封交线环带面积成正比，针阀导向段是针阀体偶件配合，尺寸公差um级，名义值确定后对针阀抬起的力贡献不大。针阀交线直径尺寸和公差对针阀上升速度起关键作用。
1.3.3.2 不同密封交线直径的影响 针阀密封交线对预喷影响非常明显属于强相关。密封交线直径越大，预喷油量越小。密封交线相差0.24mm（14%），预喷油量差-0.81mm3/str（35%）。选择合理的密封交线直径，并控制交线直径的散差在±0.03mm范围。
2 结束语
通过实际验证，影响预喷的主要因素：电磁阀弹簧力、衔铁升程、控制阀套A/Z比及A孔直径、密封交线直径。生产过程中电磁铁弹簧力控制在52-55N;衔铁升程控制在65-70um;控制阀套A/Z比公差控制在±0.01，A孔直径散差在±0.002mm。针阀密封交线合理选择，并控制散差±0.03mm。
参考文献：
[1]张勇，蒙国尤，肖怡，汪宇航，赵晋.共轨喷油器参数优化研究[J].机床与液压，2019（09）.
[2]尚伟.高压共轨喷油器设计的仿真与实验研究[D].北京理工大学，2019.
[3]马宁.共轨喷油器关键参数对总成油量的影响分析[J].内燃机与配件，2020（18）：44-45.
[4]贾锡印，李晓波.柴油机燃油喷射及调节[M].哈尔滨工程大学出版社，2002.
基金项目：国家重点研发计划（ 2016YFD0700805）。
作者简介：陈晓辉（1971-），女，内蒙古通辽人，工程硕士，高级工程师，主要负责共轨和机械喷油器开发、验证工作;杨海龙（1984-），男，湖南岳阳人，从事共轨系统设计、匹配标定验证工作;沈彬（1970-），男，江苏徐州人，多年从事燃油系統、后处理系统的匹配应用工作。
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