王稱心，武美萍，趙 翊

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122）

高壓共軌系統(tǒng)出油閥結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真研究*

王稱心，武美萍，趙 翊

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122）

對柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中的出油閥進(jìn)行了研究，介紹了出油閥結(jié)構(gòu)和工作原理，利用GT-Fuel分析軟件建立了出油閥仿真模型。分析了進(jìn)油端壓力、彈簧剛度和出油孔直徑對閥芯位移、出油端壓力的影響。仿真結(jié)果表明，進(jìn)油端壓力對閥芯位移和出油端壓力影響明顯，出油孔直徑對出油孔端壓力及孔內(nèi)的燃油壓力波動有較大的影響，其仿真數(shù)據(jù)為出油閥的設(shè)計、選型和模擬提供了理論依據(jù)和實(shí)踐價值。

出油閥；GT-Fuel；仿真研究

0　引言

為了適應(yīng)未來的排放法規(guī)和改善發(fā)動機(jī)的性能，采用高壓共軌式電控噴油系統(tǒng)是提高柴油機(jī)高柴油機(jī)功率、降低油耗、降低排放污染的有效手段之一。噴油泵作為供油系統(tǒng)的重要組成部分，出油閥等泵端結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對供油系統(tǒng)的影響很大。這些參數(shù)對供油特性、噴油延續(xù)、空泡現(xiàn)象也有不同程度的影響［1］。王尚勇等［2］使用流體分析軟件FLOW-MASTER，探索了兩級閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對高壓共軌電控噴油系統(tǒng)噴射特性的影響；韋海燕等［3］利用計算機(jī)動態(tài)采集系統(tǒng)，對出油閥處噴油泵端的壓力波形進(jìn)行采集和分析，研究出油閥偶件密封性不良產(chǎn)生的原因及其帶來的不良影響；趙昌普，張青霞［4］對噴油系統(tǒng)進(jìn)行了試驗研究，通過改變噴油泵出油閥結(jié)構(gòu)、開啟壓力、出油閥緊帽腔容積等參數(shù)，得出了出油閥結(jié)構(gòu)等參數(shù)對噴油泵噴油量的影響規(guī)律。然而這些分析缺乏不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對出油閥自身特性的影響。

鑒于此，本文基于GT-FUEL仿真軟件，建立出油閥仿真模型，研究出油閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對其工作特性的影響。

1　模擬計算

1.1出油閥結(jié)構(gòu)原理

本文對出油閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，其簡化結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。該出油閥主要由進(jìn)油孔、出油孔、閥芯、閥腔、彈簧和閥座組成。當(dāng)噴油泵柱塞開始壓縮燃油時，柱塞腔壓力升高，使圖中進(jìn)油孔管道內(nèi)燃油壓力P1逐級升高，作用在閥芯上的壓力F1也逐漸增大。當(dāng)F1大于出油孔端燃油壓力P2對閥芯壓力F2與彈簧壓力F3的合力時，閥芯逐級開啟，燃油從進(jìn)油孔端通過閥芯流入閥腔，隨著出油孔流入共軌管內(nèi)；當(dāng)噴油泵柱塞下降時，柱塞腔壓力逐級降低，即進(jìn)油孔管道內(nèi)壓力逐漸降低，當(dāng)F1小于F2與F3合力時，閥芯逐級關(guān)閉。至此，一個供油循環(huán)結(jié)束。

圖1　出油閥結(jié)構(gòu)圖

1.2出油閥仿真建模

本文利用美國Gamma Technology公司開發(fā)的GTFUEL軟件建立出油閥的仿真模型，如圖2所示仿真模型。

圖2　出油閥仿真模型

進(jìn)油孔端壓力由高壓泵控制，定義入口壓力為時間的函數(shù)，這樣可以觀察閥的動態(tài)特性；出油孔端燃油壓力設(shè)置為1300bar，它與共軌管中的燃油壓力一致；進(jìn)油孔、出油孔管道用軟件中“管道”模塊建立，定義其內(nèi)徑為5mm，長度為70mm；用“分流”模塊建立閥腔，定義其內(nèi)徑為20mm，長度為25mm；在進(jìn)油孔與閥腔之間建立小孔，該孔初始直徑設(shè)置為零，孔徑的大小由閥芯的位置計算得到；閥芯由“質(zhì)量塊”模塊建立，并通過“壓力傳感器”分別與進(jìn)油管道出口和閥腔連接，從而建立流體與機(jī)械直接的連接；并在閥芯兩側(cè)建立彈簧和燃油阻尼，以及兩個限位模塊，定義閥芯最大位移為0.5mm。當(dāng)閥芯開啟時，位移傳感器測出閥芯位移，并通過計算公式將位移量轉(zhuǎn)換成閥芯有效流通面積，然后將流通面積轉(zhuǎn)換成流通孔直徑。通過驅(qū)動模塊，驅(qū)動小孔直接隨閥芯運(yùn)動而不斷變化。

2　出油閥仿真研究

2.1燃油最高壓力對閥芯位移的影響

取出油孔直徑D=5mm，彈簧剛度K=10N/mm，共軌端燃油壓力為1300bar，分別取進(jìn)油孔端燃油最高壓力為1300bar、1400bar、1500bar、1600bar對閥芯位移進(jìn)行仿真計算，其結(jié)果如圖3所示。當(dāng)進(jìn)油端燃油壓力為1300bar時，達(dá)不到閥芯開啟壓力，閥芯沒有打開，其位移不變；當(dāng)壓力達(dá)到開啟壓力時，閥芯開始打開，而且隨著燃油壓力的增大，針閥開啟時間越早，針閥關(guān)閉的時間越晚。這是由于燃油最高壓力越大，在相同時間內(nèi)，它對閥芯施加的壓力越大，它能夠更快的克服彈簧的預(yù)緊力和共軌端對閥芯的壓力，使閥芯開啟；同樣原理，當(dāng)燃油壓力逐漸降低時，由于共軌端壓力、彈簧剛度、彈簧預(yù)緊力不變，所以進(jìn)油孔最大壓力越高，閥芯關(guān)閉時間越長。

圖3　不同進(jìn)油端壓力下閥芯位移

2.2出油孔直徑、彈簧剛度對閥芯位移的影響

在進(jìn)油端最高壓力為P=1500bar，彈簧剛度為K=10N/mm時，分別取出油孔直徑D=3mm、D= 5mm、D=7mm、D=9mm，研究出油孔直徑對針閥位移的影響，其仿真結(jié)果如圖4所示。由仿真結(jié)果可以看出，在壓力P、彈簧剛度K一定的情況下，閥芯位移響應(yīng)一致，出油閥直徑的變化對閥芯的開啟、關(guān)閉的影響很微小，可以忽略不計。在最高壓力為P=1500bar，出油孔直徑為D=5mm時，分別取彈簧剛度K=10 N/mm、K=20N/mm、K=30N/mm、K=40/mm，研究彈簧剛度對針閥位移的影響，其仿真結(jié)果如圖5所示。由仿真結(jié)果可以看出，在壓力P、出油孔直徑D一定的情況下，閥芯位移響應(yīng)一致，彈簧剛度K的變化對閥芯的開啟、關(guān)閉影響甚微。這是由于彈簧剛度施加在閥芯上的力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)、出油端燃油施加給閥芯的力，因此其對閥芯位移的影響很小。因此在設(shè)計選擇出油閥彈簧剛度時，可以選擇較小的彈簧剛度。

圖4　不同彈簧剛度下閥芯位移

圖5　不同出油孔直徑下閥芯位移

2.3不同進(jìn)油孔壓力對出油孔壓力的影響

取出油孔直徑D=5mm，彈簧剛度K=10N/mm，共軌壓力為1300bar，分別取燃油最高壓力為1300bar、1400bar、1500bar、1600bar對閥芯位移進(jìn)行仿真計算，其結(jié)果如圖7所示。當(dāng)閥芯逐漸開啟時，由于閥芯的移動，對閥腔與出油孔處的燃油進(jìn)行了壓縮，從而導(dǎo)致閥芯開啟時，出油孔處燃油壓力突然增大，如圖6左端突起所示；隨著閥芯完全打開，壓縮效應(yīng)結(jié)束，出油孔燃油壓力逐級降低，并逐級平穩(wěn)；當(dāng)閥芯關(guān)閉時，閥腔與出油孔的體積增大，燃油擴(kuò)張膨脹，導(dǎo)致出油孔處燃油壓力下降，如圖6右端所示；閥芯關(guān)閉后，由于壓力反射波的存在，壓力波在出油孔內(nèi)來回反射，導(dǎo)致出油孔內(nèi)壓力波動；由于燃油間摩擦、管壁摩擦，逐級消耗壓力波能量，使壓力波逐級減小。在出油孔直徑D、彈簧剛度K以及共軌壓力一定時，進(jìn)油孔壓力越大，出油孔端燃油初始壓縮時間越快，這與閥芯的位移響應(yīng)一致；而且隨著進(jìn)油孔壓力的增大，出油孔端燃油波動幅度也越大。

圖6　不同進(jìn)油端壓力下出油孔壓力

2.4出油孔直徑對出油孔壓力的影響

在最高壓力為P=1500bar，彈簧剛度為K=10 N/mm時，分別取出油孔直徑D=3mm、D=5mm、D= 7mm、D=9mm，研究出油孔直徑對針閥位移的影響，其仿真結(jié)果如圖7所示。當(dāng)出油孔直徑D=3mm時，由于孔徑較小，出現(xiàn)節(jié)流現(xiàn)象，導(dǎo)致出油孔內(nèi)壓力明顯增加，而且在閥芯完全開啟后，出油孔內(nèi)壓力更快的趨于穩(wěn)定。隨著出油孔直徑D的減小，在閥芯關(guān)閉后，雖然燃油壓力波動幅值增大，但是壓力波的衰減速度也增大，使壓力波很快消失。

圖7　不同出油孔直徑下出油孔壓力

2.5彈簧剛度對出油孔壓力的影響

在最高壓力為P=1500bar，出油孔直徑為D=5mm時，分別取出油孔直徑K=10 N/mm、K=20 N/mm、K= 30N/mm、K=40/mm，研究彈簧剛度對針閥位移的影響，其仿真結(jié)果如圖8所示。由圖示結(jié)果分析可知，這四種情況下，出油孔壓力波動趨勢一致，而且壓力波動值相差很小，因此可以認(rèn)為彈簧剛度對出油孔壓力沒有影響。這是由于彈簧剛度K較小，施加在閥芯上的力與燃油壓力相比可忽略，因此其影響很小。所以在選擇、設(shè)計出油閥彈簧剛度時，盡量選擇較小的剛度，從而減輕出油閥裝配強(qiáng)度，降低出油閥成本。

圖8　不同彈簧剛度下出油孔壓力

3　結(jié)論

（1）進(jìn)油孔端壓力的大小決定了閥芯開啟、關(guān)閉速度。進(jìn)油端壓力越大，閥芯開啟時刻越早，同時，閥芯關(guān)閉時刻越晚；出油孔管道直徑對閥芯的啟閉影響甚微；由于彈簧剛度較小，彈簧壓縮對閥芯的力與燃油壓力相比較小，對閥芯影響可以忽略，因此對出油閥設(shè)計、選型時，可以選擇較小的彈簧剛度。

（2）進(jìn)油端壓力越大，閥芯完全開啟后，出油孔壓力也越大，閥芯關(guān)閉后，出油端燃油壓力波動幅度也越大；隨著出油孔直徑的減小，形成節(jié)流效果，導(dǎo)致出油端壓力明顯上升，壓力波動達(dá)到溫度的時間縮短了；彈簧剛度對出油端壓力影響甚微。

（3）所以在設(shè)計出油閥時，盡量選擇彈簧剛度較小的彈簧；出油孔直徑可選擇較大值，以降低燃油波動壓力。

［1］杜慧勇，劉建新，趙致和，等.柴油機(jī)供油系統(tǒng)汽泡類型的研究［C］.第七屆全國工程熱物理學(xué)術(shù)會議論文集，上海：上海交通大學(xué)出版社，1998.

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（編輯 趙蓉）

Simulation Study on Delivery Valve Structural Parameters of High Pressure Common Rail System Based on GT-Fuel

WANG Chen-xin，WU Mei-ping，ZHAO Yi
（School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi Jiangsu 214122，China）

Studied on delivery valve of diesel engine high pressure common rail fuel injection system，delivery valve structure and working principles are introduced.Using GT-Fuel analysis software，the delivery valve simulation model is established.Analyzed the impact of oil inlet pressure，the spring stiffness and the outlet hole diameter on the valve core displacement and oil pressure.Simulation results show that the inlet pressure has obviouse effect on the valve core displacement and the outlet oil pressure，the outlet hole diameter has great influence on the pressure of outlet and its fuel pressure fluctuation.The simulation data provides a theoretical basis and practical value for the valve design，selection and simulation.

delivery valve；GT-Fuel；simulation study

TH166；TG506

A

1001-2265（2015）02-0068-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.019

2014-05-19

江蘇省省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項目（SBY201320293）作者簡介：王稱心（1990—），男，江蘇徐州人，江南大學(xué)碩士研究生，研究方向為CAD/CAE/CAM、虛擬設(shè)計與制造，（E-mail）chenxin 5 wang@126. com。