基于AMESim的高压共轨喷油器仿真分析

程傲，孟利清，白海

（1.西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224；2.广西师范大学职业技术师范学院，广西 桂林 541004）

基于AMESim的高压共轨喷油器仿真分析

程傲1，孟利清1，白海2

（1.西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224；2.广西师范大学职业技术师范学院，广西 桂林 541004）

柴油机高压共轨喷射系统中喷油器是其核心部件，燃油系统的喷油特性受喷油器关键部件结构参数的影响。在对高压共轨喷油器的结构进行分析后，在AMESim下建立其模型，并进行仿真分析不同的结构参数对喷油特性的影响。

AMESim；高压共轨喷油器；仿真分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.008

CLC NO.:TK422 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-21-03

引言

柴油机电控喷射技术的发展有效的提高了柴油机经济性、改善了排放。在经历了位置控制式、时间控制式和时间位置控制式。现阶段普遍使用的是压力时间控制式，也就是我们现在说的高压共轨燃油喷射系统。它在喷射正时和喷射压力的实现上具有很大的灵活性，同时具有很高的喷射压力[1-2]。因此在高压共轨燃油喷射系统达到一定轨压后，喷油器能否精准控制喷油规律成为了关键。通过优化高压喷油器结构，可以很好的提高系统 响应速度、喷油性能。本文通过AMESim软件建立高压共轨喷油器仿真模型，研究共轨压力及喷油器不同的结构参数对喷油率的影响，为喷油器结构优化设计提供理论依据[3]。

1、高压共轨喷油器的工作原理

在高压共轨燃油喷射系统中，高压燃油泵将燃油从油箱抽出以一定的压力送至共轨管，通过共轨管分配到各缸喷油器中。喷油时刻以及喷油量由高速电磁阀控制。右图是高压共轨喷油器的结构及工作原理示意图[4]。

喷油器主要由电磁阀控制部分、球阀、控制活塞、顶杆以及针阀等组成。如图所示高压燃油从共轨进入喷油器后会分为两路，一部分进入喷油器控制活塞上部的活塞控制腔，另一部分进入针阀下部的盛油槽。在针阀弹簧以及承压面积不同的作用下针阀不会被抬起，喷油器处于不工作状态[5]。

图1所示为喷油器喷油状态，此时电磁阀在ECU指令下通电，电磁阀衔铁在磁力作用下克服弹簧预紧力向上方移动，球阀打开。高压燃油从球阀流入回油箱，此时控制腔的压力迅速下降而盛油槽压力保持不变，针阀在压力作用下开启，喷油器开始喷油。当电磁阀断电后，球阀在弹簧预紧力作用下关闭，控制腔压力迅速上升，球阀关闭，喷油停止。

图1 高压共轨喷油器

2、喷油器模型建立

喷油器是由机、电、液组成的复杂系统，采用AMESim软件进行仿真分析，利用其丰富的电磁、液力、机械库建立模型可以全面分析喷油器各结构参数对喷油特性的影响。建模过程中针对喷油器进行了模块的划分，这里将其划分为电磁阀控制模块、容积腔控制模块、阀件控制模块。

2.1 电磁阀控制模型

电磁阀数学模型包括电路方程、电磁力方程、衔铁运动方程[6]：

电路方程：

其中，u-电磁铁驱动电压，i-线圈电流，r-线圈内阻，N-线圈匝数，φ-磁通。电磁铁在工作过程中由于电磁感应现象会产生电磁涡流，这里为了简化将不予考虑。

电磁力方程：

其中，Fm-电磁力，uδ-气隙磁位降，G-气隙磁导，δ-气隙。

当系统中的气隙很小的时候，公式可以简化为：

其中，B-气隙磁感应强度，u0-空气磁导率，S-气隙导磁面积。

(3)衔铁运动方程

其中，Fp-衔铁受到泄压腔有效的燃油作用力，Fs-弹簧的作用力，m-衔铁质量，x-衔铁位移。

2.2 容积腔控制模型

对于容积腔控制模型，例如控制腔、蓄压腔、油嘴腔等，考虑时认为容积内部的压力与速度分布是均匀的，此时满足连续性方程：

系统中各阀体的运动特性对整个系统影响重大，可以将其简化为简谐震荡系统，即质量-弹簧-阻尼系统，其基本方程如下：

其中，m-阀体的质量，c-粘性阻尼系数，k-弹簧刚度，F0-弹簧预紧力，x-衔铁位移，F-作用在阀体轴向上的外力和。

2.4 高压共轨喷油器AMESim仿真模型

根据喷油器结构特征及数学模型在AMESim下建立的高压共轨喷油器模型，如图2。

图2 高压共轨喷油器仿真模型

3、仿真结果与分析

3.1 轨压对喷油器喷油率的影响

较高的燃油喷射压力可以获得较好的燃油雾化质量，但是过高的压力又会导致共轨管的中燃油压力波动从而影响喷油的稳定。

分别设定轨压在120、130、160、200MPa下，分析喷油率的变化情况。

图3 轨压对喷油率的影响

着重关注主喷射部分，由图3可以看出随着共轨压力的升高喷油器的响应速度变快，并且喷油量以及喷油脉宽都相应增大。所以在机械性能满足的情况下，提高轨压可以有效的提高喷油效率增加喷油量。

3.2 控制活塞直径对喷油过程的影响

控制活塞通过传递控制腔的压力从而控制针阀的动作，控制活塞直径的大小会直接影响控制腔容积的大小、作用在喷油嘴针阀上的压力大小、喷油器运动部件的质量等。

图4 控制活塞直径对针阀升程的影响

由图4可以看出随着控制活塞直径的增大，针阀的开启时间滞后关闭时间提前。从而导致了针阀开启的时间缩短，喷油量也会随之缩短。理想情况下针阀的开启时不会太快，但可以迅速关闭，所以合适的控制活塞直径对喷油器的响应力至关重要。

3.3 控制腔体积对喷油率的影响

由于高压共轨系统中燃油的压力很高，所以燃油的压缩性不可忽略，喷油器中控制腔容积的大小将影响控制压力的大小从而会终止针阀的开启响应速度，最终影响喷油量。

图5、图6分别显示了控制腔容积在15 mm3、25 mm3、30mm3下控制腔压力和喷油率的变化情况。

从图中可以看出，随着控制腔容积的变化喷油率曲线变化不是很大，喷油率曲线有一定的平移，而且喷油起点受影响较大。随着控制腔容积的增大喷油始点推迟，导致喷油脉宽缩短从而降低了喷油量。

图5 控制腔体积对控制腔压力的影响

图6 控制腔体积对喷油率的影响

4、结论

通过高压共轨喷油器仿真分析，改变喷油器不同的结构参数观察分析对喷油率的影响，可以得出以下结论。

（1）轨压的提高会使喷油量显著提高，但会导致共轨燃油的压力波动，所以选择合适的轨压至关重要。

（2）控制活塞直径的大小对针阀开启关闭响应速度影响较大。

（3）控制腔容积的改变对喷油率的影响不大，但会影响喷油的起始点。

[1] 闫俊辉.柴油机高压共轨燃油系统控制策略研究[D].重庆：重庆理工大学2012.

[2] 孙世磊.牛志刚.基于AMESim的电控喷油器的结构仿真与分析[J].机床与液压.2013.41(17):163-168.

[3] 许文燕.吴小军. 王家雄等.高压共轨喷油器主要结构参数仿真分析[J].内燃机2011.(2):11-12.

[4] 张建新.高压共轨喷油器工作特性的仿真试验与研究[D].上海：上海交通大学.2003.2-4.

[5] 金海勇.傅连东. 柴油机高压共轨喷油器的仿真分析[J].小型内燃机与摩托车2012.41(5)：6-7.

[6] 李捷辉.李忠海. 赵哲等. 高压共轨柴油机电控喷油系统的仿真[J].农机化研究.2009(2)：196-197.

Simulation of High Pressure Common Rail Injector Based on AMESim

Cheng Ao1, Meng Liqing*1, Bai Hai2
( 1.School of Mechanical and Transportation, Southwest Forestry University, Yunnan Kunming 650224; 2. School of Technology and Education, Guangxi Normal University, Guangxi Guilin 541004)

Rail injector is the key component of the high pressure common rail fuel injection system, the response characteristics of fuel injection system affect by the main structural parameters of injector. Set up a model with AMESim software after analysis the structure of the high common rail injector, and analysis the effect of varied structural parameters of injector on injection rule.

AMESim; high pressure common rail injector; simulation analysis

TK422

A

1671-7988(2016)01-21-03

程傲，硕士研究生，就读于西南林业大学机械与交通学院。主要从事柴油机高压共轨喷油器仿真研究。孟利清，博士，教授，就职于广西师范大学职业技术师范学院。硕士研究生导师，主要从事交通运输及物流管理与工程研究。