共轨喷油器垫片对其性能的影响分析

谈德荣

（上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200030）

共轨喷油器垫片对其性能的影响分析

谈德荣

（上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200030）

随着国家对环保法规的日益重视以及对应的道路用车辆国四排放的执行，柴油发动机在中国已朝向低排放，低油耗方向发展。对于提高燃油经济性降低排放的技术方案，提高柴油系统的压力和更精确地控制燃烧过程将成为整个柴油发动机发展的重点领域。共轨系统由于其高达1400bar以上（国四排放将达到1600bar以上）的系统压力，通过ECU可以对喷油器的喷油时间及喷油量进行精确控制，达到最大程度的改善油耗和尾气排放。目前共轨技术已成为国四时代的电控发动机的主流发展技术。共轨系统的核心部件共轨喷油器由于制造的高精密性，博世工厂必须通过垫片来调节和补偿喷油器内部零部件的极微小公差引起的位置变化从而保证产品功能和性能的一致性。共轨喷油器在装机使用过程中其承受着极高的压力，此外中国油品质量（含杂质）的参差不齐导致了大量的喷油器损坏，而售后喷油器维修过程中对于功能的复原除了更换磨损零部件之外对于性能的还原起到更重要作用的仍是垫片的选用和调整。文章将阐述调整垫片的功能及调整方法，以及不同故障模式下垫片选取对喷油器性能影响的分析。

共轨；喷油器；维修；调整垫片

Abstract:With increasing significance being attached to China’s environmental laws and China IV being implemented for all vehicles on the road, low emission and low fuel consumption have become the new focus for diesel engines in China. As for the technical solution to improve fuel efficiency and reduce emission, the main concern would be how to increase the pressure of diesel system and how to control the combustion process more precisely. Common rail system, featuring a high-pressure over1, 400 bar (China IV will requires more than 1,600 bar) and precise control over fuel injection time and quantity through ECU, consumes much less diesel and produces much lower emissions. This is why common rail system has become the mainstream technology in the era of China IV. Common rail injector, as the core part of common rail system,requires highly precise manufacturing process. This makes shim a must for Bosch factories to adapt to and compensate the position change caused by the minimal tolerance among internal injector components. The extremely high pressure and fuel of different quality in China (with impurities) both lead to the failure of a large number of injectors. During the repair process for injector in aftermarket, it would make a much bigger difference on the recovery of performance by choosing the right shim and adjust it compared to the replacement of worn parts. This paper will focus on why and how to adjust shims and analyze different shims’ influence on injector’s performance under different failure modes.

Keywords: Common Rail; injector; repair; shim

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-173-04

前言

电控调整垫片对于喷油器调整的作用是不言而喻的。目前在中国市场90%的在共轨喷油器的工业生产中，由于各个零部件需要极为精密的配合，在生产和制造过程中会因为细小的误差引起大批量生产的喷油器的性能一致性受到考验。因此在喷油器设计过程中引入了尺寸差别极微小的垫片来补偿由于零部件加工的细微差异或者制造中的不确定性造成的配合间隙。由此喷油器的性能一致性便可以在大批量制造中得以稳定。而在维修喷油器的过程中，售后人为的拆卸和重新安装也导致了整体喷油器的内部结构参数发生改变，且变化情况无法参照原厂的喷油器内部参数，只能通过对相应的装配尺寸进行详细测量，并依据油量测试的结果来调整相应垫片。单单更换相应磨损件就能复原喷油器性能的情况几乎不存在，由此我们便需要了解垫片的结构和调整方法。中国市场目前主要的博世喷油器型号为第二代喷油器简称CRIN2，目前已完全实现国产化，系统压力可从 1400bar升级至 1600bar，完全能够应对国四甚至国五的要求。基于其是国内的主流配套型号，以下内容将围绕共轨二代喷油器展开对调整垫片的分析研究。

1 调整垫片的功能与调整方法

1.1 博世二代共轨喷油器的调整垫片类型及功用

如图1所示，二代博世共轨喷油器的垫片分为五种，自下而上分别是：针阀升程调整垫片（中间垫片），油嘴弹簧调整垫片，缓冲升程垫片，衔铁升程垫片以及阀弹簧调整垫片[1]。

在喷油器生产过程中，垫片的使用并非随意，而是经过精细测量计算得出，整个垫片的厚度选用符合工业生产的正态分布曲线，并且其精度可以达到微米级别。垫片厚度的不同将对喷油器的各项性能产生至关重要的影响。

图1 喷油器内部结构图

1.1.1 阀弹簧调整垫片

调整电磁阀弹簧力的大小。弹簧力根据不同类型的喷油器其设定值不同。博世喷油器的弹簧力基本的要求额定值为55N到90N，公差范围在超出公差尺寸的阀弹簧力会影响喷油性能。如果电磁阀没有电压输入，弹簧将球阀压紧在阀座面上，球阀底面液压力将平衡弹簧力。电磁阀弹簧力的大小对其阀芯运动特性及响应时间均有巨大影响。不同的弹簧力对球阀的升程，球阀的速度，针阀升程及喷油量都是不同的。电磁阀的相应速度会随着弹簧力的增加而降低。

1.1.2 衔铁升程调整垫片

衔铁升程指的是，调整由于阀球由于不规则垂直跳动而产生的最大位移。衔铁升程对于不同类型的喷油器有些许差别。一代博世喷油器的衔铁升程规定值在39微米到59微米之间，而中国市场的二代喷油器基本上规定值都在52微米到55微米，最大公差范围在±5微米之间，过大或过小将直接造成喷油器无法喷油或喷油过小。对喷油器而言，在正常范围内的规定值，衔铁升程的调整最多就影响到预喷点油量的多寡，并不会对其他喷射点产生影响[2]。

1.1.3 缓冲升程调整垫片

缓冲升程调整垫片是对衔铁片在运行过程中最大位移的调整。缓冲升程垫片无法加的过厚，否则喷油器的回油量将会变得过大。而回油量过大的装车现象则是无法启动或怠速不稳。规定值基本上在19微米至59微米之间，最大公差范围为±20微米左右。如果其调整范围在最大公差之内，它的厚度对单个测试点的喷油量影响非常小，但是对短时间内的多次喷油总量有一定影响。而普通的维修用测试台架是无法测出差别所在的。

1.1.4 油嘴弹簧调整垫片

油嘴弹簧力同时也是油嘴的轴针开启压力。油嘴弹簧力的大小直接影响着油嘴的喷射相应时间及喷射量。油嘴开启压力为34 N，最大公差范围为±3N。超过公差范围的弹簧力会使得喷油量发生较大的偏差，在怠速工况下表现非常突出。

1.1.5 针阀升程调整垫片

油嘴针阀的最大位移即为针阀升程。其设定值随喷油器型号的不同而不同。规定值为200微米至350微米，最大公差范围为10微米左右。全负荷工况下的喷油量将受到针阀升程的影响。

1.2 博世二代共轨喷油器垫片对喷射性能的影响

喷油器在不同轨压和不同通电时间下的喷油性能的好坏可用喷油器燃油喷射曲线来表达。对于模拟真实工况起到非常重要的参考和标定意义[3]。我们用博世二代喷油器 04451 20078（此喷油器通过升级可达国四标准）为例分析垫片厚度对燃油曲线的影响程度如何。

1.2.1 针阀升程的影响

图2 针阀升程对喷射的影响

如图2所示：当针阀升程为250微米阶段用蓝色曲线表示喷射流量，当针阀升程为280微米时，喷油量变为红色曲线所形成的状态。而当针阀升程切换为230微米时，同一喷油器的喷射曲线会成为如绿色曲线所示状态。从图上可得出，当调整针阀升程的大小发生变化时，仅对全负荷点的油量产生相应影响。因此可以预见到针阀升程的改变对于发动机在全负荷运转时才会表现出影响。

1.2.2 油嘴弹簧力的影响

如下图3所示，当油嘴弹簧力为34N时的喷射曲线为蓝色，而当油嘴弹簧力降低为31N时，喷油量曲线会成为红色。当油嘴弹簧力变成为37N时，喷油器的喷射曲线会成为绿色表征的曲线状态。从图可得，当调整油嘴弹簧力的大小时，对低怠速点的喷油量产生主要影响，对其他喷油量影响非常小。

图3 油嘴弹簧力对喷射的影响

1.2.3 电磁阀弹簧力的影响

如下图4所示：63N,67N,71N,三种不同阀弹簧力的作用下的喷油量曲线分别在不同工况下的状态。从图可以显示，当阀弹簧力的变化，直接对整个喷射区域的喷油量产生了影响，在其中对排放点喷油量的影响明显比其他检测点的变化来的大。

图4 电磁阀弹簧力对喷射的影响

1.2.4 衔铁升程的影响

如下图5所示，喷油器的衔铁升程为40，50，60微米时其喷射曲线的变化状态。从图上可看出，改变衔铁升程大小时，在40-60微米范围内只对预喷点的油量产生相应影响。

在维修过程中，通过大量测试还发现，如果大幅度调整衔铁升程的垫片厚度，各个喷射点的喷油量都会产生非常明显的变化和影响，究其原因是由于衔铁升程不在正常范围内所导致的结果，这个时候一旦调整区间超过 70微米或小于30微米，喷油器将无法正常工作。喷射曲线将如下图所示，动态工作性能如图所示形成不规则现象。由此可见，在调整过程中控制好衔铁升程的区间以及其厚度的把控是至关重要的。

图5 衔铁升程对喷射的影响

图6 衔铁升程超调对喷射的影响

2 衔铁升程垫片调整试验

在上文中已经提到，保证衔铁升程在设定范围之内是影响喷油器工作的最关键因素。

本章节专门通过一组试验来解释衔铁升程垫片位于怎样的范围喷油器才能性能正常工作。

2.1 试验方法和步骤

1）喷油器的标准喷油量测试（预喷，排放，怠速点以及全负荷）。

2）将电磁阀从喷油器上拆除，衔铁升程垫片厚度作为主要试验对象，每5微米为一个等级，调整总厚度30微米。即衔铁升程设定值分别为22,27,32,42,47,52,57,62,67,72,77,82微米。

3）衔铁升程调整垫厚度每一次的改变，都上台架测试各额定点的油量数据，共测试10次；

4）衔铁升程随喷油量动态改变的趋势。

注：只能变动衔铁升程垫片，其他垫片没有丝毫调整。

2.2 试验结果

全负荷点（1600bar,2000us）油量随衔铁升程值的变化如图7所示。

图7 油量随衔铁升程值的变化

排放点（1000bar,600us）油量随衔铁升程值的变化如图8所示。

图8 排放点油量随衔铁升程值的变化

预喷点（1000bar,250us）油量随衔铁升程值的变化如图9所示。

图9 预喷点油量随衔铁升程值的变化

低怠速点(250bar,1000us) 油量随衔铁升程值的变化如图10所示。

图10 低怠速点油量随衔铁升程值的变化

从图7到图10中可得到结论，衔铁升程的厚薄对所有流量点的趋势影响全然不同，升程偏差直接导致喷油器的性能出现较大异常。然而，在32微米和67微米的垫片之间所有的性能指标都在合格范畴内。以上试验结果对于博世原厂阀组件的更换起到比较好的参考作用，但如果更换非博世原厂阀组件，由于加工水平问题，衔铁升程垫片上下区间将会收得更加狭窄。这也是为什么替代件不好调整或质量不过关的根本原因所在。并且衔铁升程的偏差，有很大风险导致阀组件的回流孔穴蚀，从而使得回油量过大。喷油器性能出现异常。

3 结论

在共轨喷油器制造或维修过程中需要组装阀组件或油嘴，但由于组装过程中拆解喷油器造成的内部原有结构参数的变化，需要使用精密测量量具进行控制，并根据测量结果更换相应厚度的垫片来确保性能的复原。由于其精密度的要求，推荐使用针对每一个调整垫片所适用的对应测量量具并且精度最好在十分之一微米级别，但如果条件和成本所限，对于非工业化生产型企业，如半工业化，或维修类企业，则需要至少对衔铁升程进行测量与控制，使之在标准区间内。这样便能加快效率通过台架测试，而保证喷油器的合格装配。以下是针对博世2代共轨喷油器的调整总结。

表1 各类垫片调整方法表

[1] 张建新,施光林，胡林峰.高压共轨喷油器结构参数对喷油量特性影响的研究[J]. 现代车用动力2003(01): 1-5.

[2] 胡林峰 段炼 FCRS共轨喷油器喷油性能一致性的试验研究[J]现代车用动力2015(01) :1-7.

[3] 菅宝玉; 袁宝良 共轨喷油器结构参数的分析研究 现代车用动力[J] 2006(03) :5-9.

[4] 邹丽,喷油器气隙及弹簧垫片厚度对高压共轨系统影响[D]. 江西农业大学,2013

The influence of common rail spray gasket on its performance is analyzed

Tan Derong
( Shanghai jiaotong university school of mechanical and dynamic engineering, Shanghai 200030 )

U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-173-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.060

谈德荣，(1985-)，男，就职于博世汽车技术服务（中国）有限公司，并任产品经理。专业从事共轨燃油喷射系统的服务解决方案的开发与制定。