高压共轨喷油器响应特性优化分析

缑庆伟，赵 畅，张 欣

（1. 北京交通运输职业学院 汽车工程系，北京 102618；2. 北京交通大学 动力与能源工程系，北京 100044）

高压共轨喷油器响应特性优化分析

缑庆伟1，赵 畅2，张 欣2

（1. 北京交通运输职业学院 汽车工程系，北京 102618；2. 北京交通大学 动力与能源工程系，北京 100044）

为了提高某型号重型柴油机喷油器的响应特性，以高压共轨喷油器为研究对象，利用 AMESim 软件建立仿真模型并分析了控制柱塞直径、控制腔容积、针阀弹簧预紧力、针阀密封直径对于响应特性的影响。采用正交试验设计的方法，通过极差和方差分析对这些参数及其交互作用进行优化。结果表明，当控制柱塞直径为 4.2 mm，控制腔容积为 0.02 cm3，针阀弹簧预紧力为 79 N，针阀密封直径为 3.8 mm 时高压共轨喷油器的响应特性最好，优化后响应特性提升了 30.65%。

高压共轨喷油器；结构参数；响应特性；正交试验设计

柴油机具有热效率高、功率大、经济性好等特点，在货车、大客车等商用车上得到了广泛应用[1]。采用高压共轨燃油系统是提高柴油机动力性和排放性的必要措施，高压共轨喷油器作为核心部件，其响应特性将直接影响柴油机喷油特性，从而影响柴油机燃烧和排放，合理选取喷油器的结构参数是提高其响应特性的关键[5]。本文首先根据实际工程需求选取了4个关键结构参数，通过单因素的仿真分析，获得各结构参数合理的选取范围。利用正交试验设计的方法分析了各因素以及各因素之间的交互作用对于响应特性的影响，确定最佳优化方案，为喷油器的结构设计提供了理论依据。

1 高压共轨喷油器模型构建及试验验证

1.1 高压共轨喷油器仿真模型的建立

根据高压共轨喷油器各部件的结构特点及工作原理，对其进行合理的简化假设，建立相对应的数学模型。在所建立的数学模型的基础上，以某型号重型柴油机高压共轨喷油器为参考，利用 AMESim仿真软件液压元件设计库中的各类单元模型搭建本研究的仿真模型。构建的高压共轨喷油器仿真模型如图1所示。

图1 高压共轨喷油器仿真模型

1.2 仿真模型的试验验证

利用单次喷射仪试验台开展了高压共轨喷油器喷油特性的试验。将共轨压力分别设定为 1 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa，控制多种喷油脉宽，获得不同工况下喷油器的单次循环喷油量数据，将获得的试验数据与仿真数据进行对比并做误差分析。循环喷油量的试验数据与仿真数据对比图如图2所示。

图2 循环喷油量的试验数据与仿真数据对比图

由图2可知，利用共轨喷油器仿真模型计算出的单次循环喷油量结果与试验结果在变化趋势上基本一致，单次循环喷油量随喷油脉宽的增加近似呈线性增长的趋势，多数工况点下仿真数据与试验数据吻合较好。在个别工况点下，仿真结果与试验结果相比存在一定误差，主要是仿真模型所做的简化及试验条件的细微差别等，但其最高误差度不超过 10%，模型能够较为真实地反映出共轨喷油器的喷油特性。

2 高 压 共 轨 喷 油 器 关 键 结 构 参 数 对 响 应 特 性的影响

2.1 喷油器响应特性的评价指标

响应特性分析的是喷油器开启响应时间和关闭响应时间。具体包括开启延迟时间（以下简称“开启延时”）、开启时间、关闭延迟时间（以下简称“关闭延时”）、关闭时间四个部分，可用图3中的 T1、T2、T3、T4四个时间参数进行表征。

图3 喷油器动态响应特性评价指标

2.2 控制腔容积对响应特性的影响

在保持原机参数的基础上将控制腔的容积分别设定为 0.01 cm3、0.02 cm3、0.03 cm3、0.04 cm3，分析控制腔容积变化对高压共轨喷油器响应特性的影响。针阀升程曲线如图4所示。

图4 不同控制腔容积下喷油器针阀升程曲线

由图4可知，喷油器响应特性指标只有微小的变化，控制腔容积的变化对喷油器响应特性的影响程度很小。

2.3 控制柱塞直径对响应特性的影响

在保持原机参数的基础上将控制柱塞直径分别设 定 为 4.2 mm、4.3 mm、4.4 mm、4.5 mm， 分 析控制柱塞直径变化对喷油器响应特性的影响。针阀升程曲线如图5所示。

由图5可知，柱塞直径的变化对于开启响应影响较大，但若控制柱塞直径过大，会导致控制腔内燃油作用在控制柱塞上的力过大，使针阀无法正常开启。同时若柱塞直径过小，针阀虽然能够快速开启，但影响其正常关闭。因此，柱塞直径的选取也应当在合理的范围内，过大或过小都会影响喷油器的正常工作。

图5 不同柱塞直径下喷油器针阀升程曲线

2.4 针阀密封直径对响应特性的影响

在保持原机参数的基础上将针阀密封直径分别设 定 为 3.9 mm、4.0 mm、4.1 mm、4.2 mm， 分 析针阀密封直径变化对喷油器响应特性的影响。针阀升程曲线如图6所示。

图6 不同针阀密封直径下喷油器针阀升程曲线

由图6可知，开启时间的降幅远远高于关闭时间的增幅，适当增加针阀密封直径有利于提高喷油器的整体响应特性。

2.5 针阀弹簧预紧力对响应特性的影响

在共轨压力建立前，针阀弹簧预紧力能够保证针阀不受气缸内压力的影响而处于关闭状态，它的大小也会影响喷油器针阀的运动。为分析其对喷油器响应特性的影响，在保持原机参数的基础上将针阀弹簧预紧力分别设定为 59 N、69 N、79 N 和 89 N，分析针阀弹簧预紧力变化对喷油器响应特性的影响。针阀升程曲线如图7所示。

图7 不同针阀弹簧预紧力下喷油器针阀升程曲线变化

由图7可知，针阀弹簧预紧力对喷油器响应特性的影响较小，对开启时间的影响略大于对关闭时间的影响。

3 共轨喷油器关键结构参数优化设计

3.1 正交试验方案的确定

本研究中喷油器关键结构参数的优化目标为喷油器的响应特性。因此，选取针阀开启延时 T1、针阀开启时间 T2、针阀关闭延时 T3、针阀关闭时间T4，四个指标衡量试验结果。

根据优化需求，将前文分析的4个关键结构参数（控制柱塞直径、控制腔容积、针阀弹簧预紧力、针阀密封直径）作为试验因素，从单因素分析中较为理想的区域里选取3个值，作为试验因素的水平，另外分析它们的交互作用对喷油器响应特性的影响程度。其中，交互作用主要包括因素A与因素B的交互作用A×B，因素A与因素C的交互作用A×C，因素A与因素D的交互作用A×D，因素B与因素C 的交互作用 B×C。因素及水平表见表2。

由于选取4个3水平因素，4个3水平交互作用，因此自由度为 4×2+4×2×2=24，选用的正交表自由度≥ 24，所以选用 L27（313）正交表，总试验次数为 27次。

表2 因素及水平表

评价方法采用综合评分法来评价共轨喷油器的动态响应特性，根据理想喷油器的喷油规律曲线形状可知，在喷油器工作过程中，希望喷油器能够断油迅速，因此优先考虑关闭响应，并且响应时间比延迟时间更为重要。以此对四个试验指标的重要性进行排序，针阀关闭时间最重要，针阀关闭延时次之，针阀开启时间第三重要，针阀开启延时是四个指标中重要性最小的。取针阀关闭时间的权重系数为 0.5，针阀关闭延时的权重系数为 0.25，针阀开启时间的权重系数为 0.15，针阀开启延时的权重系数为 0.1。则综合评分的公式为：

式中：i为第 i次试验；Xi1为第 i次试验的针阀开启延时 T1；Xi2为第 i次试验的针阀开启时间 T2；Xi3为第 i次试验的针阀关闭延时 T3；Xi4为第 i次试验的针阀关闭时间 T4；Yi为第 i次试验的综合公式分。

表3 极差分析表

3.2 正交试验结果及分析

3.2.1 极差分析

计算贡献系数k，从而判断该因素各水平对试验指标影响的大小。表3为极差分析表。

由表 3 可知，RA＞ RB＞ RA×B＞ RC= RA×C＞RA×D＞ RD＞ RB×C，即因素 A 对响应特性的影响程度最大，其次为因素 B、A×B、因素 C、A×C、A×D、因素 D、B×C。其中控制柱塞直径对响应特性的影响最大。由图8各因素对响应特性的影响效应曲线图可以看出，响应特性随着控制柱塞直径增大而得到明显提升。

图8 各因素对响应特性的影响效应曲线图

3.2.2 方差分析

计算总偏差平方和与各因素平方和与均差和后，检验各因素的统计量F值，获得各因素的显著性大小，方差分析表见表4。

表4 方差分析表

由表 4可知，因素 A、B×C对试验结果的影响是高度显著的，而因素 B、因素 C、A×B、A×C的影响显著。

3.2.3 优化方案的构建

通过方差分析表对各组参数及交互作用进行分析。

（1）由于因素 A、因素 B 及 A×B 的影响都是显著的，应选择［ab］ij中最小者所对应的因素 A和因素B的水平为优水平组合，为此列出因素A和因素B的二元表见表5。

表5 因素A和因素B的二元表

由表5可知，所对应的因素A和因素B的最优水平搭配为 A1B1，次为 A1B2。

（2）与因素A和因素B相同，因素A和因素C的二元表见表6。

表6 因素A和因素C的二元表

由表6可知，所对应的因素A和因素C的最优水平搭配为 A1C3，次为 A1C2。

（3）因素 B 和因素 C 的二元表见表 7。

表7 因素B和因素C的二元表

由表7可知，因素A和因素C的最优水平搭配为 B2C2，次为 B2C1。

（4）由于因素A显著，因素D、A×D不显著，故因素 D 取最优值 D1。

由以上分析可得到响应特性的各结构参数最佳方案表，见表8。

表8 各结构参数最佳方案表

3.3 最优方案的分析及选取

根 据 分 析 得 到 优 化 方 案 分 别 为 A1B1C2D1、A1B1C3D1、A1B2C2D1、A1B2C3D1。对优化方案进行仿真分析。在仿真过程中，有的方案出现了由于部件不匹配而造成的针阀复抬现象。方案 A1B2C3D1能够进行喷油器喷油的完整过程，并且在响应特性评价指标变化上具有一定的优势，因此确定其为最优方案。

将获得的最优方案与原机进行响应特性的对比，获得针阀升程曲线图（图9）及响应特性评价指标变化对比表（表9）。

由图9和表9可知，优化后的喷油器针阀保持在最大升程处的时间增加，并且开启响应及关闭响应均有所提升，其中开启延时 T1较优化前缩短了 0.01 ms，提升幅度达到 4.35%；开启时间 T2较优化前缩短 0.2 ms，提升了 20.2%；关闭延时 T3较优化前缩短 0.01 ms，提升了 7.69%，而关闭时间T4则有微小的增大，喷油器总体响应特性提高了30.65%。

表9 优化前后响应特性评价指标变化对比表

图9 最优方案与原机方案针阀升程曲线图

4 结论

在仿真分析的基础上利用正交试验设计的方法，确定控制柱塞直径为 4.2 mm，控制腔容积为0.02 cm3，针阀弹簧预紧力为 79 N，针阀密封直径为 3.8 mm 时，喷油器响应特性达到最佳，优化后喷油器整体响应特性提高了 30.65%。

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作者介绍

责任作者：缑庆伟（1976-），男，辽宁营口人。硕士，讲师，主要研究方向为汽车技术。

Te1：13661255952

E-mai1：gouqingwei@sina.com

Optimization Analysis of the Response Characteristics of High Pressure Common Rail Fuel Injector

GOU Qingwei1，ZHAO Chang2，ZHANG Xin2
（1. Department of Automotive Engineering，Beijing Vocational College of Transportation，Beijing 102618，China；2. Department of Power and Energy Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

In order to improve the response characteristics of the high pressure common rail fuel injector, this paper studied a heavy-duty diesel fuel injector and built a simulation model based on AMESim software. The paper analyzed the effects of the control chamber volume, the control plunger diameter, the needle valve’s spring preload and the needle valve’s sealing diameter on response characteristics of the injector. The range analysis and variance analysis were used to optimize these parameters and the optimization increased the response characteristics of the high pressure common rail injector by 30.65%.

high pressure common rail injector；structure parameters；response characteristics；orthogonal design test

TK423.8

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.03

赵畅（1992-），女，黑龙江大庆人。硕士研究生，主要研究方向为动力机械。

2016-12-28 改稿日期：2017-02-20

国家科技支撑计划“欧Ⅵ重型柴油机开发及应用”（2014BAG11B01）

参考文献引用格式：

缑庆伟，赵畅，张欣 . 高压共轨喷油器响应特性优化分析［J］.汽车工程学报，2017，7(3)：175-181.

GOU Qingwei，ZHAO Chang，ZHANG Xin. Optimization Ana1ysis of the Response Characteristics of High Pressure Common Rai1 Fue1 Injector［J］.Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2017，7(3)：175-181.（in Chinese）

Te1：15201325342

E-mai1：14121350@bjtu.edu.cn