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摘 要：在逆压电效应的压电式高压共轨喷油器的基础上，设计一种常闭式压电式高压共轨喷油器结构，并创建压电喷油器的数学模型，检验了模型的准确性。运用AMEsim软件创建压电式高压共轨喷油器模型并分析喷油器控制腔的进、出油孔孔径等结构参数对针阀升程、喷油速率等特性的影响[1]。研究表明：进、出油孔应选择合适的孔径，这样产生的理想的喷油规律才是先缓后急;控制腔体容积应较小，可以提高喷油器的响应速度;喷油器的响应时间应与针阀弹簧的预紧力的大小相匹配[2] 。

关键词：压电式喷油器;喷油规律;仿真分析;AMESim

0 概述

压电式喷油器响应速度相比前一代喷油器更快，能够达到汽车需要的多次喷射和喷油曲线柔性可调的目的，这种高精度，低延迟的发展趋势基本代表着未来电控喷油器的发展方向。

1 压电喷油器结构及工作原理

高压共轨喷油器主要用于中重型商用车，其主要结构如下图1-1所示，主要包括压电晶体、油嘴针阀弹簧、顶杆等零部件。

压电式高压共轨喷油器的主体结构部分都采用电磁式喷油器的结构，而驱动器部分则采用压电晶体（电陶瓷）。通过逆压电效应的作用从而控制球阀的上下移动，使控制针阀开与闭。当压电晶体通电时，压电驱动器向上伸长，从而顶开球阀，使出油孔开启。当压电晶体不通电时，控制腔的油压和针阀腔的油压等同于共轨管的油压，因为控制活塞的压力针阀压力小，针阀处于落座状态，此时出油孔关闭。

2 模型的建立

根据压电式高压共轨喷油器的工作原理和结构特性，运用AMESim软件模型库建立喷油器的电磁铁磁为模块、电磁铁衔铁模块、电磁铁衔铁杆模块、控制阀模块、控制腔模块、頂杆模块和油嘴模块等[2]。

根据压电式高压共轨喷油器的工作原理、结构特点创建压电式高压共轨喷油器的AMESim仿真模型。具体喷油器模型所示，主要结构参数如表2-1所示。

3 模型验证

在高压共轨台架试验上，取控制脉宽为1.5ms、0.5ms，高压轨压为80MPa、110MPa四种工况，进行喷油率测验。将喷油率的试验值与计算值进行对比，如图3-1、3-2、3-3、3-4所示。

由3-1、3-2、3-3、3-4可知，仿真数据结果和台架试验结果基本上一致。在轨压为110MPa脉宽为1.5ms时仿真结果与试验数据吻合最好，并且，由于模型中没有向共轨管泵油的高压油泵，高压油泵瞬时泵油、喷油器瞬时喷油都会引起共轨管轨压波动，也对实验数据产生很大影响。

4 喷油器仿真分析

本文主要研究对象为：第一是喷油器控制腔的进、出油孔直径大小，第二是喷油器控制腔容积的大小，第三是喷油器的针阀弹簧预紧力结构参数;通过三者的试验分析研究结构对喷射过程中的针阀升程和喷油率的影响。

4.1 控制室进油孔直径对喷油过程的影响

根据喷油器工作原理建立如下实验数据，在脉宽为1.5ms、轨压为110MPa、出油孔直径为0.27mm时，选取进油孔直径分别为0.2mm、0.22mm、0.24mm三个数值对喷油率、针阀升程进行分析如图4-1、4-2所示。

由图4-2可知，随着进油孔孔径的增大，针阀的升程减小，会出现“晚开早闭”的现象。主要原因是：进油孔孔径增大，会导致球阀打开时，大量的燃油进入控制腔，从而使盛油腔进入的燃油减小，最终使喷油始点后移;进油孔孔径增大会导致更多的燃油进入控制腔，使活塞向下运动，导致使针阀延迟开启。

4.2 控制室出油孔直径对喷油过程的影响

利用脉冲宽度为1.5ms、油轨压为110MPa、进油孔直径为0.24mm保持不变的条件，分别对不同孔径大小的出油孔进行仿真分析，取出油孔孔径分别为0.27mm、0.30mm、0.33mm，分析出油孔直径大小对针阀升程、喷油率的影响，如图4-3、4-4所示。

由图4-4得知，出油孔孔径越大针阀越延迟关闭，在球阀关闭后，控制腔油压升高只跟进油孔孔径有关。随着出油孔孔径的增大，控制腔内的油压很快降低，针阀提前开启，导致喷油响应速度加快，能够有效防止后燃，但不利于形成先缓后急的喷油特性，同时导致盛油腔和控制腔的油压波动。所以，出油孔径需选取合适大小。

4.3 控制腔容积对喷油过程的影响

在孔径不变的情况下，取控制容积分别为0.015mL、0.045mL、0.075mL从而对喷油过程中的喷油率和针阀升程进行分析，如图4-5、4-6所示。

从图4-5、图4-6中可以得出，控制容积的大小主要对喷油开启的时刻有影响，而对喷油关闭的时刻影响并不大。当控制室腔体容积较小时，压电晶体模块通电时，压电陶瓷开始迅速向上伸长，压杆迅速上升，球阀快速开启，使得控制室腔体内部对的部分燃油压力值迅速下降，压力的迅速变化导致针阀迅速抬升完成喷油动作，从而实现快速准确的喷油。伴随着喷油器高压燃油部分的控制室容积的逐渐增大，控制室腔体内的压力迅速下降，执行模块的针阀出现开启延迟的现象，导致完成喷油动作这一阶段的响应速度迅速降低;因此在球阀落座至完全关闭时，由于控制室腔体、针阀腔的压力急剧波动可能会导致喷油器出现二次喷射的现象，如图4-7所示。所以，在避免控制室燃油压力波动较大的情况下，则应选择控制腔腔体容积较小的喷油器以提升压电式高压共轨喷油器的响应速率。

4.4 针阀弹簧预紧力对喷油过程的影响

在其他基本参量保持不变的情况下，选取针阀弹簧的预紧力分别是：30N、80N、130N，利用喷油过程中的针阀升程和喷油器的喷油率对针阀的弹簧预紧力造成的影响进行分析，如图4-7、4-8所示。

根据图4-7和图4-8可知，伴随着预紧力的逐渐上升，发生喷油器喷油的开启时刻出现延迟而喷油器的关闭时刻出现前置的现象，并且喷油的持续时间出现缩短的现象。弹簧的预紧力过小极有可能会导致针阀提前开启，无法达到理想燃油的雾化效果，如果弹簧的预紧力过大，则极有可能导致针阀在指定时间无法正常开启，缩短喷油的持续周期，如图4-8所示。所以，弹簧预紧力的选择需要在前期不断的调整，以保证在需要喷油的时刻，可以正常喷油并且提升发动机的动力性。

5 结论

本文采用的是直接作用常闭式压电喷油器结构，由于 AMESim软件具有稳定且复杂的结算能力，所以利用其建立压电喷油器的仿真模型，并且设置出进、出油孔直径大小不一致的条件，进一步对控制腔容积进行容积改变以及对针阀的弹簧预紧力作出预设调整，利用这三种不同的结构形式对其影响因素和优化所需条件进行分析和总结。

（1）根据改变喷油器的喷油孔直径大小可以得到如果进油孔径逐渐增大将会导致喷油时喷油动作反应迟缓，喷油的持续期也会变短，从而出现针阀抬升迟缓但落座时间提前的现象。

（2）根据改变喷油器出油孔的孔径大小可以得到如果出油孔孔径逐渐增大，将会导致针阀执行模块开启迅速，执行至完成动作的时间缩短，但是对针阀关闭的过程不会产生任何影响，只改变针阀抬起时刻的反应时间和反应速度。

（3）根据试验可知，在调整控制腔容积时需要注意容积差不要过大，应使进油孔的压力和出油孔的压力控制在一定的范围值以内，以此来保证喷油器在喷油时的响应速度和重建压力平衡的恢复时间。进而达到精确喷油。

（4）根据试验可得针阀的弹簧预紧力需要作出适当调整，力过大或者过小可能会导致针阀提前开启或者针阀无法开启。

参考文献：

[1]刘文林.高压共轨喷油器的仿真研究与参数优化[D].2015.

[2]王远洋，欧阳光耀，刘振明.压电喷油器喷油规律影响因素的研究[J].小型内燃机与摩托车，2014，43（02）：50-54.

作者简介：邓莉平（1990-），女，四川内江人，硕士，助教，研究方向：车辆工程。