摘要：小缸径低速柴油机的燃油喷射由喷油器的电磁控制阀直接控制，控制阀的动态响应性能对喷油特性有较大影响。利 用AMESim仿真平台搭建了小缸径船用低速柴油机的电控喷油器模型，采用间接标定法并结合喷油器设计要求说明了模型的准确性。在典型工况下研究了控制阀杆**升程、控制阀运动件质量和残余气隙对控制阀动态响应的影响规律。
0.前言
面临日益严格的排放法规，电控高压共轨系统应用于船舶柴油机已成为必然趋势。电控喷油器作为共轨燃油系统的核心部件，其喷油特性决定了喷油器循环喷油量的控制精度以及能否实现多次喷射等灵活可变的喷油规律，对其进行研究具有重要的理论指导意义和工程应用价值。
高压共轨电控喷油器工作过程中涉及到多物理场的相互耦合，尤其是电磁控制阀部分，集电、磁、机、液于一体，其动态响应性能对喷油器的喷油特性能够产生较大影响。利用AMESim仿真平台建立了小缸径低速柴油机高压共轨电控喷油器的仿真模型，分析了重要特性参数对控制阀动态响应的影响，为电控喷油器的设计开发和匹配优化提供了理论依据。
1.喷油器工作原理
小缸径低速柴油机的喷油过程不需要伺服油的控制，能够通过电磁控制阀直接完成。喷油定时取决于电磁阀通电时刻，喷油量的大小则受电磁阀通电时间长短控制。这使得喷油器响应变快，延迟减小，有利于实现靴型喷射和多次喷射等喷油规律。
高压燃油从共轨管进入喷油器之后一路进入下方的盛油槽，一路经过控制腔进油孔进入控制腔。喷油器上方的电磁控制阀属于常闭阀，电磁阀断电时控制阀处于落座状态，将控制腔出油孔关闭，控制腔中能够保持高压，使针阀处于落座状态。当电磁阀通电时，控制阀杆在衔铁的带动下被抬起，控制腔出油孔打开，高压燃油被泄放到低压油路，控制腔压力降低，针阀在盛油槽中燃油压力的作用下抬起，喷油器喷油。电磁阀断电，控制阀落座，控制腔中重新建压，针阀也在控制腔燃油压力和弹簧复位力作用下复位，喷油结束。小缸径低速柴油机电控喷油器工作原理见图1。

图1 小缸径低速柴油机电控喷油器工作原理图
2.仿真模型的建立
图2为利用AMESim仿真平台建立的电控喷油器仿真模型，由于我们研究的喷油器主要应用于高压共轨燃油系统，因此，在建模过程中考虑了起稳压和供油作用的共轨管结构。电控喷油器由ECU控制模块、电磁控制阀和喷油器本体组成。模型中输入的部分重要参数见表1。


表1 仿真模型中输入的主要参数
图2 电控喷油器AMESim仿真模型
由于国内小缸径低速柴油机电控喷油器尚处于设计研发阶段，缺少实验数据，因此我们采用了间接标定法对模型进行了验证，并结合设计要求说明了仿真模型的准确性。
图3所示为采用相同建模方法建立的小尺寸车用柴油机喷油器模型的仿真结果与实验数据对比曲线。由图可知，仿真结果和实验数据的喷油速率曲线有很好的一致性，说明我们所用的建模方法可靠性较高。表2所示为电控喷油器的设计要求，结合图4可以看出，针阀上升到**升程的时间为1.145ms，由**升程复位的时间为1.895ms，分别均小于设计要求中的2.5ms和2ms。针阀相对于控制阀的开启和落座延迟分别为0.22ms和0.525ms，均小于技术要求中的1ms。可见我们建立的喷油器模型能够满足小缸径低速柴油机的要求，应用其进行仿真计算具有较高的可信度和准确性。

图3 喷油速率对比曲线
表2 喷油器设计要求


图4 控制电流和喷油器动态响应时序图
3.控制阀动态响应研究
我们研究了在凸轮转速170r/min、喷油脉宽18℃A的典型工况下控制阀的动态响应性能。由于电磁控制阀只受到ECU控制信号的控制，喷油器本体的特性参数不会对控制阀动态响应性能产生影响，因此，只针对控制阀部分的阀杆**升程、运动件质量和残余气隙等重要特性进行了研究。文中定义了“控制阀开启响应延迟”和“控制阀落座响应延迟”，其分别表示针阀的开启和落座时刻相对于控制信号的开始和结束时刻的延迟时间，延迟时间结合图4控制信号曲线可得。
3.1 控制阀杆**升程的影响
图5所示为控制阀杆**升程对控制阀动态响应的影响。由图可知，控制阀杆**升程的变化主要影响主喷射的控制阀的上升速度和控制阀落座响应延迟，对开启响应延迟影响较小。**升程越小，阀杆上升速度越快，落座响应延迟越小。这是由于升程较小时，电磁铁与衔铁的初始距离较小，相同条件下电磁力较大，阀杆的加速度和速度也相对较大，同时升程越小，复位所需时间越小，使控制阀落座响应延迟减小。**升程由0.18mm变化到0.22mm时，控制阀落座响应延迟由0.27ms增大到0.3ms。

图5 控制阀杆**升程对控制阀杆动态响应的影响
控制阀**升程的变化能够影响预喷射的控制阀上升速度、阀杆**位移和控制阀落座响应延迟。**升程越小，阀杆上升速度越快，**位移越大，控制阀落座响应延迟越大。但是由图5可以发现，控制阀杆**升程为0.18mm时，控制阀落座响应延迟为0.335ms，要小于**升程为0.2mm时的延迟0.49ms。这是因为升程为0.18mm时控制阀杆能够在电磁力消失后通过惯性达到**升程，并与限位装置接触后产生刚性碰撞，速度瞬间反向，使其落座速度要比另外两种升程时更快。因此尽管其位移较大，但是落座所需要的时间反而要小于控制阀杆**升程为0.2mm的情况，控制阀落座响应延迟也相对较小。
预喷射控制阀响应的变化情况反映了喷油器的油量控制非线性化。油量控制非线性化是电控喷油器的固有特性，它说明在某一段喷油脉宽范围内，油量并不会随着喷油脉宽的延长则增大。该非线性化的覆盖范围一般较小，并位于喷油量较小的脉宽范围内。图6为电控喷油器的喷油量控制曲线，由图可知，油量控制的非线性化区间在0.3～0.4℃A喷油脉宽范围内。

图6 电控喷油器油量控制曲线
3.2 控制阀运动件质量的影响

由图7可知，对预喷射而言，控制阀运动件质量的变化主要影响控制阀的上升速度、阀杆的**位移、下降速度和落座响应延迟，对开启响应延迟影响较小。运动件质量越小，阀杆上升速度越快，抬起的高度越大，落座响应延迟相对越大。这是由于运动件质量较小时惯性较小，相同电磁力情况下阀杆抬起的加速度相对较大，上升速度也较大，相同喷油脉宽内能够抬起的高度也就越大，进而需要更长的复位时间，增大了控制阀落座响应延迟。运动件质量变化时预喷射阶段同样出现了油量的非线性控制现象。质量为0.029kg时，控制阀落座响应延迟为0.345ms，小于0.036kg时的0.495ms和0.043kg时的0.445ms。
图7 控制阀运动件质量对控制阀杆动态响应的影响
控制阀杆运动件质量对主喷射控制阀动态响应的影响与预喷射类似，质量越小，阀杆动作的加速度越大，上升和下降的速度也越大，达到**升程的时刻提前，控制阀落座响应延迟减小。运动件质量从0.029kg变化到0.043kg的过程中，控制阀达到**升程的上升时间由0.335ms增大到0.405ms，落座响应延迟由0.245ms增大到0.32ms。
3.3 残余气隙的影响
图8所示为残余气隙对控制阀动态响应的影响。残余气隙的变化主要影响预喷阶段控制阀的上升速度、**位移和落座响应延迟，对开启响应延迟影响较小。随着残余气隙的增大，控制阀上速度、**位移和落座响应延迟均减小。其原因是：残余气隙越大，电磁铁和衔铁的初始距离越大，相同条件下电磁力越小，控制阀杆的加速度和速度也就也就越小，相同喷油脉宽内达到的**位移也越小，落座所需要的时间越短，落座响应延迟减小。残余气隙变化时预喷射阶段同样出现了油量的非线性控制现象。残余气隙为0.135mm时控制阀落座响应延迟为0.395ms，小于残余气隙为0.15mm时的0.495ms。

图8 残余气隙对控制阀杆动态响应的影响
残余气隙对主喷阶段控制阀动态响应的影响与预喷射类似，在残余气隙由0.135mm变化到0.165mm的过程中，控制阀抬起速度变慢，达到**升程的时间由0.355ms增大到0.39ms，原因与预喷射相同；控制阀落座响应延迟由0.31ms减小到0.265ms，原因是：残余气隙越大，控制阀维持在**升程时电磁铁与衔铁的距离越大，相同控制信号的情况下电磁力越小。当控制信号消失时电磁力归零所需时间越短，控制阀的下降时刻对应提前，落座响应延迟也就减小。
4.结论
a.电控喷油器存在油量控制非线性控制区域，在该区域内，喷油量不会随着喷油脉宽的延长而增大，我们研究的电控喷油器非线性化控制区间为0.3～0.4℃A喷油脉宽。
b.控制阀杆**升程主要影响控制阀的上升速度。随着**升程的变大，控制阀上升速度逐渐减小。
c.控制阀运动件质量主要影响控制阀的上升和下降速度。随着运动件质量的增大，控制阀的上升速度和下降速度都逐渐减小。
d.残余气隙主要影响控制阀的上升速度和下降时刻。随着残余气隙的增大，控制阀的上升速度逐渐减小，下降时刻依次提前。
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