不同條件下電控噴油器燃油溫度變化及影響

王 軍， 張幽彤， 韓 樹

(1. 陸軍裝甲兵學院車輛工程系， 北京 100072； 2. 北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081)

電控噴油器(Electronic Controlled Injector,ECI)是柴油機高壓共軌噴油系統中的關鍵部件之一，能實現噴油參數的靈活調節和多次噴射，是使柴油機滿足新排放法所必須的技術手段[1]。隨著噴油壓力的不斷提高，電控噴油器的燃油溫度升高、燃油密度下降，影響噴油量的一致性。特別是當多次噴射后，燃油溫度變化對小噴油量噴射的影響更加明顯。目前,對燃油溫度的研究主要集中在給定初始溫度對噴油量的穩態影響，如：SALVADOR等[2]測量和分析了共軌電控噴油器質量流量，研究了燃油溫度對靜態流量、針閥開閉延遲和泄流量的影響；CATANIA等[3]研究了高壓噴射系統空化瞬態流中的燃油溫度變化規律，分析了燃油溫度對噴油流動的影響；聶枝根等[4]研究了高壓共軌柴油機燃油狀態系統，說明了高壓共軌噴油系統的初始油溫變化及其對噴油量的影響。上述研究只宏觀地說明初始溫度對噴油量的影響，而對不同外界溫度和噴油條件下噴油器內燃油溫度變化研究不多。

對于電控噴油器來說，由于噴油溫度直接影響噴油量的變化，其中回油溫度會使油箱溫度升高，進而影響運動件密封效果，因此有必要研究電控噴油器燃油溫度變化幅度和影響程度。鑒于此，筆者根據燃油流動產熱和傳熱的變化，研究不同條件下噴油器燃油溫度的變化特性，以期對提高電控噴油器噴油量準確性提供一定的參考。

1 電控噴油器

電控噴油器由電執行器控制噴油，主要由針閥體、針閥、控制柱塞、進油孔、回油孔、電磁鐵和球閥等組成[5]，如圖1所示。工作原理為：當燃油從進油口進入噴油器后，一部分燃油經主油道進入針閥腔(針閥與針閥體之間的空腔)，另一部分經燃油進油孔進入控制室；當高速電磁鐵通電時,噴油器回油腔內電磁鐵帶動球閥打開控制室的回油孔，使得控制室內的高壓燃油從回油孔流出，進而使控制室內的燃油壓力迅速降低、控制柱塞上升、針閥抬起，高壓燃油經針閥腔開始噴油；當高速電磁鐵斷電時，電磁

鐵推動球閥關閉回油孔，而高壓燃油經進油孔進入控制室，使得控制室內燃油壓力上升、控制柱塞下行、針閥落座，進而阻止燃油進入針閥腔，噴油停止。

2 熱溫模型

由于燃油屬于黏性流體，因此噴油器內燃油溫度高低是由燃油受熱量和接觸介質換熱共同決定的。其中：燃油受熱量是指燃油流動過程中產生的熱量，包括燃油與管壁之間的摩擦生熱，以及燃油通過小噴孔噴出時的節流產熱；接觸介質換熱是指燃油與管壁之間熱交換散失的部分熱量，包括燃油受動力或壓頭驅動時與接觸固體壁面之間產生的強迫對流換熱，以及氣缸蓋的高溫部件與針閥體之間產生的外界加熱。電控噴油器不同位置的熱分布如圖2所示。

2.1 傳熱學模型

2.1.1 摩擦產熱

由于燃油的黏性作用，在流過油道內壁面的邊界層內存在內摩擦，使得整個流體內形成均勻分布的內熱源。設內摩擦產生的摩擦剪切應力為τ，則整個油道中產生的熱量[6]

(1)

式中：L為油道的長度；u為燃油的瞬時流速；A為油道的面積；r為油道的半徑。

依照光滑圓管湍流的阻力計算τ，可得

(2)

式中：h為燃油導熱系數；ρ為燃油密度；υ為燃油運動黏度。

2.1.2 強迫對流換熱

當燃油在針閥腔、控制室和回油腔內流動時，由于燃油與室壁接觸面較大，噴油器內燃油流動時有高壓驅動，因此存在強迫對流換熱。強迫對流換熱量

Q2=k1A1(T-To)，

(3)

式中：A1為室或腔內部與燃油接觸的換熱面積；To為室或腔壁面的溫度；T為燃油溫度；

(4)

為強迫對流換熱系數[7]，其中Nu1為強迫對流換熱的Nusselt數；d1為結構的特征直徑。

強迫對流換熱的Nusselt數

(5)

式中：Pr為普朗特系數；Re=νDρ/μ，為雷諾數，其中μ為動力黏度；ν為流體運動平均流速；D為油道直徑。

2.2 溫度數學模型

2.2.1 定直徑油道燃油溫度

燃油在直徑不變的油道里高速流動，采用容積法建立溫度計算模型。燃油控制體能量方程為

(6)

出口處燃油溫度T2的計算公式為

(7)

式中：m為管內燃油質量；cp為燃油的定壓比熱。

2.2.2 節流孔徑油道燃油溫度

燃油流經孔徑變化的油道產生節流，即當孔徑減小時，使得流通面積突縮、速度梯度劇增，因為縮處存在著摩擦，使燃油的部分動能轉換成摩擦熱，節流過程中沒有熱交換及不做有用功；當忽略動能及勢能的變化時，應用穩態熱力學流動能量方程描述節流過程，有[8]

hin=hout，

(8)

Tout-Tin=V(pin-pout)/cp

(9)

成立。式中：Tin、Tout分別為節流孔入口、出口燃油溫度；V為流體體積；pin、pout分別為節流入口和出口的壓力。

3 建模與驗證

3.1 仿真建模

AMESim (Advanced Modeling Environment Performance Simulation of Engineering System)是一款多學科領域復雜系統建模仿真軟件，能完成任何元件或系統的穩態或動態性能計算，廣泛應用于燃油噴射、動力傳動、液壓系統、機電系統和冷卻系統等研究領域。根據圖1所示電控噴油器結構組成，從熱液壓元件庫選擇相應的元件，建立元件連接關系，構建起電控噴油器的熱仿真模型，如圖3所示。

3.2 參數處理

以日本電裝公司的電控噴油器為對象，選用-20號柴油，仿真計算涉及的主要參數如表1所示。

表1 仿真計算的主要參數值

在模型計算中，燃油密度是一個隨溫度變化的參數，其計算公式[9]為

ρ(p,T)=(C0+C1T+C2T2)×

exp[C3(p+C4-C5T)C6]，

(10)

式中：C0=199.269 71；C1=-0.101 948；C2=0.000 19；C3=0.543 1；C4=111 061 456.8；C5=469 742.34；C6=0.053；p為燃油壓力(Pa)。

3.3 模型驗證

在高壓共軌噴油系統試驗臺架上測試燃油溫度，主要包括噴油規律測試儀、自主開發電控單元、電流測試鉗、數據采集儀，其參數如表2所示。其中：噴油規律測試儀的油溫為20～160 ℃、分辨率為0.1 mm3/次、精度小于滿量程的±0.1%、噴射次數≤5。

選取某型小功率發動機3個典型工況的噴油壓力和噴油脈寬進行對比驗證：額定工況，噴油壓力為140 MPa、噴油脈寬為1.5 ms；中等負荷工況，噴油壓力為90 MPa、噴油脈寬為1.0 ms；怠速工況，噴油壓力為55 MPa、噴油脈寬為0.7 ms。

表2 試驗測試儀器參數

環境溫度為20 ℃時，高壓油泵以最大轉速壓縮燃油的溫升為20～40 ℃。表3、4分別為入口燃油溫度為40、60 ℃時，噴油器噴孔出口溫度測試值與仿真值對比。由表3可以看出：當入口燃油溫度為40 ℃時，在噴油壓力為140 MPa、噴油脈寬為1.5 ms，噴油壓力為90 MPa、噴油脈寬為1.0 ms，噴油壓力為55 MPa、噴油脈寬為0.7 ms時，噴油器噴孔出口溫度仿真值與測試值的相對誤差分別為2.0%、7.9%、8.8%，小于10%。由表4可以看出：當入口燃油溫度為60 ℃時，噴油噴孔出口溫度仿真值的相對誤差<10%。當仿真值與測試值的相對誤差<10%時[10]，說明所建立高壓共軌系統熱仿真模型計算結果基本合理。

表3 入口燃油溫度為40 ℃時噴油器噴孔出口溫度 ℃

表4 入口燃油溫度為60 ℃時噴油器噴孔出口溫度 ℃

4 燃油溫度變化

當電控噴油器噴油時，大部分燃油經過針閥腔后，從噴孔噴出形成油束，剩余部分燃油進入控制腔，經過回油孔回到油箱中。各處燃油溫度各不相同，主要表現在燃油的穩定溫度和溫升2個方面。

4.1 油溫穩態變化

當入口燃油溫度一定時，噴油器工作一段時間后，噴油器各腔燃油溫度均會穩定在一定范圍內。當入口燃油溫度為40、60 ℃時噴油器各腔燃油溫度如表5所示。可以看出：

1) 當入口燃油溫度為40 ℃、噴油壓力為90 MPa時，回油腔、控制室和針閥腔的燃油溫度分別為45.7～48.5、46.4～49.7、70.4～73.5 ℃；當噴油壓力為140 MPa時，回油腔、控制室和針閥腔的燃油溫度分別為51.5～54.3、53.1～56.5、93.2～95.3 ℃。

2) 當入口溫度為60 ℃時，在不同噴油壓力下，噴油脈寬變化對各腔燃油溫度的影響與40 ℃的變化相似，由于入口溫度升高，使得各腔燃油溫度呈現基礎性的提高。

3) 同一入口燃油溫度下，控制室燃油溫度升高較多，回油腔燃油溫度與控制室燃油溫度接近，針閥腔燃油溫度升高幅度最大，當噴油壓力升高時，各腔燃油溫度升高幅度進一步增大。

表5 入口溫度40 ℃時噴油器各腔燃油溫度 ℃

回油腔燃油溫度與控制室燃油溫度接近的原因主要為：控制室和回油腔與進油口位置很近，節流孔引起燃油產熱不多，使得控制室和回油腔燃油溫度與進油口溫度相差在10 ℃左右。針閥腔燃油溫度與進油口溫度相差較大的原因為：針閥腔通過長油道和多個節流孔與進油口連接，摩擦產熱和節流產熱多使得針閥腔燃油溫度升高幅度較大。

4.2 燃油溫升變化

4.2.1 入口溫度

當噴油壓力為140 MPa、噴油脈寬為1.5 ms時，不同入口燃油溫度下控制室、回油腔燃油溫度變化曲線如圖4所示。由圖4(a)可以看出：

1) 當入口燃油溫度為40 ℃、噴油器不噴油(球閥關閉回油孔)時，燃油通過進油孔節流，控制室燃油溫度約為44 ℃；當噴油器開始噴油(球閥打開回油孔)時，燃油溫度從47.0 ℃迅速下降到40.7 ℃，柱塞上移使控制室內燃油溫度上升到60.7 ℃，溫升為20.7 ℃；噴油結束后，燃油溫度緩慢下降到56.5 ℃。

2) 當入口燃油溫度為60 ℃時，燃油溫度變化與40 ℃的變化趨勢相同，最高溫升為28.8 ℃。

上述結果說明：入口燃油溫度越高，控制室燃油溫度上升的幅度越大；噴油結束后，由于控制室內燃油與室壁面之間的傳熱，入口燃油溫度為40、60 ℃時控制室的燃油最高溫度分別下降了4.2、7.0 ℃，主要原因是燃油溫度越高，在同一表面、相同時間內對流傳熱的能量越多。

由圖4(b)可以看出：當入口燃油溫度為40、60 ℃時，開始噴油時回油腔內燃油溫度分別上升到63.7、84.9 ℃，最后分別穩定到54.3、80.7 ℃。分析其原因為：當回油孔打開時，燃油通過回油孔發生節流產熱，使得溫度繼續升高；當燃油在回油腔流動時，由于燃油與壁面之間存在換熱，燃油溫度有一些下降。

在噴油壓力140 MPa、噴油脈寬1.5 ms的條件下，不同入口溫度下針閥腔燃油溫度變化曲線如圖5所示。

由圖5可以看出：

1) 當入口燃油溫度為40 ℃、噴油器不噴油時，燃油溫度下降平緩；當開始噴油時，針閥腔內燃油溫度迅速上升至77.6 ℃，隨后又下降至52.3 ℃；噴油結束時，燃油溫度迅速上升至105.2 ℃，最后穩定到95.3 ℃。

2) 當入口燃油溫度為60 ℃時，燃油溫度變化與40 ℃時相似：當噴油器開始噴油時燃油溫度迅速上升至93.6 ℃，隨后又下降至86.3 ℃，最高溫度110.9 ℃，最后穩定到104.6 ℃。

當入口燃油溫度為40、60 ℃時，燃油最大溫升分別為65.2、50.9 ℃。引起溫度變化的原因為：燃油在針閥腔內高速流動時，孔徑變化的節流產熱使燃油溫度迅速上升；隨著后續低溫燃油流入，針閥腔內燃油溫度迅速下降，當針閥落座時，針閥腔內燃油在短時間內被壓縮，使燃油溫度又升高一些；但由于對流傳熱的作用，針閥腔燃油溫度平緩下降。

4.2.2 噴油壓力

在入口燃油溫度40 ℃、噴油脈寬1.5 ms的條件下，不同噴油壓力下控制室、針閥腔的燃油溫度變化曲線如圖6所示。

由圖6(a)可以看出：噴油壓力90、140 MPa對應的控制室燃油最高溫度分別為54、60.7 ℃，穩定溫度分別為49.7、56.5 ℃，最大溫升分別為14.0、20.7 ℃，表明高噴油壓力使得燃油溫度明顯上升。

由圖6(b)可以看出：

1) 當噴油壓力為90 MPa時，噴油器不噴油時針閥腔內燃油溫度稍有下降；當噴油器開始噴油時，針閥腔內燃油溫度迅速上升而后下降；當噴油結束時，燃油溫度上升至最高溫度80.1 ℃，隨后緩慢下降穩定在72.5 ℃。

2) 當噴油壓力為90、140 MPa時，針閥腔燃油溫升分別為32.5、45.3 ℃，比控制室的更為明顯。這說明噴油壓力越大，針閥腔內燃油溫升幅度越大。

4.2.3 噴油脈寬

當入口燃油溫度40 ℃、噴油壓力為140 MPa時，不同噴油脈寬下控制室和針閥腔的噴油溫度變化曲線如圖7所示。

由圖7(a)可以看出：當噴油脈寬為1.5 ms時，控制室的燃油最高溫度為60.7 ℃，最后穩定在56.5 ℃左右；當噴油脈寬為1.0 ms時，控制室燃油最高溫度為57.4 ℃，隨后穩定在53.1 ℃左右。2種噴油脈寬對應的控制室最高燃油溫升變化約為4.2 ℃，這說明噴油脈寬對控制室燃油最高溫度影響不大。

由圖7(b)可以看出：當噴油脈寬為1.5 ms時，針閥腔燃油最高溫度為105.2 ℃，最后穩定在95.3 ℃左右；當噴油脈寬為1.0 ms時，針閥腔燃油最高溫度為97.6 ℃，隨后穩定在93.2 ℃左右。2種噴油脈寬對應的針閥腔最高油溫相差7.6 ℃，穩定燃油溫度相差約3.6 ℃，說明噴油脈寬大小變化對針閥腔燃油溫度影響不大。

5 對噴油量的影響

圖5說明針閥腔燃油溫度與入口初始溫度存在著較大的溫差，考慮到噴孔長度較小和實際測試可行性等因素，應選擇噴孔出口燃油溫度為計算溫度。

不同燃油溫度的噴油量對比如表6所示。可以看出：當噴油壓力為55、90、140 MPa，噴孔出口燃油溫度50、80 ℃時，噴油量計算值與預測值的相對誤差分別小于8%和5%。這說明：噴孔出口燃油溫度可反映出針閥腔內的燃油溫度，此溫度對應的密度與實際接近。

表6 不同燃油溫度的噴油量對比 mg

6 結論

1) 在同一入口溫度下，高噴射壓力對應的針閥腔和控制室燃油溫度變化比低噴射壓力時劇烈，表現為穩定溫度的差異，控制室和回油腔的燃油穩定溫度接近，針閥腔的燃油穩定溫度高出很多；不同脈寬對控制室和回油腔的燃油穩定溫度應影響不大，而對針閥腔的燃油穩定溫度影響較大；初始燃油溫度高低對各處的燃油穩定溫度影響非常顯著。

2) 對于不同燃油入口溫度，回油腔、控制室的燃油溫升接近，針閥腔的燃油溫升高出1倍多；高噴射壓力的針閥腔和控制室燃油溫升變化比低噴射壓力的大；噴油脈寬大小對控制室、針閥腔的燃油溫升影響不大。

3) 由于針閥腔燃油溫度與入口初始溫度相差較大，應以噴孔出口燃油溫度及其密度計算噴油量，噴油量的相對誤差較小。