王 军， 张幽彤， 韩 树

(1. 陆军装甲兵学院车辆工程系， 北京 100072； 2. 北京理工大学机械与车辆学院， 北京 100081)

电控喷油器(Electronic Controlled Injector,ECI)是柴油机高压共轨喷油系统中的关键部件之一，能实现喷油参数的灵活调节和多次喷射，是使柴油机满足新排放法所必须的技术手段[1]。随着喷油压力的不断提高，电控喷油器的燃油温度升高、燃油密度下降，影响喷油量的一致性。特别是当多次喷射后，燃油温度变化对小喷油量喷射的影响更加明显。目前,对燃油温度的研究主要集中在给定初始温度对喷油量的稳态影响，如：SALVADOR等[2]测量和分析了共轨电控喷油器质量流量，研究了燃油温度对静态流量、针阀开闭延迟和泄流量的影响；CATANIA等[3]研究了高压喷射系统空化瞬态流中的燃油温度变化规律，分析了燃油温度对喷油流动的影响；聂枝根等[4]研究了高压共轨柴油机燃油状态系统，说明了高压共轨喷油系统的初始油温变化及其对喷油量的影响。上述研究只宏观地说明初始温度对喷油量的影响，而对不同外界温度和喷油条件下喷油器内燃油温度变化研究不多。

对于电控喷油器来说，由于喷油温度直接影响喷油量的变化，其中回油温度会使油箱温度升高，进而影响运动件密封效果，因此有必要研究电控喷油器燃油温度变化幅度和影响程度。鉴于此，笔者根据燃油流动产热和传热的变化，研究不同条件下喷油器燃油温度的变化特性，以期对提高电控喷油器喷油量准确性提供一定的参考。

1 电控喷油器

电控喷油器由电执行器控制喷油，主要由针阀体、针阀、控制柱塞、进油孔、回油孔、电磁铁和球阀等组成[5]，如图1所示。工作原理为：当燃油从进油口进入喷油器后，一部分燃油经主油道进入针阀腔(针阀与针阀体之间的空腔)，另一部分经燃油进油孔进入控制室；当高速电磁铁通电时,喷油器回油腔内电磁铁带动球阀打开控制室的回油孔，使得控制室内的高压燃油从回油孔流出，进而使控制室内的燃油压力迅速降低、控制柱塞上升、针阀抬起，高压燃油经针阀腔开始喷油；当高速电磁铁断电时，电磁

铁推动球阀关闭回油孔，而高压燃油经进油孔进入控制室，使得控制室内燃油压力上升、控制柱塞下行、针阀落座，进而阻止燃油进入针阀腔，喷油停止。

2 热温模型

由于燃油属于黏性流体，因此喷油器内燃油温度高低是由燃油受热量和接触介质换热共同决定的。其中：燃油受热量是指燃油流动过程中产生的热量，包括燃油与管壁之间的摩擦生热，以及燃油通过小喷孔喷出时的节流产热；接触介质换热是指燃油与管壁之间热交换散失的部分热量，包括燃油受动力或压头驱动时与接触固体壁面之间产生的强迫对流换热，以及气缸盖的高温部件与针阀体之间产生的外界加热。电控喷油器不同位置的热分布如图2所示。

2.1 传热学模型

2.1.1 摩擦产热

由于燃油的黏性作用，在流过油道内壁面的边界层内存在内摩擦，使得整个流体内形成均匀分布的内热源。设内摩擦产生的摩擦剪切应力为τ，则整个油道中产生的热量[6]

(1)

式中：L为油道的长度；u为燃油的瞬时流速；A为油道的面积；r为油道的半径。

依照光滑圆管湍流的阻力计算τ，可得

(2)

式中：h为燃油导热系数；ρ为燃油密度；υ为燃油运动黏度。

2.1.2 强迫对流换热

当燃油在针阀腔、控制室和回油腔内流动时，由于燃油与室壁接触面较大，喷油器内燃油流动时有高压驱动，因此存在强迫对流换热。强迫对流换热量

Q2=k1A1(T-To)，

(3)

式中：A1为室或腔内部与燃油接触的换热面积；To为室或腔壁面的温度；T为燃油温度；

(4)

为强迫对流换热系数[7]，其中Nu1为强迫对流换热的Nusselt数；d1为结构的特征直径。

强迫对流换热的Nusselt数

(5)

式中：Pr为普朗特系数；Re=νDρ/μ，为雷诺数，其中μ为动力黏度；ν为流体运动平均流速；D为油道直径。

2.2 温度数学模型

2.2.1 定直径油道燃油温度

燃油在直径不变的油道里高速流动，采用容积法建立温度计算模型。燃油控制体能量方程为

(6)

出口处燃油温度T2的计算公式为

(7)

式中：m为管内燃油质量；cp为燃油的定压比热。

2.2.2 节流孔径油道燃油温度

燃油流经孔径变化的油道产生节流，即当孔径减小时，使得流通面积突缩、速度梯度剧增，因为缩处存在着摩擦，使燃油的部分动能转换成摩擦热，节流过程中没有热交换及不做有用功；当忽略动能及势能的变化时，应用稳态热力学流动能量方程描述节流过程，有[8]

hin=hout，

(8)

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

(9)

成立。式中：Tin、Tout分别为节流孔入口、出口燃油温度；V为流体体积；pin、pout分别为节流入口和出口的压力。

3 建模与验证

3.1 仿真建模

AMESim (Advanced Modeling Environment Performance Simulation of Engineering System)是一款多学科领域复杂系统建模仿真软件，能完成任何元件或系统的稳态或动态性能计算，广泛应用于燃油喷射、动力传动、液压系统、机电系统和冷却系统等研究领域。根据图1所示电控喷油器结构组成，从热液压元件库选择相应的元件，建立元件连接关系，构建起电控喷油器的热仿真模型，如图3所示。

3.2 参数处理

以日本电装公司的电控喷油器为对象，选用-20号柴油，仿真计算涉及的主要参数如表1所示。

表1 仿真计算的主要参数值

在模型计算中，燃油密度是一个随温度变化的参数，其计算公式[9]为

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为燃油压力(Pa)。

3.3 模型验证

在高压共轨喷油系统试验台架上测试燃油温度，主要包括喷油规律测试仪、自主开发电控单元、电流测试钳、数据采集仪，其参数如表2所示。其中：喷油规律测试仪的油温为20～160 ℃、分辨率为0.1 mm3/次、精度小于满量程的±0.1%、喷射次数≤5。

选取某型小功率发动机3个典型工况的喷油压力和喷油脉宽进行对比验证：额定工况，喷油压力为140 MPa、喷油脉宽为1.5 ms；中等负荷工况，喷油压力为90 MPa、喷油脉宽为1.0 ms；怠速工况，喷油压力为55 MPa、喷油脉宽为0.7 ms。

表2 试验测试仪器参数

环境温度为20 ℃时，高压油泵以最大转速压缩燃油的温升为20～40 ℃。表3、4分别为入口燃油温度为40、60 ℃时，喷油器喷孔出口温度测试值与仿真值对比。由表3可以看出：当入口燃油温度为40 ℃时，在喷油压力为140 MPa、喷油脉宽为1.5 ms，喷油压力为90 MPa、喷油脉宽为1.0 ms，喷油压力为55 MPa、喷油脉宽为0.7 ms时，喷油器喷孔出口温度仿真值与测试值的相对误差分别为2.0%、7.9%、8.8%，小于10%。由表4可以看出：当入口燃油温度为60 ℃时，喷油喷孔出口温度仿真值的相对误差<10%。当仿真值与测试值的相对误差<10%时[10]，说明所建立高压共轨系统热仿真模型计算结果基本合理。

表3 入口燃油温度为40 ℃时喷油器喷孔出口温度 ℃

表4 入口燃油温度为60 ℃时喷油器喷孔出口温度 ℃

4 燃油温度变化

当电控喷油器喷油时，大部分燃油经过针阀腔后，从喷孔喷出形成油束，剩余部分燃油进入控制腔，经过回油孔回到油箱中。各处燃油温度各不相同，主要表现在燃油的稳定温度和温升2个方面。

4.1 油温稳态变化

当入口燃油温度一定时，喷油器工作一段时间后，喷油器各腔燃油温度均会稳定在一定范围内。当入口燃油温度为40、60 ℃时喷油器各腔燃油温度如表5所示。可以看出：

1) 当入口燃油温度为40 ℃、喷油压力为90 MPa时，回油腔、控制室和针阀腔的燃油温度分别为45.7～48.5、46.4～49.7、70.4～73.5 ℃；当喷油压力为140 MPa时，回油腔、控制室和针阀腔的燃油温度分别为51.5～54.3、53.1～56.5、93.2～95.3 ℃。

2) 当入口温度为60 ℃时，在不同喷油压力下，喷油脉宽变化对各腔燃油温度的影响与40 ℃的变化相似，由于入口温度升高，使得各腔燃油温度呈现基础性的提高。

3) 同一入口燃油温度下，控制室燃油温度升高较多，回油腔燃油温度与控制室燃油温度接近，针阀腔燃油温度升高幅度最大，当喷油压力升高时，各腔燃油温度升高幅度进一步增大。

表5 入口温度40 ℃时喷油器各腔燃油温度 ℃

回油腔燃油温度与控制室燃油温度接近的原因主要为：控制室和回油腔与进油口位置很近，节流孔引起燃油产热不多，使得控制室和回油腔燃油温度与进油口温度相差在10 ℃左右。针阀腔燃油温度与进油口温度相差较大的原因为：针阀腔通过长油道和多个节流孔与进油口连接，摩擦产热和节流产热多使得针阀腔燃油温度升高幅度较大。

4.2 燃油温升变化

4.2.1 入口温度

当喷油压力为140 MPa、喷油脉宽为1.5 ms时，不同入口燃油温度下控制室、回油腔燃油温度变化曲线如图4所示。由图4(a)可以看出：

1) 当入口燃油温度为40 ℃、喷油器不喷油(球阀关闭回油孔)时，燃油通过进油孔节流，控制室燃油温度约为44 ℃；当喷油器开始喷油(球阀打开回油孔)时，燃油温度从47.0 ℃迅速下降到40.7 ℃，柱塞上移使控制室内燃油温度上升到60.7 ℃，温升为20.7 ℃；喷油结束后，燃油温度缓慢下降到56.5 ℃。

2) 当入口燃油温度为60 ℃时，燃油温度变化与40 ℃的变化趋势相同，最高温升为28.8 ℃。

上述结果说明：入口燃油温度越高，控制室燃油温度上升的幅度越大；喷油结束后，由于控制室内燃油与室壁面之间的传热，入口燃油温度为40、60 ℃时控制室的燃油最高温度分别下降了4.2、7.0 ℃，主要原因是燃油温度越高，在同一表面、相同时间内对流传热的能量越多。

由图4(b)可以看出：当入口燃油温度为40、60 ℃时，开始喷油时回油腔内燃油温度分别上升到63.7、84.9 ℃，最后分别稳定到54.3、80.7 ℃。分析其原因为：当回油孔打开时，燃油通过回油孔发生节流产热，使得温度继续升高；当燃油在回油腔流动时，由于燃油与壁面之间存在换热，燃油温度有一些下降。

在喷油压力140 MPa、喷油脉宽1.5 ms的条件下，不同入口温度下针阀腔燃油温度变化曲线如图5所示。

由图5可以看出：

1) 当入口燃油温度为40 ℃、喷油器不喷油时，燃油温度下降平缓；当开始喷油时，针阀腔内燃油温度迅速上升至77.6 ℃，随后又下降至52.3 ℃；喷油结束时，燃油温度迅速上升至105.2 ℃，最后稳定到95.3 ℃。

2) 当入口燃油温度为60 ℃时，燃油温度变化与40 ℃时相似：当喷油器开始喷油时燃油温度迅速上升至93.6 ℃，随后又下降至86.3 ℃，最高温度110.9 ℃，最后稳定到104.6 ℃。

当入口燃油温度为40、60 ℃时，燃油最大温升分别为65.2、50.9 ℃。引起温度变化的原因为：燃油在针阀腔内高速流动时，孔径变化的节流产热使燃油温度迅速上升；随着后续低温燃油流入，针阀腔内燃油温度迅速下降，当针阀落座时，针阀腔内燃油在短时间内被压缩，使燃油温度又升高一些；但由于对流传热的作用，针阀腔燃油温度平缓下降。

4.2.2 喷油压力

在入口燃油温度40 ℃、喷油脉宽1.5 ms的条件下，不同喷油压力下控制室、针阀腔的燃油温度变化曲线如图6所示。

由图6(a)可以看出：喷油压力90、140 MPa对应的控制室燃油最高温度分别为54、60.7 ℃，稳定温度分别为49.7、56.5 ℃，最大温升分别为14.0、20.7 ℃，表明高喷油压力使得燃油温度明显上升。

由图6(b)可以看出：

1) 当喷油压力为90 MPa时，喷油器不喷油时针阀腔内燃油温度稍有下降；当喷油器开始喷油时，针阀腔内燃油温度迅速上升而后下降；当喷油结束时，燃油温度上升至最高温度80.1 ℃，随后缓慢下降稳定在72.5 ℃。

2) 当喷油压力为90、140 MPa时，针阀腔燃油温升分别为32.5、45.3 ℃，比控制室的更为明显。这说明喷油压力越大，针阀腔内燃油温升幅度越大。

4.2.3 喷油脉宽

当入口燃油温度40 ℃、喷油压力为140 MPa时，不同喷油脉宽下控制室和针阀腔的喷油温度变化曲线如图7所示。

由图7(a)可以看出：当喷油脉宽为1.5 ms时，控制室的燃油最高温度为60.7 ℃，最后稳定在56.5 ℃左右；当喷油脉宽为1.0 ms时，控制室燃油最高温度为57.4 ℃，随后稳定在53.1 ℃左右。2种喷油脉宽对应的控制室最高燃油温升变化约为4.2 ℃，这说明喷油脉宽对控制室燃油最高温度影响不大。

由图7(b)可以看出：当喷油脉宽为1.5 ms时，针阀腔燃油最高温度为105.2 ℃，最后稳定在95.3 ℃左右；当喷油脉宽为1.0 ms时，针阀腔燃油最高温度为97.6 ℃，随后稳定在93.2 ℃左右。2种喷油脉宽对应的针阀腔最高油温相差7.6 ℃，稳定燃油温度相差约3.6 ℃，说明喷油脉宽大小变化对针阀腔燃油温度影响不大。

5 对喷油量的影响

图5说明针阀腔燃油温度与入口初始温度存在着较大的温差，考虑到喷孔长度较小和实际测试可行性等因素，应选择喷孔出口燃油温度为计算温度。

不同燃油温度的喷油量对比如表6所示。可以看出：当喷油压力为55、90、140 MPa，喷孔出口燃油温度50、80 ℃时，喷油量计算值与预测值的相对误差分别小于8%和5%。这说明：喷孔出口燃油温度可反映出针阀腔内的燃油温度，此温度对应的密度与实际接近。

表6 不同燃油温度的喷油量对比 mg

6 结论

1) 在同一入口温度下，高喷射压力对应的针阀腔和控制室燃油温度变化比低喷射压力时剧烈，表现为稳定温度的差异，控制室和回油腔的燃油稳定温度接近，针阀腔的燃油稳定温度高出很多；不同脉宽对控制室和回油腔的燃油稳定温度应影响不大，而对针阀腔的燃油稳定温度影响较大；初始燃油温度高低对各处的燃油稳定温度影响非常显著。

2) 对于不同燃油入口温度，回油腔、控制室的燃油温升接近，针阀腔的燃油温升高出1倍多；高喷射压力的针阀腔和控制室燃油温升变化比低喷射压力的大；喷油脉宽大小对控制室、针阀腔的燃油温升影响不大。

3) 由于针阀腔燃油温度与入口初始温度相差较大，应以喷孔出口燃油温度及其密度计算喷油量，喷油量的相对误差较小。