柴油机负荷阶跃试验烟大故障分析.pdf

第3 期(总第191期)2023年8 月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.3(serial No.191)Aug.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.03.010柴油机负荷阶跃试验烟大故障分析龙贻凯,周斌,褚黎宏,王亚会,李永奎,陶佳鑫（重油高科电控燃油喷射系统（重庆)有限公司,重庆40 112 0)摘要：针对某型号共轨喷油器在柴油机负荷阶跃烟度测试中，部分转速段出现瞬态加速烟大的故障，对故障件的总成性能数据及尺寸参数，进行了研究分析。结果显示，喷油嘴喷孔孔径、K系数等对柴油机瞬态加速烟大故障有较大影响，实施了改进方案并最终解决了该故障，为后续共轨喷油器批量生产的质量控制提供依据。关键词：柴油机；瞬态烟度；喷油器；喷油嘴；喷孔孔径;K系数中图分类号:U464.136(Chongyou Hi-Tech Electronic Fuel Injection System(Chongqing)Co.,Ltd.,Chongqing 401120,China)Abstract:The diesel engine load step acceleration smoke test was performed,which equipped a type of common rail injector,and thetransient acceleration smoke increased in some speed conditions.It mainly analyzes the test data of the faulty common rail injector andthe key parameters that affect the performance of nozzle,identifies the cause of the diesel engine transient acceleration smoke,and im-proves and controls the relevant parameters to eliminate injector faults,providing a basis for quality control of mass-production of com-mon rail injectors.Key words:diesel engine;transient smoke;fuel injector;nozzle;spray hole diameter;K-factor文献标志码：AFault Analysis of Diesel Engine Load Step Acceleration Smoke TestLONG Yikai,ZHOU Bin,CHU Lihong,WANG Yahui,LI Yongkui,TAO Jiaxin文章编号：16 7 1-5446(2 0 2 3)0 3-0 0 47-0 4引言随着各种不可再生资源的不断消耗和排放法规的持续升级，人们对柴油机的燃油经济性、污染物排放、动力性等要求愈发严格。对于柴油机而言,喷油器是高压共轨系统的核心执行零部件，起着将高压燃油定时、定量地喷人气缸的作用。喷油器的喷油特性及喷油嘴参数直接影响燃油在柴油机燃烧室中燃烧,从而对柴油机性能产生直接影响。对某型装载机用柴油机进行负荷阶跃烟度测试时，发现使用自制喷油器比竞品喷油器的瞬态烟度大，因此进行了故障原因分析。1柴油机负荷阶跃烟度测试柴油机负荷阶跃试验方法为柴油机转速从怠速开始，按照10 0 r/min的步长依次提升直至标定转速，同时在每个转速工况下，柴油机负荷都分别从0%迅速增加到10 0%，记录每个转速工况下的瞬态加速烟度。柴油机负荷阶跃试验转速工况如图1所示。2.500m20001000500按照柴油机负荷阶跃试验方法分别测试了装配自制喷油器和竞品喷油器时的负荷阶跃瞬态烟度，50图1柴油机负荷阶跃试验转速工况100150时间/s200250300350*收稿日期：2 0 2 3-0 8-11作者简介：龙贻凯（197 5一），男，重庆人，工程师，主要从事电控燃油喷射系统的设计与开发工作。48试验结果显示，在柴油机转速为10 0 0 r/min，1100r/min,1200r/min等工况下，装配自制喷油器时的瞬态烟度都比装配竞品喷油器时大得多,最大相差2 0 mg/m。在柴油机转速为110 0 r/min 时，自制喷油器瞬态烟度已达到10 0 mg/m,超过了瞬态烟度限值。瞬态烟度结果比较如图2 所示。120m100(cu.3u)/80604020F0L6002喷油器故障原因分析对可能影响柴油机瞬态烟度的喷油器特性及喷油嘴参数逐一进行测试和分析评价。2.1喷油量和喷油器开启、关闭延迟检测在各工况点检测2 0 0 次喷油量、喷油器开启延迟和关闭延迟时间,全负荷点的轨压为16 0 MPa，脉宽为2 0 0 0 s;排放点的轨压为10 0 MPa，脉宽为600 s;预喷点的轨压为10 0 MPa,脉宽为2 50 s;怠速点的轨压为2 5MPa,脉宽为10 0 0 s。各工况点自制和竞品喷油器喷油量如表1所示，标准差如表2所示；各工况点的2 种喷油器开启、关闭延迟如表3、表4所示。表1各工况点喷油器喷油量自制喷油器喷油量/mm3工况1#全负荷点185.39183.68182.97183.65183.94184.87184.08排放点35.0335.8635.0534.0332.3935.8534.70预喷点3.342.76 2.051.942.642.152.48急速点13.6112.6611.5411.2111.2811.9412.04竞品喷油器喷油量/mm31#2#182.81183.19183.05183.01181.20 183.5134.0032.283.251.7813.3311.94由表1可以看出，自制喷油器喷油量平均值和竞品喷油器相比，全负荷点大1.2 8 mm,排放点大0.87mm,预喷点大0.0 5mm,怠速点大0.3 2 mm。现代车用动力总体来看，自制喷油器和竞品喷油器各工况点喷油量基本一致。表2各工况点喷油器喷油量标准差自制喷油器工况1#全负荷点0.250.150.410.220.440.210.28排放点0.26 0.18 0.170.130.14 0.16 0.17预喷点0.04 0.06 0.070.140.02 0.050.06自制喷油器竞品喷油器1上8001000120014001600180020002200发动机转速/(r-min-)图2瞬态烟度结果比较2#3#3#4#34.3633.881.982.2911.5613.352023年第3 期2#3#急速点0.11 0.110.310.100.070.070.13竞品喷油器1#2#0.260.290.230.550.040.090.170.08由表2 可以看出，在全负荷点、排放点、怠速点的2 0 0 次喷油量标准差平均值都小于国标GB/T253672010的限值要求（0.6），预喷点2 0 0 次喷油量标准差平均值小于该国标的限值要求（0.3）。表3 各工况点的开启延迟自制喷油器开启延迟/us工况1#全负荷点287排放点292预喷点272急速点383竞品喷油器开启延迟/us1#2#2872873022922822674#5#5#6#33.8834.552.542.739.1810.954#3#4#0.380.390.530.620.050.070.070.092#3#2972783072822822574203983#4#2872872922892722676#平均值平均值182.8033.832.4311.725#5#6#0.380.380.170.560.020.060.090.204#5#2672882773022572784104155#6#290282297280277267403375由表3 可以看出，自制喷油器的开启延迟平均值和竞品喷油器相比，全负荷点小5us，排放点小1 s,预喷点小4 s,怠速点大2 0 s。总体来看,除急速点外，自制喷油器的开启延迟和竞品喷油器基本一致。在速转速为6 0 0 r/min时,2 0 s对应柴油机曲轴转角0.0 8,以上差异对柴油机性能几乎没有影响。由表4可以看出，自制喷油器关闭延迟平均值和竞品喷油器相比，全负荷点大2 6 s，排放点大8s,预喷点小9 s,速点小2 s。总体来看,除全负荷点外自制喷油器关闭延迟和竞品喷油器基本一致。在额定转速2 2 0 0 r/min时,2 6 s对应柴油6#平均值平均值0.350.440.060.126#平均值277282287291262268400404平均值2872922723913823883633842023年第3 期机曲轴转角0.3 5,以上差异对柴油机性能影响非常有限。表4各工况点的关闭延迟自制喷油器关闭延迟/us工况1#全负荷点852排放点611预喷点315速点5431#2#8038215895743232835455082.2喷油器全工况通电时间(ET)检测在EFS试验台上对自制喷油器和竞品喷油器进行全工况ET检测，两者的全工况ET曲线如图3、图4所示，图中曲线从下往上分别是压力为25 MPa,30 MPa,40 MPa,50 MPa,60 MPa,70 MPa,80 MPa,90 MPa,100 MPa,110 MPa,120 MPa,130MPa,140MPa,150MPa,160MPa时的喷油量。结果显示，自制喷油器与竞品喷油器喷油量最大差异为3.5mm,总体基本一致。250200uu/鲁甲150500.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2 2.4喷射时间/ms图3自制喷油器全工况ET曲线250200H150龙凯，等：柴油机负荷阶跃试验烟大故障分析2#3#857836623600308272521511竞品喷油器关闭延迟/us3#4#803818594587282281508554492.3喷油器喷油速率检测在EFS试验台上对自制喷油器和竞品喷油器进行喷油速率对比检测，全负荷点、排放点、预喷点、怠速点喷油速率对比曲线如图5 图8 所示。4#5#7958105785602703034944695#6#7958136055893263024674916#平均值858835618598276291525510平均值80959030051270r60(-su.3u)/率率斯50403020100-1010.05040F(-su.3u)/率率联聊302010F0-1040.010元8F(-su.3u)/率率甲64202520(r-su.3)/率率联1510自制喷油器竞品喷油器0.51.0图5全负荷点喷油速率对比曲线工10.51.0图6排放点喷油速率对比曲线0.51.0图7预喷点喷油速率对比曲线1.52.02.5喷射时间/ms11.52.02.5喷射时间/ms1.5 2.02.53.0喷射时间/ms自制喷油器竞品喷油器3.0自制喷油器竞品喷油器一3.03.5自制喷油器竞品喷油器3.54.03.54.04.050HO0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4喷射时间/ms图4竞品喷油器全工况ET曲线5F工工工0-6.0.51.0图：怠速点喷油速率对比曲线1.52.02.5喷射时间/ms3.03.54.050从以上对比曲线可以看出，在全负荷点自制喷油器的关闭延迟时间比竞品喷油器稍长，这也是自制喷油器的喷油量比竞品喷油器大的原因。自制喷油器与竞品喷油器在各工况点的喷油速率最大值基本一致。2.4喷油嘴伸出长度检测对影响喷油器油束落点位置的喷油嘴伸出长度和密封铜垫的厚度进行对比检测，制作了专用检具，可以很方便地检测出喷油嘴伸出长度，自制喷油器与竞品喷油器喷油嘴伸出长度和密封铜垫的厚度检测数据如表5所示。表5喷油嘴伸出长度和密封铜垫厚度检测数据喷油嘴伸出密封铜垫喷油嘴喷油嘴长度/mm厚度/mm自制1#22.01自制2#22.02自制3#21.98自制4#22.01自制5#22.02自制6#22.03从检测数据来看，自制喷油器喷油嘴伸出长度均值约为2 2.0 1mm，密封铜垫厚度均值约为1.50mm,竞品喷油器喷油嘴伸出长度均值约为22.04mm，密封铜垫厚度均值约为1.49mm。自制和竞品喷油嘴参数基本一致。2.5喷油嘴喷雾锥角和圆周角检测在专用检测设备上检测自制喷油嘴与竞品喷油嘴的喷雾锥角出和圆周角,检测数据如表6 所示，各参数对应位置如图9所示。表6 喷雾锥角、圆周角检测数据喷雾锥角(）喷孔编号自制172.5272.5373.0472.5572.5672.5772.5873.0从检测数据可以看出，自制喷油嘴与竞品喷油嘴喷雾锥角最大相差0.5圆周角最大相差也只有0.5,总体基本一致。现代车用动力2a图9喷雾锥角和圆周角对应位置2.6喷油嘴流量、孔径、A值、K系数检测对自制喷油嘴与竞品喷油嘴流量、针阀体流量、喷油嘴伸出密封铜垫喷孔孔径（DSP）、A 值、K系数进行检测，压力为长度/mm厚度/mm1.50竞品1#22.041.51竞品2#22.051.49竞品3#22.05竞品4#1.5022.081.49竞品5#22.011.49竞品6#22.02圆周角/(）竞品自制72.521.072.566.573.0111.572.5155.572.5201.072.5246.072.5290.572.5336.02023年第3 期A0102DSPb10 MPa,检测数据如表7 所示。1.49表7 流量、孔径、A值、K系数检测数据1.481.501.511.491.49竞品21.066.0111.5156.0200.5245.5291.0336.0流量/喷油嘴(mLmin-l)自制1.235竞品1 233从检测数据可以看出，自制喷油嘴与竞品喷油嘴的流量、针阀体流量、A值基本一致。但是，自制喷油嘴的孔径比竞品喷油嘴大0.0 0 4mm，自制喷油嘴的K系数比竞品喷油嘴的大0.6,虽然孔径和K系数都符合设计要求，但是，在流量相同的情况下，自制喷油嘴的孔径和K系数比竞品喷油嘴都大，导致自制喷油嘴的挤压研磨率比竞品喷油嘴小得多。因为在保证喷油嘴流量的情况下，孔径大必然会导致挤压研磨率低，喷油器喷入燃烧室的雾化效果势必较差。由于数据差异较小，在稳态工况下烟度差异不大，但是在负荷阶跃烟度测试这种变工况下，就表现出明显的差异，因此在最大扭矩附近转速工况下瞬态烟度比竞品大得多。3改进措施有相关研究表明 ,在喷油嘴流量相同即喷油持续期保持不变的情况下,喷孔孔径越小，油滴粒径越小,喷射贯穿距离越短，越能减少燃油碰壁量，形成的混合气越均匀，燃烧越完全。因此决定减小喷油嘴喷孔孔径和K系数,提高喷油嘴的挤压研磨率到13.5%，改进后的喷油嘴参数实测数据如表8所示。(下转第54页）针阀体流量/DSP/A值/K系数(mLmin-1)mm12830.1641 2870.160mm1.191.201.40.854现代车用动力dd3丝结束语2023年第3 期通过试验数据和工艺对比分析发现，采用经过优化的托磨工艺所得到的座面精度大幅提高，偶件Sdd.图：改进后回油阀工艺图表2 托磨工艺加工的座面圆度和跳动序号座面圆度/mm10.000520.000 330.000 440.000 550.000 460.000570.000 480.000 490.000 3100.0005的密封性更好，装配合格率更高。1人可以同时操作3 5台数控磨床,实现了高效生产。采用这种加工方式座面圆度可以达到0.0 0 0 5mm,适当降低精0.001度要求到0.0 0 1mm,调整加工程序,加工时间还可0.001A座面跳动/mm0.000 60.000 40.00040.000 30.000 50.000 40.000 40.000 50.000.40.0005缩短，每台每班可加工90 0 件,可以达到降低生产成本、缩短零件生产周期和改善零件质量的目的。该方法的不足之处是工装的制造精度要求较高,加工前工装需要精密找正，费时稍多。参考文献：1黄崇华,杨惠萍,冯琦峰.阻尼阀与等压阀运用于PW泵试验研究 J.现代车用动力,2 0 0 3（3）：2 7-3 3.2全国燃料喷射系统标准化技术委员会.柴油机喷油泵等压阀偶件：JB/T128512016S .北京：机械工业出版社,2 0 16.3】薛源顺.磨工（技师、高级技师）M.北京：机械工业出版社,2 0 10.(上接第50 页)表8 改进后的喷油嘴参数实测数据流量/针阀体流量/DSP/mmA值/mmK系数(mLmin-1)(mLmin-)12321 2854效果验证对改进后的喷油器重新进行了柴油机性能验证，负荷阶跃瞬态烟度测试曲线如图10 所示，改进后的喷油器在柴油机转速为7 0 0 16 0 0 r/min时的12010080604020OL600图10喷油器改进前后负荷阶跃瞬态烟度测试曲线瞬态烟度比改进前喷油器有非常明显的改善，瞬态烟度最大降幅超过50 mg/m,满足柴油机性能对负荷阶跃烟度的要求。0.1581.21改进前自制喷油器改进后自制喷油器工8001000120014001600发动机转速/（rmin-)0.81800200022005结束语本文对共轨喷油器的喷油特性及喷油嘴参数进行检测及对比分析,结果表明：a.喷油嘴的喷孔孔径和K系数精度控制对柴油机烟度有较大的影响。b.在共轨喷油器生产过程中,除需要对喷油器性能指标和常规喷油嘴设计参数进行控制外,还需对喷油嘴参数精度进行有效控制。参考文献：1李兴华.喷孔与喷射压力协同控制对柴油机性能影响的研究 D.长春：吉林大学,2 0 2 3.