共轨泵进油计量阀流量扩展方法的研究.pdf

第4期(总第19 2 期)2023年11月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.4(serial No.192)Nov.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.04.008共轨泵进油计量阀流量扩展方法的研究顾浩1-2,吴永煌1-2,吴松1-2,袁竹林1.2（1.中国一汽无锡油泵油嘴研究所，江苏无锡2 140 6 3;2.一汽解放商用车开发院，江苏无锡2 140 6 3）摘要：介绍了共轨泵用进油计量阀的工作原理和应用需求，分析了对其进行流量扩展的必要性。研究了以下3种扩展方式：保持工作行程不变，优化节流口形状；增大工作行程，优化电磁特性；多个计量阀并联，优化低压油路。搭建了进油计量阀流量测试系统,对前2 种扩展方案的试制样品进行了测试，得出了其流量特性曲线,验证了流量扩展方案的可行性。关键词：共轨泵进油计量阀；流量扩展；节流口；流量特性中图分类号:U464.136Research on Flow Extension for Inlet Metering Valve of Common Rail Pump(1.FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute,Wuxi 214063,China;2.FA W Jiefang Commercial Vehicle Development Institute,Wuxi 214063,China)Abstract:The operating principle and application requirements of inlet metering valve on common rail pump are introduced.Its nec-essary to extend the flow rate of valve.There are three methods to achieve it:keeping the working stroke constant and optimizing theshape of orifice;increasing the working stroke and optimizing the electromagnetic characteristic;multipling several valves and optimi-zing the low pressure oil passage.Test-bench flow characteristic was investigated.Comparative experiments on different samples ac-cording to the first two schemes were carried out.At last,experimental results of the flow characteristic curves were analyzed.The re-sults indicate that the methods of flow extension are realizable.Key words:inlet metering valve on common rail pump;flow extension;orifice;flow characteristic文献标志码：ACU Hao2,WU Yonghuang2,WU Song.*2,YUAN Zhulin?文章编号:16 7 1-5446(2 0 2 3)0 4-0 0 33-0 5引言电控高压共轨系统的机械部分主要由共轨泵、喷油器、共轨管等组成,其中共轨泵的作用是向共轨管提供不同工况下所需要的油量，实现压力的任意调节1。共轨泵的油量调节主要有设置预行程和进油计量2 种方式,其中进油计量式共轨泵的关键零部件是进油计量阀。因为共轨系统的功率匹配范围广泛,导致共轨泵的供油量要求范围较大,单一的进油计量阀流量特性不能满足多样化的要求，不合适的供油流量可能对共轨泵造成控制精度降低、供油能力受限等影响,所以进油计量阀的流量扩展研究对提升共轨泵的适用性具有重要意义。1进油计量阀的工作原理及应用需求进油计量阀安装在低压输油泵的输出口之后，通过控制节流口的开度，精确控制进入共轨泵柱塞腔内的燃油量,进而调节共轨管内的燃油压力,其结构原理如图1所示。进油计量阀的工作原理是：线圈通电产生电磁力，推动衔铁运动且通过衔铁杆作用于阀芯,利用阀芯相对于阀体的运动来控制阀芯上节流口的通断及开度的大小，实现对流量的控制。为匹配共轨泵的供油量要求,进油计量阀应具有合适的最大流量。同一款进油计量阀在3款不同排量共轨泵（泵3排量 泵2 排量 泵1排量）上的*收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 0作者简介：顾浩（19 8 7 一），男，江苏如东人，工程师，主要研究方向为燃油喷射系统开发。34应用情况如图2 所示。图中为3款共轨泵在各自额定工况下供油量随进油计量阀电流的变化情况以及进油计量阀的名义流量特性曲线（即去程和回程流量特性曲线的中点轨迹)2 。其中泵2 的供油量曲线为最优，流量下降拐点较为合理；泵1的流量下降拐点较泵2 有所推迟，导致进油计量阀的电流可控区间减小;泵3的流量下降拐点较泵2 有所提前，供油量随进油计量阀的流量减小而立即下降，泵的供油能力受到限制。因此,进油计量阀的最大流量相对于共轨泵的排量应具有合适的裕度。裕度过大会缩小进油计量阀的电流控制区间,降低控制精度;裕度过小又会影响泵的最大供油能力，减小供油量。随着共轨泵排量的提升，进油计量阀的最大流量也应该相应地提升。7620L0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8电流/A图2供油量随进油计量阀电流的变化趋势此外,对进油计量阀的流量特性曲线形状也有一定的要求，总体应呈现为大流量区间变化速率快、小流量区间变化速率慢的特性，以更好地满足发动机在不同负荷工况下对油量的控制需求2 现代车用动力外壳2进油计量阀的流量扩展衔铁进油计量阀在工作时，流量与进出口间的压力衔铁杆差以及开度大小之间的关系符合如下流量压力特性线圈公式。运动方向阀体阀芯节流口，进油孔出油孔弹簧图1进油计量阀结构原理图泵1一*-泵2泵3.计量阀2023年第4期q=Cd(1)式中:9 为进油计量阀的流量;Ca为流量系数,与阀口形状、尺寸及反映液流流态的雷诺数Re有关；A为节流口的通流面积;p为燃油的密度；p为进出口压力差3由式(1)可知,在流量系数和工作压力变化不大的情况下，要扩展进油计量阀的流量，只能改变节流口的通流面积，而扩展方法主要有以下3种方式。2.1工作行程不变保持工作行程不变，这样便无需对进油计量阀的电磁部分做出改动，可以保证电磁特性不变化。在有限的工作行程内,可对阀芯上的节流口形状做出变更。(1)三角孔式目前市场上进油计量阀的节流口形式基本为三角形小孔，多个三角形小孔沿阀芯周向均布，以下称为标准三角孔式,如图3所示,可以通过增减三角形小孔的数量来对进油计量阀的最大流量进行扩展。图3标准三角孔式节流口阀芯的平面展开图此外，还可以对三角形孔进行优化来调整进油计量阀的流量特性曲线形状，以获得更佳的控制效果。如图4所示，节流口可以采用下部矩形、上部三角形的拼接形式（称为异型三角孔），,并且多个节流口具有不同的工作高度。图4异型三角孔式节流口阀芯的平面展开图2023年第4期(2)环带式在工作行程内，节流口可以采用螺旋布置的环带形式，以增加节流口的通流面积，如图5所示。顾浩，等：共轨泵进油计量阀流量扩展方法的研究35图9 变数量小圆孔式节流口阀芯的平面展开图与变节距方案相比，变数量方式的节距值保持不变,更有利于加工过程控制，可优先选择图5环带式节流口阀芯的平面展开图标准三角孔式、异型三角孔式、环带式和变数量小圆孔式节流口的通流面积随阀芯位移的变化趋势(3)小圆孔式如图10 所示，其通流面积变化率随阀芯位移的变化在工作行程内,多个小圆孔呈螺旋式排列,如图趋势如图11所示。6所示。如果小圆孔数量较多,间隔较小，不方便布14置，可以采用双排排列的方式,增大相邻小圆孔之间的间隔,如图7 所示。图6 单排小圆孔式节流口阀芯的平面展开图标准三角孔式12异型三角孔式环带式10变数量小圆孔式8642F00.0图10通流面积随阀芯位移的变化趋势图工0.51.0阀芯位移/mm1.52.02.53.00(ruu)/率2图7 双排小圆孔式节流口阀芯的平面展开图-8为优化流量特性曲线，相邻小圆孔之间沿轴向的高度差（称为节距,图6 和图7 的小圆孔均为等节距排列)可以采用差异化设置，主要有2 种方式：(a)变节距：小圆孔变节距排列，节距自底端到顶端逐渐增大,如图8 所示。(b)变数量：小圆孔分多排等节距排列，但是每排数量自底端到顶端逐渐减少，如图9 所示。图8 变节距小圆孔式节流口阀芯的平面展开图标准三角孔式异型三角孔式-10环带式一一变数量小圆孔式-1240.0图11通流面积变化率随阀芯位移的变化趋势图由图10、图11可以看出,相比于标准三角孔式节流口，异型三角孔式优化了通流面积的变化趋势形状（即前半段变化快、后半段变化慢），环带式和变数量小圆孔式均大幅提升了节流口的最大通流面积,并且变数量小圆孔式的通流面积在工作区间内的总体变化趋势也表现为前快后慢，更符合进油计量阀流量的控制要求。此外,需要注意的是,在增加节流口通流面积的0.51.0阀芯位移/mm1.52.02.53.036同时,对阀体上的进油孔、进油环腔和出油孔的尺寸也应做出相应的调整，以免造成前后端节流,从而影响进油计量阀的流量扩展效果。2.2增大工作行程因为固定的工作行程限制了进油计量阀流量扩展的上限,要继续增加进油计量阀的最大流量,就必须增加阀芯的工作行程,衔铁的工作行程会相应增加,最大压缩状态的弹簧力也会增加。同时,既要保证进油计量阀的电流控制区间基本不变，又要保证进油计量阀在更大工作行程内的比例特性不变,则必须对进油计量阀的磁路部分做出优化。如图12 所示,对线圈匝数、衔铁倒角、隔磁角度以及阀体上端盆形底座（增设凸台）等尺寸参数均进行了优化设计，优化后进油计量阀的电磁力测试结果如图13所示。工作行程阀体图12 进油计量阀电磁结构优化方案图由图13可知,优化后进油计量阀仍然具有近似水平的位移-力特性,能够与弹簧力相匹配。优化37现代车用动力后，阀芯的最大工作行程由3.7 mm增加至4.3mm，有更大的空间来布置节流口，从而对进油计量阀进行流量扩展。18.5A-1.0A-1.5A2.0A弹簧力1614121084208.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5位移/mm图13优化后电磁力和弹簧力测试结果2.3多个计量阀并联衔铁此外，还可以通过将多个进油计量阀并联的方式来增加最大流量，这样可以借用成熟的产品，不需线圈要对进油计量阀自身结构进行优化调整。但是需要倒角变更共轨泵的低压油路,更加复杂,多个进油计量阀之间的控制也需要统筹管理,互相配合，同时还有可隔磁角能增加整泵的外形尺寸,影响共轨泵的安装。凸台阀芯弹簧2023年第4期3流量扩展效果验证3.1试验方法为验证上述流量扩展方式的有效性，需要对进油计量阀进行流量特性试验。进油计量阀的流量特性试验是在专用的流量测试系统上进行的,测试系统如图14所示。101224891111为油箱；2 为控温器；3为温度传感器；4为电机+泵；5为滤清器；6 为安全阀；7 为调压阀；8 为蓄能器；9 为流量计；10，12 为压力传感器；11为进油计量阀及夹具图14进油计量阀流量测试系统图在稳定工作条件下，驱动电流从零逐渐增加至最大值,再从最大值逐渐减小到零,为一个完整的测试循环。测试条件如下：试验用油温度(40 2),进出口压力差(0.40.0 1)MPa,驱动电压(2 40.1)V,脉冲宽度调制(PWM)驱动频率(18 0 5)Hz,驱动电流范围0 1.8 A,测试循环时间(2 0 0 5)s。2023年第4期3.2试验对象及结果针对上文前2 种流量扩展方式进行了样品试制。对5种试制样品在同一试验台上做了流量特性测试，分别是样品1、样品2、样品3、样品4和样品5,具体方式、形式如表1所示。表1流量特性试验样品进油计量阀拓展方式样品1行程不变样品2行程不变样品3行程不变样品4行程不变样品5行程增大5种样品的名义流量特性曲线如图15所示。由图15a可以看出,相较于标准三角孔式节流口（样品1,最大流量约为6 L/min）,异型三角孔式节流口（样品2)优化了流量特性曲线形状；由图15b可以看出，等节距小圆孔式节流口（样品3）和变数量小圆孔式节流口（样品4)均提升了阀的最大流量（约为14L/min），并且变数量小圆孔式样品的流量特性曲线更优；此外由于增大了工作行程，样品5最大流量获得了更大程度的提升（可达2 0 L/min）。5种样品的流量特性测试结果均与优化目标相符合,能满足进油计量阀的流量扩展要求。65F3F200.00.20.40.60.81.0.,1.2电流/Aa顾浩，等：共轨泵进油计量阀流量扩展方法的研究节流口形式标准三角孔异型三角孔等节距单排小圆孔变数量单排小圆孔等节距双排小圆孔一样品1一样品211.41.61.82.03720F181614642F0.00.20.40.60.81.0.,1.2电流/Ab图155种样品的名义流量特性曲线对比4结束语根据进油计量阀的工作原理和应用需求，提出了3种流量扩展方式并进行了研究分析。前2 种方式需要对进油计量阀结构进行优化改进,改进试制样品在流量测试系统上的测试结果均表明这2 种方式可行，均能较好地满足流量扩展及流量特性曲线形状目标。第3种方案则主要是对共轨泵低压油路和进油计量阀驱动控制进行优化。在实际工作中，可根据具体情况酌情选择，以满足共轨系统在不同工况下的供油量要求,达到最佳的匹配应用效果。参考文献：1张礼林,胡林峰,吴松,等.高压共轨供油泵进油计量阀的开发研究J.现代车用动力,2 0 0 9（1)：11-15.2 王尚勇.现代柴油机电控喷油技术M.北京：机械工业出版社,2 0 13.3 张利平.液压阀原理、使用与维护M.北京：化学工业出版社,2 0 14.样品1样品3一样品4-样品51.41.61.82.0三三三+三+三+三三三+三欢迎投稿欢迎订阅欢迎刊登广告TEL:0510-85522763TEL:[phone]TEL:[phone]现代车用动力