分析柴油機(jī)泄漏量與高壓的關(guān)系

在傳統(tǒng)的噴油器結(jié)構(gòu)中，指令活塞與噴油嘴針閥之間存在滑動(dòng)部件，這些部件會(huì)產(chǎn)生燃油泄漏。隨著噴油高壓化的推進(jìn)，燃油泄漏量也會(huì)隨之增加。因此將燃油靜態(tài)泄漏與動(dòng)態(tài)泄漏降至最低是有待解決的課題。對(duì)共軌噴油系統(tǒng)中產(chǎn)生最大泄漏量的噴油器的滑動(dòng)部件泄漏進(jìn)行了研究，并在考察了噴油器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了燃油高壓化與泄漏量的關(guān)系，以及滑動(dòng)部件泄漏受到燃油壓力導(dǎo)致構(gòu)件變形的影響，必須綜合滑動(dòng)間隙部件的變形量、壓力、泄漏量等因素，方可正確計(jì)算泄漏量。

0前言

上世紀(jì)90 年代以后，柴油機(jī)用噴油裝置取得了大幅進(jìn)展，其最大的技術(shù)發(fā)展是1995 年共軌噴油系統(tǒng)的應(yīng)用。由于采用了這項(xiàng)技術(shù)，就能夠做到不依賴發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，自由地控制噴油壓力。另外，噴油次數(shù)、噴油定時(shí)的自由度也大幅地得到了拓展。共軌噴油系統(tǒng)應(yīng)用前的噴油壓力大致為100 MPa 以下，而由于1995 年共軌噴油系統(tǒng)的應(yīng)用，噴油壓力達(dá)到了120 MPa。目前，柴油機(jī)廠家正在努力實(shí)現(xiàn)250 MPa 以上的噴油壓力。

為實(shí)現(xiàn)噴油壓力的高壓化，噴油裝置的開(kāi)發(fā)方面尚存許多技術(shù)課題有待解決。這些課題可劃分為耐受高應(yīng)力性能和耐受高溫性能這兩類。燃油溫度變高的原因是由于噴油嘴室壓縮，被高壓化的燃油通過(guò)狹小部位而被釋放，已高溫化的泄漏燃油由于在噴油系統(tǒng)中循環(huán)使得溫度上升。

由于燃油溫度升高而產(chǎn)生的主要問(wèn)題有: (1) 伴隨燃油老化，產(chǎn)生了沉積物，引起滑動(dòng)不順暢，并導(dǎo)致噴油量改變; (2) 由于燃油黏性降低，導(dǎo)致出現(xiàn)熱膠粘現(xiàn)象; (3) 由于樹(shù)脂零件(如接口) 受熱損壞或老化，導(dǎo)致燃油泄漏; (4) 由于O 型密封圈等橡膠件老化致使燃油泄漏。為解決由于高溫化帶來(lái)的問(wèn)題，正在嘗試的方法包括對(duì)于沉積物的產(chǎn)生，利用類金剛石碳覆膜(DLC) 進(jìn)行處理等，以抑制沉積物附著于零部件上。同時(shí)針對(duì)產(chǎn)生的熱膠粘現(xiàn)象，利用改善形狀等措施以提高抗熱膠粘的設(shè)計(jì)。對(duì)于樹(shù)脂及橡膠零件，采用開(kāi)發(fā)耐高溫的材料等方法。這類技術(shù)，是為了解決由于燃油泄漏而產(chǎn)生的耐高溫性能的問(wèn)題。因此，降低燃油泄漏量，并通過(guò)防止升溫，有可能一舉解決該問(wèn)題。

本文對(duì)共軌噴油系統(tǒng)的噴油器經(jīng)常發(fā)生的滑動(dòng)部件泄漏現(xiàn)象進(jìn)行了研究。在考察了噴油器的結(jié)構(gòu)之后，研究了高壓化與泄漏量的關(guān)系。另外，鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步高壓化的可能性，進(jìn)行了噴油壓力為300 MPa的泄漏量的推定。

1噴油壓力與噴油器結(jié)構(gòu)

圖1 表示現(xiàn)在量產(chǎn)中具有代表性的共軌噴油系統(tǒng)所用噴油器的截面圖與模式圖。噴油器通過(guò)對(duì)作為執(zhí)行器的電磁閥通電而進(jìn)行燃油噴射。其動(dòng)作如下: 首先，按電控單元指令，電磁閥通電，打開(kāi)控制閥。由于控制閥開(kāi)啟而形成高壓的控制室內(nèi)的燃油通過(guò)出油孔并經(jīng)低壓管路流出，進(jìn)而使得控制室內(nèi)的壓力降低。同時(shí)，由于控制室內(nèi)壓力降低，燃油從高壓部通過(guò)進(jìn)油孔流入控制室，而控制室內(nèi)的壓力達(dá)到某一特定壓力時(shí)，達(dá)到平衡。控制室內(nèi)的壓力進(jìn)而降低，由于控制室內(nèi)的壓力降低，將指令活塞及噴油嘴針閥推壓至燃油噴孔處的作用力也隨之降低。

其結(jié)果是，前述作用力如果與朝向燃油噴孔相反側(cè)提升，使得指令活塞及噴油嘴針閥的作用力小，則指令活塞及噴油嘴針閥形成一體并上升。同時(shí)，由于噴油嘴座面開(kāi)啟(噴油嘴針閥上升，噴孔打開(kāi)) ，開(kāi)始噴油。噴油結(jié)束時(shí)，電磁閥斷電，控制閥也隨之關(guān)閉，燃油由控制室向低壓管路流出。然后，燃油繼續(xù)從高壓部向控制室流入，控制室內(nèi)壓力也隨之上升。因而，將指令活塞及噴油嘴針閥向燃油噴孔壓下的作用力增加，該作用力比提升指令活塞及噴油嘴針閥的作用力更大，指令活塞及噴油嘴針閥形成一體，并向燃油噴孔側(cè)移動(dòng)。最終由于噴油嘴座面閉合(噴油嘴針閥下降，噴油孔關(guān)閉) ，然后結(jié)束噴油。

圖1 共軌噴油系統(tǒng)的噴油器結(jié)構(gòu)

在噴油器結(jié)構(gòu)中，單側(cè)為高壓燃油，相反側(cè)為低壓燃油，存在2 處經(jīng)常發(fā)生泄漏的滑動(dòng)部件，具體情況如圖1 所示。指令活塞滑動(dòng)部件及噴油嘴針閥滑動(dòng)部件成為經(jīng)常發(fā)生泄漏的部件，不論是否有無(wú)電磁閥的動(dòng)作，經(jīng)常在滑動(dòng)部件中產(chǎn)生泄漏，均記載為“滑動(dòng)部件泄漏”。滑動(dòng)部件泄漏存在于滑動(dòng)部的理由是由于將滑動(dòng)部的一側(cè)設(shè)定為高壓，而將相反側(cè)設(shè)定為低壓，這是由于利用作用在滑動(dòng)構(gòu)件上的壓力的緣故。在圖1所示的噴油器結(jié)構(gòu)方面，因?yàn)樵诟邏汉偷蛪喝加? 處滑動(dòng)構(gòu)件上，分別會(huì)產(chǎn)生必要的作用力。所以，產(chǎn)生2處滑動(dòng)部件的泄漏。例如，設(shè)定這兩處滑動(dòng)部件直徑為同一長(zhǎng)度，如果在其接觸部位引入高壓燃油，則滑動(dòng)部的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生相同壓力，可以避免滑動(dòng)部的泄漏發(fā)生這種情況，由于控制閥的驅(qū)動(dòng)，控制室內(nèi)壓力降低，進(jìn)而使指令活塞及噴油嘴針閥向上方移動(dòng)，同時(shí)可以開(kāi)啟噴油嘴座面。但是，一旦噴油嘴座面開(kāi)啟，燃油噴孔打開(kāi)，從開(kāi)始噴油到噴油結(jié)束時(shí)，即便關(guān)閉控制閥，控制室內(nèi)壓力也只上升到與噴油嘴室內(nèi)壓力大致相同的水平。因而，控制室內(nèi)壓力與給予指令活塞的液壓作用力，以及噴油嘴室內(nèi)壓力與給予噴油嘴針閥的液壓作用力形成大致均衡的狀態(tài)。也就是說(shuō)，在高壓燃油中形成浮游的狀態(tài)。

因此，有必要利用比液壓作用力更小的噴油嘴彈簧力進(jìn)行噴嘴針閥的開(kāi)啟，所以，快速關(guān)閉閥門是比較困難的。為了兼顧無(wú)滑動(dòng)部件泄漏同時(shí)飛快地關(guān)閉噴油嘴針閥，在控制室與噴油嘴室之間的高壓燃油通道中設(shè)置節(jié)流孔，噴油嘴針閥關(guān)閉時(shí)，使噴油嘴室內(nèi)壓力比控制室內(nèi)壓力低，這種結(jié)構(gòu)正在逐漸實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。由于降低了噴油嘴室內(nèi)壓力，確保關(guān)閉噴油嘴針閥方向上的必要的作用力。但是，由于降低了噴油嘴室內(nèi)壓力，也有降低實(shí)際噴油壓力的弊端。也就是說(shuō)，供油泵無(wú)效，消耗了高壓化燃油的能量。

2滑動(dòng)部件泄漏的機(jī)理

式(1) 表示滑動(dòng)部位泄漏的基本關(guān)系式：

式中，ε 為偏心系數(shù)，d 為滑動(dòng)部位直徑，h 為滑動(dòng)部位徑向間隙，ΔP 為滑動(dòng)部位兩端間的壓力差，μ 為流體黏性系數(shù)，L 為滑動(dòng)部位長(zhǎng)度。

其中，ε 表示滑動(dòng)部位軸類構(gòu)件在滑動(dòng)部自孔內(nèi)偏心的程度。在無(wú)偏心情況下，取ε 為1，在有最大偏心情況下，ε 為2.5。

圖2 表示結(jié)構(gòu)與符號(hào)的關(guān)系。式(1) 表示結(jié)構(gòu)也就是尺寸決定時(shí)，泄漏量Q 與壓力ΔP 成正比地增加的情況。但是，沒(méi)有考慮到壓力ΔP 增加的情況下構(gòu)件的變形。由于構(gòu)件的變形，導(dǎo)致間隙h 增加，泄漏量Q 與間隙h 的3 次方成正比關(guān)系。

圖2 間隙泄漏結(jié)構(gòu)的符號(hào)

在此，利用基本算式(關(guān)系式) 計(jì)算由于壓力引起的變形所產(chǎn)生的影響的實(shí)例。已知厚壁圓筒(兩端開(kāi)放) 的內(nèi)、外徑的變形由式(2) 表示：

式中，u 為徑向位移，V 為泊松比，r1為圓筒內(nèi)半徑，r2為圓筒外半徑，p1 為內(nèi)側(cè)壓力，p2 為外側(cè)壓力。

圖3 表示結(jié)構(gòu)與符號(hào)的關(guān)系。圖4 為由于變形引起間隙變化的計(jì)算結(jié)果。在該條件中，間隙部位壓力為200 MPa 時(shí)，氣缸構(gòu)件的內(nèi)徑約擴(kuò)大了4 μm，活塞構(gòu)件的外徑約縮小了2 μm。因此，徑向間隙約擴(kuò)大3μm。由于間隙部位從高壓側(cè)到低壓側(cè)存在壓力梯度，所以，在全范圍內(nèi)，不僅是擴(kuò)大3 μm。設(shè)定初期徑向間隙為1 μm，假定徑向間隙在全間隙部位范圍擴(kuò)大3μm，則滑動(dòng)部件泄漏量增加到64 倍。假設(shè)間隙擴(kuò)大量在整個(gè)間隙部位范圍擴(kuò)大1.5 μm，則滑動(dòng)部件泄漏量增加到15.6 倍。

圖3 均衡氣缸變形的符號(hào)

圖4 間隙變化的計(jì)算結(jié)果

由該值可知，由于壓力導(dǎo)致間隙擴(kuò)大對(duì)于滑動(dòng)部件泄漏量的影響較大。其次，決定實(shí)測(cè)滑動(dòng)部件的泄漏，并確認(rèn)與用式(1) 表示的基本關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果差異。然后，研究根據(jù)計(jì)算高精度推定滑動(dòng)部件泄漏的方法，與實(shí)測(cè)結(jié)果比較，驗(yàn)證其精度。

3滑動(dòng)部泄漏實(shí)測(cè)

圖5 表示評(píng)價(jià)裝置概況。評(píng)價(jià)裝置由5 個(gè)部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)上是燃油箱中儲(chǔ)存了燃油，可以進(jìn)行燃油溫度的調(diào)整。升壓泵(供油泵) 使用電裝公司制造的熱軌燃油系統(tǒng)用供油泵。升壓泵從燃油箱中吸出燃油，并且能夠排出已升壓到規(guī)定壓力的燃油。由升壓泵排出的燃油，為降低由于排出燃油引起的燃油脈動(dòng)，并輸入到共軌的蓄壓容器，蓄壓容器使用電裝公司制造的共軌燃油系統(tǒng)用共軌。另外，在蓄壓容器中，為測(cè)量升壓泵排出的燃油壓力，安裝了壓力傳感器，為測(cè)量燃油溫度安裝了溫度傳感器。從蓄壓容器中放出的燃油，被引入滑動(dòng)部件泄漏裝置。圖6 表示滑動(dòng)部件泄漏裝置的結(jié)構(gòu)模式圖。對(duì)于滑動(dòng)部件泄漏裝置，決定從作為補(bǔ)給用的市售共軌燃油系統(tǒng)用噴油器中，選購(gòu)使用滑動(dòng)部件泄漏部位僅有1 處的噴油器，在測(cè)量滑動(dòng)部件泄漏量的流量計(jì)時(shí)使用了量筒。量筒的1 個(gè)刻度為0.1cm3，計(jì)算了2 min 之間積存在該量筒中的燃油流量。燃油使用了ISO 標(biāo)準(zhǔn)輕油(ISO 4113 柴油機(jī)噴射裝置評(píng)價(jià)用燃油) 。

圖7 表示使用的燃油的黏性系數(shù)。燃油溫度是將升壓使用的供油泵入口燃油溫度調(diào)整到42 ℃，設(shè)定流入到滑動(dòng)部以前位置( 圖5 所示的共軌部) 的高壓燃油溫度為65 ℃。壓力作為構(gòu)件復(fù)歸中心方向的力產(chǎn)生作用。由圖8 實(shí)測(cè)的滑動(dòng)部件泄漏量與由式(1) 的計(jì)算值，能夠確認(rèn)如假定的大幅度差異。這是由于在式(1) 中沒(méi)有考慮由于燃油壓力導(dǎo)致的間隙擴(kuò)大現(xiàn)象，以及泄漏量與壓力成正比增加的緣故。實(shí)際上伴隨燃油壓力的增加，間隙增大，泄漏量的增加會(huì)超過(guò)式(1) 計(jì)算的結(jié)果。

圖5 評(píng)價(jià)用裝置

圖6 滑動(dòng)部件間隙泄漏裝置

圖7 燃油黏性特征

圖8 測(cè)量(評(píng)價(jià)) 滑動(dòng)部泄漏量與

式(1) 計(jì)算的結(jié)果的比較

4復(fù)合分析

接下來(lái)，研究在壓力導(dǎo)致間隙變化的狀態(tài)下，能夠高精度地推定泄漏量的方法，在式(1) 中沒(méi)有考慮間隙的變化，是以從間隙入口到出口的壓力降低呈線性變化為前提進(jìn)行計(jì)算的。但是，實(shí)際上由于壓力導(dǎo)致的間隙變化，可認(rèn)為是由于間隙變化引起的壓力降低的分布并不呈線性。因此，根據(jù)間隙與壓力的復(fù)合分析，能高精度地推定滑動(dòng)部件泄漏情況。

復(fù)合分析使用列線( 線示) 軟件，用以下方法進(jìn)行分析: (1) 將滑動(dòng)部沿軸向相等劃分為多個(gè)要素。(2)給予0 MPa 作為低壓部側(cè)端要素的端部初期壓力，給予規(guī)定的高壓值，作為高壓部側(cè)端的初期壓力，各要素間邊界部給予假定從高壓側(cè)到低壓側(cè)為線性壓力變化時(shí)的初期值。(3) 各要素中的流體壓力設(shè)定為各要素的兩端邊界部壓力的平均值，每個(gè)要素使用圖3 所示的計(jì)算式計(jì)算構(gòu)件變形量，進(jìn)而計(jì)算出間隙。(4) 使用各要素兩端邊界部件壓力差與由(3) 項(xiàng)計(jì)算的間隙，以式(1) 計(jì)算各要素部件流量。(5) 由于各要素部的流動(dòng)是連續(xù)的，全部要素部件的質(zhì)量流量相等，反復(fù)變更各要素間邊界部件的壓力，以便使各要素部流量的偏差平方和保持在恒定值以下。根據(jù)以上的計(jì)算，最終各要素部件的流量相等，認(rèn)為可得到各要素部件的適當(dāng)?shù)拈g隙、流量、壓力。關(guān)于(1) 的劃分?jǐn)?shù)目，設(shè)定要要素間的間隙變化量的平均值在表面粗糙度以下。在這次的計(jì)算中，設(shè)定高壓側(cè)的壓力在200 MPa 內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，所以，滑動(dòng)部件兩端間的間隙變化量，也就是200MPa 與0 MPa 的間隙計(jì)算結(jié)果的差異，由利用式(2) 的計(jì)算結(jié)果為2.20 μm，表面粗糙度為0.25 μm 左右，決定劃分?jǐn)?shù)為10。另外，作為計(jì)算收斂條件，設(shè)定流量的偏差平方和為流量的0.1% 以下作為條件。此外還假定了各要素內(nèi)的間隙沿軸向是恒定的。也就是說(shuō)，在各部件內(nèi)，式(1) 成立。圖9 表示計(jì)算中使用的模型及計(jì)算條件。

圖9 計(jì)算用模型及其條件

圖10 表示計(jì)算結(jié)果，并再一次運(yùn)用式(1) 計(jì)算了滑動(dòng)部件泄漏量的結(jié)果，以及再次進(jìn)行實(shí)測(cè)的結(jié)果。由該結(jié)果，能夠確認(rèn)根據(jù)復(fù)合分析流動(dòng)與變形情況，可得到與實(shí)測(cè)值相接近的結(jié)果。但是，實(shí)測(cè)結(jié)果相比于復(fù)合分析結(jié)果，呈現(xiàn)出在低壓范圍實(shí)測(cè)泄漏量偏大，而在高壓范圍實(shí)測(cè)泄漏量偏小的趨勢(shì)。也就是說(shuō)，對(duì)于壓力，泄漏的增加靈敏度小?？烧J(rèn)為可能由于高壓化導(dǎo)致燃油黏性增加，不過(guò)，詳細(xì)的驗(yàn)證需要今后繼續(xù)研究。利用式(1) 的求解方法，與復(fù)合分析的救解方法有著很大不同，后者不是將從滑動(dòng)部件的高壓側(cè)入口到低壓側(cè)出口間的間隙與壓力作為固定值處理，而是作為變量處理的。圖11 與圖12 表示作為變量處理的間隙與壓力。關(guān)于間隙，在式(1) 的計(jì)算中，在滑動(dòng)部件全范圍內(nèi)用圖11 中的直線所示的固定值計(jì)算，而復(fù)合分析結(jié)果方面，形成以曲線所示的向上凸起的曲線分布。圖12 表示壓力分布，在用式(1) 進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果中，在滑動(dòng)部件全范圍內(nèi)，由于間隙為恒定值的前提條件，壓力從高壓側(cè)向低壓側(cè)形成線性下降。另一方面，在復(fù)合分析中，如用曲線表示的那樣，形成向上凸起的曲線分布。實(shí)際上，根據(jù)圖11、圖12 所示的間隙及壓力分布的形成情況，通常認(rèn)為會(huì)比由式(1) 計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生更多的滑動(dòng)部件泄漏量。

圖10 間隙泄漏

圖11 間隙變形分布

圖12 壓力分布

目前，共軌噴油系統(tǒng)的噴油壓力的主流是200 MPa以下，而今后燃油進(jìn)一步高壓化的需求增大，有廠家正在進(jìn)行噴油壓力高達(dá)300 MPa 的技術(shù)開(kāi)發(fā)。因此，運(yùn)用這次的復(fù)合分析，推定了關(guān)于噴油壓力達(dá)300 MPa時(shí)的滑動(dòng)部件泄漏量。復(fù)合分析中，由于噴油壓力從200 MPa 提高到300 MPa，結(jié)果表明泄漏量大致增加到3 倍。伴隨著燃油壓力的上升，滑動(dòng)部件泄漏呈加速度式地飛速增加，可知，高壓化滑動(dòng)部件的泄漏是有待解決的重要課題。

5結(jié)語(yǔ)

共軌噴油系統(tǒng)的滑動(dòng)部件泄漏量受到由于壓力導(dǎo)致的構(gòu)件變形的影響。由此，只是單純地運(yùn)用基本式(1) ，并不能高精度地計(jì)算燃油泄漏量。為了進(jìn)行高精度的計(jì)算，有必要復(fù)合分析滑動(dòng)間隙部的變形量、壓力、泄漏量，并進(jìn)行計(jì)算。為了更正確地把握滑動(dòng)部件泄漏，有必要對(duì)由于滑動(dòng)部件形狀的影響下的壓力致使燃油黏度的改變進(jìn)行驗(yàn)證，這些將是今后的研究課題。