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柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)具有高壓、高脈動(dòng)的特點(diǎn)以及高的可靠性要求，這就對(duì)噴油系統(tǒng)零部件在加工精度、結(jié)構(gòu)剛度、密封性等方面提出較高的要求。在計(jì)算機(jī)輔助工程方法中，通過(guò)仿真計(jì)算初步確定設(shè)計(jì)參數(shù)，然后采用有限元分析技術(shù)預(yù)測(cè)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下結(jié)構(gòu)的合理性，給產(chǎn)品設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了可靠的依據(jù)。本研究對(duì)一種高壓共軌整體式噴油器的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了三維有限元分析，得出在預(yù)緊力和工作載荷的共同作用下，噴油器體與控制活塞的配合間隙變化以及控制閥座、導(dǎo)向體等噴油器其它重要零部件裝配的組合剛度和強(qiáng)度，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了噴油器設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)措施。
圖為高壓共軌整體式噴油器結(jié)構(gòu)圖，該噴油器由噴油器體、電磁閥、控制室、控制活塞、針閥偶件等部分組成。工作原理如下：高壓燃油進(jìn)入噴油器后分作兩部分，一部分經(jīng)節(jié)流閥流入控制室，一部分進(jìn)入噴嘴腔。電磁閥未開(kāi)啟時(shí)，作用在控制活塞上的液力和針閥彈簧預(yù)緊力大于針閥承壓面上的力，使其不能抬起。電磁閥打開(kāi)時(shí)，控制腔內(nèi)的燃油泄出，壓力降低，針閥抬起，開(kāi)始噴油。電磁閥關(guān)閉后，控制腔壓力迅速回升，控制活塞下移，推動(dòng)針閥快速關(guān)閉。在球閥和控制活塞之間設(shè)有節(jié)孔，阻尼控制腔中的燃油流動(dòng)。當(dāng)控制腔回油時(shí)，由于節(jié)流作用，使腔中的高壓燃油經(jīng)節(jié)流孔速度流出，針閥緩慢上升，形成逐漸增加的⊿型噴射率。
首先利用專業(yè)三維造型軟件Pro/Engineer建立了較為精確的噴油器體、控制活塞、控制閥座、導(dǎo)向體等零件的三維模型，并進(jìn)行裝配，然后將組件模型導(dǎo)入ANSYS中。因?yàn)閲娪推黧w的結(jié)構(gòu)和外載荷具有關(guān)于ZX平面的對(duì)稱性，故有限元計(jì)算僅用1/2模型，并在對(duì)稱面上施加對(duì)稱性約束。在確立邊界條件時(shí)，控制活塞受到的縫隙中燃油壓力取為沿周向的平均壓力，因此控制活塞的結(jié)構(gòu)和外載荷具有關(guān)于YZ和ZX平面的對(duì)稱性，有限元計(jì)算僅用1/4模型，并在對(duì)稱面上施加對(duì)稱性約束。采用ANSYS單元庫(kù)中的10節(jié)點(diǎn)四面體單元SOLID92劃分網(wǎng)格，因?yàn)樗拿骟w單元易于自動(dòng)生成網(wǎng)格，10節(jié)點(diǎn)四面體單元的精度比4節(jié)點(diǎn)四面體單元高，共劃分31166個(gè)單元，47969個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖所示。組合部件之間的聯(lián)接關(guān)系采用面對(duì)面接觸單元模擬。為了便于描述，稱噴油器正常安裝方位的上方為上，噴油器與高壓油管相連一端為左。
計(jì)算中選取了兩個(gè)典型時(shí)刻的工況，載荷最大時(shí)，即電磁閥關(guān)閉后，控制腔內(nèi)燃油壓力迅速回升，控制活塞下移，推動(dòng)針閥快速關(guān)閉，控制腔內(nèi)燃油壓力達(dá)到最高的時(shí)刻記為工況1，回油時(shí)，即電磁閥打開(kāi)，控制腔燃油泄出，控制腔壓力降低，針閥抬起，形成噴油的時(shí)刻記為工況2。
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