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柴油機燃油噴射系統(tǒng)具有高壓、高脈動的特點以及高的可靠性要求，這就對噴油系統(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。在計算機輔助工程方法中，通過仿真計算初步確定設(shè)計參數(shù)，然后采用有限元分析技術(shù)預(yù)測在靜態(tài)和動態(tài)條件下結(jié)構(gòu)的合理性，給產(chǎn)品設(shè)計及改進提供了可靠的依據(jù)。本研究對一種高壓共軌整體式噴油器的設(shè)計方案，進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度，并根據(jù)計算結(jié)果提出了噴油器設(shè)計方案的改進措施。
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，一部分進入噴嘴腔。電磁閥未開啟時，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。電磁閥打開時，控制腔內(nèi)的燃油泄出，壓力降低，針閥抬起，開始噴油。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。當(dāng)控制腔回油時，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，并進行裝配，然后將組件模型導(dǎo)入ANSYS中。因為噴油器體的結(jié)構(gòu)和外載荷具有關(guān)于ZX平面的對稱性，故有限元計算僅用1/2模型，并在對稱面上施加對稱性約束。在確立邊界條件時，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平面的對稱性，有限元計算僅用1/4模型，并在對稱面上施加對稱性約束。采用ANSYS單元庫中的10節(jié)點四面體單元SOLID92劃分網(wǎng)格，因為四面體單元易于自動生成網(wǎng)格，10節(jié)點四面體單元的精度比4節(jié)點四面體單元高，共劃分31166個單元，47969個節(jié)點，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。
計算中選取了兩個典型時刻的工況，載荷最大時，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，推動針閥快速關(guān)閉，控制腔內(nèi)燃油壓力達到最高的時刻記為工況1，回油時，即電磁閥打開，控制腔燃油泄出，控制腔壓力降低，針閥抬起，形成噴油的時刻記為工況2。
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