提升喷油器喷孔板疲劳强度的设计研究

莫福广 王洪勃 林 嘉 潘兰涛

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西 柳州 545007）

引言

为了满足越来越严格的排放法规，降低油耗，各发动机生产企业通过采取优化进排气系统、供油系统、燃烧模型等措施[1-3]，不断提高发动机的燃烧效率。喷油器作为燃油车发动机不可或缺的零部件，接受ECU 送来的喷油脉冲信号，精确控制燃油喷射量。其精准高效、稳定可靠的运作，对发动机的动力性、排放等具有决定性的影响[4-5]。喷油器的喷雾特性包括雾化粒度、油雾分布、油束方向、射程和扩散锥角等，这些特性应符合发动机燃烧系统的要求，形成均匀混合的可燃气体，提高燃烧效率，减少污染物排放。

喷孔板作为燃油经过喷油器进入气缸的末端，其喷孔的直径、数量、角度、分布对喷油器的喷雾特性有决定性的影响。通常，喷孔板非常薄，通过激光连续焊焊接在阀座上。在发动机高油压不断快速冲击下，如何保证孔板牢牢地焊接在喷油器阀座上且不产生疲劳失效，成为孔板厚度、材料选择时必须考虑的因素。

前人对喷油器结构的改进研究主要集中在影响喷油器输出性能方面，如内部子零件及结构优化[6-9]，以及对喷孔板焊接工艺[10]、喷孔孔径、喷孔数量[11]的研究等，而对喷孔板疲劳强度的研究较少。本文通过研究搭载不同厚度喷孔板的喷油器在高加速寿命试验（Highly Accelerated Life Test，HALT）中的不同疲劳强度表现，对喷油器喷孔板进行优化设计。

1 喷油器的工作原理

1.1 喷油器

喷油器主要由上下O 型密封圈、滤网、壳体、线圈组件、弹簧、球阀组件、阀座组件构成，如图1所示。

图1 喷油器结构

自然状态下，球阀组件的球阀和阀座配合成密封状态，而整车在实际运行时，ECU 根据工况输出电压信号给喷油器，喷油器线圈产生向上克服弹簧的电磁力，球阀组件向上移动，球阀和阀座分开，燃料在高压力作用下通过阀座上的喷孔板孔喷射到气缸内，ECU 断电，球阀组件（球阀）在回位弹簧的作用力下下移，重新与阀座密封，喷油结束。

1.2 喷孔板

喷孔板位于阀座外表面，一般通过激光连续焊焊接在阀座上，主要参数包括喷孔板厚度、喷孔数量、喷孔大小、喷孔分布情况、燃油喷射雾锥角度、燃油喷射双雾锥角度等，如图2 所示。

图2 喷孔板在喷油器上的位置

目前，喷孔板的喷孔数量为1～12 个不等，孔径大多在150～300 μm 之间，孔板厚度在100～200 μm之间。常见形状有平面、圆锥体等，喷孔一般对称分布，如图3 所示。

图3 喷孔板不同喷孔数量、分布及喷孔板形状

2 问题来源

在发动机耐久试验过程中，发现某型号喷油器存在喷孔板疲劳断裂的情况，断裂位置在喷孔板焊缝内侧，如图4 所示。

图4 喷孔板开裂

因断裂位置在喷孔板焊接焊缝的内侧边缘，从理论上分析，疲劳失效主要有4 个根本原因，见表1。

表1 疲劳失效原因

但采取表1 中的1、2 优化措施后，喷油器仍存在喷孔板疲劳断裂问题。基于此，研究喷油器喷孔板厚度对疲劳强度的影响，并运用沃勒疲劳曲线（S-N 曲线）进行高加速寿命试验，验证优化效果的可靠性。

3 试验验证及数据分析

根据材料疲劳强度理论，进行疲劳耐久试验。

3.1 沃勒曲线模型

图5 是沃勒曲线模型，X 轴为疲劳断裂的循环次数，Y 轴为疲劳应力。

图5 所示的曲线中，各段含义如下：

图5 沃勒曲线模型

1）静应力强度（AB 段）。循环次数N≤1 000 以前，使试件材料发生疲劳破坏的应力基本不随N 而变化，这时的变应力强度可看作是静应力强度。

2）低周疲劳（BC 段）。随着循环次数增加，使材料发生疲劳破坏的应力不断下降。C 点相应的循环次数大约在10 000 左右。这阶段的疲劳称为应变疲劳。由于循环次数相对很小，所以也叫做低周疲劳。

3）高周疲劳（CD 段及D 点以后的水平线）。CD段代表有限寿命疲劳破坏，在此范围内，试件经过相应次数的变应力作用后总会发生疲劳破坏。在D 点以后，如果应力低于D 点应力，则无论应力变化多少，材料都不会破坏，故D 点以后的水平线代表试件无限寿命疲劳阶段。这2 段曲线所代表的疲劳统称高周疲劳。

对于具有应变时效的金属及合金，S-N 曲线具有明显的水平部分，即该材料的疲劳极限具有持久疲劳极限。

3.2 试验设计

内部压力疲劳试验在室温进行，测试媒介为DOT4 刹车液，均带15 Hz 的正弦负载（循环应力），压力比Rp=0.10，喷油器安装在液压系统上。

1）配152 μm 喷孔板测试样件，从4.0 MPa 压力开始，每降低0.25 MPa 进行一组试验；

2）配101 μm 喷孔板测试样件，从3.0 MPa 压力开始，每降低0.25 MPa 进行一组试验。

将喷孔板焊接在接杆上制成测试样件，并安装在疲劳循环试验设备上，见图6。

图6 疲劳循环试验台

试验时，通过高压喷射器电磁线圈终止测试设备作用于喷孔板的压力。

3.3 试验结果及分析

通过高加速寿命试验，疲劳循环试验结果如图7所示。

图7 疲劳循环试验结果

根据图7 的试验数据，用MATLAB 拟合沃勒曲线方程：

101 μm 测试样件：

152 μm 测试样件：

式中：y 为疲劳应力，Pa；x 为疲劳断裂的循环次数。

根据公式（1）和公式（2），600 000 000 循环的压力极限（循环耐久性代表零件寿命）为：101 μm 测试样件：y1=1.87 MPa；152 μm 测试样件：y2=2.89 MPa。

安全压力裕度的计算公式为：

零件工作压力，即零件实际应用的整车燃油系统压力，为0.38 MPa。根据公式（3）计算出厚喷孔板对比薄喷孔板的安全压力裕度为A=268%。

优化喷孔板厚度后，喷油器总成的动态流量测试结果、静态流量测试结果、泄漏量测试结果、线性测试结果分别如图8、图9、图10、图11 所示。图11中，纵坐标shift 表示偏移量。燃油喷射雾锥角度、双雾锥夹角、喷孔夹角、SMD 见表2。可知，结果均符合零件性能标准要求。

图8 动态流量测试结果

图9 静态流量测试结果

图10 泄漏量测试结果

表2 喷油器其它性能参数测试结果

图11 线性测试结果

4 结论

本文通过增加喷油器喷孔板厚度对疲劳断裂的问题进行了研究。基于材料力学性能的沃勒曲线，通过MATLAB 软件拟合HALT 试验结果，计算出优化设计后的安全压力裕度。试验表明，增加喷孔板厚度能显著提高喷孔板的疲劳强度，安全压力裕度提高268%。同时，优化喷孔板后的喷油器性能未发生变异，均在技术规范范围内。