毕业设计（论文）-高压共轨系统喷油器仿真研究工作阶段总结.doc

北京交通大学高压共轨系统喷油器仿真研究工作阶段总结专业名称：动力机械及工程导师：学生姓名：学号：2012年1月4日北京交通大学动力机械工程I目录一、研究背景及意义.1二、高压共轨系统的变参数研究现状.22.1共轨系统结构参数影响的研究概况.22.1.1高压油泵参数的影响.22.1.2共轨参数的影响.32.1.3喷油器参数的影响.52.2共轨系统控制参数影响的研究概况.82.2.1喷油器喷油时刻和高压油泵泵油时刻间隔大小的影响.82.2.2喷油器电磁阀的开启脉宽对共轨内压力波动的影响.92.2.3喷油器电磁阀的开启脉宽对喷射特性的影响.11三、主要研究内容.123.1高压共轨喷油器仿真模型和控制模型的建立及试验台搭建.133.2结构参数对共轨喷油器喷射性能的影响规律研究.133.3高压共轨喷油器控制参数对喷射性能的影响.13四、技术路线.14五、预期目标.15六、现阶段已完成工作.156.1完成文献综述.156.2初步学习掌握Hydsim软件.166.2.1HYDSIM仿真软件简介.166.2.2HYDSIM系统仿真喷油器模型的建立.166.3建立高压共轨系统闭环控制模型.246.3.1带有闭环控制的共轨系统仿真模型.246.3.2Simulink控制模型的原理与嵌入方法.246.4根据研究内容修改高压共轨系统的仿真模型.306.4.1无控制的喷油器仿真模型.306.4.2含有共轨组件和轨压控制后的仿真模型.316.4.3高压油泵取代边界条件后的仿真模型.32北京交通大学动力机械工程II6.4.4目前采用的仿真模型中存在的问题和不足.37七、已完成进度和预计安排.37北京交通大学动力机械工程第1页一、研究背景及意义柴油机电控高压共轨燃油喷射技术作为内燃机行业公认的20世纪三大突破之一，在实际的研究与应用中越来越显示出在减轻环境污染、节约能源及柴油机智能化等方面有着突出的技术优势、独特的产业优势和巨大的社会效益，被行业普遍认为是最具发展前途的柴油机电控技术。作为一项传统行业的全新技术，电控高压共轨技术集成了计算机控制技术、现代检测技术以及先进的喷油器设计技术于一体，相对于传统燃油喷射系统有着无与伦比的优越性。目前世界上主要的共轨系统制造和供应商为德国的BOSCH公司，美国DELPHI公司和日本的DENSO公司。自1997年博世公司推出第一代乘用车用共轨系统以来，博世公司的共轨系统已经发展到了第四代，与此同时其他公司的共轨系统也取得了很大的发展。共轨系统的不断发展，主要体现在喷油压力的不断提高，从第一代的135MPa提高到第四代的200MPa以上，喷油率的柔性控制能力也大为提高，实现了多级喷射，使得柴油机能够兼顾动力性和日益严格的排放法规。电控喷油器是高压共轨系统中最复杂最核心的部件，它承担者系统喷射功能的控制和实现。电控喷油器的结构参数以及工作性能的好坏，直接影响了整个高压共轨系统的工作性能，从而对发动机性能产生重要影响。高压共轨系统的不断改进和升级，其核心都在于电控喷油器性能的不断提升。第一代共轨系统的电控喷油器采用电磁阀控制的液力伺服阀，第二代则采用高速电磁阀，为了进一步提高响应速度，第三代共轨系统采用了压电执行器控制式喷油器。2008年博世第四代共轨系统开始投入生产，该系统中的喷油器采用了内置增压模块的电磁控制喷油器，使得系统喷油压力进一步提高。可见，对于电控喷油器的深入研究，对于高压共轨系统的优化和性能提升有着重要的决定意义。随着计算机技术以及计算流体力学仿真软件的发展，利用仿真手段可以得到越来越多较为准确的仿真结果，减少了对实验的依赖，利用Fluent、HYDSIM等软件可以很好地对柴油机高压共轨系统的工作过程进行三维或者一维的仿真模拟，丰富了高压共轨系统的研究手段。北京交通大学动力机械工程第2页目前对高压共轨系统液力特性的研究主要采用仿真的方法，进行变参数分析，总结各参数对液力特性的影响。在共轨压力波动和喷嘴流动的研究中以三维仿真为主，由于喷油器和高压油泵的结构相对复杂，因此在研究中采用一维模型。因此，针对目前共轨系统喷油器研究中存在的问题进行深入的研究和对比分析，能够为共轨喷油器的设计、优化及与燃烧系统的匹配提供有价值的参考依据，对柴油机动力性、经济性和排放性能的进一步提高有着重要的意义。二、高压共轨系统的变参数研究现状2.1共轨系统结构参数影响的研究概况在对喷油器的仿真研究方面，国内外较多的是使用一维液力仿真软件，如Hydsim、AMESim、GT-FUEL等，以及使用数值模拟软件MATLAB/Simulink进行系统仿真。2.1.1高压油泵参数的影响高压油泵出油阀孔径、高压油泵出油阀预紧力、高压油泵供油次数、循环供油量、凸轮轴转速等都对共轨压力波动、高压油泵内部压力波动产生一定的影响。出油阀孔径的影响高压油泵出油阀孔径影响到高压油泵的流通性能。出油阀开启时，高压油泵出油阀孔大小对高压油泵柱塞腔压力的变化影响较大，而对出油阀腔压力的变化影响较小。当出油阀孔直径较小时，高压油泵柱塞压力波动较大；当出油阀孔直径较大时，出油阀孔直径对高压油泵柱塞腔压力的影响较小，高压油泵柱塞腔的压力主要受出油阀开启时产生的压力波的影响，且随着供油过程的进行，波动逐渐减小。出油阀预紧力的影响高压油泵出油阀预紧力，直接影响到出油阀的开启压力。出油阀预紧力对高北京交通大学动力机械工程第3页压油泵柱塞腔以及高压油泵出油阀升程的影响较大，随出油阀预紧力的提高，高压油泵柱塞腔的压力波动越来越大。高压油泵出油阀预紧力对出油阀腔和高压油轨压力的影响较小，只是在出油阀预紧力较大时，由于出油阀开启的不稳定使出油阀腔产生较小的压力波动，而对共轨压力几乎没有影响。凸轮轴转速的影响在各种凸轮轴转速和初压下共轨管压力波动能控制在初始值上下3%的范围之内，轨压初始值相同时转速增大，在初始值上下压力波动的幅度没有显著改变，转速的增大对波动的影响不大；轨压初始值不变，随着转速的增大，压力波动的瞬间最大值略有上升。2.1.2共轨参数的影响共轨内压力的波动主要是由于油泵供油压力的波动和按一定时序向各喷油器供油而产生的。而共轨的结构尺寸及容积大小对轨内的压力波动有很大影响。共轨容积的影响仿真结果显示随共轨容积的增大，喷油速率、喷射体积、喷嘴燃油压力及针阀有效开启面积都明显增加。则认为由于容积的增大，燃油储量增加，抗波动能力增加，喷油量相对于共轨容积的比例减小，因此伴随喷射，共轨压力的下降减小。但这种压力的波动与共轨容积的变化相比是非线性的，共轨容积越大，这种波动的变化就越缓。共轨容积很大时，波动幅度几乎与共轨容积无关。另外不同容积共轨对应控制腔压力、喷油压力、针阀升程、电磁阀升程、线圈电流、喷油规律则几乎相同，因此共轨管容积对这些参数影响不大。共轨管长度和直径的影响通过仿真研究，认为随高压油管内径的增加，喷油压力、喷油速率和喷油量增加，喷射中的压降减小，内径大的油管喷射后期的喷射压力明显高于内经小的油管，并且由于喷射过程中明显的压力波动，喷射压力和喷射速率由一个向下波动的过程。油管内径对针阀开启响应的影响几乎可以忽略不计。不同的管长对喷油量、针阀开启响应的影响很小，但对喷油速率有影响。随管长的增加喷油速率北京交通大学动力机械工程第4页增加。在允许的条件下，共轨容积的取值应该取较大值。共轨容积变化、内径不变时，长径比越大，共轨内的压力波动越小，共轨内的压力越稳定；反之，长径比越小，共轨内的波动越大共轨容积变化时，容积越大对共轨内压力波动的稳定作用越好。长径比的影响长径比指的是共轨油管的长度与直径的比值，长径比的值决定了共轨油管的形状。保持共轨容积不变(22mL)，同时改变共轨直径和长度，直径越小，截面积越小，长度越大，即长径比越大。从图可以看出，长径比在较小的范围内(100)，压力波动没有太大的变化；而且长径比较低时，压力波动值较低，轨压的大小对压力波动数值的影响不大。当长径比增加到一定程度，共轨压力波动会随着长径比的增大而增大，而且随着轨压的增大，压力波动有增大的趋势。这说明了共轨形状对压力波动有较大影响。过于细长的共轨油道会使轨压波动增大。总体而言压力波动在长径比小于200时比较平稳，而超过200以后就会显著上升。长径比的选择也并不是只参考压力波动，必须要同时考虑共轨容积的影响和喷油器的安装等问题。在本文的模拟条件下，最佳长径比在60200之间。高压油管长度的影响高压油管是连接共轨管和喷油器的通道。高压油管应具有足够的燃油流量以减小燃油流动时的压降