硕士论文-柴油机高压共轨系统压力动态特性模拟.pdf

洳：j 、曾 硕士学位论文 论文题目：基迪垫矗匡盘垫叠绫垦应壹盘挂! 堕搓垫 作者姓名麴控 指导教师蕴蕉勤副熬握 学科( 专业)动力扭蕉厘王翟 所在学院狃撼皇筵洹王莛堂瞳 提交1 3 期：2 Q Q 生! 旦 浙江大学硕士学位论文了+ 7 7 6 4 1 7 摘要 世界各国排放法规的日益严格和能源的严重短缺，迫使柴油机朝着低污染、 低油耗和高比功率的方向发展。而降低柴油机排放、提高动力性、经济性的关键 在于改善其燃烧过程。而改善燃烧过程则在于喷油系统、进气系统和燃烧室结构 三者进行良好的组合和匹配，其中喷油喷射系统起着最为重要的作用。在当前所 有的燃油喷射系统中，柴油机高压共轨电控喷射系统在降低排放、提高汽车发动 机性能方面是最有效的。高压共轨系统的动态压力特性尤其共轨内压力波动直接 影响到系统理想喷油规律的实现，因此，高压共轨系统的压力波动特性的研究是 当前的热点之一。 本文基于一维非稳态可压缩N S 方程，建立了相应的数学模型，采用有限 容积法对方程进行数值离散，根据供油系统的实际结构，建立了油泵，共轨管和 油嘴三大模块的数学模型，作为流体计算边界条件，对高压共轨的动态压力特性 进行了研究，同时与试验结果比较，确定计算方法的可行性。在此基础上，分析 了高压共轨系统中不同结构参数对共轨系统油压波动特性的影响。 计算结果表明：导致压力波动的最主要因素是喷油脉宽和供油脉宽的大小、 脉宽匹配及其两者时间间隔。脉宽越大，共轨脉动就越大，在预设条件下，前后 压力波幅相差6 - 7 M p a 。而比较有效的抑制措施是共轨管的容积和形状的选取， 本文预设条件下的最佳容积值在3 0 m l 4 0 m l 之间，最佳长径比在4 0 8 0 之间。 高压油泵出油阀弹簧和出油阀孔径对压力波动的影响主要体现在柱塞腔内。喷油 器控制回路量孔直径对共轨压力波动影响不太明显。处于共轨管和高压油管之间 的流动缓冲器能够使共轨压力波动更快地衰减。 关健词；柴油机，高压共轨系统，压力波动，模拟计算 浙江大学硕士学位论文 A b s t r a c t I n c r e a s i n g l y r i g o r o u se m i s s i o nl e 西s l a t i o na n ds e v b “f ee n e r g ys h o r t a g ef o r c e d i e s e lt ob ed e v e l o p e df o rt h eo b j e c t so f l o w e rp o l l u t i o n , l o w e rf u e lc o n s U l I I Ca n dl l i g h p o w e rp e rw e i g h H o w e v e r t h ek e yt or e d u c ee m i s s i o n s ，i m p r o v ed i e s e l sp o w e ra n d f u e le f f i c i e n c yd e p e n d so ni m p r o v i n gd i e s e l sc o m b u s t i o np r o c e s s 讹i l ei m p r o v i n g t h ec o m b u s t i o np r o c e s sd e p e n d so nw e l lm a t c h i n ga m o n gt h ef u e li n j e c t i o ns y s t e m ， t h ei n t a k es y s t e ma n ds t r u c t u r eo fc o m b u s tc h a m b e r A m o n gt h e s e ，t h ef i l e li n j e c t i o n s y s t e mp l a y st h em o s ti m p o r t a n tr o l e A n dd i e s e le n g i n eh i g h - p r e s s u r ec o m m o nr a i l e l e c t r o n i cc o n t r o li n j e c t i o ns y s t e mi St h em o s te f f e c t i v ei ne m i s s i o nr e d u c t i o na n d e n g i n ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ta m o n g a l lo ft h ef u e li n j e c t i o ns y s t e mc u r r e n t l y S i n c ed y n a m i cp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c e s p e c i a l l yp r e s s u r ef l u c t u a t i n g i n s i d em i l d i r e c t l yr e f e rt oa c h i e v e m e n to fp e r f e c ti n j e c t i o nr u l e ，t h es t u d yo fr a i lp r e s s u r e f l u c t u a t i n gh a v eb e e no n e o f c u r r e n th o t s p o t si nh i g h - p r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e m T h et h e s i se s t a b l i s h e dt h ef l o wm o d e lb a s e do no n e d i m e n s i o n a l ，u n s t e a d y , c o m p r e s s i b l e ，N a v i e r - S t o k e se q u a t i o n s ，a n dd i s c r e t et h eg o v e r n i n ge q u a t i o n su s i n ga f i n i t e - v o l u m ef o r m u l a t i o n T h e nf o u n d e dt h en u m e r i c a lm o d e l so ff o e Ip u m p ，r a i la n d 坷e c t o ra c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo ff u e li n j e c t i o ns y s t e m ，a n ds p e c i f i e dt h e n u m e r i c a lm o d e l sa Sf l u i dm o d e lb o u n d a r y A b o v em o d e l sw e r ec h e c k e du pb yt e s t i n g r e s u l t s ，a n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r si nc o m m o nr a i ls y s t e m0 nd y n a m i c p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i cw 嬲s i m u l a t e d T h r o u g ht h es i m u l a t i o n ，t h em a i nc a u s eo fp r e s s u r ef l u c t u a t eW a sf o u n d ，t h a ti s ， 硒e c t i o np u l s ew i d t ha n dp u m pp u l s ew i d t h ，t h em a t c h i n gb e t w e e nt w op u l s ew i d t h a n dt i m ei n t e r v a lo ft h et w op u l s e T h ew i d e ro ft h ep u l s e t h el a r g e ro fr a i lp r e s s u r e f l u c t u a t e U n d e rt h es p e c i f i e dc o n d i t i o n ，t h ed i f f e r e n c ev a l u eo f p r e s s u r ef l u c t u a t eW a s u pt o6 7 M p a T h es e l e c to fr a i lv o l u m ea n ds i z ew a st e l a t i v e l ye f f e c t i v em e a s u r e s T h em o s tp e r f e c tr a i lv o l u m ev a l u ew a sb e t w e e n3 0 m la n d4 0 m 1 a n dt h er a t i ov a l u e o fl e n g t l g d i a m e t e rW a sb e t w e e n4 0a n d8 0 T h ei n f l u e n c eo fs p r i n ga n do r i f i c e d i a m e t e ro f o u t l e tv a l v ei np u m pm o s t l yc o n s i s t e di 1 1p l u n g e rv o l u m e ，t h ei n f e c t i o no f d i a m e t e ro fm e a s u r eh o l ei ni n j e c t o rc o n 仃o lc h a m b e ro np r e s s u r ef l u c t u a t ew a sn o t o b v i o u s ，a n dt h ef l o wb u f f e rc o m p o n e n tc o u l dg i v em o r ea t t e n u a t i o no fp r e s s u r e a m p l i t u d e K e yw o r d s ：d i e s e l ，c o m m o nr a i ls y s t e m ，p r e s s u r ef l u c t u a t e ，s i m u l a t i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 柴油机以其循环热效率高、扭矩特性优良、C o 。排放量低及可靠性好的优点而得 到了广泛的应用，但是也有不少缺点，如排放高，噪音大。目前，对于柴油机的研究 主要集中在降低排放和提高燃油经济性方面。柴油机的排放已经对环境构成了严重的 威胁。排放的尾气中含有c 如、C O 、H C 、N O x ( 氮氧化合物) 、P M ( 颗粒) 等。其中N O x 是酸雨形成的源头：N O x 、H C 和O 。会发生光化学烟雾；P M 和H C 会致癌；N O x 和C 0 会 导致人呼吸障碍。在柴油机中，最成问题的是P 】l f 和N O x 排放。起初人们并没有重视 P M 排放，随着医学发展，发现P M 也是人类主要致癌物质之一，从此对P M 排放研究 也提上了日程。N O x 的生成决定于燃烧温度、燃烧持续时间和燃烧的富氧状况，而P M 排放主要与预混合状态有关。降低附一般是通过改善预混燃烧，对于燃油系统而言， 很多情况下都是采用提高喷射压力的方法，然而N O x 排放和颗粒排放是一对矛盾，采 用喷射压力提高的方法，颗粒排放会有效地降低，但是N O x 排放却增高，究其原因， 就是因为随着喷射压力增高，空气燃油预混改善。油滴直径减小，因此炭烟随之减少， 如图1 1 ，燃烧室此时里高温富氧状态，N O x 捧放就会随之增加。目前，可以使柴油 机P M 和N O x 排放同时降低到满意程度的技术措施还很少。图1 2 说明了P M 和N O x 哇油压力A ，却- 图I t ：油滴的平均直径和熠度髓喷油压力的变化 图1 2 ：强和S O x 捧放之间的关系 排放之间呈现双曲线的关系：一个增加，则另一个减少n 3 。从理论上说。要同时降低 N O x 和P M 摊放，可以在预混良好的情况下分多段小油量进行喷射，预混良好会降低 P M 排放，每段的喷射量小会使燃烧室温度较低，降低N O x 排放。但实际上由于客观 条件限制( 如电磁阀频率) 无法实现这样的分段喷射( 目前最多是7 段喷射) ，因此 只能采取折衷的办法。从图1 3 虚线可以看出，由于柴油机的压缩比大，预混合燃烧 阶段的放热率大，燃烧温度较高，加之燃烧开始阶段的氧气供应充分，正好满足N O x 浙江大学硕士学位论文 的生成条件，即N O x 的生成主要在预混合阶段；微粒( P M ) 是由碳粒和可溶性有机物组 成，主要是由烃类燃料在高温缺氧条件下裂解而成。 由于N O x 排放和P M 排放主要与柴油机燃烧室中燃气燃烧过程有关，因此降低柴油 机排放都是围绕改善燃烧过程而进行的。为了实现图1 3 粗线所表示的放热形状，达 图1 3 ：降低排放的要点 到预期的降低排放的目的，即需要在预混合燃烧期抑制预混合燃烧量降低初始燃烧温 度以降t 氐N O x 的排放；在扩散燃烧期保持混合良好和较高的燃烧温度促进扩散燃烧以 及降低微粒的排放。这需要燃油系统、燃烧室形状、气流运动等进行良好的组合和匹 配。其中，燃油系统最为重要。 上面所说的是理想情况，从喷油规律来考虑，主要是合理分配各段喷油量，具体 就是减少预喷油量( 降低N O x 排放) 和加强主喷射时的混合( 降低P M 排放) ，这些 都对燃油系统提出了一定的要求。 理想的燃油系统需要具备以下特点o ： ( 1 ) 最佳的喷油定时。 ( 2 ) 减少初期喷油量。 ( 3 ) 高压化、良好雾化。 ( 4 ) 喷油结束干脆。 表1 1 ：改善燃烧的技术措施 改瞢燃烧韵措麓技术措施 控制捧放对象 喷油定时优化；高压喷射( 电 燃油系统 控高压油泵、共轨、泵喷嘴) ； N O x 和P 改善喷油规律 燃烧室形状改进各种燃烧室设计参数优化P 和N O x 可变进气涡流、多气门；增压 进排气系统P 瓷 中冷、可变几何参数增压 废气再循环中冷+ B G RN O x 2 锵幕搓 浙江大学硕士学位论文 然而，如前所述，同时降低P M 和N O x 排放，需要燃油系统、燃烧室形状、气流 运动等进行良好的组合和匹配，因此其他的技术措施也是比较重要的，具体如表1 1 所示”。 新型燃烧室+ 增压中冷 一 离喷油压力+ 废气再循环口艇) 图1 4 ：同时降低N O x 和P M 的方法 图1 4 则表明了分别采用不同的技术成功地实现了4 次飞跃，从欧I 以前的排放水 平达到欧水平。 新型燃烧室和增压中冷技术：主要是通过改变燃烧室的形状、增压( 达到欧I 排 放标准，喷射压力小于I O O M P a ) 使燃料空气预混改善从而达到减少P M 排放的目的， 而中冷则是为了适当降低燃烧温度从而降低N O x 排放。但是，N O x 排放和P M 排放矛盾问 题依然没有能很好的解决，在低转速高负荷情况下两者矛盾尤其突出，影响了这类柴 油机的排放达标“”。 废气再循环( E G R ) ：E G R 是指将柴油机排出的废气通过定的手段重新引回到气缸 内参与燃烧，从而达到降低燃烧温度以减少N O x 生成的目的。排气系统中含有大量的 惰性气体，其一方面由于具有较高的热容量，在燃烧过程中吸收较多的热量，降低了 最高燃烧温度，降低了预混合时期的燃烧放热速率；另一方面起到了稀释新鲜空气的 作用，使得氧气浓度下降，进而抑制了N O x 生成。但此时对P M 的形成却起到了促进作 用，因而采用了迸气增压中冷措施( 喷油压力提高到5 0 M p a 以上) 作为补充，在降低 N O x 的同时不会对P M 排放造成过大的影响。但是废气再循环低负载时影响发动机的工 作稳定性，高负载时影响发动机的动力性，而且磨损严重，影响发动机的寿命和可靠 性的问题仍然存在。总体来说，R G R + 高压系统侧重于N O x ? 4 放，是以牺牲发动机的综 合性能为代价的，实质上仍然没能完全解决N O x 和蹦排放的矛盾。因此最多只能达到 浙江大学硕士学位论文 欧H 标准。 能够使排放满足欧以上标准的是新型电控燃油喷射技术。新型燃油喷射系统包 括：电控泵喷嘴系统、电控分配泵系统和电控共轨系统等。 电控泵喷嘴系统基本保持了以往机械泵喷嘴系统的结构，因为没有高压油管，所 以高压系统的死容积可以最大限度地减小，对于高压化非常有利，喷油量的控制则是 由电磁阀控制开始和结束，电磁阀的通断就决定了喷油泵和低压系统的通断。电控泵 喷嘴系统最高喷油压力可达1 5 0 M P a 1 8 0 M P a ，和机械泵喷嘴系统相比，主要在喷油 量和喷油定时控制方面较精确，在沃尔沃、卡特匹勒等大型卡车柴油机中广泛采用。 电控分配泵系统主要就是博世、日本电装、日本杰克塞尔、英国l u c a s 、美国 S t a n a d y n e 等公司在开发2 1 舶，常见的分配泵是用两对以下的柱塞将燃油加压， 并将加压了的高压燃油按照喷油次序压送到各个相应的气缸。与以往机械分配泵相 比，电控分配泵主要在油量调整和喷油正时控制方面较精确，文献n 如采用v E 电控 分配泵使得N O x 排放和P M 排放都相对较小。 电控分配泵通过产品功能再配置实现完全电控化就出现了第三代产品一一电控 共轨系统。1 9 9 3 年，戴姆勒一一奔驰公司对各种不同的柴油机燃油喷射系统进行了对 比，目的是为新一代轿车柴油机选择发展潜力较大的燃油系统，期间的研究表明，只 要采用预喷射就可改善噪声特性，并可达到将来的废气排放限值。但是发现电磁阀控 制的泵喷嘴系统对于喷射油量的稳定控制有很大的局限性，而且任何情况下都不可能 超过3 0 0 0 r m i n 。供油凸轮不但限制了喷油始点的提前，也限制了最小喷射的预喷射 油量。对于小的预喷油量难以满足供油时的驱动转矩，使凸轮轴上形成转角波动，影 响供油速度；而采用电磁阀控制的分配泵，只能在有限的转速范围内实现预喷射。而 且这两种系统在喷油压力和喷油率方面不可控，所以由此带来的一系列问题就不可避 免。和这些系统相比较，电控共轨系统能在整个负荷和转速范围内都能灵活实现预喷 射瞳1 ；可以独立控制喷油压力和喷油率。 后处理装置：主要有颗粒滤清器、N O x 催化剂等，过滤或吸收排放废气中的污染 物质，从丽达到排放标准。但是颗粒滤清器有其局限性，如果燃烧过程不良，颗粒排 放物多，就容易造成滤清器堵塞，使得颗粒滤清器的寿命大大缩短；N O x 催化剂，用 在柴油机上的技术还不够成熟，它比汽油机要复杂得多，而且费用高，当发动机转速 和负荷发生变化时很难控制。后处理装置的使用需以新型燃油喷射系统为前提，两者 浙江大学硕士学位论文 的结合可以使排放提高到一个新的水平。采用了共轨技术的系统可以使排放达到欧 标准，但是当喷射压力超过一定值对改善预混和降低颗粒排放的作用会越来越小，如 图1 1 所示。因此后处理装置虽然不能取代新型喷射系统，但是可以从某种程度上弥 补新型喷油系统的不足，可以进一步达到更高的比如欧、欧V 等标准，表1 2 为我 国柴油机汽车排放标准。我国于1 9 9 3 年至U 2 0 0 0 年间出台了相当于欧I 排放标准的 G B l 8 3 5 2 卜2 0 0 0 排放法规，相当于欧I I 标准的G B l 8 3 5 2 2 - 2 0 0 0 也已于2 0 0 4 年1 月1 日开 始实施，计划2 0 0 8 年将实施欧标准。而北京市为了加快治理城区大气污染，和上海 一道于2 0 0 3 年提前实施欧标准，为迎接2 0 0 8 年奥运会，北京于2 0 0 5 年实施欧标准， 并计划2 0 1 0 年与国际接轨。但是从国外的经验来看，从欧I I 到欧I 的过渡过程较为缓 慢，因此，可能会出现欧I 、欧和欧I 并存的局面。要缩短这个过渡期，需要采用 新型燃油喷射装置，比如高压共轨燃油喷射系统，如图1 4 所示。 表1 2 ：我国柴油机汽车型式认证排放标准( 单位g l c m ) P M 标准实施时间N O x C oH C 8 5 K W8 5 K W 1 ( E U R OI )2 0 0 0 9 18 OO _ 3 6O 6 l4 51 1 2 ( E U R O I T )2 0 0 4 1 I7 OO 1 5O 1 54 O1 1 3 ( E U R O I )2 0 0 8 ( 预计)5 00 1 0O 1 32 10 6 6 4 ( E U R O )2 0 1 0 ( 预计)3 50 0 21 50 4 6 电控共轨系统是在电控分配泵系统基础上发展起来的，完全满足降低排放对燃油 系统的要求，在可预见的将来，这是一种满足排放法规不可或缺的一种措施，其主要 特点为【2 】1 7 】【1 4 l ： a ) 可以独立控制喷油压力、喷油量、喷油时间和喷油率，因而更容易控制喷油规律 形状，可以灵活精确地选择喷油始点、终点和喷油量，并且可独立调节，而且调节范 围没有理论上的限制。可实现多段喷射、靴型喷射、喷射等多种模式，调节喷油率 初始喷油量调整 。c 图1 5 ：五段喷射 S 瓣罂磐 浙江大学硕士学位论文 形状，实现理想喷油规律，降低柴油机的噪声和N 0 x 排放。理想喷油规律如图1 5 ( 为 5 点喷射，现在已经达到7 点喷射) 耜图1 6 所示( 靴型喷射) 。以5 段喷射为例，引 导喷射通过预混合燃烧，降低颗粒排放：预喷射缩短主喷射的着火延迟，降低N O x 和燃烧噪声；后喷射促进扩散燃烧，降低颗粒排放；后期喷射使得排温升高，便于后 处理。图1 6 靴型喷射，和预喷射不同之处在于，喷油是连续不问断的，并且可获得 先缓后急的喷油规律，对降低N O x 较有利； b ) 高压喷射，使得液滴鱼径减小，面容比增大，从而改善混和； c ) 压力的建立和转速、喷油量无关。低转速、高负载情况下一样可以保持很高的喷 射压力； d ) 共轨式喷油系统喷射压力的控制和喷油过程的控制互不关联，喷油定时和喷油量 完全分开，可自由选定； e ) 结构简单，适用性强。无需对柴油机进行较大的改动即可用共轨式喷油系统代替 原喷射系统： 。C 图I 6 ：靴型喷射 但是共轨式喷油系统也不是完美无缺的，也有局限之处： a ) 如果分段喷射量选择不合理，高喷射压力会使得柴油机的噪声和N O 。排放和H C 排放增加； b ) 喷嘴针阀的头部、密封面一直处于高压作用之下，为防止泄漏，对喷嘴加工工艺 的要求就会很高； c ) 由于共轨式喷射系统在小负荷、小喷油量的工况下，对电磁阀的响应速度要求非 常高，微小变化就会使误差很大，而且磨损也较大，增加了电磁阀的设计难度。现在 有用压电陶瓷代替电磁阀作为执行器的趋势，和电磁f 强相比，压电陶瓷执行器没有由 于电涡流和磁滞效应造成的滞后，因此阀的响应速度高达0 I m s ，可以实现更高的喷 6 * 曩謦 浙江大学硕士学位论文 射油量及定时的控制精度。 1 2 柴油机电控共轨燃油喷射系统发展现状 l - 2 1 电控共轨系统简史 2 0 世纪9 0 年代研制出了一种全新的燃油喷射系统一一电控共轨燃油系统。虽然 该系统正式面市时间还不长，但已经显示出了它的巨大优越性和发展潜力。 2 0 世纪6 0 年代后半期，瑞士的H i b e r 教授开发成功柴油机电控共轨系统的“原 型”。其后，瑞士工业大学以G a n s e r 教授为中心对电控共轨系统进行了一系列研究。 2 0 世纪8 0 年代，日本电装开始将精力转向柴油机燃油系统方面，开始考虑将汽 油机的电控喷油技术应用到柴油机上来，于是构思了E C D U 2 系统。 1 9 9 4 年。由戴姆勒一一奔驰、菲亚特、B l a s i s 公司和博世四家公司成立了联合 开发组，共同开发了电控共轨式燃油系统。 同年，博世将当时尚较陌生的共轨式燃油系统开发成为批量产品，并作了2 0 0 万公里室外道路试验验证，证实了电控共轨系统在噪声特性、排放及发动机结构设计 方面的优越性。 日本电装公司于1 9 9 5 年年末，将E C D - U 2 型电控高压共轨系统成功地应用于卡车 柴油机而开始批量生产，从此开创了柴油机电控共轨燃油系统的新时代。E C D U 2 型 电控共轨系统是电装公司和丰田汽车公司共同研制开发的。 博世公司于1 9 9 7 年年末，开始批量生产轿车柴油机用电控高压共轨系统。 1 9 9 9 年，电控共轨系统已经和小型柴油机、中型柴油机以及重型柴油机匹配成 功。 随着共轨系统显示出的潜力，越来越多的公司开发类似产品，国内也出现了相关 产品，目前，大多公司都在大力开发第二代电控共轨系统。博世公司已经开发出第二 代和第三代压电晶体式电控共轨燃油系统。 1 2 2 国外电控共轨燃油喷射系统发展现状 国外共轨喷油系统发展较早，已经处于应用阶段，按照其共轨压力的高低主要可 分为两大类“，高压共轨系统和中压共轨系统。高压共轨系统共轨内的压力等于喷 油器喷油压力。共孰压力通常较高，一般在1 2 0 M P a 1 6 0 i f f a 之间( 随着系统不断发 展，喷射压力的不断提高，目前已经超过了这个范围) ，最典型的就是下面所述的日 7 浙江大学硕士学位论文 本电装E C D U 2 系统和B O C S H 的共轨系统等；而中压共轨系统共轨中的压力通常较低， 一般在4 M P a 到2 5 M P a 之间，但是在喷油器中有增压装置，以便能够实现高压喷射， 通过增压可以使喷射压力达到1 5 0 闻P a 以上，典型的如美国C a t e r p i l l a r 公司的H E U I 共轨系统；中压共轨系统中还有一种蓄压式共轨系统，通过喷油器增压，但是高压油 储存在蓄压室中，典型的如美国B P M 公司S e r v o j e t 中压共轨喷油系统( 由天津大学 继承并进一步开发一一P A I R c u I 系统) 。目前较为典型的共轨电控喷油系统产品主要 有以下几种： 1 ) 典型高压共轨系列 日本电装E C D - U 2 高压共轨系统； 德国b o s c h 公司共轨系统和原意大利F i a t 公司U 蝎e t 共轨系统； 德国M T U 4 0 0 0 高压共轨系统； 英国L u c a s 公司的L D C R 高压共轨燃油系统； 2 ) 典型中压共轨系列 美国B P M 公司S e r v o j e t 中压共轨喷油系统； 美国C a t e r p i l l a r 公司的H E U I 中压共轨燃油系统； 3 ) 其他公司的相关产品 还有其他公司的一些产晶，后面将会详细介绍。 1 2 2 I 不同系统特点比较 袭1 3 ：E C D - U 2 、B O S C H - C R 、P A I R C U I 和H E U I B 系统对比 共轨系统P A I R C U IH E I I I B E C D U 2 B o S C H C R 平均喷油压力高很高 高 高 技 喷油率的可控制性可控可控可控可控 术 实现预喷控制的灵活性可实现可实现可实现可实现 层 喷油定时的可控制性可控可控可控可控 喷油器结构的合理性较合理较合理合理合理 面 喷油系统结构的台理性较合理较合理合理 合理 降低排放的效果 效果可以 效果可以效果优良效果优良 系统开发难度 较容易容易较难瘫 系统开发周期很短较短很长很长 对柴油机构改动改动较大改动较大很少改动很少改动 以E C D U 2 、B O S C H C R 、P A I R C U I 和H E U I B 为例( 前两种是高压共轨系列中代表 性产品；后两种是中压共轨系统中代表性产品，其中P A I R C U I 为蓄压式中压共轨系统， l 浙江大学硕士学位论文 为天津大学研制，放在这里比较主要是因为它是继承了S e r v o j e t 的系统特点，克服 了其缺点，能够代表蓄压室中压共轨系统的发展状况，H E U I 为液压式电控中压共轨 系统) ，对不同产品作了个比较，如表1 3 “们所示。从技术层面来看，B O S C H C R 和 E C D - U 2 是比较先进的，但是其他层面比如开发难度、开发周期等来看，其他两个系 统也要占一定优势。 从喷油角度来看，高压共轨系统可快速启动，可实现任何转速、任何工况下的高 压喷射，对低负荷低转速工况稳定运行有利，但是有电磁阀响应时间和密封等方面的 问题。博世的共轨系统主要用在小排量轿车柴油枫，日本电装共轨系统主要用在大排 量卡车柴油机，因此，高压共轨系统适用性比较广；S e r v o j e t 蓄压室共轨系统密封 加工制造容易，电磁阀响应要求较低，降低了对供油压力的要求，具有进一步提高喷 射压力的潜力，但是初始喷油速率很高，随着燃油喷出，蓄压室中的压力逐渐降低， 使喷油速率越来越低，不符合先缓后急的要求，天津大学在S e r v o j e t 基础上研制出 的新型蓄压式喷油器P A I R C U I ，已经解决了预喷射、喷油率的可控、喷射压力较低等 问题“，因此蓄压式共轨系统还是有发展潜力的；液压式电控中压共轨系统如H E U I 采用机油作为控制油，解决了柴油在热工况下粘度降低、热启动困难的问题，而且密 封容易，加工制造方便，但是电磁阀的响应要求比较高“，需采用大流量电磁阀， 但大流量电磁阀响应速度较低，喷油时间很短时，不易实现预喷射，影响喷油规律形 状，另外安装尺寸较大。因此其适用对象一般为单缸排量为1 o 一1 5 L 的柴油机。 l 2 2 2 典型共轨系统介绍 1 ) 日本电装E C l ) - U 2 日本电装公司( N i p p o n d e n s o ) 开发的E C D - U 2 系统，该系统由高压油泵、共轨、 喷油器、电子控制单元( E C U ) 和特种传感器等，系统原理图如图1 7 所示。 E C D - U 2 系统原理为燃油经高压油泵进入共轨油管，共轨油管有高压传感器为 E C O 提供反馈信号，E C U 控制油泵上的控制阀。使共轨压力稳定于所需要的值。轨内 压力可达1 0 0 M P a 以上。喷油器电磁阀断电关闭时，三通阀的进油口打开，泄油口关 闭，共轨中的燃油既进入喷油嘴，又进入液压活塞上方，液压活塞下行，针阀受压， 喷油嘴不喷油。电磁阀通电升启时，三通阀的进油口关闭，泄油口打开，液压活塞上 方的压力降低，针阀在共轨压力的作用下抬起，开始喷油。为了形成所需要的喷油率， 在液压活塞上方设计了一个单向阀和节流孔，使油压逐步下降，由于活塞面积比针阀 9 浙江大学硕士学位论文 图1 7 ：E C I N U 2 系统原理图 面积大得多，因此能以很大的液压力来关闭针阀，实现快速停油。喷射定时由三通阀 的定时来控制，喷射量由三通阀接通的持续时间来控制。其中三通阀和喷油器是关键 部件。其存在的问题是：要求三通阀的响应时间很短，目前新产品已经改为二通阀， 由于系统内部为高压，因此密封是个问题“们嘞1 。与B o s c h 喷油器主要不同点在于电 磁阀韵铁芯由硅钢片叠制而成，因此对电涡流有较强的抑制作用，特别指出的是，由 于供油泵和电控喷油器中电磁阀采用了螺旋形磁铁，两者的性能和结构有了很大的改 善，驱动电流也较小( 峰值电流8 1 3 A ) 。其供油泵有多种系列，主要有H P O 、H P 3 和H P 4 等，其中H P 3 和H P 4 系列采用了标准化设计，两种供油泵的零部件的通用化率 8 0 ，供油部分基本是通用的，且充分考虑到生产工艺性。H P O 系列的高压油泵主要 是柱塞式直列泵，有2 缸，也有3 缸，采用发动机机油强制润滑。其主要特征可靠性 高、效率高、成本低。泵的凸轮有单作用型、双作用型、三作用型和四作用型等多种 类型；采用三作用型凸轮可使柱塞单元减少到l 3 。共轨压力的控制主要采用闭环 控制油泵出油量的方式，没有压力调节阀，因此喷浊系统的能量利用率较高乜们o ”。 2 ) 德嗣b o s c h 公司的高压共轨系统 德国B o s c h 公司也研制了自己的高压共轨电控燃油喷射系统( 见图1 8 ) 。高压供 油泵为带有电控压力调节器的径向柱塞泵，其中一个拄塞上装有断油周，小负荷下切 断该缸供油，达到节能目的，可实现部分停缸控制，这与E C D - U 2 不同。因此低压时的 l O 浙江大学硕士学位论文 表1 4 ：b o s c h 公司共轨系统主要技术参数 供油泵类型 径向柱寒泵 最高喷射压力M p a 1 4 0 最大供油量m m 3 s t约3 3 0 供油泵最高转速d r a i n 约4 0 0 0 喷油器电磁阀 2 2 电磁阀 图1 8 ：B o s c h 公司的共轨喷油系统示意图 功率消耗可降低，轨内压力可以在1 5 1 4 0 M P a 范围内自由调节，能成功地实现低喷油 率、预喷射和多次喷射。电磁阀的响应时间很短，开启与闭合时间之和小于0 2 7 m s 。 关键技术在于该公司开发的喷油器，喷油器采用了二位二通球阀，具有较强抗污染能 力。电磁阀通过压力柱塞控制针阀的开启与关闭。针阀表面涂无定型碳，增强了针阀 的抗卡死能力。油泵凸轮采用了偏心圆结构n 2 2 ”。主要技术参数如表1 4 “。 U n i j e t 系统是意大利菲亚特集团研制出的共轨式电控燃油喷射系统，后被B o c s h 公司收购。图1 9 ) b 该系统示意图。适用于转速为1 0 0 0 r m i n 一6 0 0 0 r m i n 的发动机， 主要技术参数为：最大供油量1 0 0 n r n 3 s t ；喷油压力调节范围1 5 M P a 一1 3 0 M p a ；各缸喷油 量和喷油定时可独立控制；在发动机宽阔的转速范围内可以到达非常小的预喷油量 曲“。在阿尔法罗密欧1 5 6 型轿车上采用的F i a t l 9J T D 柴油机是意大利最先采用共 轨式电控燃油喷射系统的轿车动力，采用的就是U n i j e t 系统“”。其带压力调节器的 高压供油泵是一个等排量的径向柱塞泵，内有三个泵油柱塞，彼此间呈1 2 0 。布置， 借助于三角形轴瓦，仅用一个偏心轮驱动，这样设计的目的是使轴负载产生一个几乎 浙江大学硬士学位论文 不变的扭矩。由于柱塞到上止点时有非常小的有害容积，所以泵的泵油效率极高( = 9 0 ) 。不管高压和高速，起润滑和冷却两者不需要任何发动机润滑油，只利用其 本身柴油即可。每个泵油柱塞在进口端装上一个板阀，在输出端装一个球阀。所有泵 油柱塞器供油量都集中在泵内，只用一根油管把高压油输入共轨中。发动机低转速、 低负荷时，开关电磁阀不激励，封闭柱塞供油端，只用其2 3 的泵油量，这对于减小 燃油温度影响和摩擦损失有利。泵和发动机传动轴间无相位要求。共轨中油压由压力 调节阀和固定在高压输出端的一个比例回油电磁阀来控制。由于泵的排量不变，所以 在油道中油压由压力调压阀和固定在高压输出端的一个比例回油电磁阀来控制。 U n i j e t 系列电液喷油器中用的是无压力式标准型P 系列喷油嘴”。 圈1 9 ；U n J j e t 高压共轨燃油系统 3 ) 德国删4 0 0 0 高压共轨系统 舸U 和它的L o r g a n g e 子公司从1 9 9 4 年开始一直共同从事共轨式电控喷射系 统的合作开发，在单缸和8 缸样机上作试验。在这些工作成果的基础上，M T U 公司 在1 9 9 6 年投产的M T U4 0 0 0 系列柴油机上采用了共轨喷油系统。 图1 1 0 为M T U 4 0 0 0 系列柴油机共轨燃油系统示意图，系统主要由高压泵、共 轨、喷油器和发动机电子控制系统一岫E C 或D D E C 等组成。齿轮驱动的高压油泵 以设定的压力( 约1 2 0 胛a ) 将高压燃油输送到共轨，再由共轨分配到各个喷油器。 喷油量取决于共轨压力和喷油器电磁阀控制电流的持续时间，共轨压力的调整和电流 1 2 浙江大学硕士学位论文 持续时间的控制均通过电子控制系统来实现。燃油压力由共轨上装设的压力传感器来 测定，对应于电子控制系统中设定的压力特性曲线。高压油泵的燃油流量与发动机的 每一工况点相匹配。电子控制系统还可准确控制喷射始点。燃油共轨系统的采用使 M T U 4 0 0 0 系列柴油机表现出显著的优点：共轨内稳定的高压与发动机转速和凸轮轴位 置无关，喷油量和喷油时刻由柴油机电子控制系统灵活控制，可对影响燃烧的所有燃 油喷射参数单独进行调控，使之很好地适应各种运行工况”。L o r g a n g e 公司的喷 油器制造公差已经达到了千分之一毫米。随着4 0 0 0 系列发动机共轨燃油喷射系统的引 进，L o r g a n g e 将其应用范围扩大到了缸径更大的高速或中速柴油机上。目前，公司 为缸径范围为1 6 0 5 0 0 m m 的l O 种不同的发动机系列提供共轨燃油喷射装置。在最近的 研制中，L o r g a n g e 在产品型装置上已经使系统轨压达到了1 8 0 M P a ，该系统用在新的 单缸排量为1 7 3 7 L 的M T U 8 0 0 0 系列V 型柴油机上。共轨系统用于4 0 0 0 系列发动机时，其 能在发动机运行曲线上的每个点对喷油定时、喷油量( 体积) 和喷油压力实现无级调 节。喷油器的压力油也可通过不同的方法获得。在4 0 0 0 系列方案上，每一排气缸都共 有一个坚固的蓄压器( 共轨) ；而在8 0 0 0 系列方案上，则在每个气缸喷油器的附近都安 装着各自独立的单体蓄压器，其容积为0 4 L ”“。 图1 1 0 ：M T U 4 0 0 0 系列高压共轨燃油系统示意图 4 ) 英国L u c a s 公司的L v c R 高压共轨燃油系统 英国L u c a sD i e s e lS y s t e m 公司研制的柴油机高压共轨式电控喷油系统( L V C R ) 。 通过E C U 对输油泵计量和高压调节器泄油进行电子调节。系统的结构较简单，见图 1 1 1 。系统有如下特点： 浙江大学硕士学位论文 1 ) 喷油压力独立于发动机转速和负载；2 ) 结构紧凑设计；3 ) 组合式系统，各 缸均有一个高速电磁阀驱动的喷油器，可适用于3 、4 、5 、6 缸柴油机：4 ) 驱动扭矩 低；5 ) 氮氧化物排放量低；6 ) 噪声控制，是系统中增加了预喷射的缘故。7 ) 可使 汽车全面实现电子控制嘲1 。 其L D C R 喷油器最高喷射压力可大1 6 0 M P a ，属于液压式喷油器，可精确控制供油 量，能满足高速直喷柴油机的要求，同时也可方便安装在四气门发动机上。该喷油 器中没有液力活塞，结构紧凑，体积小，直径为1 7 m m ，在喷油器体内安装了一只新 型的小型压力平衡控制阀，工作时控制电流小。这个控制阀是该喷油器的技术关键， 它与众不同，电磁执行器尺寸非常小，反应极快，同时离针阀很近，由于它结构小， 运动质量低，压力平衡响应快，离针阀很近，控制阀发出的指令很快就到达针闽， 它控制的一个信号到另一个信号之间很接近，这有利于预喷射，由于预喷射很接近 于主喷射，时间延迟短，可以改善预喷射的质量。由于控制阀质量轻，响应时间短， 可以降低噪声和排放，但是阀的抗污染能力差。直径1 7 m m 的喷油器内包含一个新的 溢流阀。喷油器小的运动质量使其在每一工作循环内能够完成多段喷射所需的快速 控制针阀的打开和关闭。特别是在小喷射量时各次喷油时间差异很小凹3 。供油泵在 1 6 0 M P a 压力下供油量为每转0 7 c m 3 ，装有进油计量阀，用于初步控制共轨压力。并 且仅仅允许必要量的燃油进入供油泵，所以没有燃油从共轨中溢出。L u c a s 系统供油 泵出油量可调，系统能量利用率高，共轨压力调整利用油泵出油量调整和电子调压 阀两套机构，在保证能量利用率的同时，提高了共轨压力下调过程的响应速度旧。 图1 ，1 1 ：L u c a s 柴油机高压共轨式电控喷油系统 1 4 浙江大学硕士学位论文 5 ) 美国B P l I 从司S e r v o j e t 中压共轨喷油系统 S e r v o j e t 中压共轨系统属于蓄压式共轨系统，该系统主要由输油泵、压力调节器、 燃油供油轨、高速电磁阀、油压增压器、蓄压式喷油器、电控单元( E C U ) 、传感器等 组成。系统原理图如图1 1 2m 3 ： 该系统工作原理是：输油泵向共轨提供中压燃油，利用喷油器中的增压活塞使中 压燃油的压力进一步提高。通过调节共轨压力可控制最高喷射压力和喷油量。当电磁 阀通电时，回油通道关闭，共轨燃油进入增压活塞上方，活塞下行。油压增压器的增 压比可达1 0 1 5 ，1 0 M P e 的共轨燃油压力在增压柱塞下方可被增压至1 0 0 1 6 0 M P a 。高压 燃油通过蓄压腔单向阀进入蓄压腔及喷油嘴储油槽和针阀上部，此时，针阀由于受到 针阀尾部的燃油压力和喷油嘴弹簧的预紧力作用不会开启喷油。当电磁阀断电而打开 回油通道时，增压活塞上方燃油卸压。增压活塞和增压柱塞上行，使增压柱塞下方和 针阀尾部处的油压也降低。蓄压室中高压燃油通过喷油嘴储油槽作用在针阀上，使针 阀开启，实现高压喷射。喷油始点决定于电磁阀断电时刻，喷油终点决定于共轨压力 和针阀弹簧预紧力。同时，最高喷射压力、喷油量、喷油速率均受共轨油压控制。 S e r v o j e t 系统在天然气一柴油双燃料发动机上已得到应用，以控制柴油喷射。 燃油供油轨 图1 1 2 ：S e r v o j e t 柴油机电控蓄压式共轨喷油系统 6 ) 美国C a t e r p i l l a r 公司的H E U I 中压共轨燃油系统 这是典型的共轨液压式喷射系统