（动力机械及工程专业论文）柴油机高压共轨喷油系统仿真与研究.pdf

柴油机高压共轨喷油系统仿真与研究 论文摘要 为适应柴油机燃油经济性和排放的双重要求，高压共轨电控喷油系 统以其所特有的优点获得了越来越广泛的重视和研究。高压共轨系统能 达到低油耗、低排放、高压喷射、柔性的喷油特性和喷油压力控制等其 它喷油系统所很难达到的要求。高压共轨系统在国外也是近几年才有成 熟的产品，并且也仍在开发研究之中，在国内则是刚刚起步，还处于研 究开发阶段。本文正是针对正在开发的g d 一1 ( g r e e nd i e s e l 1 ) 高压共 轨系统，在广泛阅读有关文献的基础上，围绕高压共轨系统的数学模型、 系统特性研究和参数设计等方面进行了仿真和实验等方面的工作。 本论文主要完成了三方面的工作： 1 、国内首次对高压共轨系统建立了综合的数学模型。采用有限容 积法进行方程离散，编制了g d 1 高压共轨系统c r s f v m 仿真程序。首 次综合地考虑了燃油流动过程中的诸多影响因素。 ( 1 ) 在广泛阅读有关文献的基础上，对g d 1 高压共轨系统的系统 各部件结构和工作过程进行了分析，并根据此建立了系统相应的物理、 数学模型。 模型的特点在于针对高压共轨系统所特有的部件结构和工作过程， 建立了高压油泵、共轨管、限流器、喷油器等的液力流动方程；对高压 油管则建立了连续方程、动量方程和物态方程，并详细推导了能量方程。 漠型综合地考虑了燃油流动过程中压力损失、油管粗糙度、泄漏、刚体 容积弹性膨胀、燃油温度等诸多因素的影响。 ( 2 ) 模型方程采用有限容积法，用交错网格，对油管连续、动量、 物态和能量方程进行离散求解。系统计算的边界包括高压油泵、共轨管、 限流器、喷油器等相关方程，对它们采用改进欧拉法进行求解。编制了 高压共轨系统有限容积法c r s f v m 仿真程序。同时对燃油的物性参数， 如密度、音速、比热、导热系数和粘度等进行了分析说明。 2 、利用建立的c r s f v m 仿真程序，国内首次对高压共轨系统进行 了仿真。分析了系统的流动特性，给出了一些具有指导意义的结论，为 系统的参数设计提供数据和依据；仿真给出了油泵电磁阀的p c v 基本 m a p 数据，为实验提供了依据。 ( 1 ) 首先对系统中各腔室的压力动态过程进行了仿真，然后对共 轨压力的波动进行了分析。研究了共轨管容积、凸轮相位、油泵轴转速 比等对共轨压力波动的影响，这些参数对共轨压力波动的影响均较大。 同时，着重讨论了共轨压力波动对系统的特性影响，包括喷油量、共轨 压力的控制、怠速的控制的影响等等。结果表明，共轨压力波动越大， 对共轨压力和怠速的控制就越难。 ( 2 ) 对燃油流动过程中各个影响因素如压力损失、油管粗糙度、 刚体容积弹性膨胀、泄漏等进行了仿真分析。首次对供油过程中燃油温 度的变化，以及温度变化对系统特性的影响迸行了仿真。结果表明，油 管粗糙度对系统的影响较大，而弹性膨胀、局部压力损失等的影响较小。 燃油供油过程中的温度变化很小，但燃油温度的不同对系统特性有较大 影响。同时研究了油管尺寸、限流器特性以及他们对系统的影响。结果 表明，油管尺寸对喷油速率有较大影响，而限流器则可以有效减少压力 的波动。 ( 3 ) 对柴油机油泵电磁阀p c v 脉宽进行了仿真。得到了不同共轨 压力、不同转速、不同喷油量条件下，油泵的p c v 脉宽m a p ，为g d 1 高压共轨系统配机实验提供基本的数据和依据。 ( 4 ) 根据仿真的结果，对整个喷油系统进行了参数设计。针对高 压共轨系统的要求和特点，对油泵柱塞升程和直径、油泵柱塞腔余隙容 积、共轨管容积、限流器结构尺寸、油管尺寸等进行了基本的参数设计。 3 、设计了g d 。1 高压共轨系统的外围控制电气线路，进行了高压油 泵、发动机的台架建设和相关实验。 利用日本电装公司e c d u 2 系统匹配y c 6 11 2 柴油机进行模拟实 验，分析了系统的一些特性。同时利用自行开发的g d 1 系统控制器在 油泵实验台架上进行了匹配调试实验。从系统供油平衡角度和共轨压力 波动方面，验证了c r s f v m 仿真程序的正确性。 关键词：柴油机，高压共轨，喷油系统，数学模型，有限容积法， 仿真，参数设计 s i m u l a t i o na n dr e s e a r c ho fh i g h p r e s s u r ec o m m o n r a i lf u e l i n j e c t i o ns y s t e mf o rd i e s e le n g i n e a b s t r a c t f o ra d a p t i n gt h el o we m i s s i o na n dh i i 曲f u e le c o n o m yo fd i e s e le n g i n e ， t h e h i g hp r e s s u r e c o m m o nr a i lf u e l i n j e c t i o ns y s t e m ( h p c r f i s ) a r e r e s e a r c h e d b ym a n yp e o p l e b e c a u s eo fi t s e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e t h e h p c r f i sg a na c h i e v et h ef u e li n j e c t i o ns y s t e mr e q u i r e m e n t ，w h i c hi n c l u d i n g l o we m i s s i o n ，e c o n o m y , h i g h p r e s s u r ei n j e c t i o n ，f l e x i b l ei n j e c t i o ns t a t ea n d f l e x i b l ep r e s s u r ec o n t r 0 1 t h eh p c r f i sp r o d u c tw a sg i v e no u to n l ys i n c e s e v e r a ly e a r sa g oo v e r s e a s b u ti nc h i n a ，t h i sk i n do fs y s t e mi sr e s e a r c h e d o n l yi nt h eb e g i n n i n g a c c o r d i n gt ot h eg d - l ( g r e e nd i e s e l - 1 ) h p c r f i s ， w h i c hi sr e s e a r c h i n gn o w b yu s ，t h i st h e s i sd e a l sw i t hs i m u l a t i o na b o u tt h e c o m m o nr a i l s y s t e m m a t h e m a t i c a l m o d e l ，c h a r a c t e r i s t i c r e s e a r c ha n d p a r a m e t e rd e s i g n t h em a i nw o r k sa r ea sf 0 1 l o w s ： 1 、i nt h ef i r s tt i m ei nc h i n a t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fh p c r f i sa r e e s t a b l i s h e d u s i n gt h ef i n i t e v o l u m em e t h o d ，t h ec r s f v m p r o c e d u r eo f h i g h p r e s s u r e c o m m o nr a i l s y s t e m a r ew o r k e do u t t h e t e m p e r a t u r e c h a n g i n ga n dm a n yi n f l u e n c i n gf a c t o r so f f u e lf l o w i n ga r ei n v o l v e di nm a t h s m o d e l s ( 1 ) t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c sm o d e la r ee s t a b l i s h e da f t e ra n a l y z i n g t h es t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r o c e s so f g d - 1h p c r f i s a c c o r d i n gt ot h eh p c r f i ss p e c i a ls t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r o c e s s ，t h e f o r c ef l o w i n g e q u a t i o n o f h i g h - p r e s s u r ep u m p ，c o m m o nr a i l ，f l o wl i m i t t e ra n d i n j e c t o ra r eg i v e no u t t h em a s se q u a t i o n ，m o m e n t u me q u a t i o n ，a n ds t a t e e q u a t i o no ff u e lf l o w i n gi np i p ea r eo b t a i n e da l s o a n dt h ee n e r g ye q u a t i o n w a sa n a l y z e di nd e t a i l m a n yi n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha sp r e s s u r el o s s ，p i p e r o u g h h e s s ，l e a k ， v o l u m e e l a s t i c i t ye x p a n d i n g a n df u e l t e m p e r a t u r e a r e c o n s i d e r e di nt h e s em o d e l s ( 2 ) u s i n g t h ef i n i t ev o l u m em e t h o da n dt h e s t a g g e r e dn e t ，t h e s e e q u a t i o n s o ff l u i d f l o w i n g a r e d i s p e r s e d a n d t h e s y s t e m c a l c u l a t i o n b o u n d a r i e si n c l u d et h eh i 曲p u m p ，c o m m o nr a i l ，f l o wl i m i t t e ra n d 叫e c t o r t h ec r s f v m p r o c e d u r ei sg i v e no u t ，a n di t s c a l c u l a t i o ns t e pa n df u n c t i o n a r ee x p l a i n e d a tt h es a m e t i m e ，t h ef u e lp h y s i c a lp a r a m e t e r ss u c ha sd e n s i t n v e l o c i t y , s p e c i f i ch e a ta n dv i s c o s i t y a r ea n a l y z e d 2 、i nt h ef i r s tt i m ei nc h i n a ，u s i n gt h ec r s f v m p r o c e d u r e ，t h eh i g h p r e s s u r ec o m m o n r a i ls y s t e ma r es i m u l a t e d t h es y s t e mf l o w i n gt r a i t sa r e a n a l y z e d ，a n d s o m e i m p o r t a n tc o n c l u s i o n s ，w h i c h h a v e g r e a tg u i d e s i g n i f i c a t i o n ，a r eo b t a i n e d a n ds o m e d a t aa r ep r o v i d e df o rs y s t e mp a r a m e t e r d e s i g n t h eh i g hp u m pe l e c t r o m a g n e t i cv a l v ep c v b a s i cm a p sa r es i m u l a t e d w h i c h p r o v i d i n g t h ep a r a m e t e r sf o re x p e r i m e n t a t i o n ( 1 ) t h ep r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e me a c hc h a m b e ra r eg e t t h e c o l i i l i i o nr a i l p r e s s u r ef l u c t u a t i o ni ss i m u l a t e d t h ea f f e c to ft h ec o m m o n r a i lv o l u m e ，c a mt o pp o s i t i o n ，p u m ps h a f t s p e e dr a t i o a r er e s e a r c h e d t h e r e s u l ts h o w st h a tt h e s ef a c t o r sh a v eg r e a ta f f e c tt ot h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o n t h e nt h er e l a t i o no ft h ec o m m o nr a i l p r e s s u r e f l u c t u a t i o na n d s y s t e m p e r f o r m a n c e ，w h i c hi n c l u d i n gi n j e c t i o n q u a n t i t y ，c o m m o n r a i l p r e s s u r e c o n t r o la n di d l es p e e d c o n t r o l ，a r ea n a l y z e d ( 2 ) t h ef l o w i n gi n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha sp r e s s u r e l o s s ，p i p er o u g h n e s s ， v o l u m e e x p a n d i n g a n dl e a ka r es i m u l a t e d f i r s t l y i nc h i n a t h ef u e l t e m p e r a t u r ec h a n g i n gi nf u e lf l o w i n gi sg a i n e d ，a n dt h ec o n t r o lp a r a m e t e r s c h a n g i n gi nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p a r tp r e s s u r e l o s s ，v o l u m ee x p a n d i n ga n dt e m p e r a t u r ei nf l o w i n ga r es m a l l ， b u tt h ep i p er o u g h n e s sh a sb i ga f f e c tt o t h es y s t e mf l o w i n g t h ea f f e c tt o s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c so fp i p es i z e ，f l o wl i m i t t e ra r ed i s c u s s e d t h er e s u i t s s h o wt h a tt h e p i p es i z eh a sg r e a ta f f e c tt oi n j e c t i o ns p e e d ，a n dt h ef l o w l i m i t t e rs i z eh a s g r e a t a f f e c tt oc o n t r o l p r e s s u r ef l u c t u a t i o n ( 3 ) t h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v ep c vp w m ( p u l s ew i d t hm o d u l e ) o f h i g h p r e s s u r ef u e lp u m pa r es i m u l a t e d s o m ep c vm a p sa r eg i v e no u ti n d i f f e r e n tc o m m o nr a i l p r e s s u r e ，e n g i n e e x p e r i m e n tb a s i cd a t a ，w h i c hp r e p a r e p r o v i d e d s p e e da n di n j e c t i o nq u a n t i t y t h e t oc a l i b r a t et h e d i e s e l e n g i n e ，a r e ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h es y s t e mb a s i cs t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r e d e s i g n e d t h em a i nj o bi sd e s i g n i n gp a r a m e t e ro ft h ep u m p p l u n g e rr i s i n g d i s t a n c e ，d i a m e t e ra n dl e a s t s p a r ev o l u m e ，c o m m o nr a i l p i p es i z e ，f l o w l i m i t t e rs i z ea n d p i p e s i z e 3 、t h ee l e c t r i cc o n t r o l p r i n c i p l ea n dc o n t r o ll i n eo ft h eg d 1h p c r f i s a r ed e s i g n e d t h eh i g h - p r e s s u r e p u m p a n dd i e s e lb e n c hi sf o u n d e d u s i n gt h ee c d - u 2s y s t e mc o n t r o l l e rt oc a l i b r a t et h ey c 6 11 2d i e s e l e n g m e ，s o m ee x p e r i m e n td a t aa r eo b t a i n e d a tt h es a m e t i m e ，u s i n gt h eg d 1 s y s t e mc o n t r o l l e r , w h oi sd e s i g n e db y u s ，t oc a l i b r a t et h eh i g h p r e s s u r ep u m p ， s o m e i m p o r t a n tt e s td a t aa r ea t t a i n e d t h ec r s f v m p r o c e d u r ei sv a l i d a t e d b y t h e s e d a t a ，w h i c h i n c l u d i n gs y s t e m o f f e r i n g f u e l b a l a n c ea i l dt h e m s t a n t a n e o u sc o m m o nr a i l p r e s s u r ec h a n g i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c r s f v m p r o c e d u r ei sa c c u r a t e k e y w o r d s ：d i e s e l e n g i n e ，h i g h p r e s s u r ec o m m o n r a i l ，f u e l i n j e c t i o ns y s t e m ，s i m u l a t i o n ，m a t h e m a t i c sm o d e l ，f i n i t ev o l u m em e t h o d p a r a m e t e r d e s i g n 附件四 上海交通大学 学位论文原创。性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者虢i 履多莨 日期：跏2 年，月二日 附件五 学号， 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 l 、 保密圈，在兰l 年解密后适用本授权书。、 本学位论文属于 ( 窀蝴词寝诮蔓专w 噎1 封s 表i 匆目i 不保密口。 砩斗礁。 i ( 请在以上方框内打“，) 。 昌秘咻 f 指导教师签名：菇弘 日期：妒埠 月7 日 帝悖 虚“ 孙 月 签 。 者 # 懈 缉 文 护 良 a 、_ 位 期 学 日 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 内燃机的发展己有一百多年的历史，通过长期的发展改进，已经比较完善。目 前，它是世界上应用范围最广、热效率最高的一种热力发动机，广泛地应用于国民 经济各个领域和国防部门，在水陆交通运输和农用动力机械中尤其占有绝对的优 势。内燃机所发出的功率占全世界所有动力装置总功率的9 0 ，但同时也是环境的 最大污染源之一。 柴油机比汽油机有更好的经济性，其热效率可达4 5 5 ，是当今各种动力机械 中热效率最高的一种。此外，柴油机可靠性好，有害排放物总体比汽油机低。先进 的柴油机即便不采用任何机外处理措施，其有害气体的排放量也可以达到带有三元 催化反应器并采用闭环控制系统的汽油机的排放指标。这些优点使得柴油机被选为 各种运输工具的动力源。船舶动力装置中，使用柴油机作为动力的占9 5 以上，在 车用范围内，装载车辆几乎都用柴油机作为动力，并且己逐步进入小客车的使用领 域。我国的车用内燃机也逐渐向着柴油机化这一趋势发展。 随着柴油机应用领域的不断扩大，也同时带来了一系列问题。能源危机、排放 和噪声日益为人们所重视，尤其是对排放的呼声越来越高。现在全世界每年生产上 千万台柴油机，大约有一半装在公路交通车上，目前全球车辆保有量己超过7 亿 辆。美国大气中8 2 的c o ，9 8 的n o x 和5 8 的h c 来自汽车排出的废气。在日本， 9 9 的c o ，9 8 的n o x 和3 6 的h c 来自汽车排放。 降低油耗和减少排放已成为柴油机的发展趋势。目前低速柴油机的油耗率己达 到g e ：1 5 0 1 6 0 9 k w h ，高速柴油机也能达到g e = 2 0 0 9 k w h 左右的水平。柴油机的 喷油压力达到p = 1 4 0 1 6 0 m p a ，而且有不断提高的趋势。发动机的排放指标的发展趋 势在最近十年n o x 平均要下降5 0 ，而颗粒排放要下降到现在的1 0 一2 0 的水平。 1 、排放法规的要求 汽车污染在世界范围内已成为城市污染的主要因素。工业发达国家相继指定了 一系列严格的排放法规，美国、日本、欧盟的汽车排放法规是当今世界三个主要体 系。他们的柴油机排放限制越来越严厉。北京和上海也相继制定了较严格的排放标 准，我国的排放标准基本属于欧盟标准。许多国家也不同程度地采用这些法规和标 准。 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 各国由于侧重不同，制定的排放法规也不同。美国对c o 的排放要求较低，而欧 盟的排放法规限制较严格。我国目前的实施的法规只相当于欧洲i 排放，与欧盟、 美国相比，还是有较大的差距。 欧盟的载重汽车排放标准如下表卜1 所示。美国车用重型柴油机的排放标准如 下表卜2 所示“。中国车用柴油机的排放标准如下表卜3 所示“。 柴油机的c o 和h c 均比汽油机低，n o x 略低于汽油机，然而柴油机排出的炭烟 颗粒物比汽油机多得多，因此，柴油机的排放研究的重点在n o x 和颗粒排放。我国 目前实施的排放法规要达到欧i 排放标准。 表1 1 欧共体载重汽车排放标准( 单位；g k w ，h ) 等级执行时间 cohcn0 xp m烟度 欧i1 9 9 2 8 5 k w4 51 _ l8 oo 3 6 欧i i1 9 9 6 1 04 01 17 o0 2 5 1 9 9 8 1 04 o1 17 00 1 5 欧i i i2 0 0 0 1 02 o0 65 0o 1 0 欧i v2 0 0 5 1 01 50 4 63 50 0 20 5 欧v2 0 0 8 1 0 1 50 4 62 0 0 0 20 5 表卜2 美国车用重型柴油机排放标准( 单位：g b h p h ) 车型 燕 h cc on o xp m 重型货车片j1 9 9 0 1 31 5 5 6 ，00 6 0 柴油机1 9 9 l1 31 5 55 0o 2 5 1 9 9 41 31 5 5 5 00 1 0 1 9 9 8l 31 5 54 00 1 0 表卜3 中国车用柴油机排放标准( 单位：g k w h ) 执行时间 cohcn 0 xpm n e 8 5 k w 1 9 9 7 1 0 11 1 - 22 41 4 41 5 6o 9 2 2 0 0 0 1 14 51 18 00 6 l 0 3 6 2 0 0 4 1 04 01 17 0 0 1 50 1 5 2 、控制措旖 由于排放日益成为人们关心的问题，因而目前的研究热点，已经开始从以往的 只关注经济性，转而对经济性和排放两者相兼顾。 目前有效的改善柴油机经济性的途径有：增大压缩比、改进燃烧室、采用废气 涡轮增压、提高充气效率、降低泵气损失、降低冷却损失、提高机械效率等等。 一2 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 对车用柴油机的排放污染控制的措施，归纳起来主要有三个方面。 前处理净化。如柴油中加消烟添加剂；排气再循环；进气管喷水或柴油机掺 水；增压中冷( 以控制n o x 排放) 等。 机内处理净化。如改进进气道( 供气系统) ；改进燃烧室结构和参数；改进 燃油系统参数( 燃油压力、喷油正时、喷油速率和喷油量等参数优化) 。 后处理净化。如柴油机的微粒后处理；催化转化器等“。 一般地说来，n o x 降低时，往往使得颗粒排放增大，两者之间是相互矛盾的。 同时，使n 0 x 降低的措施也往往使得油耗率增大，经济性变差，这两者之间又是相 互矛盾的。因而在具体实施时，各种技术均具有一定的作用，但在某种程度上有一 定的局限性。 图1 一l 为车用柴油机采取不同的措施后n 0 x 和颗粒p m 排放之间的关系【1 。 争e 善o _ 4 0 2 0 4681 0 1 2 n o x g k w h i 图i - 1 车用柴油机n o x 、p m 与各种措施的关系 f i g l 1r e l a t i o n s h i po f w a y s t on o xa n dp mf o rd i e s e le n g i n e 对柴油机本身而言，提高经济性和降低排放最核心的仍然是优化燃烧质量。对 柴油机技术的进一步发展，着眼点必然是在于燃烧系统的改进。柴油机的供油系 统、进排气系统、燃烧室形状的设计都是为了更好地合理组织燃烧，因此对燃烧过 程进行更深入细致的研究将会有助于柴油机性能的优化。 因此，对柴油机的喷油系统进行合理的设计和性能参数优化，是提高经济性和 改善柴油机排放的最有效的措施之一。 3 、喷油系统的要求 燃油喷射系统参数优化是很有效的一种净化排放措施。对废气的排放物c o 、 l i c 、微粒( p m ) 、n o x 等的控制可以通过对燃油系统的参数优化来降低。同时可以提 高燃油的经济性，降低油耗。 3 一 上海交通大学1 尊士学位论文 第一章绪论 对柴油机喷油系统的控制，主要是喷射压力、喷油正时、喷油量和喷油速率的 控制。目前，主要实行高压喷射、精确的喷油定时和喷油量、可控制的喷油速率等 措施。 实行高压喷射，能增加燃油的经济性，同时可降低c o 、h c 、p m ( 包括s o o t ) 等的排放。但高喷油压力，会使得气缸最高燃烧压力和燃烧温度高，从而使得n o x 排放高，这就要相应减少喷油提前角，以降低n o x 排放；另外，喷油压力提高后， 可以缩短总喷油时问，这也可以降低n o x 排放。 对喷油量的控制不仅包括各种负荷下的精确喷油量，还包括燃油预喷射、主 喷劓和后喷射( 如有必要) 的喷油量比例和时间间隔。 对喷油速率的控制可以降低n o x 、h c 、s o o t 等。如采用快速停油可以降低h c 的排放；降低初始喷油速率，即采用预喷射、三角型喷射或靴型喷射可以有效降低 n o x 排放和噪声：同时，采用预喷射、三角型喷射或靴型喷射，可以使得放热率比 较平稳，从而可以降低n o x 和s o o t 的排放。 对喷油提前角( 正时) 的控制，( 不同工况下的喷油量和喷油正时的控 制) ，可以提高燃油经济性，降低排放。有资料表明，柴油机喷油始点偏离期望值 l c a ，n o x 排放增加5 ，提前2 。c a ，会使气缸爆发压力升高l o b a r ，延后2 c a ，会使 排气温度升高2 0 。c 。又有资料表明 i ，柴油机喷油始点变化l c a ，油耗增加2 ， h c 排放增大1 6 ，n o x 增加6 。这就要求须精确控制喷油定时。 同时，另一方面，通常由于保证燃油经济性和保证排放是相互矛盾的，燃油系 统参数优化的目标是保证排放的基础上，达到最佳的燃油经济性。为使得柴油机有 更好的经济性和排放，须使油气充分混合，这就要求在短的喷油期内具有高的喷射 压力，而且精确地保持喷油量和喷油始点，而且对于喷油量的调整、喷油始点调整 和喷油过程的形成，必须具有极高的柔性，以使柴油机在各种工况下都能按最佳状 态运行。 精确控制喷油量、喷油正时和喷油压力可降低油耗、提高经济性、改善排放、 增加动力性( 如低速大扭矩) 。这只有通过电子控制喷油系统，才能达到最佳的实 现。比如，日本电装公司的共轨系统用的喷油嘴采用双流量节流量孔，在保持n o x 排放不变的情况下，能减少烟度7 ；降低油耗4 t z 0 】。 可以知道，对柴油机喷油系统的最重要的特性要求有：高喷油压力，并可调 节：高精度控制喷油量；灵活的喷油定时控制；可进行灵活的喷油速率( 预喷射 等) ；可进行小油量喷射；使用寿命内的高精度。要满足喷油系统这些特性要求， 传统的普通的喷油系统已很难实现。这种喷油系统的特性只能通过电子控制喷油系 统来实现。 一4 占堡奎望盔堂堕主堂垡坠兰 1 2 电控喷油系统发展现状 第一章绪论 1 、型式和分类 传统喷油系统主要包括直列泵系统、单体泵系统、分配泵系统和泵喷嘴系统。 直列泵系统和分配泵系统的高压油管长，单体泵系统的高压油管较短，而对泵喷嘴 系统则省去了高压油管。而相应的电控喷油系统则采用电子控制的电磁阀来调整喷 油量和喷油始点，代替调节齿杆调节油量和机械调节喷油始点( 喷油正时) 。 对电控燃油喷射系统而言，把喷油系统的型式可以分为两大类。一类是对传统 喷油系统各执行元件结构基本不变，而采用传感器、执行器和微处理器的电控系 统。主要是电控直列泵系统和电控分配泵系统。另一类是改变传统喷油系统的机械 结构，通过使用高速电磁阀对喷油( 速率) 过程进行直接的高频调节控制系统。主 要是电控泵一管一嘴系统、电控泵喷嘴系统和共轨式电控喷射系统。而共轨式电控系 统又包括增压式( 中压) 共轨系统和高压共轨系统。 从另一个方面，又可把电控喷油系统分为位置控制系统和时间控制系统 2 ”。位 置控制系统包括分配泵系统和直列泵系统；而时间控制系统则有分配泵系统、单体 泵系统、电控泵喷嘴系统、中压共轨式电控系统和高压共轨喷油系统。 2 、常规结构的电控喷油系统 2 3 】【l 们 柴油机电控喷射系统由3 个系统块组成心“。即信号检测部分( 包括各种信号传 感器和信号发生器) 、电控装置部分和电磁执行器部分。信号检测部分主要包括： 喷油泵转速传感器、油泵齿条移动传感器、增压压力传感器、温度传感器( 充气温 度、冷却液温度和油温) 、车速传感器和油门踏板传感器等等。电控装置采用数字 技术记录和处理来自各传感器和信号发生器的信号，电控装置可根据各种信号的状 态输出给电磁执行器。电磁执行器通过电磁线圈改变喷油泵的控制齿条运动调节喷 油量。喷油提前角的控制采用电液执行机构，通过控制提前器的位移来控制提前角 的大小。 在柴油机电控喷油系统中，需要控制的基本参量是喷油量和喷油始点。对于喷 油量的控制，其原理是根据发动机的转速和油门踏板位置两个信号在喷油量脉谱图 上得出理论喷油量，通过进气压力、燃油温度和冷却液温度进行修正，将修正后的 喷油量值输出到电磁执行机构( 齿条) 进行调节同时与反馈的齿杆位置信号( 实 际喷油量) 进行比较，这样，就可实现喷油量的闭环控制。对于喷油提前角的控 制，其原理是根据发电机的转速和油门踏板位置两个信号在喷油提前角脉谱图上得 出喷油提前角的值，然后再根据冷却液温度进行修正，以驱动电液提前器，实现开 一5 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 环控制，其中喷油提前角脉谱可以由原机实验标定来获得，喷油提前角的控制采用 电液执行机构，通过控制提前器的位移来控制提前角的大小。 ( 1 ) 电控直列式喷油泵系统 电控直列式喷油泵系统主要有以下一些公司的典型产品。 德国r o b e r tb o s c h 公司乜3 1 在1 9 9 3 年推出带控制滑套式直列式油泵，它主要有 r p 3 9 和r p 4 3 两种。它是带可变定时的燃油喷射系统。该系统主要控制喷油定时和 喷油量两个功能。 日本z e x e l 公司和三菱公司合作于1 9 8 7 年研制了t i c s 系统( 定时和喷油率控 制系统) 。1 9 8 9 年开始生产h d t i c s 和m d t i c s 电控直列式油泵。t i c s 系统是在直 列式油泵基础上进行修改设计的一种新型油泵，通过在泵油柱塞上增加的控制滑 套，改变喷油正时和喷油速率，并采用预喷射。 日本电装公司( d e n s o ) 的推出的e c d p 1 系统具有电控喷油正时的功能。e c d - p 2 系统具有电控喷油量的功能。e c d p 3 系统是在e c d - p 1 系统和e c d - p 2 系统的基础 上发展起来的，此系统具有控制喷油正时和喷油量的双重功能，是直列泵电控较高 一级的产品。 美国卡特彼勒( c a t e r p i l l a r ) 公司的p e e c 系统是一种可编程发动机电控装置 系统。此系统用电子喷油定时提前装置取代了机械式定时提前装置。 ( 2 ) 单体泵系统( 泵一管一嘴系统) 2 1 2 3 】 主要是德国b o s c h 公司的e u p 电控单体泵。系统简图如图卜2 所示。 该系统的特点是在其出口处设置高速电磁阀。这种泵消除了不易装提前器的缺 点。此系统是时间式电控喷油系统，其高速电磁阀直接控制高压燃油的导通。喷油 始点取决于电磁阀导通的时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。 ( 3 ) 、电控分配式油泵系统 1 钔 德国b o s c h 公司1 9 8 5 年首次将电控v e 型分配式油泵应用在柴油机上。后来研 制了研制了一种新的高压电磁阀( 代替原来的电子旋转执行器) 控制的v p 3 7 e d c 分 配式油泵，电磁阀具有更高精度和柔性燃油计量。后又开发了泵端压力和嘴端压力 更高的并可获得低颗粒排放的v p 4 4 型分配式油泵。 英国l u c a s 公司的l u c a sd i e s e ls y s t e m 主要有e p i c - 8 0 和e p i c 一7 0 分配式油 泵， ( e p i c ：电子可编程喷油控制) 。它采用控制径向行程来控制喷油量，分配泵 的正时控制是采用电磁阀控制其提前器高压室和低压室的压差，使活塞运动，从而 改变凸轮相位来实现。为满足欧i 排放，又开发了全电子高压回油分配式油泵，主 要有e s r i o 和e s r 2 0 两种。 6 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 美国s t a n a d y n e 公司的d s 系统，是在转子分配泵转子尾部的进油道上设置了电 磁阀，压力可达1 0 0 m p a 。( 类似于德国b o s c h 公司的v p 4 4 系统) 。后又研制了喷 油压力更高的r s 型分配式油泵”。 日本z e x h ，公司的m o d e l 一1 型系统是在泄油通道上装置一个高速电磁阀。而电 控v e 型分配式油泵与b o s c l i 公司一样( 购买生产许可证) 。 日本电装公司( n i p p o nd e n s o ) 心”的推出采用控制滑套位置( 采用杠杆来控 制) 控制油量的e c d v l 系统，( 已商品化多年) 。而e c d - v 3 系统类似于m o d e l 一1 系统。 图1 - 2 泵一管一嘴阀系统 f i g 1 2p u m p l i n e - i n j e c t o r - v a l v ef u e li n j e c t i o ns y s t e m ( 4 ) 、电控泵喷嘴系统n 9 “儿2 3 电控泵喷嘴系统的特点：省去了高压油管，高压油泵和喷油嘴做成一体。供油 时刻与喷油时刻差别极小，控制响应快，具有高压喷射能力。 德国b o s c h 公司的电控泵喷嘴( e u i ) 系统由三大部件组成：柱塞式泵油元件、 高压电磁阀和喷油嘴。主要有p d e 2 7 和p d e 2 8 型电控泵喷嘴。 美国底特律公司的d d e c 系统，是在传统的机械泵喷嘴油道中设置了电磁阀，泵 油动力仍来自于凸轮轴。l u c a s 公司也有类似系统。 3 、中压共轨系统 共轨喷油系统不采用传统的柱塞泵脉动供油原理，用电磁阀控制喷油过程，它 属于时问控制系统。共轨喷油系统可分为中压共轨系统和高压共轨系统。它们在结 构上的主要区别是中压共轨系统有增压活塞把共轨管中的中压升高成高压，而高压 共轨系统中的共轨管中是高压。 7 一 【：海交通大学博十学位论文第一章绪论 ( 1 ) 系统工作过程 中压共轨喷油系统主要又称蓄压增压式燃油系统。它主要由油泵、蓄压器( 共 轨管) 、电磁阀、增压活塞组件、喷嘴和电控单元六个部分组成。如图卜3 所示 【： 0 j 。 图l - 3 中压共轨喷油系统简图 f i g1 - 3m i d d l ep r e s s u r ec o m m o nr a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e m 油泵向共轨输油，保持一定的压力( i o 2 0 m p a ) ，共轨上的溢流阀由电控单元 控制，通过适当的溢流来控制共轨内的压力。增压活塞放大系数将喷射压力提高 ( 5 ：l ，1 0 ：1 ) 送至喷油嘴，电控单元适时送出信号以驱动电磁阀和溢流阀，进行 喷油动作。 具体工作过程可以描述为：初始状态时，三通电磁阀接通增压活塞上腔和回油 管路，增压活塞上行，此时油泵通过输油管往增压活塞下腔输油。当三通电磁阀接 受e