（动力机械及工程专业论文）柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 高压共轨电控喷油系统代表了轻型车用柴油机燃油喷射系统的发展趋势，被 公认为是目前理想的柴油机喷射系统。高压共轨喷油系统是一个机、电、液相结 合的系统，其喷油特性直接影响柴油机的性能。对高压共轨喷油系统进行模拟计 算的目的在于研究其结构因素和控制参数对系统性能的影响，提出合理的结构设 计参数，为整个高压共轨系统设计和匹配提供理论依据。通过模拟仿真的方法可 以节约大量的人力、物力和财力，缩短设计、匹配周期，为系统的开发与研究提 供了一种有效的方法。 本文通过对高压共轨系统e c i ) - u 2 结构特性的分析，根据燃油系统的液力特 性，结合流体力学和电磁学理论，建立了高压共轨喷油系统的物理模型和数学模 型，采用模块化设计方法，建立了供油泵子系统、共轨管子系统、电磁阀子系统、 喷油器液压子系统，其中喷油泵子系统包括柱塞升程和柱塞腔子系统，电磁阀子 系统包括电路、磁路和衔铁运动子系统，喷油器液压子系统包括液体流动和针阀 运动子系统。然后根据e c d - u 2 高压共轨系统的特性，将所建的四个子系统有机整 合在一起，构建了高压共轨喷油系统仿真程序。利用仿真程序，对高压共轨喷油 特性进行了仿真，分析了高压油泵结构参数、出油阀结构参数、电控喷油器结构 参数对喷油系统特性的影响，对电磁阀启动特性与运行特性进行了量化分析，获 得一些重要结论，为高压共轨喷油系统的设计、选型匹配提供了有力的支持。 关键词：高压油泵；共轨管；电磁阀；啧油器；数值模拟 柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究 s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nd i e s e lh i g h - p r e s s u r ec o m m o n r a i l f u e li n j e c t i o ns y s t e m a b s t r a c t h i g h p r e s s u r eo o m m o nr a i ls y s t e mw i t he l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o ni sad e v e l o p i n g t e n d e n c yo ff u e li n j e c t i o nt e c h n o l o g yi nl i g h t - d u t yv e h i c l ed i e s e le n g i n e ，w h i c hi s a c k n o w l e d g e d a sa l lo p t i m a lf u e l 埘e c t i o ns y s t e ma t p r e s e n t i ti sam e c h a n i c a l e l e c t r i ca n dh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mw h i c ha f f e c t sd i r e c t l yt h ep e r f o r m a n c eo fd i e s e l e n g i n e t h ea i mo fs i m u l a t i o ni st os t u d ye f f e c t so fi t ss t r u c t u r a lp a r a m e t e ra n dc o n t r o l p a r a m e t e r , p u tf o r w a r dr e a s o n a b l ed 船i g np a r a m e t e ro ft h es y s t e m ，w h i c ha r eh e l p f u l t og i v es o m eg i s tf o rd e m a r c a t i n ga n dm a t c h i n g i tc a ns a v eal o to fl a b o r s ，m a t e r i a l a n df u n d s m e a n w h i l ei tg i v e sa ne f f e c t i v em e t h o dt od e v e l o p i n ga n dr e s e a r c h i n g i n t h i s p a p e r , w i t ht h ec o m b i n a t i o no ff l u i dm e c h a n i c sa n de l e c t r o m a g n e t i c t h e o r y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fah i 【g h - p r e s s u r ec o m m o n r a i ls y s t e mi se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s b a s e do ns t r u c t u r ec h a r a c t e f i s t i ca n a l y s i so f t h ee c d u 2 s y s t e m i ti sc o n v e n i e n tt oe s t a b l i s hah i g h - p r e s s u r ef u e lp u m ps u b s y s t e m b ym o d u l a rd e s i g nm e t h o d s ，i n c l u d i n gt h ei n j e c t i o np u m pp l u n g e rl i f ta n dp l u n g e r c a v i t ys u b s y s t e m ，a n dc o m m o n - r a i lp i p es u b s y s t e m t h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v e s u b s y s t e mi n c l u d e sd r c u i lm a g n e t i s ma n dm e c h a n i c ss u b s y s t e m s ，a n di n j e c t o r h y d r a u l i cp r e s s u r es u b s y s t e mi n c l u d e sl i q u i df l o w sa n dn e e d l e l i f t s u b s y s t e m a c c o r d i n gt of e a t u r e so ft h ee c d u 2s y s t e m ，t h ef o u rs u b s y s t e m sw i l lb ei n t e g r a t e d a sh i g h p r e s s u r ec o m m o n r a i ls y s t e ms i m u l a t i o n p r o g r a m t h e nt h eh i g b p r e s s u r e c o m m o nr a i le l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o ns y s t e mi ss i m u l a t e d t h ei n f l u e n c ef a c t o i so f f u e li n j e c t i o ns y s t e mc h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s o f h i g hp r e s s u r ep u m p s ，t h eo i lo u t l e tv a l v e ，i n j e e t o ra n dh i g h - p r e s s u r ec o m m o n - r a i l p i p e t h eq u a n t i f ya n a l y s i si s m a d eo ne l e c t r o m a g n e t i cv a i v et h es t a r t i n ga n d o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s s o m ec o n c l u s i o n sg i v ep o t e n ts u p p o r tt ot h ed e s i g na n d m a t c h i n go fh i g h p r e s s u r ec o m m o n r a i lf u e ls y s t e m k e yw o r d s ：h i 【g h p r e s s u r ep u m p s ：c o m m o n - r a i lp i p e ；e l e c t r o m a g n e t i cv a i v e = l n j e c t o r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意 作者签名： 垄堕日期：盟 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 盟年月上e t 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景 由于环境污染和能源危机的日趋严重，美国、欧盟和日本等国相继颁布了非 常严格的柴油发动机排放法规及燃油经济性法规，以限制柴油机的有害排放物， 迫使柴油发动机向低排放和低油耗的方向发展，我国也颁布了相应的法规。在此 背景下，柴油发动机今后发展的重要方向是要显著地降低柴油发动机尾气中的有 害物排放、噪声和油耗，满足柴油发动机e l 益严格的排放法规的要求以及用户对 降低柴油发动机噪声和油耗的强烈要求l h 】。 降低柴油机有害排放物、油耗以及噪声的关键是合理地控制柴油发动机燃烧 室内的燃烧过程，因此需要更好地组织进气、燃油的供给和混合气的形成及燃烧 过程，为此需要提高柴油发动机中进气系统、燃油系统和燃烧系统的性能，其中 提高喷油系统的性能是改进提高柴油发动机整体性能的关键措施眨”，高性能电 控喷油系统的开发己成为提高现代柴油机综合性能的重要手段。然而与世界汽车 工业发展先进的国家相比，我国在车用柴油机燃油喷射技术方面还有相当大的差 距，需要进行更深入的研究。 1 2 现代柴油机对电控喷射技术的要求 要使柴油机同时达到低排放、低油耗以及高动力性能的要求，现代柴油机喷 油系统应满足以下要求【4 1 1 5 】： ( 1 ) 高的喷油压力，并在发动机的全工况范围内实时可调； ( 2 ) 高精度控制喷油量： ( 3 ) 灵活的喷油定时控制； ( 4 ) 灵活的喷油速率控制； ( 5 ) 小的油量喷射； ( 6 ) 使用寿命内的高精度。 为了实现理想的喷油规律，灵活准确地控制其喷油特性，喷油系统必须具有 高速响应的执行机构，传统的机械式喷油装置由于受其响应速度和控制精度的限 制，很难实现喷油规律的灵活准确的控制，因此，在传统的机械喷油装置上是很 难实现的，只能通过电子控制的喷油系统实现。 柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究 1 3 柴油机电控喷油系统的发展 1 3 1 柴油机电控喷油系统发展过程 发达国家经过二十几年的研究，柴油机电控燃油喷射技术目前己趋于成熟， 先后推出了三代产品【6 j ：第一代产品为位置控制式，第二代产品为时间控制式， 第三代产品为时间压力控制式。 位置控制式喷油系统是对原来的机械喷油系统初步的电控化改造，主要是在 直列泵和分配泵上进行改进。该系统不仅保留了传统的泵管嘴系统，还保留了 原喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽等控制油量的机械传动机构，只是用线 位移或角位移的电磁执行机构控制油量调节齿杆和提前器运动装置的位移，实现 循环喷油量和喷油正时的电控，使控制精度和响应速度较机械式控制得以提高。 但由于未改变原有机械喷油系统的工作原理和调节方式，不可能调节喷油速率和 喷油压力，再加上位置调节并非对油量和定时的直接调节，要通过不少中间环节， 响应特性慢，不能分缸独立控制，存在一定的局限。 时间控制式喷油系统主要包括电控泵喷嘴系统、电控单体泵系统，主要将 原有的机械式喷油器改用高速强力电磁阀喷油器，以脉冲信号来控制电磁阀的吸 合与开启，继而控制喷油器的开启与关闭。一般情况下，电磁阀关闭，开始喷油； 电磁阀打开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀 关闭的持续时间。油泵的机械结构得到了强化与简化，适合于高压喷射。在时间 控制式喷油系统中，传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽和提前器等全部 取消，机械结构简单，控制反应快，对喷射定时和喷射油量控制的自由度比位置 控制式喷油系统更大，但电磁阀的响应时间对喷油过程的影响较大，特别是高速 时，电磁阀的响应相对迟缓，且其脉动喷油的原理使它仍然无法控制喷油压力和 喷油速率。因此，需要通过电磁阀的合理设计尽量缩短响应时间，提高控制精度。 以上两代产品都是基于脉动喷油的原理 时间压力控制式喷油系统也叫共轨式喷油系统，该类系统不再采用传统的 脉动喷油原理，具有共轨( 一个或两个) ，高压油泵并不控制喷油器，而是向共轨 供油以保持所需的共轨压力，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，采用压力 时间式燃油计量原理【7 - 1 们，用电磁阀控制喷射过程。其最大的特点是：压力形成 和油量传输基本上与喷油过程无关，能根据柴油机运行工况的不同。不仅可以适 时的控制喷油量与喷油正时，使其达到与工况相适应的最优数值，而且还使过去 难以控制的喷油速率和喷油压力的控制成为可能，系统的控制自由度及精度得到 了大幅度提高由于共轨式喷油系统中供油压力与喷油压力互不相关，在一定限 度内的喷油压力的选择不受发动机转速和喷油量的影响，同时，燃油燃烧和相应 2 大连理工大学硕士学位论文 的噪声也可以通过提高喷油压力及引入预喷射和复合喷射来改善，将高压喷射及 电子控制完美地结合起来，为喷油系统的设计和应用提供了额外的灵活性。正是 由于时间压力控制式喷油系统具有以上特点，显示出其具备满足未来排放法规 的巨大潜力，时间压力控制式喷油系统已经成为目前及今后柴油机电控技术中 重要的研究方向和发展趋势。根据高压产生的形成方式，时间压力控制式喷油 系统可分为高压共轨、共轨蓄压式和液力增压式系统。 由于共轨蓄压式系统和液力增压式系统每次喷射只是喷油器蓄压室中蓄积 的高压油，喷射压力会越来越低，喷射速率越来越小，喷油规律先急后缓，使得 喷油率形状不理想。而高压共轨系统能够在高压喷射的前提下根据工况需要实现 喷油压力、喷油量、喷油定时和喷油速率的动态优化，可以实现灵活的预喷射、 后喷射和多段喷射，以及三角型和靴型喷油规律，使柴油机的有害成分排放、噪 声和冷起动性能得到很大改善。因此，高压共轨系统将成为未来柴油机燃油喷射 系统的主要发展方向【吼1 1 , 1 2 。 1 3 2 国内外高压共轨系统的发展现状 由于高压共轨喷油系统的突出优点，世界各国的柴油机生产商从2 0 世纪末 至今在高压共轨系统的研究与开发方面投入了很大力量，已开发出很多比较成熟 的产品。其中代表性的成熟产品有；( 1 ) 意大利f i a t 集团的u n i j e t 系统；( 2 ) 德国b o s c h 公司的c r 系统：( 3 ) 日本电装公司的e c d - u 2 系统：( 4 ) 美国德尔福公 司的m u l t e cd c e 系统。它们的产品代表了当今高压共轨系统的技术水平和发展 趋势，因此以下主要针对上述公司介绍高压共轨系统的主要特性和应用情况【1 3 】。 ( 1 ) f i a t 公司u n i j e t 系统 意大利f i a t 公司是生产轿车用直喷柴油机的先驱，其为了解决轿车用直喷 柴油机的噪声问题，决定立项对柴油机燃油系统进行革命性的开发，从而揭开了 柴油机技术进步的新篇章，并研制成功了u n i j e t 高压共轨系统，如图1 1 所示。 该系统由带压力调节器的高压供油泵、各种压力传感器、电液控制喷油器和 电控单元构成。高压供油泵是一个三柱塞的等排量径向柱塞泵，共轨油道中的压 力是通过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。电液控 制喷油器是系统的关键部件，喷油定时由喷油器电磁阀控制，喷油器针阀升起及 关闭时问规律取决于喷油器控制腔的进、出油孔面积。喷油始点和终点的喷油速 率取决于进出油孔的面积，喷油量决定于共轨压力和电磁阀电流脉冲宽度。 与传统凸轮驱动的喷油系统相比，u n i j e t 系统对于降低n o x 和碳烟排放量 具有最佳的喷油压力匹配能力。并且能提高最大扭矩。u n i j e t 系统在预喷射定 时和预喷油量方面具有灵活性，有效地利用这种灵活性能恰当地协调燃烧噪声和 柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究 烟度控制之间的关系，满足了严格的欧排放法规的要求 图1 1f i a t 公司u n i j e t 高压共轨系统示意图 h g 1 1s c h e m a t i c 出a g r a mo fh a tu 叫e ts y s t c m ( 2 ) b o s c h 公司c r 系统 德国b o s c h 公司是柴油机油泵和油嘴制造业的先驱，其为了提高轿车柴油机 的性能，满足欧i i i 和u s 9 8 排放法规，研制c o m o nr a i l 高压共轨系统。目前 为止，b o s c h 公司总共规划和设计了3 代高压共轨系统。b o s c h 公司第三代高压 共轨系统的开发重心转移到了系统的技术复杂度和精密度上，如图1 2 所示。高 压油泵前端的齿轮泵将燃油从油箱抽出，通过滤清器送入具有泵油量调节功能的 高压油泵升压，分配单元将进入的燃油分成两路，一路供给泵油元件，另一路 图1 2b o s c hc r s 系统示意图 f i g1 2s c h e m a l i cd i a g r a mo fb o s c hc r s 用以冷却。高压油泵将燃油压缩至最高压力1 6 0 肝a ，并将其输入共轨。共 轨上安装的压力传感器、压力调节器和电控装置形成闭环的压力控制回路。高压 燃油经油轨到喷油器。第三代高压共轨喷射系统最大的特点在于采用了一个快速 大连理工大学硕士学位论文 开关的压电直列喷油器，压电执行器内置于喷油器轴体上，相比于传统喷油器减 少了约7 5 的运动件及7 5 的质量，开关速度也得到很大提高。第三代高压共 轨燃油喷射系统能满足严格的欧标斛1 捌 ( 3 ) 日本电装e c d - u 2 系统 日本电装公司一直致力于共轨喷射系统的研究，主要有e c d - u 2 系统( 图1 3 ) 和e c d - u 2 p 系统( 图1 4 ) 【1 7 】1 1 s i 。 e c d u 2 系统包括电控高压油泵、共轨、电控喷油器、e c u ( 电子控制单元) 以 及各种压力、温度、转速和位移传感器。共轨压力按发动机负荷图谱，根据每一 时刻发动机转速和负荷条件进行控制。喷油率、喷油量和喷油定时根据发动机工 况条件来控制。现在投入使用系统的共轨压力多为1 2 0 m p a 1 8 0 m p a 。喷油器采 用的是三通阀，由于泄漏量过大后来被换为二通阀。 图1 3 电装公司e c d u 2 系统示意图 f i gi 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fd e n s oe c d - u 2s y s t e m 图i 4 电装e c d - u 2 p 系统 f i gi 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fd e n s oe c i y - u 2 pf c i ) - u 2s y s t e m - 5 - 柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究 e c d u 2 p 系统与e c d u 2 系统相似，主要由高压油泵、共轨管、喷油器、e c u 和传感器等部分组成，是一种装配于轿车的共轨喷油系统。高压油泵为电磁阀控 制的2 缸直列柱塞泵，通过油泵控制阀( p c v ) 改变高压油泵供油量以控制共轨压 力，利用压力传感器检测共轨压力，根据发动机负荷和转速将共轨压力控制在预 定值，实现闭环反馈控制，其共轨压力可维持在i o o m p a 以上。喷油量和喷油定 时通过电磁控制的二通阀( t 吖) 来调节，阀的工作压力可达1 2 0 - p a 或更高，开启 和关闭响应很快。在1 2 0 m p a 的共轨油压下，开启响应时间0 3 5 m s ，关闭响应时 间有0 4 m s 。改变电磁阀上的脉宽可以控制喷油量，改变脉冲作用的时刻来控制 喷油定时。该系统通过节流孔和液压活塞的设计可获得合适的三角形及靴形喷油 速率，通过控制电磁阀多次动作实现预喷射及复合喷射，具有喷油量和喷油定时 的全电子控制、喷油速率可调、实现最佳喷射压力等特点【1 9 - 2 1 l 。可见电装公司的 e c d 喷油系统满足了现代柴油机各种要求，使柴油机的经济性和动力性得到很大 改善。 ( 4 ) 德尔福m u l t e cd c r 系统 德尔福最具代表性的就是先进的m u l t e cd c r 柴油共轨喷射系统。m u l t e cd c r 柴油共轨喷射系统的主要部件有共用高压油轨、高压燃油调压器、高压燃油泵、 燃油喷油器、电控单元、燃油滤清器和传感器等，如图1 5 所示。跟其它的尖端 高压喷射系统一样，m u l t e cd c r 柴油共轨喷射系统的喷射压力与发动机转速和 负荷无关，即使在低速运行时，系统仍可保持足够压力的高压燃油喷射。可实现 多次喷射，能满足欧i i i 排放法规要求。相比之下，其喷油器的设计更加独特。 m u l t e cd c r 主要采用了带有平衡控制和反馈控制策略的电控电磁阀结构电控式 喷油器，它能提供极快的动作响应并精确地进行燃油流量的计量。这种响应迅速、 结构紧凑、小巧玲珑的电磁阀控制的喷油器只需常规1 2 v 汽车蓄电池驱动就能正 图1 5m u l t e cd c r 高压共轨系统 f i g1 5 s c h e m a t i cd i a g r a r ao fm u l t e cd c r s y l n c m 6 大连理工大学硕士学位论文 常工作，比世界上现有的任何一种柴油机共轨喷射系统都节能，这大大降低了汽 车电子系统设计的系统生产成本和复杂程度。整个系统采用积木式设计，便于应 用于不同形式和不同种类的发动机。德尔福公司专门为共轨喷射系统开发了一套 以加速度信号处理为基础的喷油控制策略，使m u l t e cd c r 高压共轨系统具有较 低的燃烧噪声和排放i 勿。 高压共轨燃油喷射系统满足了现代发动机对燃油喷射系统的要求，可以在不 对现有发动机作太大改动的前提下就可满足欧i 排放标准，高压共轨系统被内燃 机行业公认为是2 0 世纪二大突破之一，是2 l 世纪车用柴油机电控燃油系统开发 的主流，高压共轨系统的开发热潮已经到来。 国内柴油机共轨系统研究起步较晚，多家单位只在第一代位置控制式电喷系 统研究的基础上进行了共轨系统的研究，在系统组成和关键零部件研究方面取得 些进展。国内在开发高压共轨系统及其与柴油机匹配技术方面目前正处于研制 开发阶段。科研单位主要有：天津大学、北京理工大学、上海交通大学、浙江大 学、华中理工大学、无锡威孚集团、无锡油泵油嘴研究所等。其中天津大学内燃 机燃烧学国家重点实验室推出一种高压共轨系统f i r c r i ，与b o s c h 公司c r 系统 的不同点在于采用液力平衡式快速响应电磁阀田】，其它方面与b o s c h 类同，它具 有稳定的小量预喷射功能，多次控制喷射功能。无锡油泵油嘴研究所和浙江大学 联合开发了f c r s 共轨系统。上海交通大学购买日本d e n s o 公司e c u u 2 系统，开 发了g d _ 1 高压共轨系统，主要匹配到玉柴6 1 1 0 柴油机上。无锡油泵油嘴研究所 引进日本h i n o 公司的j 0 8 c 柴油机，意图仿照其上的e c d u 2 系统样品进行开发。 从公开发表资料来看，上述单位取得了阶段性丰硕成果，但大都处于系统研制或 台架实验阶段，总的来说处于起步阶段。国内在自主开发的同时积极引进国外先 进技术，0 4 年底威孚集团和b o s c h 公司联合组建了博世汽车柴油系统股份有限 公司，该公司以b o s c h 公司技术为依托在无锡生产高压共轨系统。b o s c h 公司满 足欧i i i 排放标准的高压共轨系统在国内市场开始有售。另2 0 0 4 年1 2 月，南京 依维柯发动机分公司国产化的s o f i m 欧i i i 共轨发动机正式下线，该机采用b o s c h 公司高压共轨系统，与相同功率汽油机比节省燃料3 0 以上。这款发动机填补了 国内中小型欧柴油发动机空白，为高压共轨系统在发动机上的应用提供的实践 基础。 国内在一些关键技术上，比如高速电磁阀的研究、泵油量的控制、执行机构 的开发、泄漏问题、各学科分工合作问题等还不够成熟。目前相关企业主要在做 一些共轨电控及其标定系统研制开发、零部件的优化调整、匹配、燃油及特性分 析和燃油系统的模拟计算等方面的工作。整个系统的开发及投入使用还有一段时 间。 - 1 - 柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究 1 4 喷油系统计算仿真技术的发展 喷油系统的工作状况对柴油机的油耗率、排放、运转平稳性、动力性等多方 面的重要性能都有很大影响，因此被人们广泛地研究。以往的研究工作通常在大 量实验基础上进行，在电子技术飞速发展的今天，计算机仿真被广泛应用与各种 动态过程的仿真。利用仿真计算可以方便地反映出结构参数变化对系统性能的影 响，指明优化设计的方向，大大减少实验工作量并节约资金。国外早已开始对喷 油系统工作过程进行仿真计算，国内的同类研究始于随着供油系统设计的不断改 进，研究者需要考虑的因素越来越多，模型处于不断完善之中。计算机技术的发 展，为较完善的模型的计算所用的时间提供了保证。 1 4 1 喷油系统计算仿真的意义 随着计算机技术的飞速发展，计算机数值模拟技术已成为新产品研究开发中 不可缺少的环节。在柴油机燃油喷射系统的研究开发中，对喷射过程进行计算机 数值模拟计算既可以用来对已有的燃油喷射系统进行改进，也可以对新开发的喷 射系统的喷射过程进行分析。这些无疑会对我们认识和掌握高压共轨式系统设 计、匹配的一般方法、验证控制策略、优选控制参数、缩短开发周期和提高工作 效率都起到非常重要的作用。目前，仿真计算已经成为柴油机喷油系统研究和开 发过程中不可缺少的技术手段【4 3 删，已广泛应用于燃油系统的优化设计中【4 5 1 。 由于高压共轨系统在国内还处于起步阶段，加之国外各大公司的技术保密性，使 得对国内现有柴油机匹配高压共轨系统必须进行仿真计算，以提供基本的匹配依 据和初步参数。 对高压共轨系统进行仿真计算具有如下优点： 在新喷油系统研发、匹配的前期，把仿真计算和实验相结合，可以更加深 入地研究燃油喷射的物理过程，有根据的选择和确定新喷油系统的初步结构参数 和评估新喷油系统工作特性以及评估系统结构参数和运转参数对喷油特性的影 响，为整个电控喷油系统的软、硬件设计提供设计数据和设计方法，可以有效缩 短系统的设计时间，节约资金。 在新喷油系统研发、匹配的后期，在喷油系统结构参数已经确定的情况下， 把仿真计算和实验相结合，可根据实际需要优化或确定喷油系统的运行参数( 如 电磁阀通电时间、共轨燃油压力等) 。 可用于现有柴油机喷油系统结构参数综合优化，也可为提高喷油系统性能 而寻求可能的设计方案。 由于采用仿真系统代替实际系统，可使改变参数进行实验的次数不受限 制，且仿真结果具有可重复性；还可以进行极限状态下的测试实验，而不具破坏 0 大连理工大学硕士学位论文 性，费用低，无危险。因此可以大幅度减少台架实验工作，降低费用，明显缩短 开发和测试周期。 通过喷油系统动态仿真计算，可以获得某些无法通过实验手段获得的重要 参数及指标，比如各种动态过渡过程、内部流动情况、针阀的运动及喷油特性等。 在燃油系统与燃烧系统的匹配研究中，可以先通过计算分析然后优化并预 测喷油系统的各项性能指标，然后再进行实验，在此基础上，结合柴油机气缸内 的热力过程模拟计算，可以预测柴油机的基本性能。 系统仿真还可以对喷油系统的压力损失进行定量分析，包括管弯曲部分压 力损失、管壁粗糙度带来的压力损失、滤清器压力损失、各连接处的动能损失等： 可以仿真研究高压油泵的柱塞和套筒之间的泄漏，喷油嘴针阀偶件的泄漏，以及 它们的泄漏对整个系统所带来的影响。 总之，通过喷油系统动态仿真计算，可以使技术问题最小化，有效地降低喷 油系统研究成本，缩短喷油系统的开发周期，从而实现工作质量、工作速度和经 济效益最大化 1 4 2 喷油系统计算仿真技术的发展现状 柴油机燃油喷射系统的仿真是以管道流动数学方程组( 连续方程、运动方程 和能量方程) 为基础来进行的，根据具体的结构特点和工作过程确定相应的边界 条件。仿真的基本步骤是：先确定系统的物理模型，再给出系统各个部件的数学 模型，最后对模型采用适当的方法进行计算。国外早己开始对喷油系统工作过程 进行仿真，国内的相关研究开始于2 0 世纪7 0 年代。自6 0 年代德国b o s c h 首先 在低压喷油系统应用c a d 技术以来，柴油机燃油喷射系统的计算机仿真有了相当 大的发展 八十年代早期的模型采用了非线性方程，把油管内流动当作不稳定流动来处 理，但均进行了简化。文献 2 4 2 5 1 2 6 1 对模型的处理采用定密度、定音速，不考 虑喷嘴压力室的影响，采用特征线法进行计算：文献【2 7 】进行了变密度变音速的 处理，详细讨论了采用变密度和变音速处理所带来的效果；文献 【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 1 】【3 2 】等均采用变密度和变音速模型，并考虑压力室的影响。 文献【4 0 】讨论了柱塞的泄漏量模型，对柱塞套进油空的节流进行了详细的分 析研究；文献 3 3 对泄漏公式的进行了推导和处理，考虑了泄漏量的对系统的影 响。 由于系统在低压时，容易产生空泡现象，对仿真结果影响很大，进而在完善 的模型中，考虑了空泡的影响。文献 3 4 详细讨论了出油阀腔、油管和油嘴盛油 腔中空泡的产生和溃灭过程，以及空泡对性能的影响，从实验的角度对空泡进行 - 9 - 柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究 了分析；文献 2 5 3 9 3 0 介绍了空泡的处理方法，提出“当量燃油密度“概念 来处理空泡，能达到有效的计算结果。 这些常规机械喷油系统的仿真模型已能够在一定程度上较好地仿真燃油喷 射动态过程，具有较强的实用性和指导意义。 电控燃油喷射系统有些边界条件与传统的喷油系统不同，不能简单的采用管 道流动方程进行仿真计算。一般来说，高压共轨喷油系统仿真都由电磁类模型、 容器类模型( 柱塞腔、共轨腔、控制腔、喷嘴腔、压力室) 、运动件模型( 针阀、 控制阀等) 和管类通道( 高压油管等) 组成。在处理高喷油压力仿真时，各种模型 原理相似，只是具体的处理算法和采用的软件工具有所不同，经实验对比，都能 较好的达到仿真目的。 文献 3 8 给出了电控泵一管一嘴燃油喷射系统模型，并进行了仿真和设计；文 献 3 5 3 6 根据电控泵一管一嘴模型进行修改，为s e r v o j e tb 跚公司开发中压共 轨s e r v o j e ts s i 一1 系统和h e u i 系统建立了数学模型，考虑了电磁的、液力的模 型，编制了适用的仿真软件；文献 3 7 针对中压共轨系统，考虑了密度、音速、 粘度的变化，分析了系统中的压力损失和泄漏，建立了液力模型，并详细研究了 电控喷油器电磁模型；文献 5 8 讨论了中压共轨系统瞬变过程，对不稳定工况， 分析了循环供油量的变化；文献 4 1 给出了中压共轨系统的简单数学模型；文献 5 9 对高压共轨用喷油器进行了仿真，分析了进、出油孔对喷油规律的影响，研 究了针阀启闭时间和升程特性，它没有考虑油压的传播历程。 对目前燃油系统数学模型，多数着重讨论喷油器、油泵的模型和影响因素， 但也有详细讨论油管流动的。文献 3 9 除了研究电磁模型外，还重点讨论了油管 尺寸多喷油规律的影响，分析了管路的压力波动：文献 3 3 中的模型考虑了压力 损失和油管粗糙度的影响，但未给出具体的模型和计算结果；而文献 4 2 分析了 电控系统的动力学和电磁模型。这些都为电控柴油机燃油系统的工作过程仿真提 供了一定的依据，也能在一定程度上较好地仿真喷油过程，但由于电控系统仍然 处在开发研究阶段，仿真模型仍有待进一步优化。 现有模型的模拟结果具备了较好的有效性和准确性，但在模拟精确度方面尚 可改进，主要可从以下几方面考虑进一步完善燃油喷射系统的模拟计算。 ( 1 ) 从数理模型的假设入手，使得所建模型能越来越真实的逼近真实系统内 的实际过程。所建计算模型不仅将上述诸多因素和最优假设考虑在内，还需考虑 以下四方面影响因素：燃油喷射过程中油泵供油、喷嘴喷油及阀门的关闭等所引 起的压力波动的影响；燃油喷射过程中的热传导作用，并引入能量方程：喷嘴调 压弹簧以及共轨系统电磁阀弹簧的振动对系统的影响；燃油本身重力的影响。 ( 2 ) 探求最合理而有效的数值计算方法。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 随着燃油喷射系统，特别是共轨电控喷油系统的发展，喷油峰值压力已 经可以超过2 0 0 m p a ，因此除了采用传统的喷油液力学模拟方法外，还应引入热 力学方法，根据液力系统的能量平衡来计算喷油系统中燃油温度的分布，从而彻 底分析燃油特性和能量的总体转换情况，为系统结构和效率的优化奠定基础。 ( 4 ) 将喷油嘴内流动的模拟和燃油雾化和喷雾特性的模拟结合起来，将喷嘴 流动和其上游流动结合起来，建立起完善的喷油系统计算模型，既为喷雾模型提 供更为真实的边界条件，也易于分析整个喷油系统对燃油喷雾过程和雾化的影 响。 以上这些文献中提到的模型，基本上针对特定的系统而进行的。电控燃油喷 射系统的仿真计算还处于开发完善阶段，国内对高压共轨系统研究仍处于起步阶 段，许多的工作需要我们开展深入的研究。 1 5 课题内容与技术路线 1 5 1 课题内容概述 本课题是对高压共轨系统进行基础研究，根据高压共轨喷油系统结构特点， 建立其数学模型，编制模块化的仿真程序。通过定量分析各种结构参数及基本目 标，仿真得到高压油泵端压力、共轨管稳定压力、电磁阀电流、控制腔压力、压 力室喷射压力、喷油速率、喷油量等重要参数对系统特性的影响，为各总成设计、 选型、匹配实验和电控单元( e c u ) 的控制参数提供必要的标定依据。 本文结合大连市科技计划科研课题，拟对高压共轨系统进行仿真分析研究： 籍以研究共轨系统，为以后的实验与开发奠定了基础。 主要研究内容有： ( 1 ) 全面系统的分析了电控喷油系统的发展概况及最新进展，正确把握电 控喷油技术的发展方向，充分论证了高压共轨式喷油系统研究的必要性、可行性 及现实意义。 ( 2 ) 在广泛阅读国内外有关文献的基础上，对已有的电装高压共轨喷油系统 的结构和工作过程进行分析，为建立系统的物理、数学模型提供基础。 ( 3 ) 对高压共轨系统建立综合的数学模型，模型综合考虑了燃油喷射过程中 的温度变化、黏度变化、密度变化、声速变化、配合面泄漏等等诸多因素的影响。 ( 4 ) 为方便程序的编写对方程进行了离散，以m a t l a b s i 删1 i n k 软件为平台 对综合模型编写仿真程序，建立“人机交互”界面。根据建立的模块化的高压共 轨系统数学模型，利用现代计算机技术对高压共轨系统喷射过程进行仿真研究。 系统、全面地分析系统部件结构参数对系统特性的影响，为高压共轨系统设计及 系统的标定提供参考依据。 柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究 ( 5 ) 为检验程序的正确性，建立高压共轨实验台架，进行了高压共轨系统 进行了相关实验。根据仿真计算结果和实验结果，研究了各参数对喷射特性的影 响。 1 5 2 课题技术路线 一般喷油系统的喷油过程计算仿真主要包括：分析研究对象工作原理及设 计要求；简化去除非必要环节，建立物理模型和数学模型；选择数值求解方法以 及确定边界条件；用相关软件进行仿真、分析。这是喷油过程模拟计算不变的主 剧4 6 明。 本课题去除所有非必须的功能环节如输油泵等低压部件、部分传感器，保留 高压油泵至喷油器部分，对整个喷油过程进行高度的抽象和概括。高压共轨系统 是以高压油管内的流动为基本流动模型，燃油在流动过程中有3 个边界模型，一 是高压油泵边界，二是共轨管边界，三是喷油器边界。其中高压油泵系统将高压 油泵、出油阀、压力控制阀考虑在内。电控喷油器系统将电磁阀、喷油器考虑在 内，从而把高压共轨系统分成高压油泵子系统、共轨管子系统、喷油器子系统， 对各子系统采用模块化方法建立其仿真计算模型。建模时将对象按要求分解成泄 漏、集中容积、节流孔、活塞、阀、弹簧、电磁铁等基本元件，再加上针阀、油 嘴等专用元件，按它们相互之间的关系，通过液力、机械及电磁等特殊方式联结。 数学模型从流体运动所必须遵循的质量守恒定律、牛顿第二定律出发，结合描述 流体系统物理量状态的微分方程，建立高压共轨系统的液力数学模型。通过 m a t l a b s i m u l i n k 软件对其进行编程仿真，通过实验验证模型的可靠性，分析影 响高压共轨喷油系统的主要参数，为系统的初步设计提供参考。 为了更好地分析喷油器各腔内的压力变化，本论文在处理喷油器物理与数学 仿真模型时，将喷油器简化为四个集中容积，与以往的模型简化有所不同。 本文将高压共轨燃油喷射系统中的液力部分与电磁部分充分结合，弥补了优 秀的流体仿真软件的不足；所编程序留有电磁部分接口，可以充分与控制系统结 合，实现高压共轨燃油喷射系统的整体计算机仿真，减少大量实验，节省了人力 物力。缩短了开发周期。 大连理工大学硕士学位论文 2 高压共轨系统组成和原理 本课题的研究对象是日本电装公司的e c d u 2 高压共轨系统，该系统由高压 油泵、共轨、喷油器、电子控制单元( e c u ) 和各种传感器等组成。低压燃油泵将 燃油输入高压油泵，高压油泵将低压燃油加压成高压燃油，并将高压燃油供入共 轨之中。燃油压力是由通过调节供入共轨中的燃油量来控制的。油泵内设有压力 控制阀( p c v ) ，它根据e c u 的控制信号，在适当的时刻开启和关闭来控制供油量， 最终控制共轨内的压力。供油泵产生的高压燃油由共轨分配到各个气缸的喷油器 中。燃油压力由设置在共轨内的压力传感器测出，并由反馈控制系统控制，使根 据发动机转速和发动机负荷设定的压力值和实际压力值始终一致。共轨内的高压 燃油经高压油管输送到安装在气缸盖上的喷油器内，经喷油器内的喷油嘴将燃油 喷入燃烧室内。喷油器控制喷油定时和喷油量，是通过开启( 通电) 或关闭( 断 电) 三通阀( t w v ) 实现的，三通阀的通电时刻确定喷油始点，三通阀的通电持续 时间和共轨压力确定喷油量。喷油器中泄漏出来的燃油经回油管流回燃油油箱 中。 下文将对e c d u 2 系统关键部件高压油泵、喷油器和共轨管的结构及工 作原理进行分析【删【4 9 l 【卯j 1 】【酯j 。 2 1 高压油泵 e c d - u 2 系统采用了一个三作用凸轮的两缸直列泵来产生高压，和传统的直 列泵结构相似，通过凸轮和柱塞机构使燃油增压，两柱塞上方配置电磁压力控制 阀p c v ，如图2 2 所示。高压油泵外观和剖面结构如图2 1 所示。采用三作用 型凸轮可使柱塞单元减少到i 3 ；油泵向共轨管供油的频率和喷油频率一致，可 使共轨中的压力趋于平稳。该型供油泵的主要特征主要有：可以满足高供油压力 的需要；采用机油润滑；使用寿命长；使用过程中故障少，可靠性高；采用预 图2 i 高压油泵外观与剖面结构图 f 塘2 1a 卵姗a n d s t r u c t u r a ld i a g r a mo fh i s hp r e s s u r ep u m p 一1 3 - 柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究 行程控制方式，只对需要的供油量作功，不必对多余的燃油进行加压；实现同步 控制，一幅柱塞偶件用三个凸轮完成压油，工作效率高。 图2 2 高压油泵电磁阀原理图 f i g 2 2w o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo fh i g hp r e s s u r ep u m p f i g2 3s t r u c t u r a ld i a g r a mo fd e l i v e r yv a l v e 在高压油泵的出口装有出油阀，它也是一个简单的单向阀，如图2 3 所示。 出油阀的主要作用是防止轨内的燃油倒流进油泵柱塞腔。出油阀弹簧有一定的预 压缩量，即使轨内背压为零，也使得油泵柱塞腔内的燃油达到一定的压力才可以 出油。弹簧的预压缩力稍大于输油泵的输出压力，一般为0 5 1 o m p a 2 2 共轨管 共轨管将高压油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用