（动力机械及工程专业论文）柴油机高压共轨喷油系统仿真及整体式喷油器研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t om e e tt h ei n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te m i s s i o nr e g u l a t i o n sa n di m p r o v et h ef u e l e c o n o m y , t h ee n h a n c e m e n to fi n j e c t i o np r e s s u r e a n dt h e c o m p r e h e n s i v ef l e x i b l e c o n t r o lt ot h ei n j e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c a r et h et e n d e n c yo ft h ed e v e l o p m e n to ff u e l i n j e c t i o ns y s t e m t h eh i g h p r e s s u r ec o m m o n r a i lf u e li n j e c t i o ns y s t e m ，d e v e l o p e df o r d i e s e le n g i n e ，c o u l di m p r o v ed i e s e le n g i n ea n dv e h i c l e sp e r f o r m a n c e i tp r e s e n t st h e d e v e l o p i n gd i r e c t i o no f f u e li n j e c t i o ns y s t e mf o rd i e s e l b a s e do nr e l a t e dl i t e r a t u r e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ef e a t u r e sa n da d v a n t a g e so f t h e h i g h p 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 ma n dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n r e s e a r c h e si nd e t a i l t h e nt h er e p r e s e n t a t i v ei n t e g r a li n j e c t o ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f p e r f e c tf u e li n j e c t i o nr a t ea r ei n t r o d u c e d ，a n d t h ea i m so fs i m u l a t i o na n dd e v e l o p m e n t o f c o r r e l a t i v et e c h n o l o g yo f f u e li n j e c t i o ns y s t e mi sd e s c r i b e d am a t h e m a t i cm o d e lo fh i g h - p r e s s u r ec o m m o nr a i lf u e l i n j e c t i o ns y s t e mi s c r e a t e d ，a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lp a r t s c h a r a c t e r i s t i ca n dt h e i rp e r f o r m a n c et h e o r y o ft h i s s y s t e m t h i s m o d e li sm a d eu po ft h eh y d r a u l i c c o n t i n u i t y e q u a t i o n s o f c h a m b e r sa n dp i p e l i n e s ，a n dt h ed y n a m i c se q u a t i o n so fm o v i n gp a r t s t h eh y d r a u l i c c h a m b e r sa v et r e a t e da sc o n c e n t r a t e de l e m e n t s t h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h i sm o d e la n dt h em a i n l yp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d t h es i m u l a t i o nm o d e li sd e v e l o p e dw i t hm a t l a b s i m u l i n k4 0t o o l b o x t h er e s u l t s o fs i m u l a t i o na g r e ew i t ht i l ef a c t t h e r e f o r et h i sw o r km i g h tb eh e l p f u lt ot h er e s e a r c h o fn e w e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e df u e li n j e c t i o ns y s t e m u s i n gt h i ss i m u l a t i o nm o d e l ， d i f f e r e n tp a r a m e t e r se f f e c t so ns i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e d t h ei n t e g r a li n j e c t o ro ft h eh i g h - p 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 mi sa n a s s e m b l yi n t e g r a t e dm 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 a r t s ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h e f u e l i n j e c t i o n r a t ea n de v e n t u a l l ya f f e c t st h e p e r f o r m a n c e o fd i e s e l e n g i n e s a n d v e h i c l e s a d e s i g ns c h e m eo fi n t e g r a li n j e c t o r w a sp r e s e n t e d t og e t p e r f e c t f u e l i n j e c t i o nr a t e ，o p t i m u md e s i g no f t h es y s t e mi sc a r r i e do u tt h r o u g hs i m u l a t i n ga n d c a l c u l a t i n g a tl a s t ，t h ep a p e rs t u d i e st h ec a p a b i l i t yo fp r e i n j e c t i o no ft h i si n t e g r a l i n j e c t o r k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e d ，f u e li n j e c t i o ns y s t e m ，s i m u l a t i o n ， c o m m o n r a i l ，i n j e c t o r 1 i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1柴油机高压共轨燃油喷射系统简介 】1 】柴油机高压共轨燃油喷射系统构成及特点 为了降低c 0 2 、p m 、n o x 等的排放和提高经济性，以满足臼益严格的排放 法规。一种理想的喷油系统应该具有以下性能：高喷油压力( 1 0 0 m p a 以上) 而 且喷油压力可根据工况需求灵活调整；精确而灵活的控制喷油定时和喷油量：喷 油率的优化控制；与整机匹配灵活【l 心。实现以上柔性控制功能是燃油喷射系统 发展的必然趋势。高压共轨燃油系统正是顺应这些需求而诞生。 高压共轨燃油系统始于二十世纪9 0 年代初期，属于第三代电控喷油系统技术 t 第一代采用凸轮压油+ 执行机构位置控制；第二代采用凸轮压油+ 电磁阀时间 控制：第三代采用燃油蓄压+ 执行电磁阀压力时间控制) 。曰本电装公司、美国卡 特彼勒公司、b o s c h 公司和意大利菲亚特公司都进行了该系统的研究，取得了很 大发展，至9 0 年代中后期开始进入实用阶段。它和汽油直喷技术、d m e 代用燃 料被世界内燃机行业公认为2 0 世纪三大突破，在2 l 世纪将对世界发展和我国的国 民建设发挥重大作用。 高压共轨燃油系统是建立在机械、液压和电控技术基础之上的一种全新概念 的喷油系统。主要由高压泵、共轨管、整体式喷油器、e c u 和各种传感器组成。 高压共轨系统不再采用喷油系统的柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在 供油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并 平抑压力波动，再通过高压油管输送到每个喷油器上，由喷油器上电磁阀的动作 控制喷射的开始、终止和喷油率；电磁阀起作用的时刻决定喷油定时，起作用的 持续时间和共轨压力共同决定喷油量。由于这种系统采用压力时间式燃油计量原 理，因此又可称为压力时间控制式电控喷射系统。【2 “i 高压共轨喷油系统具有以下特点归。j l ： 1 喷油压力的建立于喷油过程无关，喷油压力、喷油过程和喷油持续期不受负 荷和转速的影响，喷油压力可以根据优化结果进行灵活控制。因而可以提高 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1柴油机高压共轨燃油喷射系统简介 】1 】柴油机高压共轨燃油喷射系统构成及特点 为了降低c 0 2 、p m 、n o x 等的排放和提高经济性，以满足臼益严格的排放 法规。一种理想的喷油系统应该具有以下性能：高喷油压力( 1 0 0 m p a 以上) 而 且喷油压力可根据工况需求灵活调整；精确而灵活的控制喷油定时和喷油量：喷 油率的优化控制；与整机匹配灵活【l 心。实现以上柔性控制功能是燃油喷射系统 发展的必然趋势。高压共轨燃油系统正是顺应这些需求而诞生。 高压共轨燃油系统始于二十世纪9 0 年代初期，属于第三代电控喷油系统技术 t 第一代采用凸轮压油+ 执行机构位置控制；第二代采用凸轮压油+ 电磁阀时间 控制：第三代采用燃油蓄压+ 执行电磁阀压力时间控制) 。曰本电装公司、美国卡 特彼勒公司、b o s c h 公司和意大利菲亚特公司都进行了该系统的研究，取得了很 大发展，至9 0 年代中后期开始进入实用阶段。它和汽油直喷技术、d m e 代用燃 料被世界内燃机行业公认为2 0 世纪三大突破，在2 l 世纪将对世界发展和我国的国 民建设发挥重大作用。 高压共轨燃油系统是建立在机械、液压和电控技术基础之上的一种全新概念 的喷油系统。主要由高压泵、共轨管、整体式喷油器、e c u 和各种传感器组成。 高压共轨系统不再采用喷油系统的柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在 供油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并 平抑压力波动，再通过高压油管输送到每个喷油器上，由喷油器上电磁阀的动作 控制喷射的开始、终止和喷油率；电磁阀起作用的时刻决定喷油定时，起作用的 持续时间和共轨压力共同决定喷油量。由于这种系统采用压力时间式燃油计量原 理，因此又可称为压力时间控制式电控喷射系统。【2 “i 高压共轨喷油系统具有以下特点归。j l ： 1 喷油压力的建立于喷油过程无关，喷油压力、喷油过程和喷油持续期不受负 荷和转速的影响，喷油压力可以根据优化结果进行灵活控制。因而可以提高 华中科技大学硕士学位论文 柴油机低速运行和起动时的喷油压力和喷油速率，并使低转速时喷油持续期 减小，有助于改善柴油机低速时的性能和排放。 2 控制脉宽可以控制喷油量，通过控制脉冲起始时间可以在很宽的范围内控制 喷油提前角，不受机械因素限制，控制灵活、精度高，能够根据反馈的信息 随时修正控制量，兼顾柴油机动力性、经济性和排放的要求。 3 喷油定时与燃油量计量分开，响应速度快，可以自由调整每缸的喷油量和喷 油始点。 4 具有柔性控制的喷油率，可实现预喷射、4 喷射、靴型喷射、快速停喷、后 喷射、多段喷射。 5喷油器上无压力增压机构，高度降低，安装尺寸小，采用标准柴油机喷嘴， 有利于匹配各种机型，减少了柴油机结构和尺寸的改变。 1 1 2 国内外研究动态 在共轨喷油系统研究方面的主要公司有：意大利菲亚特集团( u n i j e t ) ，德国 r o b e r tb o s c h 公司( c r 系统) ，日本电装公司( e c d u 2 ) ，美国b k m 公司( s e r v o j e t 系统) 。他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。另外美国 c a t e r p i l l a r 公司的h e u 系统，美国底特律柴油机公司，英国l u c a sd je s e ls y s t e m 公司，德国的m t u 公司，美国的s t a n a d y n e 公司等也都在积极开发柴油机共轨蓄 压燃油系统，或已有产品开始投放市场。1 5 , 6 , 7 , 8 , 1 0 1 1 意大利菲亚特集团( u n i j e t ) 1 6 7 “】 f j a t 公司是生产轿车用直喷式柴油机的先驱，为了解决轿车用直喷柴油机噪 声问题，于二十世纪8 0 年代中期决定立项对柴油机燃油系统进行革命性的变革， 并研制成功了u n i j e t 高压共轨系统。 该系统如图( 1 1 ) 所示，主要由带压力调节器的高压供油泵、各种油道压力 传感器、电液控制喷油器和电控单元组成。该系统的主要技术参数：发动机转速 1 0 0 0 6 0 0 0 r m i n 、最大供油量1 0 0 n 【l r n 3 行程、喷射压力调节范围1 5 l3 0 m p a 、发 动机气缸间和工作循环间喷油量和正时可控制，在发动机广阔的使用范围虎，预 喷量可非常小。该系统适用于不同尺寸和结构的发动机，缸盖不作任何修改。 u n i j e t 高压共轨系统能改进新一代直喷式柴油机的性能，能满足柴油机的下 述准则要求：较低的燃油耗；通过提高柴油机的低转速扭矩增加车辆的低速行驶 功率：降低燃烧噪声，从而改善柴油机的整体噪声状况；改善柴油机的冷起动性 2 华中科技大学硕士学位论文 = ：= = = = ；= = = = = = g = = = = ；= = = = = = 能；保持发动机系列的现有基本生产状态不变：满足目前欧洲的排放法规。 图l 一1u n i j e t 高压共轨系统 2 日本电装公司的e c d - - u 2 系统【1 3 、1 5 1 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 系统是一种典型的高压共轨式 燃油喷射系统。如图( 1 2 ) 所示，高压油泵是电磁阀控制的2 缸凸轮( 凸轮近似 为三角形) 直列泵。柴 油经高压油泵升医进 入共轨油管，共轨油 管有高压传感器，为 e c u 提供反馈信号， e c u 控制油泵上的电 磁控制阀，将共轨压 力稳定于所需要的 值。轨内压力可达 】0 0 m p a 以上。喷油器 上的电磁阀关闭时， 二：通阀的进油口打 7 ：，泄油口关闭，共图1 2 日本电装公司e c d u 2 高压共轨系 华中科技大学硕士学位论文 轨中的柴油既进入喷油嘴，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。电磁阀通电开启时，三通阀的进油v i 关闭而泄油口打开，液压活塞 卜方的压力降低，针阎在共轨压力的作用下抬起，开始喷油。为控制喷油率，在 液压活塞上方设计了并联单向阀和节流孔，使针阀开启缓慢而关闭迅速，由于液 j k 活塞面积比针阀面积大得多，因此能以很大的液压力来关闭针阀，实现快速停 油。喷射定时由启闭三通阀来控制，喷射量由三通阀接通的持续时间来控制。 ： 德国r o b e r tb o s c h 公司的c r 系统1 5 6 1 6 】 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，结构如图( 卜3 ) 。 其高压供油泵为带有 电控压力调节器的径 同朽塞泵，可实现部 分停缸控制，这与 k c d u 2 不同。因此 低压时的功率消耗可 降低，轨内压力在 15 1 4 0 m p a 范围内 自由调节，能成功地 3b o s c h c r 共轨系统 实现低的喷油率、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 ；该系统的主要技术参数：径向活塞泵产生高压，供油泵最高转 速4 0 0 0 r m ir l 、最大供油量约3 3 0 m m 3 行程、最高喷射压力1 4 0 m p a 、喷油器上电 磁阀为二位二通阀，电控单元采用1 6 位微机。 4 美国卡特彼勒公司的h e u i 系统f j 7 叫9 j 美国卡特彼勒公司的h e u i 系统属于共轨液压式燃油喷射系统。该系统分燃油 和润滑油两个线路，其中润滑油为喷油器的控制油，高压机油泵将润滑油输人共 轨油管，并作用到各喷油器。电磁阀控制共轨油压，压力值在4 2 3m p a 之间调 节。具体值依据发动机性能需要调节，喷油器是该系统关键部件。 工作过程如下：电磁阀通电后，控制阀上行，切断回油孔，下部座面开启， 共轨润滑油进入增压活塞上方，活塞下行压缩柴油，高压柴油打开针阀形成高压 喷射，电磁阀断电后，控制阀下行，回油孔接通，迅速泄压，增压活塞在弹簧作 4 华中科技大学硕士学位论文 用下迅速上行，针阀关闭，喷油停止。喷油时刻既为电磁阀接通的时刻，电磁阎 通电持续时间决定了喷油量的多少。喷射压力为共轨压力与增压活塞、柱塞面积 比的乘积，可达1 5 0 m p a 左右。 1 1 3 国内研究状况 近年来，国内进行高压共轨式电控喷油系统研究的院校很多，一些企业也逐渐重 视对此系统的研究、开发。但大多数停留在实验研究和理论研究阶段，至今无成 功产品。其共轨系统在表现形式上虽然各不相同，但本质上差不多。较为典型的 有天津大学开发的一种新型蓄压式共轨电控燃油喷射系统1 2 ”。还有无锡油泵油嘴 研究所、上海交通大学、北京理工大学等科研机构也在进行这方面的工作。 1 2 共轨式电控喷油系统喷油器 共轨式喷油系统喷油器与常规喷油器有所不同，它是一个机、液、电相结合 的燃油系统中最关键和最复杂的部件。一般由增压活塞、控制腔、电磁阀、针阀 偶件和实现预定功能的节流孔组成即所谓整体式喷油器。其脱离了凸轮驱动的束 缚，由电磁阀来控制燃油喷射，喷射定时由执行器( 电磁铁) 的开启决定，取代凸轮 驱动( 而电控脉动泵高压喷射系统没有完全脱离，压力受转速影响较大) 。针阀的 开启由液压活塞决定，通过执行器的多次动作，可实现预喷射或多次喷射；通过对 高压共轨喷油器内部结构参数的调整可形成所 需的喷油规律形状。整体式喷油器的结构复杂， 密封面较多，控制部分和喷射部分在高压油的作 用下的泄漏量过大会造成喷油规律畸变，定时精 度降低。因此，这就要求共轨式喷油器需增加对 喷油器控制油的密封，这也是保证喷射质量的重 要保证。目前国外有代表性的喷油器有以下几种。 1b o s c h 公司开发的c r 系统喷油器f 5 , 6 , 9 , 1 6 , 2 0 该系统的喷油器结构如图1 4 所示。它的功 能组件是孔式喷油嘴、液压伺服机系统和电磁阀。 原理如下：燃油从高压接头流经进油通道到 喷油嘴，并经进油节流孔进入阀控制腔。控制腔 经出油节流孔( 由电磁阀控制) 与回油孔相连。 出油节流孑l 在关闭状态时，作用在阀控活塞上的 图1 4c r 系统喷油器 5 华中科技大学硕士学位论文 用下迅速上行，针阀关闭，喷油停止。喷油时刻既为电磁阀接通的时刻，电磁阎 通电持续时间决定了喷油量的多少。喷射压力为共轨压力与增压活塞、柱塞面积 比的乘积，可达1 5 0 m p a 左右。 1 1 3 国内研究状况 近年来，国内进行高压共轨式电控喷油系统研究的院校很多，一些企业也逐渐重 视对此系统的研究、开发。但大多数停留在实验研究和理论研究阶段，至今无成 功产品。其共轨系统在表现形式上虽然各不相同，但本质上差不多。较为典型的 有天津大学开发的一种新型蓄压式共轨电控燃油喷射系统1 2 ”。还有无锡油泵油嘴 研究所、上海交通大学、北京理工大学等科研机构也在进行这方面的工作。 1 2 共轨式电控喷油系统喷油器 共轨式喷油系统喷油器与常规喷油器有所不同，它是一个机、液、电相结合 的燃油系统中最关键和最复杂的部件。一般由增压活塞、控制腔、电磁阀、针阀 偶件和实现预定功能的节流孔组成即所谓整体式喷油器。其脱离了凸轮驱动的束 缚，由电磁阀来控制燃油喷射，喷射定时由执行器( 电磁铁) 的开启决定，取代凸轮 驱动( 而电控脉动泵高压喷射系统没有完全脱离，压力受转速影响较大) 。针阀的 开启由液压活塞决定，通过执行器的多次动作，可实现预喷射或多次喷射；通过对 高压共轨喷油器内部结构参数的调整可形成所 需的喷油规律形状。整体式喷油器的结构复杂， 密封面较多，控制部分和喷射部分在高压油的作 用下的泄漏量过大会造成喷油规律畸变，定时精 度降低。因此，这就要求共轨式喷油器需增加对 喷油器控制油的密封，这也是保证喷射质量的重 要保证。目前国外有代表性的喷油器有以下几种。 1 b o s c h 公司开发的c r 系统喷油器f 5 , 6 , 9 , 1 6 , 2 0 该系统的喷油器结构如图1 4 所示。它的功 能组件是孔式喷油嘴、液压伺服机系统和电磁阀。 原理如下：燃油从高压接头流经进油通道到 喷油嘴，并经进油节流孔进入阀控制腔。控制腔 经出油节流孔( 由电磁阀控制) 与回油孔相连。 出油节流孑l 在关闭状态时，作用在阀控活塞上的 图1 4c r 系统喷油器 5 华中科技大学硕士学位论文 液力大于喷嘴针阀承压面上的力，针阀因此被压在座面上，无燃油进入燃烧室。 当电磁阀激励时，回油节流孔打开，阀控制腔内压力下降，阀控活塞承受压力降 低，一旦该压力小于喷嘴针阀承压面上的压力，喷油嘴针阀立即打开，燃油由喷 孔喷入燃烧室。由于电磁阀不能直接产生迅速关闭针阀所需的力，该系统采用 液力放大系统对针阀实行间接控制。除喷射到燃烧室的燃油外，控制油量经节流 孔进入回油通道。 该喷油器在发动机和高压泵工作时可分为四个工作状态：喷油器关闭( 已存有 高压) 、喷油器打开( 喷油开始) 喷油器完全打开、喷油器关闭( 喷油结束) 。 控制阀为二通阀，阀芯作用钢球，密封面是球面与锥面配合密封。孔式喷油嘴 装在共轨式喷油器体中。喷油嘴的设计需考虑喷油量( 喷油持续期和每度曲轴转 角的喷油量) 、油束贯穿及燃油在燃烧室内的分布( 油束数量、油束形状和油束的 雾化) 等因素。在验证过程中表明，为适应在共轨系统中使用，喷油嘴针阀要进 行不同设计及工艺的匹配。例如，在针阀上加无定型碳制成的涂层来改善摩擦条 件；针阀座面附近采用了第2 个针阀导向部分，以便使即使在最小升程时每个喷 油孔的燃油喷束均匀分布。 2 日本电装公司e c d u 2 系统喷油器f 1 3 1 5 , 2 1 j e c d u 2 系统喷油器的主要零件 是喷油嘴偶件、控制阀偶件、喷油器 体偶件和电磁阀偶件。其中，电磁阀 偶件有两种结构：二通阀( 喷油器结 构如图】一2 中所示) 和三通阀( 喷油 器结构如图1 - 5 所示) 。 使用二通阀的喷油器工作原理如 下：喷油器控制喷油量和喷油定时是 通过二通阀的开启和关闭来进行控 制。当二通阀开启时，控制腔内的高 压燃油经节流孔板流入低压腔中，控 制腔中的燃油压力降低，此时喷油嘴 压力腔中的燃油压力仍是高压。压力 室中的高压使针阀开启，向气缸内喷 射燃油。当二通阀关闭时，通过节流 孔板控制腔中的燃油压力升高，使针 图1 - 5e c d u 2 系统喷油器 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = 目= = = _ ；= 目= 。= = = ；= # 阀下降，喷油结束。二通阀的通电时刻确定了喷油始点，通电时间确定了喷油量。 这些基本喷油参数都是通过电子脉冲控制的。 二通阀通过控制喷油器控制室内的压力来控制喷油始点、喷油量、喷射率。 喷嘴为多孔式，喷油起始压力17 8 m p a 。节流孔板既控制喷油嘴针阀的开启速度， 也控制了喷油率的形状。液压活塞的作用是将控制室内的油压作用力传递到喷嘴 针阀上。 e c d 一j 2 系统用喷油器的控制阀早期为三通阀，三通阀由两个阀：内阀和外阀。 两阀精密配合在一起，内阀和外阀分别具有各自的密封座面。加工工艺要求较高， 密封性能不易保证，实际表明，燃油泄漏量较大，后改为二通阀。效果良好。e c d u 2 系统中喷油嘴属于常规喷嘴，嵌入喷油器体内。 3 卡特彼勒h e u i 系统喷油器1 1 7 ) 9 , 2 2 , 2 3 h e u j 从高压燃油中获得液压能( 不同于机械能) 来进行喷射，该喷油器( 如 图卜6 所示) 的进油压力控制着其内增压活塞的速度和柱塞位移，由此控制燃油 喷射率。喷油量则取决于e c m 的输出脉冲宽 度。只要电磁阀升离阀座，便会使增压活塞 和柱塞持续往下推移一个行程的距离。喷油 眶力、喷射正时和喷射率都由电子控制。从 其内部结构可以看出，电磁控制提升阀和增 压活塞。喷油嘴与其他燃油喷射系统没有差 别。 工作原理如下，在充油过程中，提升阀 一一旦落座，就允许增压活塞在其弹簧作用下 上行，并将上次喷射行程留下的燃油从回油 孔挤出。同时柱塞( 在增压活塞的另一端) 上行，将燃油经由充油单向球阀吸入柱塞下 方的油腔内。止回阀在其弹簧作用下保持落 座关闭状态。喷射过程如下，电磁阀收到e 明 图1 - 6 h e u i 系统喷油 发出的信号。喷油开始，电磁阀一通电就开启提升阀，允许高压油泵来的高压油 流入增压活塞上方的油腔，同时提升阀关闭回油孔，增压活塞在液压驱动下进行， 其承受面积是柱塞的几倍，因此使得柱塞收到的液压驱动力大大增加，柱塞下方 的油腔容积变小，压力增大，当燃油压力大于启阀压力时，止回阀打开，喷油开 始。直到e c m 发出信号是电磁阀断电，提升阀关闭。 7 华中科技大学顽士学位论文 该喷油器的控制阀早期为三通阀，阀在打开和关闭两个位置上的密封面均为 锥面密封，由于锥面加工比钢球加工工艺性差，密封性能不易保证。后改为二通 阀，效果较好。喷油嘴属于常规喷嘴，嵌入喷油器体内。 1 3 高压共轨喷油系统的喷油率 研究表明，高压喷射是降低p m 及碳烟排放的有效技术。但若考虑同时降 低n o x 和p m ，仅有高压喷射是不够的，还必须优化喷油率曲线。理想的喷油率 曲线形状应控制开始喷油，加快中期喷油率，快速停油。而且应该考虑到，理想 的喷油率曲线形状不是固定不变的，而应随柴油机转速和负荷的变化相应调整喷 油规律。 高压共轨喷油系统具有可柔性控制的喷油率，通过电磁阎和喷油器、共轨管、 高压油泵共同作用，可实现以下几种理想喷油率【2 “。 1 靴型喷射 靴型喷射控制技术，即过去所称的 丰珂期喷油率控制( i r c ) 技术，就是在喷射一f 过程中先以较早的喷油定时、较低的喷 曼 油率和适当的喷油持续期喷入气缸一小高 部分燃油，接着以快速升高的喷油率完离 成主喷射，喷射过程不停顿。靴型喷射蕾 一 应优化各部分的喷油量比例、喷油定时l 一= i 了_ 一一 和喷油速率。 图1 - 4 靴型喷射 2 预喷射 预喷射是在主喷射之前的某一时刻 喷入少量的预喷油量，实际上就是在喷 射过程中设定短暂的喷射停止期。燃烧 过程对预喷油量、预喷定时、喷油压力 以及预喷射与主喷射的间隔时间都是敏 感的，应优化预喷油薰及预喷射与主喷 射之间的时间间隔。 3 4 喷射 乙c 7 7 主喷射 e i i l 量i 预喷射l 静f j 1 樱 、 l 螫l 一上一 么喷射是另外一种较为理想的喷油率曲线， 时间t 图卜5 预喷射 喷油率曲线先缓后急，关闭时针 8 华中科技大学硕士学位论文 阀快速落座，曲线如么。目前，日本e c d - u 2 i 系统利用喷油器中设在三通阀和液压活塞之一 间的单向节流孔( o w o ) 阻尼控制腔中的压。 勾下降过程可实现喷射。 蠢i 曩1 餐 1 4 高压共轨燃油喷射系统仿真研究 时间1 图1 64 型喷射 1 4 1 燃油喷射系统研究方法 高压共轨燃油喷射系统作为高集成化的电控喷油装置，要实现燃油的增压和 喷射功能，结构复杂，压力变化频繁，工作过程中的参数变化直接影响柴油机的 输出功率、油耗和排放；该系统涉及机械、电磁和液力三个方面，各种参数之间 相互作用、相互影响，关系十分复杂，不存在单参数显式解析关系。研究喷油系 统的传统方法是试验。即设计出各种结构，加工为零件，然后进行组合试验。从 分析试验结果中选出较好的配组方案。这种方法需花费大量的人力、物力和很长 的研究周期。而且，往往受到处理试验结果之方法和效率的影响，大量的实验数 据和曲线令人束手无策；由于影响喷油系统的因素复杂，如果单纯由试验方法就 需要做大量的试验，而这是很难实现的。此外，还有若干问题是不能或无法通过 试验研究来解决。 近年来，计算机技术的迅速发展，使得喷油系统仿真计算成为可能，并逐渐 成为系统理论分析的重要手段。以前必须用试验获得的数据，现在用仿真计算就 可取得；对于试验中难于得到的数据，也可由仿真计算获得。仿真，就是通过对 系统模型的分析去研究一个存在的或设计中的系统，对所研究的系统进行抽象， 建立数学模型，用计算机求出结果 2 5 】。高压共轨系统仿真是为了分析柴油机的喷 油系统，建立柴油机系统模型，并用计算机分析该模型1 2 ”。根据仿真计算可以知 道系统的各个参数的变化及其效果，对于在试验中难以得到的数据则可由计算结 果得知。并且不做试验或作少量计算就能确定适合于喷射系统的最佳值。它不仅 能使我们对复杂的喷射过程获得深刻的理解，进而提出改进方案，还能使我们在 9 华中科技大学硕士学位论文 最短的时间内，以最低的费用，对大量的高压共轨喷油系统结构所能产生的喷射 特性进行比较，并从中选出最佳方案。因此，仿真分析作为开发新型电控燃油喷 油系统的重要手段，已经广泛使用在柴油机设计与性能研究中。在上述国际、国 内研究高压共轨喷油系统的企业、单位中，无不把喷射过程的模拟计算作为一项 重要的工作来进行。 当然，纯粹的理论计算不能完全代替试验研究，计算研究和试验研究是相互 补充、相互促进的关系。计算研究可以分析试验现象，指导和改进试验研究；同 时试验也可以反过来验证计算结果，不断为模拟计算研究提供新数据，提高仿真 的精度。计算研究和试验的结合为我们设计新一代的喷油系统开辟了新的途径。 1 4 2 燃油喷射系统仿真的目的f 2 7 2 8 j 人们运用燃油喷射系统仿真，归纳起来是为了达到以下目的： l 为新型电控燃油系统的开发、设计提供简便、快捷的途径： 应用于开发高压共轨喷油系统和新型喷油系统，确定燃油喷射系统的基本特 性，阐明各结构参数对喷油系统的影响，以便更加深入的研究燃油喷射的物理过 程，有根据的选择喷油系统的结构参数；对喷油系统计算机辅助设计也可以起到 重要作用。如喷油凸轮廓线的设计、整体式喷油器的设计、针阀弹簧设计等。通 过各自的约束条件，应用高速电子计算机进行多次喷油过程的液力计算，确定满 足约束条件的最佳设计方案，从而达到多因素、多目标优化设计的目的，节约了 矸发和设计的时间和成本。 2 预测喷油系统的喷射特性和性能： 通常可提供喷射延迟和控制延迟：喷射持续期；喷射压力；喷油率及形状； 针阀升程特性及异常喷射的模拟结果；能预测一些常规技术测量手段不易测量的 特性，如精密偶件的燃油泄漏、针阀的运动、喷嘴内燃油流动、喷雾特性。 3 确定喷油系统正常工作范围： 燃油喷射的仿真研究和试验研究相结合，可确定各种转速和负荷下燃油系统 的喷射特性，从而确定喷油系统正常工作范围，研究高喷射遥力、喷油定时和喷 油率对工作过程的影喻。 4 确定喷油系统和柴油机匹配的方案： 在柴油机喷系统和燃烧系统的匹配研究中，通过仿真，综合各方面的因素， 确定出数量较少的匹配方案，再结合气缸内的热力过程，可以预测柴油机在不同 1 0 华中科技大学硕士学位论文 工况下的性能，包括最大扭矩、冷启动等等。与实验相辅相成，减少实验费用， 诈缩短新品开发周期。这样，可达到改善燃烧、降低燃油油耗和排放的目的。 1 4 3 燃油喷射系统仿真的发展 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 芎程) 为基础来进行的，应根据具体的结构和工作过程确定相应的边界条件。仿 真的基本步骤是1 4 0 】：先确定系统的物理模型在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。国外早已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。 传统的燃油喷射系统数值模拟方法起始于波动方程法，数学模型都作了较大 的简化，如管内流动基本方程采用了线性化处理，把管内流动当作维定常流动， 把燃油密度视为常数，忽略管内摩擦等。随着研究工作的日趋深入和计算机技术 的飞速发展，对喷油过程中诸影响因素的考虑愈加全面，对油管内的流动当作是 一维非定常流动；考虑燃油粘性和管内摩擦，考虑燃油的压缩性及油管内压力波 动，并进行变声速变密度计算，考虑泄露问题、引入了特征线理论求解管内流动 等 2 4o 射，使仿真更符合实际。 电控燃油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。国内外已开发出很多电控喷油系统仿真计算和分析软件， 给出了系统中流体基本方程，电磁力的计算和分析，液力系统模型等。共轨式燃 擒喷射系统作为一种全新的电控喷油系统，其计算模型包括机械模型、液力模型 和电磁模型，对此的仿真还处于发展阶段。国内外都在积极的研究。 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，不同的仿真计算有着不同的处 理方法：有的研究人员采用常规的特征线法对其进行仿真计算 2 5 , 4 0 】；有的采用有 限容积法进行仿真h ，有的考虑到高压共轨管整体式喷油器之间高压油管长度不 足以引起压力波动而采用简化计算【4 2 】或忽略压力波动和压力损失4 4 1 。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。 华中科技大学硕士学位论文 总之，喷油系统的仿真对开发和验证喷油系统本身及柴油机设计的可行性、 改进等将会发挥越来越重要的作用。 1 5 本文主要工作 高压共轨喷油系统是柴油机机发展的需要，也是企业和科研院所、高校都十 分重视的一项研究工作。鉴于此，南岳衡阳油泵油嘴有限公司与华中科技大学联 台研制高压共轨喷油系统。本论文课题为其中的子课题，用于柴油机共轨喷油系 统仿真和整体式喷油器的研究。 根据设计的高压共轨喷油系统的组成和各部件的特征，以整体式喷油器为重 点，根据系统各部分的连续方程和运动方程，建立了高压共轨喷油系统工作过程 的数学模型，采用m a t l a b 6 1 s i m u l i n k 进行二次开发，编写高压共轨喷油系统 仿真软件。详细介绍了该软件的运行环境和运行控制，对仿真结果进行比较分析 证：明软件仿真效果较好。 利用该软件对该系统工作过程的仿真，对设计的喷油器进行研究分析，讨论 主要设计参数对工作过程的影响；以理想的喷油率曲线和喷油压力为目标，通过 对挺体式喷油器设计参数的计算分析和仿真，进行参数优化设计，确定喷油器的 进、回油节流孔、控制腔容积等关键参数。探讨了该喷油器实现预喷射的可能性。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 总之，喷油系统的仿真对开发和验证喷油系统本身及柴油机设计的可行性、 改进等将会发挥越来越重要的作用。 1 5 本文主要工作 高压共轨喷油系统是柴油机机发展的需要，也是企业和科研院所、高校都十 分重视的一项研究工作。鉴于此，南岳衡阳油泵油嘴有限公司与华中科技大学联 台研制高压共轨喷油系统。本论文课题为其中的子课题，用于柴油机共轨喷油系 统仿真和整体式喷油器的研究。 根据设计的高压共轨喷油系统的组成和各部件的特征，以整体式喷油器为重 点，根据系统各部分的连续方程和运动方程，建立了高压共轨喷油系统工作过程 的数学模型，采用m a t l a b 6 1 s i m u l i n k 进行二次开发，编写高压共轨喷油系统 仿真软件。详细介绍了该软件的运行环境和运行控制，对仿真结果进行比较分析 证：明软件仿真效果较好。 利用该软件对该系统工作过程的仿真，对设计的喷油器进行研究分析，讨论 主要设计参数对工作过程的影响；以理想的喷油率曲线和喷油压力为目标，通过 对挺体式喷油器设计参数的计算分析和仿真，进行参数优化设计，确定喷油器的 进、回油节流孔、控制腔容积等关键参数。探讨了该喷油器实现预喷射的可能性。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 高压共轨式电控燃油系统模拟计算 2 1高压共轨系统硬件的基本组成 高压共轨式电控喷油系统的主要硬件是供油泵、共轨部件、喷油器、e c u 和 各种传感器。系统组成如图2 i 所示f 4 6 j 。 工作原理：燃油从油箱经过燃油滤清器到高压供油泵，加压后输送到高压共 轨管中，再从共轨管流向喷油器，燃油分流，一部分进入喷嘴，一部分进入控制 腔。电控单元向喷油器电磁阀发出指令信号，驱动电磁阀打开，控制腔油压降低， 针阀上升，燃油经喷嘴喷入燃烧室，形成油束。电磁阀关闭，控制腔压力上升， 推动控制活塞下移，使针阀关闭，完成一次喷油过程。 8 4 旦 l 供油泵2 输油泵3 溢油管 4 燃油滤清器 5 溢流阀6 高压油管7 共轨管8 高压油管 9 喷油器l o 回油管l l 总回油管 1 2 油箱 图2 1 系统燃油流路图 2 1 1 供油泵 与普通直列泵不同的是，供油泵只起产生和输送高压燃油的作用，供油量的 一_ 1 3 华中科技大学硕士学位论文 2 高压共轨式电控燃油系统模拟计算 2 1高压共轨系统硬件的基本组成 高压共轨式电控喷油系统的主要硬件是供油泵、共轨部件、喷油器、e c u 和 各种传感器。系统组成如图2 i 所示f 4 6 j 。 工作原理：燃油从油箱经过燃油滤清器到高压供油泵，加压后输送到高压共 轨管中，再从共轨管流向喷油器，燃油分流，一部分进入喷嘴，一部分进入控制 腔。电控单元向喷油器电磁阀发出指令信号，驱动电磁阀打开，控制腔油压降低， 针阀上升，燃油经喷嘴喷入燃烧室，形成油束。电磁阀关闭，控制腔压力上升， 推动控制活塞下移，使针阀关闭，完成一次喷油过程。 8 4 旦 l 供油泵2 输油泵3 溢油管 4 燃油滤清器 5 溢流阀6 高压油管7 共轨管8 高压油管 9 喷油器l o 回油管l l 总回油管 1 2 油箱 图2 1 系统燃油流路图 2 1 1 供油泵 与普通直列泵不同的是，供油泵只起产生和输送高压燃油的作用，供油量的 一_ 1 3 华中科技大学硕士学位论文 大小由p c v 阀的开启时间( 柱塞预行程) 决定，而喷油定时和喷油率都由喷油器 来控制，因此，柱塞上不需要加工螺旋槽和直槽。另外，传统供油泵所采用的切 线一一圆弧凸轮由于极易磨损以及容易引起较大的噪声和振动，已经不适用共轨 系统的要求。供油泵凸轮采用三作用凸轮，因此泵的必要缸数减为发动机缸数的 ：分之- - ( 6 缸发动机配用2 缸泵) ，向共轨压送次数与喷油次数相同而使得共轨压 力平滑稳定。所以，共轨系统供油泵凸轮型线主要以动力性能为主，凸轮升程也 可适当减小。 2 1 2 共轨部件 共轨管安装在发动机进气侧，其作用是将供油泵产生的高压燃油分配至各个 气缸的喷油器。共轨管上装有限流阀部件、溢流阀部件和共轨压力传感器。 2 1 3 传感器 系统中传感器包括共轨压力传感器、油门传感器、发动机转速传感器、汽缸 判别传感器、水温传感器、燃油温度传感器等。用以检测发动机运转状态。共轨 系统中的所有传感器和执行器除了共轨压力传感器外都可以从现有的柴油喷射系 统中得到。燃油压力由共轨压力传感器测量，由调压阀按柴油机工况( 如柴油机 转速、负荷和温度) 将压力调到正确的静态或动态设定值f 1 6 】。 2 1 4 喷油器 该喷油器( 图2 - 2 所示) 由喷油器体、电磁阀、控制腔、控制活塞、针阀偶件 针闽弹簧下座一控制活塞一控制腔一球阀一 电磁阀二 图2 2 罄体式喷油器结构简图 1 4 华中科技大学硕士学位论文 等部分组成。工作原理如下：高压油进入喷油器后分为两部分，一部分经节流阎 流入控制腔，一部分进入喷嘴腔。电磁阀未开启时，作用在控制活塞上的液力大 f 喷嘴针阀承压面上的力，使其不能升起。电磁阀打开时，控制腔燃油泄出，控 制腔压力降低，针阀升起，开始喷油。电磁阀关闭后，控制腔压