（光学工程专业论文）柴油机共轨式电控喷射系统喷射过程的模拟计算和研究.pdf

中文摘要 摘要 共轨式电控喷射系统是提高汽车发动机性能、减少其有害排放物最有效的技 术之一。本文通过对各种共轨式电控喷射系统进行系统的分析，在对蓄压式中压 共轨喷射系统进行试验和模拟计算分析的基础上，对新型的增压式喷射系统作了 进一步的研究。该系统具有对喷射压力、喷油量和喷油率灵活调节的特点。利用 数值模拟计算和试验验证，获得了 对改进该系统具有重要意义的结果。 新型增压式共轨喷油系统以燃油作为工作介质进行增压和喷射，不需要增加 其它增压机构，结构简单可行。成功地利用现有的电磁阀，实现了对燃油喷射过 程的精确控制，从而实现了喷射压力的独立控制。可以通过共轨压力和电磁阀通 电时间的控制调节来实现对喷油量的调节，以适应柴油机不同工况的需求。 本文首次将三维非定常流动模拟计算方法引入柴油机燃油喷射系统的计算 。对共轨内的压力场和速度场进行了三维非定常流动的模拟计算分析，提 出了用共轨内的平均压力对模拟计算进行简化，为在共轨喷射系统中大容积流动 的一维简化计算提供了理论依据。计算分析了共轨的结构参数对轨内压力彼动的 影 响 。 采用模块化计算分析技术，建立了蓄压式喷油器的计算模型，对蓄压式喷油 器的喷射过程进行了模拟计算;同时对蓄压式喷油系统进行了试验分析。对影响 蓄压式喷油器喷射过程的因素进行了计算分析，并获得了州些新的认识和结果。 建立了增压式喷油器的 计算模型，对增压式喷油器的喷射过程进行了模拟计 算，并进行了试验验证。与蓄压式喷射系统相比，由于实现了增压过程和喷射过 程的重叠进行，使喷射过程得到了根本性的改善，喷油率曲线近似矩形，并可实 现一次预喷射。提高了对喷射过程的控制自由度。较为全面地计算分析了主要结 构参数对增压式喷油器喷射过程的影响。并解决了试验过程中出 现的增压和喷射 过 程 异 常的 液力 波 动现象。 试验验证表明、， 本文所建立的共轨的三维计算模型、蓄压式喷油器的计算模 型和增压式喷油器的计算模型具有较高的预测精度。利用各计算模型对喷射过程 进行变参数分析研究，可以为进一步完善增压式喷油器的设计和改进提供有价值 的 理 论 依 据 。工 声 一 ，厂 关 键 词 : 柴 油 机 i 4 ! - i # t vl * * f 玉 s ae 射系统 高 压 喷 射 夕 喷 油 率 控 制 ; 模 拟 计 算 夕 一 一兰些进v lsa 曳 n 1m v 系 统 的 模 拟 计 算 和 研 究 abs tract t h i s p a p e r i n t r o d u c e s a n e w k i n d o f h y d r a u l i c i n t e n s i f i e d c o m m o n - r a i l ( c r ) s y s t e m , w h i c h i s d e v e l o p e d t h r o u g h t h e a n a l y s e s o f v a r i o u s c o m m o n - r a i l s y s t e m s i n d e t a i l o n t h e b a s i s o f t h e e x p e r i m e n t a n a l y s i s a n d s i m u l a t i n g c a l c u l a t i o n o f t h e a c c u m u l a t e d c o m m o n - r a i l s y s t e m . t h i s n e w s y s t e m h a s t h e f e a t u r e s o f a d j u s t a b l e i n j e c t i o n p r e s s u r e , i n j e c t i o n q u a n t i t y a n d i n j e c t i o n r a t e . t h e d e t a i l a n a l y s i s o n t h i s s y s t e m h a s b e e n d o n e w it h t h e s i m u l a t i n g c a l c u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t . i n t h i s n e w k i n d o f h y d r a u l i c i n t e n s i f i e d c o m m o n - r a i l ( c r ) s y s t e m , a k i n d o f w o r k i n g m e d i u m w a s u s e d f o r i n t e n s i f i c a t i o n a n d i n j e c t i o n . t h e a d d i t i o n a l m e c h a n i s m i s n o t n e e d e d . t h r o u g h t h e u s a g e o f t h e p r e s e n t v a r i a b l e s o l e n o i d s t h e p r e c i s e c o n t r o l o f i n j e c t i o n p r o c e s s w e r e r e a l i z e d s u c c e s s f u l l y . t h e i n d e p e n d e n t c o n t r o l l i n g o f t h e i n j e c t i o n p r e s s u r e c o u l d b e r e a l i z e d . i n t h i s s y s t e m , t h e a d j u s t m e n t o f t h e i n j e c t i o n q u a n t i t y c o u l d b e r e a l i z e d t h r o u g h t h e c o n t r o l l i n g o f t h e p r e s s u r e i n t h e c o m m o n - r a i l s y s t e m a n d t h e d w e l l t i m e o f s o l e n o i d , t o m e e t t h e n e e d o f t h e d i e s e l . t h e 3 - d s i m u l a t i o n m e t h o d o f u n s t e a d y fl o w i s u s e d i n t h e s i m u l a t i o n a n d a n a l y s i s o f t h e f u e l i n j e c t i n g s y s t e m o f d i e s e l . u s i n g 3 - d s i m u l a t i o n t h e f i e l d s o f t h e f u e l p r e s s u r e a n d t h e f u e l fl o w s p e e d i n t h e c o m m o n - r a i l a r e c a l c u l a t e d . i t i s r a i s e d t o s i m p l i f y c a l c u l a t i o n m o d e l b y u s i n g t h e m e a n v a l u e i n t h e c o m m o n - r a i l . i t h a s l a i d d o w n a t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o r t h e f u e l fl o w c a l c u l a t i o n i n a l a r g e v o l u m e o f t h e c o m m o n - r a i l s y s t e m b y u s i n g s i m p l i fi e d i - d c a l c u l a t i o n . t h e e f f e c t s o f t h e c o n s t r u c t i v e p a r a m e t e r o f t h e c o m m o n - r a i l o n t h e f u e l p r e s s u r e fl u c t u a t i o n a r e c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e d . u s i n g t h e c a l c u l a t i n g m e t h o d o f m o d e l u n i t s , t h e s i m u l a t i n g m o d e l o f t h e i n j e c t o r o f t h e a c c u m u l a t e d c o m m o n - r a i l s y s t e m i s d e v e l o p e d . u s i n g t h i s m o d e l , t h e i n j e c t i n g p r o c e s s o f t h i s s y s t e m i s s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d . t h e e f f e c t s o f s o m e f a c t o r s o n t h e i n j e c t i n g p r o c e s s a r e : c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e d . t h e s i m u l a t i n g m o d e l o f t h e i n j e c t o r o f t h e h y d r a u l i c i n t e n s i f i e d c o m m o n - r a i l s y s t e m i s d e v e l o p e d . u s i n g t h i s m o d e l , t h e i n j e c t i n g p r o c e s s o f t h i s s y s t e m i s s i m u l a t e d . t h e e f f e c t s o f t h e c o n s t r u c t i v e p a r a m e t e r s o f i n j e c t o r o n t h e i n j e c t i n g p r o c e s s a r e c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e d . w i t h c a l c u l a t i n g a n d a n a l y z i n g , t h e p r o b l e m o f a bs t rac t a b n o r m a l h y d r a u l i c fl u c t u a t i o n i s s o l v e d , w h i c h a p p e a r s i n e x p e r i m e n t . t h e s e m o d e l s d e v e l o p e d i n t h i s t h e s i s a r e p r o v e d t o b e p r e c i s e b y t h e r e s u l t s o f t e s t . b y u s i n g t h e s e m o d e l s t o c a l c u l a t e a n d a n a l y z e t h e i n j e c t i n g p r o c e s s w i t h d i f f e r e n t p a r a m e t e r s , i t w i l l p r o v i d e t h e v a l u a b l e b a s i s f o r i m p r o v i n g a n d p e r f e c t i n g t h e in j e c t o r o f h y d r a u li c i n t e n s i f ie d c o m m o n - r a il s y s t e m . k e y w o r d s : d i e s e l e n g i n ea c c u m u l a t e d c o m m o n - r a i l s y s t e m h y d r a u l i c i n t e n s i f i e d c o m m o n - r a i l s y s t e m h i g h p r e s s u r e i n j e c t i o n s i m u l a t i n g c a l c u l a t i o n c o n t r o l o f i n j e c t i n g r a t e m 一 曼= 兰堡垒 第一章绪论 1 1 柴油机的发展以及面临的问题 汽车工业是多数经济发达国家的主要支柱产业，人均汽车拥有量已经成为衡 量一个国家的国民生活水平和国民经济发展水平的重要标志。随着世界经济的发 展，汽车保有量迅速增加，目前已超过6 亿辆。近几年，随着我国经济持续稳定 的发展，我国的汽车保有量以每年l o 1 5 的速度增加l ”。汽车给人们的工作 和生活带来了极大的方便，但也给人们赖以生存的生态环境、人类的健康和经济 的发展带来了很大的负面影响，据美国的研究报道，大气中的污染物质大约有5 0 来自汽车尾气排放【2 】。这已经在世界范围内引起普遍重视。 作为汽车主要动力源的内燃机是目前热效率最高的热力发动机，广泛地应用 于国民经济的各个领域，它所发出的功率占金世界所有动力装置总功率的9 0 。 可以预测，在今后相当长的时期内，内燃机因其特有的优点，仍将处于不可替代 的地位t3 1 。同时，内燃机也是石油资源的主要消耗者和最大的空气污染源，它所 消耗的燃油占石油燃料的6 0 以上，汽车尾气排放基本上来自内燃机排放的废气， 也就是说内燃机排放的有害废气占工业总有害废气的一半左右【4 j 。 同汽油机相比，柴油机具有经济性好、扭矩大、出现最大扭矩时的转速低、 h c 和c o 有害排放物少等优点。自上世纪7 0 年代石油危机以来，柴油机的应用 更加广泛。近年来，柴油机除了在大中功率的船舶、发电、工程机械、铁路交通 和农业机械等领域继续占据统治地位外，中重型载重车辆几乎全部采用柴油机为 动力。同时还进一步向中小功率高速车用领域发展，在欧洲和日本柴油机轿车的 市场占有率已达2 5 ，在法国高达5 0 。在全球范围内，柴油机的产量呈现出连 续增长的趋势【5 】( 图1 1 ) 。 随着世界范围内对环境 保护的目益重视，为了限制 和减少内燃机的有害排放对 生态环境造成的危害，美国、 日本和欧洲等许多国家都制 定了极为严格的排放法规。 对重型车用柴油机，在欧洲， 图1 全球范围内柴油发动机生产及应用【6 l 柴油机共轨式电控喷射系统的模拟计算和研究 1 9 9 2 年开始实行欧一i 排放法规，2 0 0 0 年1 0 月1 2 日开始实行欧一i i 排放法规，今 后还将实行更为苛刻的欧一i i i 和欧一排放法规( 见表11 ) 。在我国，目前对轿车、 轻型车和重型柴油机已经开始实行欧i 排放标准；预计2 0 0 5 年开始实行欧一l i 排 放标准，北京市已于2 0 0 2 年7 月率先对轿车实行欧一i i 排放标准。随着我国汽车 保有量的持续增长，我国也必将实行更为苛刻的欧一u i 和欧一排放标准。 袭11 欧洲重型柴油机排放标准( 单位：g k w h ) 标准实旖时阃试验方法 c oh c n o xp m 1 9 9 2 ( 8 5 k w ) e c e r 一4 9 451 l8 0o3 6 1 9 9 6 l o e c e r - - 4 9 401 17o02 5 e i 】r o 一 1 9 9 8 1 0 e c e r 一4 9 401 17 001 5 1 9 9 9 1 0 e s c e l rl5o2 52 00 0 2 e t i r o m 2 0 0 0 ，1 0 e s c e l r210 6 65oo1 0 e u r o 一 2 0 0 5 l oe s c e l r1504 63 5o 0 2 e w o v 2 0 0 8 1 0e s c e l r1 50 4 62o00 2 + 超低排放标准 面对适应未来排放法规目益严格的要求，“提高燃油经济性，减少有害排放 物”已成为柴油机技术发展中所面l 瞒的最迫切需要解决的问题。为此，多年来人 们为提高柴油机的综合性能做了大量的研究工作，取得了许多成果。目前，提高 柴油机性能，改善柴油机排放主要采用的最新技术有：清洁化代用燃料，高效的 燃烧系统，先进的增压及中冷技术、冷却废气再循环，电控高压喷射技术，颗粒 过滤，c o 和h c 的氧化以及n o x 还原等后处理技术等。归纳起来，就是从提高 燃油品质、改善燃烧过程和采取排气后处理三个方面全面提高柴油机的综合性能。 由于柴油机的有害排放物主要是在缸内的燃烧过程中产生韵，所以改善燃烧过程 是提高燃油经济性和减少有害排放物的根本途径。众所周知，柴油机的燃烧过程 是否完善取决于缸内的气流运动、燃油喷射、燃烧室结构形状三者之间的匹配。 因此，能否实现理想的燃油喷射过程是改善柴油机的燃烧过程、提高经济性和降 低有害排放物的关键之一。 1 2 柴油机燃油喷射系统的发展 1 2 1 现代柴油机对燃油喷射系统的要求 为了满足现代柴油机技术发展的要求，柴油机燃油喷射系统应具备以下特点 1 7 】1 8 】1 9 】1 1 0 ) ： 2 第一章绪论 高的喷射压力，独立的喷射压力控制； 独立的喷射正时控制； 柔性的喷油速率控制； 可进行多段喷射，即预喷及多次预喷，后喷及多次后喷； 高精度的油量控制，包括预喷、后喷以及最小油量的控制精度： 快速断油能力： 低的驱动扭矩和冲击载荷。 总而言之，即要求柴油机的燃油喷射系统的喷射压力、喷油定时、喷油量以及喷 油率在全工况范围内实时灵活可调。 1 2 1 1 高压喷射 从碳烟和n o x 生成机理来看，碳烟排放与n o x 排放存在着相互制约的关系， 要实现两者同时降低是有困难的。采用高压喷射，可以促使喷油液滴更加细化， 明显提高燃油与空气的混合质量，从而抑制了碳烟的形成。同时，喷射压力的提 高可以大大缩短着火延迟期。如果采用减少先期着火时喷入的燃油量，再与推迟 喷油正时相结合，就能抑制n o x 的生成，显著地降低n o x 排放。因此，提高喷 油压力，是能同时降低碳烟和n o x 排放的行之有效的技术之一i l l j 1 2 1q 图1 2 表 示了喷射压力、喷孔数和气门结构对n o x 和颗粒( p m ) 的影响。未来喷油系统 的喷射压力将继续向高压方向发展。据文献【1 4 】m 】介绍，柴油机燃油喷射系统的最 高压力已经超过了2 0 0 m p a ，甚至达到了2 6 0 m p a 的超高压力。 、 i i i 哦射压力 l 、 c 蕊b 恕、一 f ， 夕歹肘 、 - 蜘i ， 开、 、 i r 一 戈 - 一即唧一2 吼触- 3 一 期望擅 啦l 一。 l o l t n o x ，( g k w - i h 1 ) 圈1 2 燃油系统毒c i l 对n o x 孙d 排放的影耐” 蚴 t 詈 _，誊，i、翟 兰! 业基塾茎皇塑堕塑至塾堕堡垫生簦塑堡塞 1 21 2 独立的喷射压力控制 对于传统的喷油泵一高压油管一喷油器系统而言，其喷射压力随转速升高而 升高，而且喷射压力还与柴油机负荷有关。这种特性对柴油机在低转速、低负荷 条件下的经济性和烟度不利。如果保证了柴油机在低转速、低负荷工况下混合气 形成所需要的足够能量，那么在标定转速、标定工况下的喷射压力就会过高，喷 射系统的机械应力就太高。如果燃油喷射系统具有不依赖于转速和负荷的喷射压 力控制能力，就可以选择最 合适的喷射压力来使喷射持 续期、着火延迟期最佳化， 使柴油机在各种工况下， n o x 和烟度最低而经济性 最优。因此，未来的喷射系 统必须能够根据工况和转速 对喷射压力进行实时灵活的 控制调节。图1 3 是两种喷 油系统的压力脉谱图。 鼍 争 i 。 1 o 0 0 , r d t o n 瑚忡 鳓锄踟钟榭黝姗w 斯s 口吲晕诤幢珲鲥 图1 3 喷油压力脉谱图口6 1 1 2 1 3 喷油速率的柔性控制 喷油率是影响柴油机燃烧过程的主要因素之一。多年来，围绕着不同形式的 喷油率对柴油机燃烧过程的影响进行了广泛的实验研究和理论分析1 】【1 8 】。试验 研究表明，在不同的柴油机工况下，所对应的最佳喷油率形态有很大差别。图】4 是不同工况时的最佳喷油率形状【。“。喷油率形状可以分为三种：斜坡型、矩型和 分段预喷射型。( 1 ) 斜坡型喷油率中，喷油压力从喷射开始到喷射结束一直增加。 逐步增加喷油率可以降低n o x 和 噪声，并在喷油定时提前较大的情 况下改善燃油经济性。( 2 ) 矩形喷 油率时，喷油压力变化较平坦，因 此最高平均喷射压力较高，有利于 降低烟度，改善中等负荷时的燃油 经济性，这种情况下有较短的喷油 持续期和较高的平均有效压力。由 图1 4 不同工况时的最佳喷油率形状 于喷油持续期较短及烟度低，发动 4 嚏礴 蚜 e o 一苎二兰堕鎏 机对工况变化的响应性好。( 3 ) 分段预喷射型喷油率时，由预喷射和主喷射组成， 可以获得较低的燃烧噪声、降低低负荷的碳氢排放及较低的n o x + h c 排放水平。 如果柴油机燃油喷射系统具有对喷油率形状的灵活控制能力，就可以在各种运行 条件下直观地优化柴油机性能和排放。 1 2 1 4 独立的赜油正时控制 众所周知，喷射正时直接影响到 在柴油机上止点前喷入气缸韵油量， 因而就决定了气缸的峰值爆发压力和 最高温度。一般来说，喷油提前，燃 油在较低的温度和压力下喷入气缸， 着火滞燃期延长，预混合燃烧的比例 增加，导致燃烧温度升高和n o 。增加： 但燃烧过程提前结束，有利于提高燃 油经济性和降低碳烟和颗粒排放。喷 油推迟，会降低初始放热率和最高燃 产e c # l 簪如蔓 ：i _ - _ - _ 办i| ? 专弋心 | | ，厂a 文j ! ：f ；：、￥擎酊 x 卜- = | ，、矗卅| 圈1 5 壹喷式柴油机喷油定时m a p 图 烧温度，从而减少n o 。的排放量。但是，喷油定时的推迟会导致燃烧过程的推迟， 降低最高爆发压力，使经济性变坏，并产生后燃，使排温增高，功率下降。图1 5 是某高速直喷式发动机喷油定时图1 8 】。图中可清楚地看到，不同的转速和负荷， 其喷油定时是不同的，需要进行优化。因此，具有不依赖于转速和负荷的喷油正 时控制能力，是在燃油经济性和排放之间实现最佳组合的关键措施。 1 2 2 柴油机电控燃油喷射系统的发展 对于传统的机械调节式燃油喷射系统而言，由于机械调速器和机械喷油提前 器的控制精度低，反应不灵敏，已无法满足现代柴油机进一步改善性能和降低排 放的要求。为了满足现代柴油机对燃油喷射系统的要求，随着电子控制技术的发 展，电控技术在柴油机上的应用和发展是必然的。只有电控喷射系统才能实现燃 油喷射系统的最佳喷射特性( 喷油压力、喷油量、喷射正时和喷油率) 随柴油机 工况变化的这种动态优化。柴油机采用电控喷射技术后，由于其控制精度高，控 制自由度大，控制功能齐全，因而能实现整个运行范围内参数优化，降低柴油机 的有害排放物，改善经济性。 一堂塑! ! 茎垫茎皇篓堕塾墨堕竺塑型盐塞塑堕塞 柴油机电控喷射系统根据其直接控制的量可以分为位置控制系统、时间控制 系统和压力时间控制系统。从电控喷射系统的发展顺序来看，首先发展的是位置 控制系统，其次是时间控制系统，最新发展起来的是压力时间控制系统。 1 2 2 1 位置控制式电控燃油喷射系统 位置控制系统不仅保留了传统的喷油泵一高压油管一喷油嘴系统，而且还保 留了喷油泵中的齿条齿圈、滑套、柱塞上腔螺旋槽等控制油量的机械传动机构， 只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械调速嚣控制改为由电子执行机构和微 处理器以及传感器组成的控制系统控制。如日本电装公司的e c d - p 3 系统 1 9 l 和 e c d - v 1 系统1 2 0 、美国c a t e r p i l l a r 公司的p e e c 系统1 2 ”、日本z e x e l l 公司的可变 预行程t i c s ( t i m i n ga n di n j e e t i o nr a t ec o n t r o ls y s t e m ) 电控系统1 2 “、德国b o s c h 公司的e d c 系统( 1 0 】、英国l u c a s 公司的e p i c 系统【2 3 】等。 位置控制系统的优点是只要用电控泵及其控制部件取代原有的机械式泵就 可以改为电控喷射系统了，柴油机结构基本不需改动。与机械式喷射系统相比， 其控制精度、控制范围和响应速度都有较大的提高，可以较大地改善柴油机的经 济性和降低有害排放。位置控制系统的缺点是控制自由度小，控制频率低，执行 响应慢，控制精度不稳定，不能改变传统喷射系统的喷油特性，喷油率和喷油压 力难以控制。电控可变预行程直列泵虽然能对喷油率起一定的调节作用，但使直 列泵的结构复杂化。可见位置控制系统只是对传统喷射系统进行的初步改造，还 不能完全适应现代柴油机的要求，最终会被更先进的电控系统取代。 1 2 2 2 时间控制式电控燃油喷射系统 时间控制系统保留了原来的喷油泵一高压油管一喷油端系统。用高速强力电 磁阀直接控制高压燃油的喷射。一般情况下，电磁阔关闭，执行喷油，电磁阔打 开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阎关闭时刻，喷油囊则取决于电磁闯关闭时 间的长短。传统喷油泵中的齿条齿圈、滑套、柱塞上腔螺旋槽、控制喷射正时的 提前机构等全部取消。如日本电装公司的e c d - - v 3 和e c d - v 4 型电控分配泵系统 1 2 4 1 、德国b o s c h 公司的v f 4 4 型内凸轮电控分配泵【2 钔、p d e 2 7 1 2 9 电控泵喷嘴系统 【2 5 1 和e u p l 3 电控单体泵系统1 2 6 1 、美国底特律公司的d d e c 电控泵喷嘴系统1 2 ”等。 与位置控制系统相比，时间控制系统实现了喷油过程的真接数字控制，控制 精度、控制自由度和控制响应性能大大提高。这种系统具有一定的喷油率控制能 力。不足之处是喷射压力无法控制。 6 第一章绪论 1 2 23 压力时间控制式电控燃油喷射系统( 共轨式电控喷射系统) 位置控制系统和时阃控制系统都是在原有的喷油泵一高压油管一喷油嘴系 统上加上电控执行机构后形成的，而压力时间式电控喷射系统则是完全摆脱原有 结构的一种全新的电控喷射系统。它不再采用传统的柱塞泵分缸脉动供油原理， 采用压力一时间式燃油计量原理，并通过公共油道油压的连续控制和各缸喷射过 程的电磁阀控制相结合方式实现喷油控制。 与传统喷射系统相比，这种系统具有以下优点【2 8 】：( 1 ) 可以高压喷射，喷油压 力比一般直列泵系统高出一倍，最高已达2 0 0 m p a ：( 2 ) 喷油压力独立于发动机转 速，可以改善发动机低速、低负荷的性能；( 3 ) 可以实现预喷射和后喷射，调节喷 油率形状，实现理想喷油规律；( 4 ) 喷油正时和喷油量可以自由选定；( 5 ) 具有良好 的喷油特性，优化燃烧过程，使发动机燃油耗、烟度、噪声和排放等综合指标得 到明显改善，并有利于改进发动机扭矩特性：( 6 ) 结构简单、适用性强，可以在新 老发动机上应用。因此被公认为是一种最具有发展潜力的喷射系统。为此各国都 在积极研究开发共轨式电控喷射系统，部分研究开发成果在柴油机上得到应用。 1 3 柴油机共轨式电控喷射系统的开发及应用 共轨式电控喷射系统是上世纪9 0 年代中期问世的。目前具有代表性的产品有 日本电装公司、德国b o s c h 公司和美国c a t e r p i l l a r 公司的产品。共轨式电控喷射 系统根据共轨压力的高低可分为高压共轨式电控喷射系统和中压共轨式电控喷射 图1 6 b o s c h 公司开发的柴油机共轨式电控喷射系统示意图 7 一 墨塑垫茎塾垫皇丝堕墅墨堕墼堡塑盐塞翌堑壅 系统。下面分别对几种典型的共轨式电控喷射系统作简要介绍。 1 3 1 德国b o s c h 公司u nij e t 高压共轨式电控喷射系统m m 。， 图l6 为b o s c h 公司开发的柴油 机共轨式电控喷射系统示意图t 2 8 1 。主 要由带压力调节器的高压油泵、各种 油道压力传感器、电液控制喷油器和 e c u 组成。该系统的高压泵是一个有 3 个泵油元件的径向柱塞泵i ( 见图 1 7 ) 。它通过偏心轮驱动柱塞，可产 生高达1 3 5 m p a 燃油压力。高压泵燃 油进口端设计了一个带弹簧的活塞。 当齿轮式低压输油泵供油时，其活塞 才打开。当供油压力为零时，该活塞 切断供油油道，使燃油不能流入泵油 图1 7b 。s d 高压泵。 元件。运转中，用这种方法实现紧急 断油。每个泵油元件均有一个吸入阀和压力阀。压力闽为球阔，吸入阔为板阔。 可根据需要在3 个泵油元件吸入阀上装上1 个或2 个电磁线圈控制装置。为了降 低功率消耗，部分负荷运转时，可以通过压上电磁吸入板阀来关闭其中1 个或2 个泵油元件，这有利于减小燃油温度影响和摩擦损失。泵和发动机传动轴之间无 相位要求。共轨中燃油压力由压力调节阀和限流阀控制。 图1 8 调压阀 8 图1 ，9 艰流器 兰二里堕堡 调压阀的结构示意图 如图1 8 所示。共轨压力 传感器敏感元件的电阻值 是压力值的函数，传感器 上有集成的变送电路，并 对温度进行补偿。限流阀 的结构如图1 9 所示，当 经过限流阀的流量超过一 定值时，流体流动在限流 阀活塞前后产生的压差推 动活塞使其落瘫，关闭流 入喷油器的油道。电磁阀 控制的喷油器总成结构如 图1 1 0 ”1 所示。电磁阕为 二通阀，电磁阀关闭时， 共轨的压力燃油通过量孔 z 既直接作用到喷油嘴压 力腔，也作用到控制活塞 上。因控制活塞面积比喷 油嘴针阀面积大，所以喷 油嘴关闭。二通阀通电， a 孔则打开，控制活塞上 的燃油压力下降，喷油嘴 开启并喷油。电磁阀断电， 图1l l 喷油器控制电流 a 孔就关闭，共轨压力重 新作用在控铝b 活塞上，再次关闭喷油嘴。喷油嘴弹簧的作用仅是当共轨油压很低 时避免气体回窜到喷油嘴。 为了在高压时保证稳定的小预喷量( 约1 5 m m 3 循环) ，电磁阀必须具有很短 的切换时间，控制脉冲开始后约2 0 0 ps 电磁阀就需达到全开。为此必须应用电容 器放电的原理才能获得较大的驱动电流。图1 1 1 是喷油器控制电流波形示意图 【3 1 】。 该系统适用的发动机转速为1 0 0 6 0 0 0r m i n 、最大供油量1 0 0m m 3 行程、喷 9 羔生堕壁壁燮! 塑i 堕塑楚垫生簦塑要塞 射压力1 5 1 3 0 m p a 。u n i j e t 高压共轨式电控喷射系统已用于a l f ar o m e o1 5 6 型等 轿车”2 1 。 1 3 2 日本电装公司的e c d - u 2 高压共轨系统 日本电装公冠e c d - u 2 系统是最早开发成功的高压共轨喷射系统之一。 e c d u 2 蒹统杀蠢啻见图1 1 2 f 3 3 j f 3 引。该系统由高压油泵、低压输油泵、滤清器、 共轨管、电磁阀控制的喷油器、e c u 和各种传感器组成。 图11 2e c d - u 2 系统示意圈图11 3e c d - u 2 高压泵 系统的高压油泵( 图1 1 3 ) 是一个二缸直列式柱塞泵，每个凸轮有三个凸起， 凸轮轴旋转一周每个柱塞供油三次。在高压泵的泵油柱塞上装有压力控制闻( p c v 阔) ，调节柱塞的供油量，最终控 制共轨内的压力。它是在脉动式 泵油机理( j e r kp u m p i n g m e c h a n i s m ) 的基础上设计的， 并通过压力传感器、e c u 和油泵 控制阀组成的闭环形式来计量柱 塞室的低压燃油量，而且高压油 泵的供油定时与燃油的喷射同 步，不会发生供油过多或不足的 情况，因此，共轨管的油压是稳 1 0 仨謇籁釉罐夕己厂嫠 图11 4 喷油器的工作过程 柴油机共轨式电控喷射系统的模拟计算和研究 射压力1 5 - 1 3 0 m p a . u n ij e t 高压共轨式电控喷射系统己 用于a l f a r o m e o 1 5 6 型等 轿车1 3 2 1 1 . 3 . 2日 本电 装公司的e c d - u 2 高压共轨系 统 日 本 电 装 乡 ;* e c d - u 2 系 统 是 最 早 开 发 成 功 的 高 压 共 轨 喷 射 系 统 之 一 e c d - u 2 系 跳示意图见图l 1 2 13 3 1 1 3 4 j 。该系统由 高压油泵、 低压输油泵、a7 11 1 n . 共轨管、电磁阀控制的喷油器、e c u和各种传感器组成。 三月门.令.冲 跳幼机负衡 气妞植翻. 图1 . 1 2 e c d - u 2 系统示意图 图 1 . 1 3 e c d - u 2 高压泵 系统的高压油泵( 图1 . 1 3 ) 是一个二缸直列式柱塞泵， 每个凸 轮有三 个凸 起， 凸轮轴旋转一周每个柱塞供油三次。 阀) ， 调节柱塞的供油量， 最终控 制共轨内的压力。它是在脉动式 泵 油 机 理(j e r k p u m p i n g m e c h a n i s m)的基础上设计的， 并通过压力传感器、 e c u和油泵 控制阀组成的闭环形式来计量柱 塞室的低压燃油量，而且高压油 泵的供油定时与燃油的喷射同 步，不会发生供油过多或不足的 情况，因此，共轨管的油压是稳 在高压泵的泵油柱塞上装有压力控制阀( p c v 扩 搜侧宜 。 : 耗 。 灌1 盆邃 盆 雄 , - 祠 所 _. 产 日油 图1 . 1 4 喷油器的工作过程 第一章绪论 定的。这些特点使该系统消除了其它系统由于溢流而造成的高压燃油损失或浪费， 减少了驱动功率的消耗。 喷油器韵控制阀采用两位三通阀的结构，其工作原理示意图如图1 1 4 所示。 当三通阀未激励时( 图1 1 4 左图) ，外阀在弹簧力作用下压向下方，外阀阀座关 闭，切断回油道。而内阀在来自共轨管的高压燃油的作用下向上移动，内阀阀座 开启，共轨管内的高压燃油经内阀阀座进入控制室，作用在针阀尾部，使针阀处 于关闭状态。当三通阀通电激励时( 图1 1 4 中图) ，外阀在电磁力的作用下，克 服弹簧力向上运动直到内阀阀座关闭，外阀阀座开启，控制室与回油通道接通， 控制室内的高压燃油经单向节流孔缓慢流出，与液压活塞连锁的喷油器针阀缓慢 抬起，产生喷油率逐步增大的喷油( 三角形喷射) 。当针阀达到全升程时，喷油率 最大。供油结束时，切断三通阀的电流( 图1 1 4 右图) ，则外阀再次下行，关闭 回油通道，内阀开启，此时单向节流孔不起阻尼作用，来自共轨管的高压油迅速 进入，作用在液压活塞上方。由于液压活塞面积比针阀面积大得多，因此在喷油 结束时依靠很大的液力作用使针阀迅速落座，实现喷射过程的快速切断。 e c d - u 2 系统除了可以实现三角形喷射外，还可以实现靴型喷射和预喷射。 早期的e c d - u 2 系统共轨压力达到1 2 0 m p a ，经过改进后的第二代，其共轨压力 可达1 4 5i v i p i i ，在下一代共轨系统中实现1 6 0m p a 的喷射压力。e c d - u 2 系统已 成功安装在日野汽车有限公司的新型j 0 9 c ( j - i a ) 中型卡车用6 缸柴油机等机型 l 。 1 3 3 美国c a t e r p ii a r 公司的h e u i 共轨液压式喷射系统 c a t c r p i l l a r 公司h e u i 系统是一种中压共轨系统，是典型的共轨液压式喷射系 统1 3 5 1 1 36 1 ，图1 1 5 为h e u i 系统的示意图。该系统的共轨控制油中不用燃油而用柴 油机润滑油，因此系统中有润滑油和燃油两套油路。采用柴油机齿轮驱动的斜盘 式轴向柱塞泵作为润滑油的高压泵，共轨压力由电磁阀控制在4 - 2 3 m p a 之间，可 根据柴油机工况需要进行调节。 h e u i 系统从1 9 9 3 年投产以来已经过多次改进。其基本型h e u i - a 电控喷油 器结构见图1 1 6 。喷油器由电磁阀、增压活塞、柱塞及喷油嘴组成。当电磁阀通 电时，衔铁带动喷油器内的提升阀向上运动，- f 座打y f ，打开机油进入通道，同 时关闭上座，关闭了喷油器体上方的机油回油孔道，使中压机油进入增压活塞上 方；增压活塞下行，推动位于增压活塞下的柱塞压缩燃油，此时燃油进回油通道 柴油机共轨式电控喷射系统的模拟计算和研究 图11 5i - t e u i 系统示意图 图11 6b l e u i - a 系统的喷油器 由单向阀封闭，于是燃油油压迅速升高，推开针阀，开始喷油。电磁阀断电后在 提升阀弹簧力作用下提升阀下行回到其下座，关闭机油进油孔，同时上座打开， 机油回油通道接通，使油腔内机油泄出到气门罩框室，腔内机油压力迅即下降， 增压活塞在弹簧力的作用下迅速上行，使压缩腔压力下降，在喷油嘴弹簧力作用 下，针阀关闭，停止喷油。此时燃油以输油压力进入柱塞下方，为下次喷油作好 准备。电磁阀通电时刻决定了喷油始点，通电持续时间决定了喷油量。利用喷油 器中的预喷油计量器p r i m e ( p r e i n j e c t i o nm e t e r i n g ，该计量器位于柱塞和柱塞套 内，是一种精确的回油控制装置) ，h e u j a 也可实现预喷射。当柱塞下行压缩 燃油，当燃油压力高于针阀开启压力时，预喷射开始，当柱塞上的计量孔与柱塞 套上的回油孔相通时，预喷射结束。柱塞继续下行关闭回油孔时，燃油压力迅速 上升，开始主喷。这计量孔与回油孔相通阶段为预喷射与主喷射之间的间隔。据 卡特公司资料介绍，应用同样的原理，h e u i - a 喷油器也可实现后喷射。由于预 喷射或后喷射都是由柱塞和柱塞套的油孔结构来实现的，因此在工作过程中是不 可变的，无法实现柔性控制。在1 9 9 3 年投产初期，h e u i a 系统的最高喷射压力 为1 3 2 m p a ，1 9 9 5 年后提高到1 4 7 m p a ，现在己达到1 6 2 m p a t “j 。 卡特公司又开发成功新的h e u i - b 喷油器【3 剐( 图1 1 7 ) ，并于2 0 0 1 年投产。 图1 1 8 为工作原理图。从图上可看到h e u i - b 喷油器上有两个电磁阀，一个电磁 阀控制增压活塞运动，而在喷油器上部的第二电磁阀通过机油控制喷油嘴针阀。 这时，即使第一个电磁阔打开，共轨机油推动增压活塞下行，增压柱塞压缩燃油， 而必须等到第二个电磁阀打开，针闽上部活塞上的机油卸压，针阀才可打开，实 现喷油。这样第二个电磁阀就可独立控制喷油过程，从而实现柔性控制预喷射和 一一 差二兰堕堕 图l1 7 h e u i - b 喷油器结构图1 1 8h e u i - b 喷油器工作原理 后喷射。对于主喷射的喷油速率形状控制，h e u i b 喷油器在其增压活塞上采取 一种独特的、称之为“h ma n c lr s o ”( 帽子) 结构( 图1 1 梦) ：同时再增加一个 r s o 油道。在增压活塞的上段台阶( 俗称小帽刍与嚷油器体划、孔配合的工作阶 段，喷油器的增压比是小帽直径与柱塞直径的平方比值，因此增压比小，再加上 附加的通过r s o 油孔 流入到增加活塞上部的 机油。综合起来，喷油 压力仍然是低的，因而 喷油速率也低，从而形 成靴形喷油速率图的第 一个低的台阶( 见图 1 1 9 右图) 。帽子的高 度就决定了第一个低台 图l1 9 h e l i ib 喷油器的“h a ta n dr s 0 ”结构 阶的延续时间。帽子项 部有一个大的锥角。这一段是增压比逐步变大的阶段。如果没有锥角，小帽离开 小孔的配合部分，增压比有一个突变。因此小帽顶部的锥角角度0 和锥部的高度 h t 决定了主喷油速率上升的斜率。角度0 越大，f i t 越小，上升斜率越陡。e 达到 9 0 。，f i t 为零，上升曲线就是垂直线。而小帽孔旁边的r s o 油孔大小则决定了 靴形喷油速率图第一个台阶的高度。r s o 孔大，则第一个台阶就高。卡特公司的 墨塑! ! 苤垫垫皇塑堕盟墨竺塑垡垫盐篓塑婴壅 资料介绍，上述h e u i - b 喷油器的喷油速率形状控制结构( 小帽和r s o 孔) 也可 用于h e u i - a 喷油器上。h e u i - b 共轨系统最大喷射压力为1 8 0 m p a ，系统中最小 的喷油器是h 1 6 5 b ，中间为h 1 1 1 0 b 、h 1 2 0 0 b ，臻奏喷油器为h 1 3 0 0 b ，喷油量分 别为6 5 、1 1 0 、2 0 0