（动力机械及工程专业论文）柴油机高压共轨燃油喷射系统仿真计算研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 为适应柴油机燃油经济性和排放性的要求，电控高压共轨燃油喷射系统以其 特有的优点获得了越来越广泛的重视和研究。高压共轨系统的喷油规律、共轨压 力波动和共轨压力分布是共轨式柴油机的研究热点。 本文依托国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目大功率车用柴油机开发， 主要研究内容包括：确立了高压共轨燃油喷射系统仿真程序，将g t f u e l 和 g t p o w e r 的程序耦合，构成了共轨式柴油机整机的计算程序。利用轨压和喷油 率等参数的实验数据与仿真结果的对比，验证了仿真程序的正确性。在仿真计算 过程中着重分析了共轨系统参数对喷油规律、共轨内压力以及柴油机性能的影 响，分析了共轨式柴油机的工作状况。利用仿真模型，分析了轨压、喷油量和喷 油定时等参数；针对共轨管道中的压力分布问题，运用三维分析软件f l u e n t ，对 共轨管道中的高压燃油流动进行了计算分析。 关键词：柴油机；高压共轨燃油喷射系统；仿真计算 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t f o ra d a p t i n gt h er e q u e s t so fd i e s e l s e c o n o m ya n de m i s s i o n ，h i g hp r e s s u r e c o m m o nr a i le l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mg e t sm o r ew i d e s p r e a da t t e n t i o n sa n dr e s e a r c h e s r e s e a r c h i n go nt h es i t u a t i o n so fh i g hp r e s s u r ec rs y s t e m sf l u c t u a t i n g , d i s t r i b u t i n go f p r e s s u r e ，a n dt h ee n g i n e sf u e li n j e c t i o nr u l e s ，c o n s u m p t i o no ff u e l ，e m i s s i o na r et h e s e y e a r s h o t s p o t s t h et h e s i si sb a s e do nt h en a t i o n a lh i g h t e c hr e s e a r c hd e v e l o p m e n tp l a n ( 8 6 3 p l a n ) ，t h ed e v e l o p m e n to fh i g h - p o w e ra u t o m o t i v ed i e s e le n g i n e ，t h em a i nr e s e a r c h i n c l u d e s ：e s t a b l i s h e dp r o g r a m m eo fh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i li n j e c t i o ns y s t e m c o u p l i n gg t - f u e la n dg t - p o w e rp r o g r a m m e si n ，c o n s t i t u t e d aw h o l ee n g i n e s c o m p u t i n gp r o g r a m m e g o te x p e r i m e n t sd a t ao fc rp r e s s u r ea n di n j e c t i o nr a t et o c o n s t r a c tw i t ht h er e s u l t so fs i m u l a t i o n , v e r i f i e dt h ec o r r e c t i o no fs i m u l a t i o n p r o g r a m m e d u r i n gt h es i m u l a t i o np r o c e s s ，t h em a i np o 缸i st oa n a l y s i st h ep a r a m e t e r s o fc rs y s t e mw h i c ha f f e c tt h ep r e s s u r ea n dr a t eo fi n j e c t i o n ，e n g i n e se m i s s i o na n d f u e lc o n s u m p t i o n , a n a l y s i s e dh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e l sw o r k i n g s i t u a t i o n ，a n d u s i n gt h em o d e l so fs i m u l a t i o no p t i m i z er a i lp r e s s u r e 、c u m u l a t i v er a t eo fi n j e c t i o na n d i n j e c t i o nt i m e a i m i n ga tt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h er a i l ，u s i n gf l u e n t3 ds o f t w a r e t oc o m p u t ea n d a n a l y s i st h ef l o w i n go f h i g hp r e s s u r ef u e l k e yw o r d s ：d i e s e l ；h i 曲p r e s s u r ec o m m o nr a i li n j e c t i o ns y s t e m ；s i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者弥彷l 碲 ) 导师签名：藐乡眵户 签字日期：扫d 9 年多月一日 签字日期：2 p 矿9 年占月侈日 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 糊姗虢锄寸 乙口7 f 签字日期：年月臼 致谢 本论文的工作是在我的导师张欣教授的悉心指导下完成的，张教授严谨的治 学态度、科学的工作方法、渊博的知识、精湛的学术造诣以及独具慧眼的科学洞 察力，给我深深的启迪和领悟。在此，衷心感谢两年来张老师对我的关心和指导。 感谢郭林福副教授，他对我的论文工作提出了十分宝贵的建议，使我受益颇 丰；维柴技术中心的王秀雷工程师给予了我耐心的指导和无私的帮助，在此表示 感谢；在实验室工作及撰写论文期间，很多同学对我论文中的前期研究工作给予 了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后，感谢我的父母，他们的支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论帚一早三百v 匕 2 0 世纪，柴油发动机技术经历了定型、完善、成熟的过程。柴油机应用于社 会生活的各个领域中。由于柴油机的热效率高、适应性好、功率范围宽，广泛应 用于工业、交通运输业等。因此，柴油机工业的发展，对国民经济具有十分重要 的意义。 随着柴油机技术的不断进步，其应用范围仍在不断扩展中。在欧洲，自从柴 油机诞生以来，大型和中型商用汽车均采用柴油机，而且，轿车柴油机化的趋势 正在迅速推进。北美具有使用大功率商用柴油车的历史：近年来，中型商用车也 在迅速柴油机化。我国柴油机的发展更是迅速，载货汽车正在向全面柴油机化方 向发展。 进入2 1 世纪，随着世界范围内环境污染的不断恶化以及能源的逐渐枯竭，研 一 究一种排放低、经济性好的燃油供给系统无疑是非常必要的。随着各国相继出台 了日益严苛的排放法规，促使柴油机电控燃油喷射技术飞快的发展起来【1 】【2 】【3 1 。 柴油机具有热效率高、扭矩特性优良、碳氧化物排放量低及可靠性好等优点， 但是也有不少缺点，如n o x 和p m ( 颗粒) 排放高，噪音大。目前，对于柴油机的 研究主要集中在降低n o x 和p m 排放以及提高燃油经济性方面。柴油机的排放已 经对环境构成了较大的威胁【7 1 4 1 。排放的尾气中含有c 0 2 、c o 、h c 、n o x 、p m 等，其中n o x 是酸雨形成的源头，n o x ，h c 和n o x 会产生光化学烟雾；p m 和h c 会致癌；n o x 和c o 会导致人呼吸障碍。在柴油机中，最大问题是p m 和n o x 的排 放。起初人们并没有重栅m 的排放，随着医学的发展，发现p m 也是人类主要致 病物质之一，从此对p m 排放研究也提上了日程。n o x 的生成取决于燃烧温度、 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p m 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p m 的排放是一对矛盾，采用提高喷射压力的方法，能 有效地降低颗粒的排放，但n o x 的排放却会增高，究其原因，主要是因为随着喷 射压力的增高，空气燃油预混改善，油滴直径减小，因此碳烟随之减少，燃烧室 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 此时是富氧状态，n o x 的排放就会增加。目前，能使柴油机p m 和n o x $ 4 放同时 降低到满意程度的其他技术措施还很少【2 4 1 6 1 7 1 。 理想的燃油系统需要具备以下特点：1 、最佳喷油定时；2 、最少的初期喷油 量；3 、高压化、良好雾化；4 、喷油结束快。然而，如前所述，同时降低p m 和 n o x $ 非放，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。 图1 1 为车用柴油机采取不同的措施后n o x 和颗粒p m 排放之间的关系【6 】【1 4 1 。 4 lt o1 2 融执幻 图l - 1 车用柴油机采取不同的措施后n o 。和p m 之间的关系 由图可见，对柴油机本身而言，着眼点必然是柴油机的供油系统、进排气系 统、燃烧室形状的合理设计及更好地组织燃烧，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排放的最有效的措施之一。 从表1 i 和表1 2 可以看出，欧盟的排放法规限制较严格。我国目前实施的法 规与欧盟、美国相比，还是有一定的差距阴。 表1 1 欧洲载重汽车排放标准( 单位：g k w h ) 等级执行时间 c oh cn o xp m 烟度 欧i 19 9 2 , 8 5 k w4 51 18 o0 3 6 欧i i 1 9 9 6 1 04 01 17 oo 2 5 1 9 9 8 1 04 01 1 7 o 0 1 5 欧i 2 0 0 0 1 02 o0 65 o0 1 0 欧 2 0 0 5 1 01 50 4 63 5o 0 2o 5 欧v2 0 0 8 1 01 50 4 62 oo 0 2o 5 2 l 8 8 2 o 仅争、弘氛 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 2 中国车用柴油机排放标准( 单位：g k w h ) 执行时间 c oh cn o xp m n e 8 5 k w 1 9 9 1 7 1 0 1 1 1 22 41 4 41 5 6o 9 2 2 0 0 0 1 14 51 18 0o 6 lo 3 6 2 0 0 4 1 0 14 o1 17 o0 1 50 1 5 2 0 0 7 7 12 00 65 o0 1 0o 1 6 1 2 柴油机电控燃油喷射技术的发展现状 传统的机械调节式喷油系统由于控制精度低，反应不灵敏，无法满足进一步 改善柴油机性能的要求。电控喷射技术，由于其控制精度高，控制自由大，控制 功能齐全，因而能实现整个运行范围内参数优化，改善排放，提高经济性。随着 电子控制技术的日益成熟和发展，柴油机电控喷射系统得到了很大的发展，使柴 油机技术发生了一次质的飞跃。到目前为止，柴油机电控燃油系统己经经历了三 代变化，如表1 3 所示为柴油机电控的发展与应用： 表1 3 电控柴油机燃油系统的发展与应用【2 】1 4 】 发展历程控制特点喷油时间喷油压力喷油速率产品年限 凸轮压油可控制可控制不可控制c c i v e c - f1 9 8 2 1 9 9 8 第一代与不可控制可控制不可控制e d c p l1 9 8 0 1 9 9 8 位置控制可控制可控制 不可控制 t i c s1 9 8 每2 0 0 0 凸轮压油可控制，自可控制，自不可控制 e c d v 3l9 9 & 2 0 0 0 第二代与电磁阀由度大 由度大 时间控制 可控制，自可控制，自 e u i1 9 9 6 - 2 0 0 0 由度大 由度大 燃油蓄压可控制，自可控制，自可控制，自 2 0 0 1 第三代 与电磁阀由度大 由度大 由度大 e c d u 2 时间控制 1 ) 第一代：凸轮压油+ 位置控制 在第一代电控燃油喷射系统装置中，将机械式调速器和提前器换成电子控制 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 的机构，燃油系统的压送机构和机械式燃油系统相同。在第一代电控燃油系统中： 喷油量的控制：根据e c u 的指令由杠杆或溢油环的位置进行控制；喷油时间的控 制：根据e c u 的指令由发动机驱动轴和凸轮轴的相位差进行控制。 e c u 是根据通过各种传感器检出的发动机状态及环境条件等，计算出适合于 发动机状况的最佳控制量，并向执行机构发出相应的指令。 第一代电控燃油系统的代表产品有： 电子控制分配泵系统位置控制式；电子控制直列泵系统位置控制式、电子 调速器式；电子控制直列泵系统位置控制式、可变预行程式。 2 ) 第二代：凸轮压油+ 电磁阀时间控制 第二代电控喷油装置是在第一代位置控制式的基础上发展起来的。由于位置 控制系统执行频率响应慢、控制频率低、控制精度不稳定，因此至l j 9 0 年代初，时 间控制式电控喷射系统开发成功。采用新型高速强力电磁阀取代传统的齿条螺旋 槽、定时滑套等直接对高压燃油进行数字式高频调节，由电磁阀的关闭时刻和闭 合时间决定喷油定时和油量。 第二代电控喷油系统的代表产品有：电子控制分配泵系统时间控制式；电 子控制泵喷嘴系统时间控制式。 3 ) 第三代：燃油蓄压+ 电磁阀时间控制 第三代柴油机电控燃油系统是第二代的进一步发展，上世纪9 0 年代中期问世 的柴油机共轨式电控喷射系统摒弃了传统结构，创立了一个全新概念的喷射系 统。共轨式电控燃油喷射系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油的原理，而是在油 泵和喷嘴之间增加共轨机构，通过共轨直接或间接的形成恒定的高压，借助于电 磁一液力控制式喷油器上的高速电磁阀的开启与闭合，从而定时、定量地控制喷 油器喷射，达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火 能量和最少的污染排放。 高压共轨燃油喷射系统( 简称高压共轨系统) 是目前较为先进的燃油喷射系 统，它被认为是二十世纪内燃机技术的三大突破之一。高压共轨燃油喷射技术作 为最先进的电控燃油喷射技术，自诞生以来，以其较低的油耗，较高的动力性能， 更高的喷射压力和更为灵活的喷射方式，很快成为电控燃油喷射系统的主流，成 为新一代绿色柴油机的标志【2 】【6 】忉。 4 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 共轨式电控喷射系统与常规燃油喷射系统相比，具体来讲有如下优点【5 】： 1 ) 可实现高压喷射，喷油压力比一般直列泵系统高出一倍，最高可达2 0 0 m p a 以上；2 ) 喷油压力独立于发动机转速，可以改善发动机低转速、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 ) 喷油定 时和喷油量可自由选定；5 ) 具有良好的喷油特性，优化燃烧过程，使发动机油 耗、烟度和排放等综合性能指标得到明显改善，并有利于改进发动机扭矩特性； 6 ) 结构简单、可靠性好、适用性强，可以在新老发动机上应用。 但是共轨式喷射系统也有待改进之处：1 ) 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、n o x 和h c 排放增加；2 ) 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：3 ) 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，增加了电磁阀的设计难度。 总体来讲，高压共轨燃油系统是很有效的一种净化排放措施。对废气的排放 物c o ，h c 。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。 1 3 国内外柴油机电控共轨喷油系统研究概况 国内外众多内燃机企业通过多年的研究，成功研制出了各种各样的共轨式燃 油喷射系统。其中，国外的有：德国b o s c h 公司共轨式燃油喷射系统，电装e c d u 2 共轨式燃油喷射系统，德国m t u4 0 0 0 系列共轨式燃油喷射系统，英国l u c a s 共轨 式燃油喷射系统等；国内的有：无锡威孚集团与天津大学联合开发的中压共轨式 燃油喷射系统，上海交通大学开发的d m e 共轨式喷油系统，无锡油泵油嘴研究 所与无锡柴油机厂一起与国外合作，在c a 6 11 0 增压中冷柴油机上试验成功的共 轨式燃油喷射系统，清华大学开发的泵管阀嘴电控燃油喷射系统等。另外，北 京理工大学和武汉理工大学进行了中压共轨式燃油喷射系统的开发工作。目前， 共轨燃油喷射系统已在欧美和日本的部分新开发机型上应用，而在国内该系统的 产业化开发才刚刚开始，国内尚无成熟的柴油机电控共轨喷油系统投产。虽然有 几家单位在从事这方面的研究，但总体上仍处于方案探讨、试验研究的层次，距 投产阶段还有很长一段艰难的道路要走。 5 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 国内的高压共轨系统研究虽起步晚，但到目前为止，已经取得了较大的进展。 但是离实用仍然有一定的距离，主要是由于生产工艺较低，生产成本较高，研究 比较分散，相互脱节，未能解决核心技术等原因。共轨喷油系统、电控系统和高 压共轨系统配机开发是高压共轨系统研究的主要内容。电控系统是高压共轨系统 中的核心技术，包括电控单元硬件、控制脉谱( m a p ) 标定、控制策略和控制 算法等内容。由于目前国内还没有成熟的技术，所以自主开发电控系统是十分重 要的。 对柴油机燃油喷射系统进行开发和研究时，仿真计算已经作为一种重要的辅 助手段。尽管仿真研究不能完全替代试验研究，但是理论计算往往可以阐述试验 研究不能解决的问题。采取一些简化假定，较为细致地考虑影响燃油系统的各种 因索，建立较为完善的数学模型，借助计算机，对燃油系统进行较精确的模拟仿 真计算，不但可以得到燃油喷射的基本特征，了解各种结构参数对喷油特性的影 响，而且可以预测喷油系统的参数变化。并结合缸内过程模拟，进行柴油机性能 的预测。目前，国内外的很多发动机、汽车制造厂商和科研单位在开发共轨系统 时，都会采用仿真加试验结合的方式，这样在很大程度上节约了时间和成本。 1 4 典型共轨系统介绍 i ) 德国b o s c h 公司的高压共轨系统 b o s c h 公司已经研制了自己的高压共轨电控燃油喷射系统，结构如图1 2 所 示。 图i - 2 b o s c h 公司的共轨喷油系统结构示意圈 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 高压供油泵为带有电控压力调节器的径向柱塞泵，其中一个柱塞上装有断油 阀，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。因此低压时 的功率消耗可降低，轨内压力可以在1 5 2 0 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，有 较强抗污染能力f 引。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。最高喷射压力 达到1 4 0 m p a ，最大供油量约为3 3 0 m m 3 s t ，供油泵最高转速约为4 0 0 0 r m i n 。 2 ) e c d u 2 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，原理图如图1 3 所示。e c d u 2 电控共轨式喷油系统的最大喷油压力为1 5 0 m p a ，最大喷油量为2 5 0 m m 3 s t ，该燃 油系统的电控液压喷油器早期采用三通阀控制燃油的喷射过程，但存在燃油泄露 量过多的问题，因此该燃油系统的电控液压喷油器现在采用两通阀控制燃油的喷 射过程，系统在1 9 9 9 年已达到年产3 0 万套的生产水平，在日本国内被大量应用于 卡车柴油机，在轿车柴油机中应用较少【4 】【2 6 1 。 1 5 论文的主要工作 图1 3e c d - u 2 系统示意图 本文的主要研究工作如下： l 、深入研究高压共轨燃油喷射系统的组成和工作原理；建立起共轨喷油系统的 数学模型，确定了边界条件和控制边界；应用g t - f u e l 建立起共轨系统计算模型， 7 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 应用f l u e n t 软件对不同结构、尺寸的共轨管道划分计算网格、设置边界条件和初 始条件。 2 、根据g t 软件模拟出的轨压和喷油率随时间变化曲线与供油泵试验台实验测试 的实验数据作对比验证，在此基础上分析共轨系统参数对共轨系统喷油规律和压 力波动的影响；利用f l u e n t 软件分析不同共轨结构以及喷油过程的共轨管道内的 空间压力场分布情况。 3 、建立起柴油机的数学模型，应用g t p o w e r 软件建立起柴油机系统计算模型， 在g t f l o w 中耦合柴油机和共轨系统的仿真计算模型。 4 、分析轨压、喷孔直径、喷油定时对柴油机工作过程的影响，包括动力性、经 济性、排放性，对轨压、喷油率、喷油定时等参数进行优化。 北京交通大学硕士学位论文 第二章高压共轨燃油喷射系统仿真计算模型的建立 第二章高压共轨燃油喷射系统仿真计算模型的建立 2 1 概述 仿真计算模型是根据实物来建立的，高压共轨燃油喷射系统主要由供油泵、 共轨管、高压油管、喷油器、电控单元及各种传感器组成。高压油泵主要采用的 是德国b o s c h 的c p n 22 高压油泵；高压共轨喷油系统机械部分及执行器采用 的是b o s c h 的相关产品，而喷油器部件为b o s c h 的第二代喷油器c r i n 2 ，电 控单元采用e d c 7 ，共轨管道采用b o s c h 的l w r n 2 型共轨，系统原理参考第 一章第四节相关内容。 2 2 高压共轨燃油喷射系统的结构和特性分析 22 1 供油泵 共轨系统的高压油泵主要是由高压供油泵、输油管道、共轨总成和功能阀件 构成，其功能是将燃油压缩到所需的压力，并将燃油输送到共轨中，等待分配到 相应喷油器。 供油泵外部结构见图2 - 1 所示，其内部结构如图2 - 2 所示，油泵由柴油机通过 联轴节、链条或齿形皮带轮驱动，其转速与凸轮轴转速相等( 柴油机转速的一半) ； 它将高、低压系统连接起来，将输油泵输送来的燃油压缩再送到共轨中去。 c 2 ( 日* e * 幕 。蕤： 图2 - l 供油泵外部结构 在高压供油泵内部三个泵组件相g p a l 2 0 响隔角度径向布置，被具有一定型 北京交通人学颂十学位论文 第_ _ = 章高压共轨燃油喷射系统仿真计算模型的建立 线的偏心凸轮驱动。燃油由三个柱塞交替进行压缩，不但使系统供油频率和喷油 频率同步，而且每一转供油三次驱动扭矩的峰值比较低，同时也减小了燃油的压 力波动和驱动扭矩的波动。 2 2 2 共轨及其组件 图2 2 供油泵内部结构 共轨是共轨系统中相对特殊、相对重要的管体，它的结构主要包括：共轨管、 压力限制器、限流器和共轨压力传感器。 ( i ) 共轨管 共轨管即一个所谓公共油道的小的储油管，轨中压力几乎保持恒定，且时刻 准备为各个电控喷油器供油，并便于与喷油器一起对燃油喷射过程优化。共轨管 是圆筒形结构。外加一些辅助装置，它的整体结构如图2 3 所示。共轨管的容积 大小一般在l o - 6 0 r a l 范围之内，这个容积应具有削减高压油泵的供油压力波动和 每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡的作用。使高压油轨中的压力波动控制在 5 m p a 以下。但其容积又不能太大，以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟 踪柴油机工况的变化。应根据实际的柴油机匹配情况，设计合适的共轨管容积。 谨攀。 l 冒1 广冒_ 1 一 1 、高压油泵进油e 1 2 、共轨压力传感嚣3 、共轨管4 、眼压阀 5 、到油箱的回油管6 、限流器7 、到喷油器的高压油管 图2 - 3 共轨管道整体结构 ( 2 ) 压力限制器 压力限制器安装在共轨上，若共轨中的油压超过共轨设定的最大压力时，则 北京交通大学硕士学位论文第二章高压共轨燃油喷射系统仿真计算模型的建立 共轨中的油压克服球阀上的弹簧力，推动球阀离开阀座燃油通过通孔流回油箱， 使共轨中的油压下降，防止高压系统的管道或共轨压力过高而损坏，其机构示意 图如图2 - 4 所示。 l 球阀2 电枢3 电磁体4 弹簧5 电气接头 闰2 4 压力限制器 ( 3 ) 限流罂 限流器是为了防止喷油器可能出现的持续喷油现象，当共轨流出的油量超过 最大流量时，流量限制器将自动关闭流向相应喷油器的进油口，停止继续喷油。 图2 5 为限流器的示意图，其内部有一个活塞，一根弹簧将其向共轨方向压紧， 活塞对外壳壁部密封。活塞上的纵向孔连接进出油孔，并且纵向孔直径在末端是 缩小的，这种缩小的作用就像流量精确规定的节流孔效果样。 泄油量过大时的保护性工作原理：当喷油器喷出的油量过多时，活塞从共轨 端限位体位置被压到密封座面上，从而关闭通往喷油器的进油口，一直保持到柴 油机停机；泄油量过小时的保护性工作原理：由于产生泄油，活塞不再能达到静 止位置( 即共轨端的限位体位置) ，经过几次喷油后，活塞移动到出油端的密封 座面上，关闭通往喷油嚣的进油口，一直保持到柴油机停机。 l 来自共轨2 密封圈鳙噙4 弹簧 5 辨壳6 通往喷油嚣7 阀座8 截藏阀 图2 - 5 限流嚣 北京交通大学硕士学位论文第二章高压共轨燃油喷射系统仿真计算模型的建立 2 2 3 喷油器 电控喷油器是高压共轨燃油系统中最关键的部分，通过控制电磁阀的开启和 关闭，油量、喷油率和喷射压力喷入燃烧室。图2 6 为电控喷油器结构图。 1 回油孔2 电磁阀弹簧3 线圈4 球阁5 出油 孔6 控制柱塞弹簧7 喷嘴针阀8 盛油槽9 进 油道l o 壳体11 控制柱塞1 2 控制室1 3 进油 孔1 4 进油口1 5 铁心1 6 电磁阀1 7 电气接头 图2 6 喷油器结构 c r i n 2 型电控喷油器与现有的直喷式柴油机的喷油器壳体总成相似，中置并 用压板垂直安装在柴油机气缸盖的安装孔中。由图2 6 知喷油器包括喷油器体、 多孔喷嘴、含有两个阻尼孔的控制腔、带有一个钢球的衔铁机构、电磁阀线圈、 e c u 连接线、挺杆及针阀。按照实现功能可以分成：孔式喷油嘴、液压伺服系统、 电磁阀三个功能模块。高压的燃油进入喷油器后分成两路，一路前往喷油嘴，另 一路经过供油孔进入控制腔。控制腔通过一个由电磁阀开启的泄油孔与回油管相 连。根据电控喷油单元( e c u ) 送来的电子控制信号，电磁阀通过快速开启或关 闭泄流孔使喷油器液压系统产生预定的压力变化过程，依靠液压系统的液压作用 力，确保针阀的启闭特性以实现特定的喷油规律，定时、定量地将燃油喷入柴油 机气缸燃烧室中。 2 3 高压共轨燃油喷射系统数学模型 在建立系统计算模型过程中，将影响燃油供给和喷射过程的所有因素都考虑 进去是不切实际的，在建立仿真计算模型中作了如下的基本假设： 1 2 北京交通大学硕士学位论文 第二章高压共轨燃油喷射系统仿真计算模型的建立 流体在整个系统中作可压缩的一维非稳态流动，但其非稳态流动阻力用稳定 流动阻力进行计算。 燃油在共轨内的一维非定常流动的连续性方程、运动方程和燃油物态方程分 别如式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 所示【1 1 】【1 4 】。 掣+ 掣：0 ( 2 - 1 ) 出优 _ 0 p u , 4 + 垒竺+ 掣+ 2 k p u 4 ：o ( 2 - 2 ) 西苏叙 口2 掣+ 掣= 0 ( 2 3 ) 叙魂 其中：p 表示压力；p 表示密度；a 表示截面积；“表示流速；a 表示音速； k 粘阻系数；1 ，为运动粘度。 接下来几小节的内容主要讨论共轨系统数学模型【l l 】【1 3 】【1 4 】【用。 2 3 1 供油泵数学模型 供油泵物理模型参考图2 1 、2 2 。 ( 1 ) 油泵的柱塞腔连续性方程【1 1 】【1 3 】 。 建立柱塞运动方程的目的在于模拟凸轮轴驱动柱塞上下往复运动压油和吸 油的动态方程。这里假定凸轮滚柱柱塞相互之间处于理想状态，即刚度足够大， 相互之间无振动、冲击。单个柱塞一次泵油时柱塞运动方程为： 在t 蛰j t + d t ( 相当于凸轮转角纪到纯+ d c p , ) 的时间内，凸轮轴转动伊角，柱 塞位移为： 吃= ( r c o s y - e c o s 力- ( r - e ) ( 2 - 4 ) 其中：，凸轮轴半径( r a m ) ；e 偏心距( 啪) ；髓柱塞位移( r a m ) 。 由于在t 到t + d t 时间内y 很小，所以c o s 7 趋于1 ，即：吃= p ( r c o s t ) ( 2 5 ) 其中9 为转速i r l 的函数，i f = c o t = 万n 3 0 ，这三个柱塞的位移方程的数学模 型为： 1 3 ! ! 室奎望奎堂堡主堂垡笙壅 箜三童壹垦苤垫燮迪堕堑墨丝堕塞生塞堡型堂皇茎董童 | j l z l - - e ( 1 一争 h z 2 - e ( h s 嚣o + q 6 ) h z 3 - e ( t 一焉c t 一 ( 2 ) 出油阀( 球阀) 运动方程【l l 】【1 3 1 争= 州e 吲却( i - i , + 风) q - 7 ) 式中：下标s 表示球阀弹簧；他为钢球质量；恕为弹簧刚度；只为弹簧压缩量； 日甜为弹簧预压缩量；4 为球阀作用面积。 ( 3 ) 出油阀腔连续方程n 4 1 事鲁邓4 争以州蜘吲哪 ( 2 8 ) 式中：4 表示阀球接触面积，4 表示出口处流通截面积。系数叩和万分别为： f o ，出油阀关闭 叩2 1 1 ，出油阀打开 f 0 ，出油阀无流出 d 。 1 ，出油阀有流出 出油阀流通截面积： ( 2 9 ) 其中：西为出油阀孔直径；d = 2 r 为球阀直径；口为球阀与出油阀孔接触半角。 2 3 2 共轨管数学模型 共轨管部分涉及到的数学模型主要就是燃油在共轨内的流动方程，其表达式 为【1 1 】： 盟a ：p d t = 4 _ 如 ( 2 _ l 。 其中：下标菲示共轨；i i l 表示流进；0 u 滚示流出。 1 4 北京交通大学硕士学位论文第二章高压共轨燃油喷射系统仿真计算模型的建立 2 3 3 喷油器数学模型 ( 1 ) 电磁阀模拟计算方程【1 1 】【1 7 】 电磁阀的动态方程组可用如下的微分方程组描述： 三c 争鲁 。 协 砸一警 f u c ( o + ) = 心( o 一) = u 初始条件妃陬甜= 一警= 专他瑚 q 。1 2 其中：三电磁阀电感( m h ) ；c - 电磁阀充电电容( a f ) ；r - 限流电阻( q ) ； 蚝一电容初始电压( 矿) ；i ( o 一线圈中的电流( a ) 。 ( 2 ) 电磁阀电磁吸力方程【1 3 】 ，= 肛d s ( 2 1 3 ) 只：土( 刀b ) b 2 2 _ lb 2 刀 ( 2 1 4 ) 其中：f 为电磁吸力；弓为单位面积上的吸力；b 为电磁感应强度向量；n 为沿 积分表面法线方向的单位向量；a 为真空的磁导率。 ( 3 ) 盛油腔连续方程【l l 】 每墨d t - 4 w 地圳百d h n 小心4 莎吲一q ( 2 - 1 5 ) 其中：厶为针阀导向部接触面截面积；4 。为针阀头部截面积；下标n 盛油腔； 下标c 为压力室通道。q 为针阀偶件泄露量。 参数和f 取值： 1 5 北京交通大学硕士学位论文 第二章高压共轨燃油喷射系统仿真计算模型的建立 f 1 ，针阀运动 ，10 ，针阀静止，或针阀至上限静止位置 ，f 1 ，针阀运动 岛1o ，针阀静止，或针阀至上限静止位 ( 4 ) 压力室连续性方程【l l 】 1 4 l 1 7 1 旦a 2 p 望d t 呼州伊鬲堆( 4 1 4 咆) 警母 岛序i ( 2 1 6 ) 其中：下标c y l 表示汽缸；4 表示针阀锥面流通截面积；下标c 表示压力室；代 表流量系数。 ( 5 ) 针阀运动方程f 1 4 】【1 刀 望= 如只一4 - 。只。一毛( 只+ ) 一如 ( 2 - 1 7 ) 其中：为针阀质量；以为针阀升程；屯为弹簧刚度；以为弹簧预压缩长度； 白为针阀下部的承压截面积；厶为针阀上部的承压截面积；气为针阀锥面接 触面处的截面积。 ( 6 ) 针阀上腔连续方程【l l 】【1 7 】 舞警= 如+ c l 厶警一c 2 4 啪括i 匕一只i ( 2 - 1 8 ) 其中：吃为针阀上腔容积；匕为针阀上腔压力；为上腔仅有孔截面积；厶 为针阀上部头面的截面积；以为针阀升程；4 啪为针阀上腔流出截面积；c i ，乞 为系数。 2 4 高压共轨燃油喷射系统仿真计算模型 本文利用g t f u e l 软件来建立共轨系统的仿真计算模型，g t - f u e l 软件适用于 分析燃油喷射和液压系统方面的分析。它的处理问题的方法是按照一维可压缩纳 维斯托克斯方程来实现的，同样也包括液体中连带气体的气穴现象的影响。 g t - f u e l 应用于柴油机、汽油机的燃油喷射系统、共轨系统和供油泵系统。当它 1 6 北京交通大学硕士学位论文第二章高压共轨燃油喷射系统仿真计算模型的建立 和g t p o w e r i 联合仿真时，它可以用来测试喷油系统和燃烧系统相互之间的作用， 以及供油系统对燃烧的影响。 共轨系统作为一种新型的燃油供给系统，在燃油在共轨、以及高压油管中的 流动，以及喷油规律的实现等方面都需要流体力学的处理计算。所以，运用 g t - f u e i 建立共轨式燃油供给系统模型是合适的选择。需要说明的是，由于共轨 系统中的轨压控制是最为复杂的，这里需要利用g t 软件与m a t l a b 接口以实现 s i m u l i n k 控制算法与g t 仿真模型的同步仿真。 在建立计算模型之前，需要详尽的系统参数，才能使仿真顺利进行。表2 1 为共轨系统进行模拟计算所需参数。 表2 1 共轨系统模拟计算参数 燃油密度8 5 0 船m 3燃油音速1 4 0 0 m s 燃油动力黏度0 0 0 4 7 n 。s | m l燃油弹性模量1 5 0 0 脚 柱塞升程 9 m m 柱塞密封长度 3 8 m 所 柱塞直径 9 朋m 柱塞球阀弹簧刚度8 5 m m 柱塞球阀质量 0 4 2 9柱塞球阀直径 4 7 m m 柱塞偶件的间隙 o 0 0 2 聊柳柱塞出油阀流量系数0 8 3 3 柱塞球阀出口直径 2 7 5 m m供油孔压力0 。8 m p o 柱塞球阀阀孔接触角 3 酽柱塞低压油道直径 6 3 扰m 低压油道的流量系数 o 8 l 高压油泵温度 6 0 0 c 柱塞弹簧刚度3 3 9 n m m 柱塞集中质量 0 0 8 3 k g 柱塞弹簧预紧力 4 1 3 5 n柱塞滚轮高度 8 2 肌册 凸轮半径 3 4 7 m m凸轮偏心距 4 5 ，撑嬲 凸轮基圆半径 2 0 加掰 前高压油管长度 3 0 0 珑坍 油管内矽p 直径 2 4 6 a 稽l m 共轨管内径 8 5 掰珊 后高压油管长度 3 5 6 m m 共轨管体积2 9 x1 0 3 m m 3 共轨温度 7 0 。c电磁阀维持电压2 4 v 电磁阀开启电压 1 1 0 y 电磁阀驱动电容 9 6 0 0 比f l 1 7 北京交通大学硕士学位论文第二章高压共轨燃油喷射系统仿真计算模型的建立 电磁阀电感 2 4 0 k t h电磁阀峰值电流1 5 彳 电磁阀维持电流 3 彳 电磁阀最大升程 0 0 5 r a m 磁路长度 6 4 m m 真空磁导率4 万1 0 7 h 1 7 1 衔铁吸盘卸压孔 8 x 痧2 m m磁通经过气隙截面积7 0 8 m m 2 电磁阀最大气隙 0 0 5 聊m 针阀最大升程o 3 川m 电磁线圈内径 1 5 5 m m ，4 x 1 9 匝衔铁回位弹簧刚度2 7 m m 电磁阀衔铁质量 6 9 8 9衔铁回位弹簧预紧力 5 3 衔铁吸盘内夕p 径 7 5 2 1 8 ，竹朋 喷油器喷孔尺寸0 1 6 9 m i n xl m m 6 电磁阀芯均压槽 1 4 、1 9 、l 埘朋活塞杆头部尺寸4 9 x4 r a m 针阀座流入流量系数 0 9a 孔流量系数0 8 2 针阀弹簧刚度 1 6 n f a l , a 衔铁球阀a 孔接半角 2 4 0 针阀质量 1 7 3 9针阀弹簧预压缩量 0 5 m 研 2 4 1 供油泵计算模型 高压共轨系统的高压油泵由柴油机通过联轴节、齿轮、链条或齿形皮带驱动， 转速为柴油机转速之半( 最高转速不超过3 0 0 0 r p m ) 。控制单元通过对油泵控制 阀( p c v ) 的调控，将提供至共轨管的油压调节在一定范围之间。 图2 7 为供油泵计算模型。燃油进入高压油泵时被分为两部分，一部分燃油 经安全阀的节流口流过高压油泵凸轮内腔，用以润滑并冷却凸轮运动机构，并从 该处流回燃油箱；另一部分燃油用于充注三个泵油组件的柱塞腔，且被加到高压 送往共轨管。在高压泵内部三个泵油组件互相以1 2 0 。的间隔角度径向布置。三 套泵组件浮动在泵轴上，被具有一定形线的单凸轮驱动。燃油由三个柱塞交替进 行压缩，高压油泵凸轮轮廓线采用连续光滑类圆的推回程曲线，包括挺柱体部件、 柱塞弹簧下座、柱塞弹簧、柱塞弹簧上座、柱塞。 油泵控制阀( p c v 阀) 由轨压控制单元发出信号直接驱动。在油泵柱塞的吸 油行程中，低压燃油经过p c v 阀流入压油腔。到了压油行程，柱塞上行，若p c v 阀未被驱动，则未被压缩的低压油重新经过p c v 阀及回油管直接回油，这时由于 没有向共轨管供油，所以燃油压力也没有升高，这个过程称为预压行程；而p c - v 阀被驱动后，低压油的回路被封闭，上行的柱塞将压油腔内的燃油压缩，当压力 1 8 北京变通大学硕士学位论文 第二章高压共轨燃油喷射系统仿真计算模型的建立 大于出油阀的作用力时，经过增压的燃油流过出油阀而被压入共轨管中。p c v 阀 关闭后的柱塞有效行程和柱塞泵的输出压力决定了供油量，即通过控甫u p c v 阀的 关闭时刻来控制柱塞的预压行程，当需要的供油量较大时，控制单元发出太脉宽 的p c v 阀的关闭指令，以缩短预压行程，延长供油行程；反之亦然。 图2 - 7 供油泵计算模型 建模时，利用g t 软件与m a f l a b 接口实现s i m u l i n k 控制算法与g t 仿真模型的 同步仿真，可以利用s i m u l i n k 编写控制程序用来调控p c v ，图2 7 中在油泵控制 阀处各有一个p c v 输入信号，这个信号就是供油脉宽：所谓的p c v 脉宽，指的是 在柱塞上行时，选择在某一时间开启p c v ，直至p c v 再次关闭，这段时间就是向 共轨供油的时间， v c v 脉宽。它来自s i m u l i n k 控制模型，具体算法见第- - d , 节。 另外，高压油泵有个泄油端，可以把多余的燃油流回油箱。三个柱塞泵的燃油合 而为一进入主油道。通过出油阌流向共轨。出油阀开闭主要是通过控制阀的升程 来实现的。 北京宜通人一硕l 学何论文 第章高m 批轨燃油喷射系统仿舆计算模型的建立 1 ：r ：l ：_ _ c 、 斟2 8 供油泵杠塞升程 这里需要| 兑明的是柱塞的仿真计算模型，图2 8 为供油泵柱塞随凸轮轴升程， 图2 9 为柱塞仿真计算模型，程序运行时将凸轮升程数据输入到计算模型中去， 通过这组设计，就很容易实现供油泵杜塞的工作功能，在p c v 未被驱动时，柱塞 上鲋将低压燃油通过泄露( l e a k a g e ) 元件泄露至回油腔，而在p c v 阀开肩时， 可以将压力较低的燃油通过在柱塞腔( p u m p c h a m b e r ) 中压缩，柱塞腔内的压力 增大，当压力超过限值时( 设定为2 0 m p a ) ，经过增压的燃油将被压入共轨叶1 。 _ i ! 矗! 。 簪 4 曩，b 鱼 圈2 9 柱塞计算模犁 2