（载运工具运用工程专业论文）高压共轨供油参数对喷射特性的影响分析.pdf

幽： 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特另u ) j h 以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它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。 签名：狐飞日期：二幻似ff 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的 全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 旅乙 导师签名： 黔殳屿牵 摘要：世界各国排放法规的同益严格和能源的严重短缺，迫使柴油机朝着低污染、低 油耗和高比功率的方向发展。而降低柴油机排放、提高动力性、经济性的关键在于改 善其燃烧过程。进气系统、燃油供给系统和燃烧室形状三者相互配合决定了柴油机的 燃烧质量，因此对上述系统进行研究是提高柴油机性能的关键。作为新一代的燃油系 统，电控高压共轨燃油喷射系统以灵活的控制方式、较高的喷射压力等特点显示出了 其巨大的优越性和发展潜力。柴油机高压共轨电控喷射系统是在电控分配泵系统的基 础上发展起来，完全满足时代要求。国外在这方面的研究已经有了比较成熟的应用成 果，国内的研究还处在试验阶段。 计算机仿真技术已经成为各行各业必不可缺的技术手段，复杂的系统，都可以先 在计算机里进行仿真，摸清其特性后再进行实物试验。文章首先对高压共轨系统的国 内外发展现状和机理作了系统的介绍，而后借鉴了安装在4 缸直y u 4 9 3 柴油机上的 b o s c h 单轨共轨系统的结构和原理，建立了共轨系统各部分详细的数学模型和整体 物理模型，对某型实验台架上的高压共轨燃油系统利用计算机仿真软件a m e s i m 建立 高压共轨系统的模型，并在共轨试验台架上完成模型验证，分析共轨管路参数，包括 共轨管容积、长径比、内径、长度和高压油管长度、内径，对高压共轨系统的压力建 立和压力波动的影响，利用仿真模型将计算出来的轨压波动与实测的数据进行了对 比，通过验证数据点的误差和曲线整体走向来判定仿真结果的准确度，并分析了误差 产生原因；最后根据仿真结果对各共轨管路参数做出定性的研究。 由于高压油泵和电控喷油器是电控高压共轨燃油系统罩最复杂的部件，所以在文 章中对这两部分的结构做了重点分析，通过建立的仿真模型，分析了压力控制室部分、 针阀部分和电磁阀部分的相关参数的改变对压力波动的影响。 高压共轨电控燃油系统以其较高的喷射压力、独立于发动机转速、灵活可变的喷 油控制，成为独具潜力的电控喷油系统。本文的研究工作为深入理解柴油机高压共轨 喷油系统和高压共轨系统的选型与匹配工作打下良好的基础。 关键词：柴油机，高压共轨，仿真，压力波动 a b s t r a c t ：i n c r e a s i n g l yr i g o r o u se m i s s i o nl e g i s l a t i o na n ds e v e r ee n e r g ys h o r t a g ef o r c ed i e s e l t ob ed e v e l o p e df o rt h eo b j e c t o rl o w e rp o l l u t i o n , l o w e rf u e lc o n s u m ea n dh i g hp o w e rp e r w e i g h h o w e v e r , t h ek e yt or e d u c ee m i s s i o n s ，i m p r o v ed i e s e l sp o w e ra n df u e le f f i c i e n c y d e p e n d so ni m p r o v i n gd i e s e l sc o m b u s t i o np r o c e s s 。w h i l et h ew e l lm a t c ha m o n gt h ef u e l i n j e c t i o ns y s t e m ，t h ei n t a k es y s t e ma n dt h es t r u c t u r eo fc o m b u s tc h a m b e rd e t e r m i n e dt h e d i e s e l sc o m b u s t i o nq u a l i t y s ot h ek e yt oi m p r o v et h ed i e s e l sc a p a b i l i t yi ss t u d yo nt h o s e s y s t e m s a st h en e wg e n e r a t i o ns y s t e m , t h eh i g hp 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 g r a d u a l l ys h o w e di t sg r e a ta d v a n t a g ea n dp o t e n t i a l 、撕t l lt h ec h a r a c t e r i s t i co ff l e x i b l ec o n t r o l m o d ea n dh i g hi n j e c t i o np r e s s u r e t h ed i e s e le n g i n eh i g h - p r e s s u r ec o m m o nr a i le l e c t r o n i c c o n t r o li n j e c t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e df r o mt h ee l e c t r o n i cc o n t r o ld i s t r i b u t ep u m ps y s t e m a n d c o m p l e t e l yf u l f i l lt h en e e do fa g e s o v e r s e a sh a v em a d eam a t u r ea p p l i e dp r o d u c t i o no n t h i sf a c t , b u tt h ed o m e s t i ci n v e s t i g a t i o n sa r eo nt h et e x tp h a s e c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sb e c o m i n ga ne s s e n t i a lt e c h n o l o g ya ta l lw o r k so f l i f e a n yc o m p l e xs y s t e mc a nb es i m u l a t i o ni nt h ec o m p u t e rf i r 瓯a f t e rf i n d i n go u ti t s c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e ne a r l yo nt h ef u l ls c a l et e s ta g a i n i nt h i sp a p e r , f k r s t l ym a d eas y s t e m a t i c i n t r o d u c t i o no ft h eh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e m sd e v e l o p m e n tp r e s e n ts i t u a t i o na n d m e c h a n i s ma tt h ed o m e s t i ca n da b r o a d t h e nu s e dt h ei n s t a l l a t i o no f4c y l i n d e ri nl i n e4 9 3 d i e s e le n g i n e sb o s c hs i n g l et r a c kc o m m o nr a i ls y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l ef o r r e f e r e n c e ，e s t a b l i s h e dt h ev a r i o u sp a r t so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e li nd e t a i la n dt h eo v e r a l l p h y s i c a lm o d e lo ft h ec o m m o nr a i ls y s t e m m a k eu s eo ft h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ns o f t w a r e a m e s i mt oe s t a b l i s ht h em o d e lo fh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e mf o rac e r t a i nt y p eo f t e s tb e n c ha n dc o m p l e t e st h em o d e lv e r i f i c a t i o ni nt h ec o m m o nr a i lt e s tb e n c h a n a l y s i st h e p a r a m e t e r so ft h ec o m m o nr a i l ，i m p a c to ft h eh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e mp r e s s u r e e s t a b l i s h m e n ta n df l u c t u a t i o no fp r e s s u r ei n f l u e n c e , i n c l u d i n gt h et u b ev o l u m e ，l e n g t ht o d i a m e t e rr a t i o ，i n s i d ed i a m e t e r , l e n g t ha n dt h eh i g hp r e s s u r eo i lp i p el e n g t h , i n s i d ed i a m e t e r c o m p a r e dw i t ht h er a i lp r e s s u r ef l u c t u a t i o nd a t au s e t h es i m u l a t i o nm o d e la n dt h em e a s u r e d d a t a , t h r o u g ht h ed a t ap o i n t st ov e r i f yt h ee r r o ra n dt h eo v e r a l lt r e n dc u r v e t od e t e r m i n et h e a c c u r a c yo fs i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i so fe r r o rc a u s e s f i n a l l y ，b a s e d0 1 1t h es i m u l a t i o n r e s u l t sm a k ea q u a l i t a t i v es t u d yt oe a c ht h ec o m m o n r a i lp i p e l i n ep a r a m e t e r t h ei m p o r t a n tp a r to ft h ep a p e ri st h ee m p h a s i sa n a l y s i so ft h ee l e c t r o n i ci n j e c t o ra n d h i g hp r e s s u r ef u e lp u m pw h i c hi st h em o s tc o m p l i c a t e dp a r ti nt h eh i g hp r e s s u r ec o m m o n r a l l f u e li n j e c t i o ns y s t e m a f t e rs e t t i n gt h es i m u l a t i o nm o d e l ，w ec a l lg e tt h ef l u c t u a t e dp r e s s u r e i n s i d ef o rt h ew h o l es y s t e mb yc h a n g i n gt h er e l e v a n tp a r a m e t e r si nt h ep r e s s e rc o n t r o l l i n g c h a m b e r , t h en e e d l ea n dt h es o l e n o i d h i g hp 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 mw i t hi t sh i g hi n j e c t i o np r e s s u r e i n d e p e n d e n c eo f t h ee n g i n es p e e d ，f l e x i b l ea n dv a r i a b l ef u e li n j e c t i o nc o n t r o l ，b e c o m e st h e a l o n ep o t e n t i a lt h ee 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 i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c h w o r kf o rt h ei n - d e p t hu n d e r s t a n d i n go fh i g h p r e s s u r ec o m m o n r a i ld i e s e le n g i n ef u e l i n j e c t i o ns y s t e ma n dl a yas o l i df o u n d a t i o nf o rt h es e l e c t i o no fh i g h - p r e s s u r ec o m m o n r a i l s y s t e ma n dm a t c h i n gw o r k k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ，h i g hp r e s s u r ec o m m o n r a i l ，s i m u l a t i o n ，p r e s s u r ef l u c t u a t e 目录 1 绪 念l 1 1 概述1 1 2 柴油机喷油系统简介2 1 3 国内外研究现状3 1 4 本课题研究的主要内容5 1 5 本章小结6 2 高压共轨系统的组成及工作原理7 2 1 高压共轨系统的种类。7 t 2 2 高压共轨系统的组成及工作原理7 2 3b o s c h 轿车用共轨喷油系统的发展1 l 2 4 本章小结：1 2 3 高压共轨系统模拟计算1 3 3 1 计算模型简化假定13 3 2 高压油泵数学模型的建立1 3 3 2 1 油泵结构的数学模型1 3 3 2 2 柱塞腔内燃油的连续方程1 5 3 3 共轨模型的建立1 6 3 3 1 共轨容积的微分方程组1 7 3 3 2 共轨内燃油连续方程1 8 3 4 喷油器数学模型的建立1 8 3 4 1 喷油器结构分析18 3 4 2 喷油嘴腔内数学模型1 9 3 4 3 喷油器部件数学模型2 1 3 5 高压油管数学模型2 3 3 6 本章小结。2 4 4 测试试验台架装置2 5 4 1 测试系统组成2 5 4 2 喷油泵试验台2 6 4 3 单次喷油量测量仪2 7 4 4 试验中的传感器2 8 4 5 采集监控系统2 9 4 6 本章小结3 0 5 仿真模型的建立优化31 5 1 仿真软件a m e s i m 简介3 1 5 1 1 仿真软件的功能3 1 5 1 2 图形化建模仿真工具a m e s i m 3 2 5 1 3 模型与文档生成器a m e s e t 3 2 5 1 4 数据库创建工具a m e c u s t o m 3 2 5 1 5 运行工具a m e r u n 3 3 5 2 建模仿真软件的基本特性3 3 5 3a m e s i m 软件的应用方法研究3 6 5 4 仿真模型的建立3 9 5 4 1 高压共轨系统整体模型4 l 5 4 2 高压泵模型4 2 5 4 3 调压阀与限流阀模型4 5 5 _ 4 4 共轨模型4 7 5 5 喷油器模型4 9 5 6 本章小结4 9 6 高压共轨系统仿真结果分析5 0 6 1 模型验证5 0 6 2 喷油器分析5 2 6 - 2 1 控制量孔的影响5 2 6 2 2 针阀部分的影响5 3 6 2 3 喷孔直径的影响。5 3 6 2 4 轨压对喷油量的影响。5 3 6 3 共轨参数研究。5 4 6 3 1 共轨容积的影响5 4 6 - 3 2 共轨形状的影响5 6 6 3 3 长度的影响5 6 6 3 4 内径的影响5 8 6 4 高压油管参数研究5 9 6 5 本章小结6 3 7 总结与展望6 4 参考文献6 6 j l 丈谢7 1 1 绪论 车用柴油机得芏“u 。一j 。h “o 所未有的发展【。国际权威咨询机 是柴油汽车的年代，中国也不例外。早在1 8 9 4 年柴油发 动机就由德国鲁道夫迪赛尔发明了【2 】，这一百多年来，多用于商用车上。从上世纪8 0 年代，由于科技重大进步，柴油机迅速的进入轿车领域，来势越来越猛，在2 1 世纪相 当长的内，汽车产业柴油化将成主导产品【3 】。柴油机比汽油机一般要省1 5 3 0 的油 耗，它还具有环保性好、污染少、扭矩高，使汽车动力性和加速性优于汽油机，以及 使用上的耐久性、可靠性、安全性，能更好适应市场需求【4 j 。2 0 0 8 年初在底特律车展 亮相的装载b l u e t e c 柴油机的奔驰e 3 2 0 ，v 6 柴油机功率1 5 5 k w ，百公里油耗仅为 j 6 7 l ，几乎是同级别汽油机油耗的一半，因而颇受关注【5 1 。据预测，在美国，柴油机轿 车的市场份额将在2 0 1 5 年达到目前的四倍。有关人士指出，在美国如果柴油车占到轻 型汽车保有量的三分之一，每天可节省1 4 0 万桶石油，相当于美国目前从沙特阿拉伯 进口的石油量。而且在肉眼看不见的污染方面，比如一氧化碳等有害气体的排放，柴 油比起汽油要“干净”。多年来，反对者对柴油车的诟病都集中在微粒和氮氧化合物 排放。其实，在过去的1 5 年中，汽车业仅仅通过柴油发动机的改进，就已经将氮氧化 合物排放量降低了7 5 左右。与汽油车相比，柴油车具有明显优势。但目前我国柴油 车占有率较低，主要原因有柴油资源紧张、柴油车品种少、柴油质量有待提高等，同 时也说明我国柴油车市场具有广阔的市场空间。 中国经济的高速发展和巨大的市场潜力使世界各大汽车公司纷纷登陆。因此，我 国柴油汽车市场竞争日益激烈。众所周知，汽车的心脏是发动机，发动机的核心则是 燃油喷射系统【6 】。因此，燃油喷射系统是汽车的核心技术，它对发动机和汽车的发展 以及水平的提高起着至关重要的作用忉。为了降低发动机排放，提高动力性、经济性 和安全可靠性，减小振动和噪音，提高舒适性能等等在很大程度上都离不开燃油系统 的改进1 8 1 1 9 1 。可以说，谁控制了燃油系统谁就可以主导发动机甚至汽车市场，是未来汽 车、发动机竞争成败的关键因素。因此国外各大汽车、发动机公司都十分重视对先进 燃油系统的研发。 1 高压共轨供油参数对喷射特性的影响分析 从挺远来看，如果不能独立的掌握发动机电控技术，不仅不利于我国汽车工业的 发展，也不利于国家的强盛。在发达国家，对燃油系统的研发投入很大，且往往超前 于发动机和汽车的开发，成为各种先进燃烧技术的控制核心技术和灵魂，去引领发动 机和汽车技术的进步。特别是随着电子技术、新材料、新工艺等技术的迅速发展，现 代燃油喷射系统已经发生了根本性的变化，成为一个全新的高新技术产品，一个正在 快速发展成长中的新兴产业、朝阳产业【1 0 l j 。现在欧美市场电子控制高压燃油喷射技 术已经非常成熟，所有满足欧- - i i i 以后排放法规的车用柴油机已经全部采用电子控制 燃油喷射系统【1 2 】。由于燃油喷射系统的技术基础薄弱，投入不足，加上人们的观念落 后、重视程度不够，我国对燃油系统的研发常常迟后于柴油机的发展，不能很好地满 足柴油机的配套要求，一定程度上制约了我国柴油机和汽车的发展。因此为了满足我 国车用柴油机技术的发展要求，为了提高我国柴油机的市场竞争能力，必须加强柴油 机电子控制燃油喷射技术的研制开发工作1 1 3 1 。 1 2 柴油机喷油系统简介 柴油机的发展过程中经历了三次飞跃。第一次是二十年代开发的机械柱塞泵式燃 油喷射技术；第二次是五十年代发展起来的增压技术；七十年代以来一直蓬勃发展起 来的电子控制技术是柴油机技术进步的又一次飞跃。在这三次飞跃中，以电控技术的 发展影响最大、意义最深远i l4 1 。 目前，柴油机不仅囊括了几乎所有大功率车辆的发动机市场，在中小功率车辆上 也占有一部分市场外。日趋严格的排放法规、激烈的市场竞争和能源短缺，使得柴油 机不断引入新技术，向低污染、低油耗、高比功率的方向发展【i 那。而提高柴油机动力 性，降低油耗和排放的关键在于改善柴油机的燃烧，而喷油系统是决定燃烧过程的关 键因素。燃油的雾化、加热、蒸发、扩散及油气混合、着火、燃烧放热、碳烟和废气 有害成分的形成，燃烧激振波和燃烧噪声等都和喷油系统密切相关【】6 】。因此，对喷油 系统的开发研究是未来柴油机技术的主要研究方向之一，而提高喷射压力，对喷油规 律准确、灵活的控制是电控直喷式柴油机喷油系统改善排放、降低油耗的主要途径。 电控柴油喷射系统有许多种形式1 4 】1 1 7 】，如：电控分配泵、电控单体泵、电控泵喷 嘴、电控直列泵和高压共轨系统等多种。其中，电控高压共轨柴油喷射技术是在二十 2 l 绪论 世纪九十年代初期发展起来的完全新颖的喷射系统i 墙j ，并于二十世纪九十年代木4 开 始大批量迅速推向市场的。该系统由于具有喷射压力稳定、喷射证时控制精确、喷油 速率可控、可以实现预喷射和多次喷射等卓越性能而受到市场的追捧。近年来，电控 高压共轨喷油系统的发展更为迅速，喷射压力越来越高，已高达1 8 0 m p a 2 3 0 m p a ， 每循坏可以实现5 次喷油如图1 1 ，甚至可达9 次喷油1 1 9 】。目前，在欧美r 等发达国 家，新丌发的柴油机大都采用电控高压共轨喷油系统，并且已经成为衡量汽车及其发 动机新技术含量的重要标志，也是各大汽车公司在市场中竞争的一张王牌，被大家一 致公认为是最有前途的电控燃油喷射系纠2 0 1 。 日哪 ! ， 四 瞥 时问 图1 1 喷射模式示意图 f i g u r e l 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs p r a yp a t t e r n s 1 3 国内外研究现状 在国外，研究电控柴油喷射系统的公司很多，其中已经投产的大公司有：b o s c h 公司和s i e m e n s 公司、d e l p h i 公司、n i p p o n d e n s o 公司、c a t e r p i l l a r 公司和d e t r o i td i e s e l c o r p o r a t i o n 公司( d d c ) 等。我国开展柴油机电控喷射系统的研究工作主要是从二十 世纪九十年代中期开始的，开展这项研究工作的单位有很多大学、科研机构和工厂企 业。由于技术力量分散、缺乏足够的资金投入和有效的组织管理，加上基础薄弱，研 发工作进展缓慢，产业化过程步履艰难，许多成果停留在实验室阶斟2 。 近年来，一汽无锡油泵油嘴研究所凭借其雄厚的人j 队伍、先进的科研没各和手 段及与国际接轨的研发流程和方法等方面优势，针对我国柴油机行业和油泵油嘴行业 3 壹! 苎苎塾垡鎏至墼型堕! ! 堑丝丝星堕坌堑 的特点，并结合国内的应用条件、用户的实际情况、市场需求和未来发展，在电控高 压共轨喷射系统、电控单体泵系统、电控直列泵系统等方面开展了大量的研究、开发 和匹配应用工作，取得了很大的进展，开发出了适应不同用户、不同层次要求的电控 高压喷油系统，并正在与行业中许多企业开展合作，制订了一系列技术标准，积极推 进电控高压喷射系统的产业化进程。 一般认为，柴油机喷油技术经历了传统的纯机械操纵式喷油和现代的电控操纵式 喷油两个发展阶段。而现代电控喷油技术的崛起，则是计算机技术和传感检测技术迅 猛发展的结果1 2 2 1 。目前，电控喷油技术已从初期的位置控制型发展到时间控制型。共 轨式电控燃油喷射设技术j 下是属于后割2 3 1 。共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感 器和电子控制装置组成的闭坏系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的 一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到共轨，通过共轨内的油压实现精确 控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随 发动机转速变化的程度，因此，也就减少了传统柴油机的缺陷。e c u 控制喷油器的喷 油量，其大小取决于共轨压力和电磁阀开启时间的长短。该技术不再采用传统的柱塞 泵脉动供油的原理，而是通过供轨直接或间接的形成恒定的高压燃油，分送到每个喷 油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的启闭，定时定量的控制喷油 器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧比和良好的雾化，以 及最佳的发火时间、足够的能量和最少的污染排放。 按照喷油高压形成的不同，共轨式电控燃油喷射系统有两种基本型式，即高压共 轨式和中压共轨式【2 4 】。高压共轨系统，高压输油泵( 压力在1 2 0 m p a 以上) 直接产生 高压燃油后，输送至共轨中消除压力的脉动，再分送到各喷油器。当电子控制装置按 需要发出指令信号后，高速电磁阀( 响应在2 0 0 u s 左右) 迅速打开或关闭，进而控制 喷油器工作，即按设定的要求喷出或停喷高压燃油。中压共轨系统，中压输油泵( 压 力为i o m p a - - 1 3 m p a ) 将中压燃油输送到共轨中消除压力的脉动，再分送至带有增压 柱塞的喷油器中；当高速电磁阀开关阀接收到电子控制装置发送的指令信号后，就迅 速开启或关闭，从而控制燃油器工作，迅即通过高压柱塞的增压作用，将从共轨中来 的中压燃油加压至高压( 1 2 0 m p a - - 1 5 0 m p a ) 后喷出或停喷。高压共轨系统与中压共 轨系统的主要判别在于，高压燃油的获得方式不同；前者由高压燃油泵直接提供，而 后者则借助于增压柱塞增压后获利2 5 1 。 4 1 绪论 喷射压力( m p a ) 1 3 5 - - 1 4 0 喷油器特征 研发时间 应用柴油机 直径1 9 m m 电磁执行器 19 9 4 9 9 7 4 缸2 1 l 1 6 0 直径1 7 m m 压电执行器 2 0 0 2 2 0 0 3 8 缸4 0 l 1 8 0 快开型 压电执行器 2 0 0 3 2 0 0 5 6 缸3 0 l 1 8 0 2 5 0 同轴可变喷嘴 2 0 0 5 至今 柴油机燃油喷射系统结构复杂、参数众多【2 6 1 。过去对燃油系统的开发研究工作主 要是在试验台架上完成的。通过对不同方案的燃油系统进行试验研究，得出各自的喷 油规律和特性，并提出相应的改进方案，经过一系列的试验和验证，最终得到最优方 案。反复的试验研究过程不仅消耗大量的人力、物力和财力，而且消耗大量的宝贵时 划2 7 1 。因此，试验周期长，成本高。对柴油机燃油喷射系统进行开发和研究时，仿真 计算作为一种重要的辅助手段，已经引起人们极大的注意和兴趣。尽管仿真研究不能 完全代替试验研究，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主要因素，建立较完善的数学模型， 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 特性，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【2 引。正是因为在这样的背景下，本课题试 图应用a m e s i m 仿真软件对高压共轨燃油喷射系统的管路系统进行仿真。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题主要是利用a m e s i m 软件仿真研究供油参数对喷射特性的影响： ( 1 ) 仿真研究喷孔参数：喷孔数目、喷孔大小( 横截面积) 等，对喷雾特性的影 5 高压共轨供油参数对喷射特性的影响分析 ( 2 ) 仿真研究共轨管参数：共轨管容积、长度、内径等，对共轨压力建立，压力 波动等因素的影响； ( 3 ) 仿真研究高压油管( 喷油器到共轨管的油管、高压泵到共轨的油管) 参数： 油管长度、内径，对喷射压力波动情况、压力建立传递时问等的影响。 高压共轨喷油系统的数学模型由电磁类模型、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) 、管类模型( 共轨管、高 压油管) 和流体特性子模型组成，建立合适的子模型是解决问题的关键。同喷油器相 比，国内外对于管路系统的仿真研究报告比较少，详细研究主要集中于少数应用领域。 本文在试验研究的基础上，通过仿真研究，探寻高压共轨管路系统的整体特性。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题的选题背景、研究意义和柴油机电控技术的发展历程，此后， 简述了国内外柴油机电控技术的发展现状及未来的发展趋势，最后对本课题的研究内 容和研究中重点问题进行了简要的说明。 6 组成及i ：作原理 二十世纪三大突破之一，是二十一世纪柴 油机燃油系统的主流。典型高压共轨系统有日本电装e c 伊_ iy 2 高压共轨系统，德国 b o s c h 公司和意大利f i a t 公司的u n i j e t 高压共轨系统、美国d e l p h i 公司d c r l 4 0 0 高压共轨系统【3 l 】、德国m t u 4 0 0 0 高压共轨系统、英国l u c a s 公司的l d c r 高压共轨 系统【2 5 1 。不同系统的比较如表2 1 。 表2 1 高压共轨电控喷油系统 t a b l e2 - lt h eh i 曲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 m 2 2 高压共轨系统的组成及工作原理 各厂家的高压共轨喷油系统的各有其特点，都能够实现喷油规律与喷油时刻的灵 活控制。本文以b o s c h 高压共轨系统为研究对象，其主要组成部分有：高压供油泵、 电子调压阀e p r ( e l e c t r o n i cp r e s s u r er e g u l a t o r ) 、共轨、带电磁阀的喷油器、电控单 元e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 、执行元件和各种传感器等组成【2 9 】。 e c u 是控制系统的核心，它借助于传感器和数据导线获取驾驶员的要求( 加速踏 板位置) 以及柴油机和车辆的实时工况信息，对这些信息按照预设程序进行处理，向 执行器发出相应的控制和调节指令，对柴油机的运转进行控制和调节。喷油器电磁阀、 输油泵继电器、高压油泵进油电磁阀、共轨调压阀等都是控制系统的执行元件。 7 高压共轨供油参数对喷射特性的影响分析 高压共轨式喷油系统的高压部分包括：带调压阀的- 高压泵、高压油管、作为高压 存储器的共轨，共轨压力传感器、限压阀和流量限制器、喷油器【3 0 l 。 高压泵将燃油压缩到共轨压力，被压缩的燃油经高压油管进入类似管状的高压共 轨管。在共轨管内燃油仍保持其压力，即使喷出一定的油量后，燃油压力也保持在近 似不变的水平上，因为燃油有弹性，产生_ 种蓄压作用。燃油压力由共轨压力传感器 测定，并通过调压阀调节到要求的数值。限压阀的任务是将共轨中的燃油压力限制在 最高。利用流量限制器可选用防止燃油不合要求地流向发动机燃烧室，被高度压缩的 燃油从共轨送往喷油器【3 2 。 1 凸轮轴 2 偏心凸轮 3 压油枉塞 4 高压油腔 5 进油控制阀 6 控制电磁 7 出油阀 8 燃油过滤 9 到高压油 1 0 安全阀 图2 1 典型共轨系统高压油泵结构 f i g u r e 2 1t h et y p i c a ls t r u c t u r eo f t h eh i g hp r e s s u r eo i lp u m po fc o m m o n r a i ls y s t e m b o s c h 公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达1 3 5 m p a 的压力。 该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮，使其峰值扭矩降低为传统高压油 泵的1 9 ，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨中的压力的控制是通 过对共轨中燃油的放泄来实现的，为了减小功率损耗，在喷油量较小的情况下，将关 闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少【l9 1 。高压供油泵由发动机通过联轴 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。在高压供油泵 内部三个泵组件相互以1 2 0 0 的间隔角度径向布置。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。 8 建立 起的压力只要达到共轨压力，就立即打开排油阀，于是被压缩的燃油进人高压回路。 直到上死点前，泵柱塞一直输送燃油。达到上死点后，压力下降，排油阀关闭。留下 的燃油降压，柱塞向下运动。如果偶件室中的压力低于供油压力，吸油阀再次打开， 过程重新开始。 由于高压泵是按高供油量设计的，在怠速和部分负荷工作时，被压缩燃油有剩余。 这部分过多的燃油经调压阀流回油箱。但是由于此处被压缩的燃油降压，损失了压缩 带来的能量。这种现象除了使燃油升温外，还降低了总效率。将柱塞切断供油，使供 油效率适应燃油的需要量，可局部补救上述损失。柱塞被切断供油时，送到高压存储 器共轨中的燃油量被减少。此时吸油阀一直丌着。在柱塞切断装置的电磁阀动作时， 装在其电枢上的一根销子将吸油阀一直打开。从而使供油行程中吸入的燃油不受压缩。 由于吸入的燃油又流回到低压通道，柱塞室内不建压。柱塞切断供油后，高压泵不再 连续供油，而是处于供油间歇阶段，由此减少了功率消耗。 高压泵的供油量与其转速成正比，高压泵转速取决于发动机转速。喷油系统装于 发动机时，其间传动比的设计一方面要使多余的供油量不太大，另方面也能满足发动 机全负荷工作时对燃油的需要。可选取的传动比为1 ：2 和2 ：3 ，视曲轴而定。 在确定高压油泵供油次数时，应考虑与柴油机气缸数相一致，以保证高压油轨压 力波动较小和各缸喷油量的均匀一致。在选定高压油泵供油量时，在保证柴油机循环 喷油量以及循环控制油量的基础上，应适当增大供油量，以保证整个系统的稳定性。 但也不应增加太多，以免增加高压油轨压力控制阀的流量，使高压油泵的消耗功率增 加，降低柴油机的经济性。在选取高压油泵出油阀孔直径时，可适当选取较大尺寸， 以保证较小的节流损失。在确定出油阀弹簧预紧力时，可选取较小的出油阀弹簧预紧 力，以保证出油阀的稳定开启，减小系统中的压力波动。 9 高压共轨供汕参数对喷射特性的影响分析 从 至 齿 图2 2 法兰端i 丽结构 f i g u r e 2 2t h es t r u c t u r eo ff l a n g e 高压供油泵的功用是控制供油量，产生高压燃油，供给共轨。共轨通过高压油管 与高压供油泵和喷油器相连，起蓄压作用，共轨的容积必须大些，使得由于高压泵和 喷射引起的压力波动尽可能的小；另一方面又必须小些，在热起动时确保快速形成压 力。在共轨上装有一个精确的、零点稳定的传感器和e p r 阀用来调节检测压力。喷油 器的开启和关闭由其上的电磁阀控制。 电控单元包括单片机、接口电路和电磁阀驱动电路，根据柴油机的转速和负荷参 照由发动机试验得出的m a p 图来确定基本的喷油量和喷油定时，然后对其进行各种补 偿( 如大气压力、水温、油温等) ，从而得到较优的喷油量和喷油定时，并向电磁阀 发出驱动信号【3 3 1 。 电控喷油器的工作原型3 4 1 是：共轨压力直接作用到喷嘴的压力作用面和压到喷油 嘴针阀背面上的控制活塞上。因为控制活塞的作用面积比喷嘴的大，所以闭合力作用 在喷嘴针阀上。控制活塞通过一个节流孔与油轨压力相连。电磁铁不通电时，电磁阀 关闭，因而针阀关闭不能喷油，电磁铁通电后在电磁力的作用下电磁阀打开，由于进 油口的节流作用，控制活塞上部控制腔压力降低，在嘴端压力作用下控制活塞和针阀 一同抬起，开始喷油；电磁铁断电后电磁阀关闭，控制活塞上部控制腔压力升高，液 1 0 2 高压共轨系统的组成及l ：作原理 针阀弹簧力使控制活塞和针阀一同压下，针阀关闭，喷油停止。针阀弹簧的作 没有形成共轨压力时，避免由于气缸压缩压力的气