（机械电子工程专业论文）高压共轨喷油器性能测试装置的试验研究.pdf

臼 叠龄尹 哆 夭 ； 给t 膏 b y z h a n gj i h a o l o p m e n ta n dr e s e a r c h b e ( y a n s h a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e i n m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a nz h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r v i c ep r o f e s s o rg a ol i h u a n m a y , 2 0 1 1 谚 i 【 矿 一 j j 一一 a 协 靠 承担。 作者魏孙批嗍加7 年月多日 下独立进行研究所取得的 究项目不包含任何其他个 研究做出重要贡献的个人 本声明的法律后果由本人 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签 导师签 髭日期：力7 哞厂月碧日 噘日期： 年 月e 1 甚 “ _ 自 j r 凡 h i i i i 1 1 1 2 柴油机共轨系统的特点2 1 2 1 电控共轨系统的组成2 1 2 2 电控共轨系统的特点6 1 3 当前国内外共轨喷油器测试装置的情况6 1 4 研究目标及内容一1 1 1 5 拟解决的关键问题1 l 1 6 本章小结1 2 第2 章共轨喷油器结构与工作原理一1 3 2 1 喷油器作用一1 3 2 2 喷油器结构1 3 2 3 喷油器工作原理1 5 2 4 喷油器性能参数一1 7 2 5 本章小结1 8 第3 章测试系统设计19 3 1 系统功能阐述1 9 3 2 系统机械设计及液压系统设计1 9 3 3 系统电控系统概述2 4 3 4 上位机系统概述2 9 3 5 本章小结3 3 第4 章测试准备与部分测试效果分析3 4 4 1 测试准备3 4 4 2 测试参数的实现一5 6 4 2 1 喷油量的测量一5 6 4 2 2 响应时间的测量5 6 4 2 3 回油量的测量5 7 4 3 测试流程5 7 4 4 测试参数及测试结果5 8 4 4 1 试验点的选取5 8 4 4 2 无轨压时油泵供油特性6 4 4 4 3 有轨压时油泵供油特性6 5 4 5 轨压传感器特性分析6 7 4 5 1 试验点的选取6 7 4 5 2 轨压传感器特性6 8 4 6 喷油器特性分析6 8 4 6 1 试验点的选取6 8 4 6 2 喷油器特性7 1 4 7 测试结果分析7 3 第5 章结论与展望7 5 5 1 l 砉论7 5 5 2 展望7 5 1 z 醢 j h 7 6 7 9 8 0 t j 兰州理t 大学硕1 ：学位论文 摘要 随着柴油机技术发展，对柴油机燃油喷射系统提出了更高要求，采用电控喷射技术， 是柴油机技术发展的趋势。上世纪9 0 年代问世的柴油机共轨式电控燃油喷射系统摒弃了 传统机械式系统，创立了一个全新概念的喷射系统，并得到相当迅速的发展，它代表未 来柴油机燃油喷射系统的发展方向。 柴油机燃油系统采用共轨技术可以优化喷油规律及喷油量的控制策略，调节预混燃 烧和扩散燃烧燃油量，提高柴油机经济性，降低柴油机噪声。是提高柴油机性能、减少 其有害排放物的最有效技术之一。高压共轨燃油喷射系统的实现是通过对燃油喷射系统 喷油器结构及喷油器性能进行试验和研究，在试验数据基础上进一步分析，寻求出合理 结构参数后得到的成果。 因此，建立共轨喷油器性能测试平台，获取喷油器喷油的数据，运用共轨喷油器性 能测试平台是制定燃油喷射系统喷油器喷油的优化控制策略的必要技术手段。 本课题研究目标是设计并搭建共轨喷油器测试台架。通过建立的测试台架完成对共 轨喷油器性能的测试和评估。以l i n u x 操作系统为核心的机电一体化系统；即系统由机 械和液压混合单元、电子单元模块组成。设计功能上，机械和液压构成的单元以柴油作 为工作介质，运用液压系统，建立柴油机燃烧室内的压力仿真环境，作为测量共轨喷油 器性能的物理装置。 总之，本研究目的是：建立一套嵌入式系统控制的共轨喷油器性能测试平台，为后 续深入研究打基础，为进一步提高其测量性能，提供有价值的经验。 关键词：柴油机；共轨；喷油器；液压；变频调速；控制 t 高压共轨喷油器性能测试装置的试验研究 a b s t r a c t w i t hd i e s e lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，i nd i e s e le n g i n ef u e li n j e c t i o ns y s t e mr a i s e dt a l l e r r e q u i r e m e n t , u s i n ge l e c t r i cj e tt e c h n o l o g y , i st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fd i e s e le n g i n e t e c h n o l o g y i nt h e 19 9 0 st h e d i e s e le n g i n ew a sc o m m o nr a i l s y s t e m s c o m m o n r a i l e l e c t r o n i c - c o n t r o lf u e li n j e c t i o ns y s t e mr e j e c t e dt r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls y s t e m ，t h ec r e a t i o no f an e wc o n c e p ti n j e c t i o ns y s t e ma n dg e taf a i r l yr a p i dd e v e l o p m e n t ，i tr e p r e s e n t st h ef u t u r e d i e s e le n g i n ef u e li n j e c t i o ns y s t e md e v e l o p m e n td i r e c t i o n d i e s e le n g i n ef u e ls y s t e mu s i n gc o m m o nr a i lt e c h n o l o g yc a no p t i m i z ef u e li n j e c t i o nl a w a n di n j e c t i o n q u a n t i t y c o n t r o ls t r a t e g y , a d j u s t i n g p r e m i x i n gc o m b u s t i o na n dd i f f u s i o n b u r n i n gd i e s e lf u e lq u a n t i t y , i m p r o v ee f f i c i e n c ya n dr e d u c ed i e s e le n g i n en o i s e i st oi m p r o v e t h ee n g i n ep e r f o r m a n c e ，r e d u c et h eh a r m f u le m i s s i o n sf r o mo n eo ft h em o s te f f e c t i v e t e c h n o l o g y 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 mr e a l i z a t i o no ff u e li n j e c t i o n s y s t e mi st h r o u g ht h ei n j e c t o rs 臼m c t l 】r ea n di n j e c t o rp e r f o r m a n c et e s ta n dr e s e a r c ho nt e s td a t a , b a s e do nt h er e a s o n a b l e ，s e e kf u r t h e ra n a l y z i n gt h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r so ft h er e s u l t s o b t a i n e d t h e r e f o r e ，e s t a b l i s h i n gc o m m o nr a i li n j e c t o rp e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r m ，o b t a i ni n j e c t o r f u e li n j e c t i o nl a wd a t a ，a p p l y i n gc o m m o nr a i li n j e c t o rp e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r mi st od e v e l o p f u e li n j e c t i o ns y s t e mi n j e c t o rf u e l i n j e c t i o n l a wo p t i m i z a t i o nc o n t r o l s t r a t e g i e so ft h e n e c e s s a r yt e c h n i c a lm e a s u r e s t h i st o p i cr e s e a r c ha i mi st od e s i g na n db u i l dc o m m o nr a i li n j e c t o rt e s tb e n c h t h r o u g h t h ee s t a b l i s h m e n to ft h et e s tr i gc o m p l e t e dt h ec o m m o nr a i li n j e c t o rp e r f o r m a n c e t e s t i n ga n d e v a l u a t i o n w i t hl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m 弱t h ec o r eo ft h ee l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o n s y s t e m ；n a m e l ys y s t e mc o n s i s t so fm e c h a n i c a la n dh y d r a u l i ch y b r i du n i t ，e l e c t r o n i cu n i t m o d u l e d e s i g nt h ef u n c t i o n ，m e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cc o n s t i t u t e su n i tt od i e s e la sm e d i u m ， u s i n gh y d r a u l i cs y s t e m ，e s t a b l i s h i n gd i e s e le n g i n ec o m b u s t i o nc h a m b e rp r e s s u r es i m u l a t i o n e n v i r o n m e n t ，a sm e a s u r i n gc o m m o nr a i li n j e c t o rp e r f o r m a n c eo fp h y s i c a ld e v i c e i ns h o r t ，t h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hi st oe s t a b l i s has e to fe m b e d d e ds y s t e mc o n t r o l c o m m o nr a i li n j e c t o rp e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r m ，f o rf o l l o w - u pt h o r o u g hr e s e a r c hf o u n d a t i o n , a n dt of u r t h e re n h a n c ei t sm e a s u r e m e n tp e r f o r m a n c e ，p r o v i d i n gv a l u a b l ee x p e r i e n c e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；c o m m o nr a i l ；i n j e c t o r ；h y d r a u l i c ；f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ； c o n t r o l i i 兰州理工人学硕 j 学位论文 第1 章绪论 1 1 柴油机共轨系统的发展与现状 近年来，汽车新能源技术发展迅猛，燃料电池、混合动力、电动车、醇类汽车等新 技术、新概念，不断冲击人们的头脑，并且随着先进柴油机技术的发展，柴油车在许多 国家得到大量应用。欧洲出现了越来越明显的轿车柴油化趋势，2 0 0 4 年欧盟新增乘用车 ( 主要是轿车) 中5 0 为柴油车，法国、意大利、德国柴油轿车占当年轿车市场的比例 分别为7 2 、6 6 、4 3 。美国柴油汽车比重尽管不高，但在过去的5 年中销量增长5 6 。 根据国外有关机构预测，至2 0 1 4 年，全球汽车市场总规模将增长3 9 ，其中汽油车增长 2 3 ，柴油车增长9 7 。而在中国由于各方原因，2 0 0 4 年的乘用车销售中柴油汽车仅占 1 2 普轿占0 6 。 随着私家车的日益普及，机动车的尾气排放成为了城市最重要的污染源之一。据 了解，从今年7 月1 日起，全国销售的乘用车等轻型车辆必须符合国家四阶段机动车排 放标准( 以下简称国标准) ；而从去年7 月1 日起，未满足国排放标准的新车将无法 进入工信部的新车目录。此举意味着国内车市将从今年起，全面进入国时代。 同时日趋严重的能源危机，成为全世界内燃机行业关注的焦点，也使柴油机越来越 受到用户青睐。与汽油机相比柴油机有很多优势：能减少2 0 - 2 5 的c 0 2 废气排放，车 速较低时的加速性能更有优势，平均燃油消耗低2 5 - 3 0 ，能提供更多的驾驶乐趣。因 此，有人大胆对全球汽车产量中柴油机的发展趋势进行了预测，并按区域划分世界汽车 产量中的柴油机比例。但是，与汽油机相比，柴油机的排放控制又是一个难点。为满足 排放标准，柴油机先进的燃油喷射系统高压共轨技术成为业内人士关注的焦点。 柴油机中最关键的电控燃油喷射技术，均来自博世、德尔福、西门子和日本电装等 跨国公司，我国及世界各国柴油机电控技术均被这四家公司垄断着。柴油机电控技术的 发展经历了第一代位置控制和第二代时间控制，现已经发展到第三代时间压力控制方 式，即高压共轨系统。而就高压共轨燃油喷射而言，德国博世公司也已将该技术发展到 了第三代，见表： 、i 竺舻愀紫撇躲 第二代共轨燃油喷射系第三代共轨燃油喷射系 统统 最大喷射压力 1 3 5 m p a1 6 0 m p a1 8 0 m p a 喷油器带电磁阀的喷油器带电磁阀的喷油器压电式喷油器 喷嘴油孔形式 柱式( 内外一致)锥形( 内人外小)锥形( 内大外小) 喷孔直径和数量0 2 r a m ；5 孔0 1 4 r a m ；5 5 孔0 1 l o 1 3 m m ；6 孔 根据发动机负荷和排放根据发动机负荷和排放根据发动机负荷和排放 喷射次数 要求有预喷、主喷1 次 2要求有预喷、主喷和后 要求有预喷、主喷和后 次喷1 次 4 次 喷1 次 5 次 达到的尾气排放标准 欧i i i欧欧、v 博世公司1 9 9 7 年开始生产第一代高压共轨系统，2 0 0 3 年开始批量生产第三代带压 高压共轨喷油器性能测试装置的试验研究 电式喷油器的共轨燃油喷射系统。从上表可以看出，第一代、第二代共轨燃油喷射系统 采用带电磁阀的喷油器，电磁阀线圈通电时电感存在滞后时间，而压电式喷油器在加上 电压0 1 m s 以内就会做出相应，解决了电磁阀滞后时间问题，它的切换十分迅速准确， 可重现性好。博世第三代共轨燃油喷射系统采用压电式喷油器代替了电磁阀喷油器，技 术更为先进。 1 2 柴油机共轨系统的特点 高压共轨( c o m m o nr a i1 ) 电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元( e c u ) 组成的闭环系统中，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公共供油管( r a i l ) ，通过公共供油管内的油压实现精确控 制，使高压油管压力( p r e s s u r e ) 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。共轨系统如下图所示： 图1 1共轨系统示意图 高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元、高压油泵、蓄压器( 共轨管) 、电控喷 油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将燃油加压送 入高压油轨( 蓄压器) ，高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压 力以及需要进行调节，高压油轨内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由电控 单元从预设的脉谱图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃 油喷入气缸。 1 2 1 电控共轨系统的组成 电控高压共轨式燃油系统的基本组成如图所示。从功能方面分析，电控共轨系统可 以分成两大部分： 2 r 。_ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ 。- 。1 。_ 。_ _ _ 。1 1 1 l 丝塑釜塑坠墼坠 1 控制系统 电控共轨系统可以分成三大部分：传感器、计算机 计算机是电控共轨燃油系统的核心部分。根据各个传 完成各种处理后，求出最佳喷油时问和最合适的喷油量，并且计算出在什么时刻、在多 长的时间范围内向喷油器发出开启电磁阀、或关闭电磁阀的指令等，从而精确控制发动 机的工作过程。电子控制系统的核心是e c u ( 电子控制单元) 。e c u 就是一个微型计算 机。e c u 的输入是安装在车辆和发动机上的各种传感器和开关；e c u 的输出是送往各个 执行机构的电子信息。 在电控共轨系统中，由各种传感器发动机转速传感器、油门开度传感器、各种 温度传感器等实时检测出发动机的实际运行状态，由微型计算机根据预先设计的计算 程序进行计算后，定出适合于该运行状态的喷油量、喷油叶间、喷油率模型等参数，使 发动机始终都能在最佳状态下工作。 计算机具有自我诊断功能，对系统的主要零部件进行技术诊断，如果某个零件产生 了故障，则诊断系统会向驾驶员发出警报，并根据故障情况自动作出处理；或使发动机 停止运行即所谓故障应急功能，或切换控制方法，使车辆继续行驶到安全的地方。传统 的泵管嘴燃油系统中，喷油压力与发动机的转速和负荷有关，不是一个独立变量。在 高压电控共轨系统中，喷油压力( 共轨压力) 与发动机的转速和负荷无关，是可以独立控 制的。由共轨压力传感器测出燃油压力，并与设定的目标燃油压力进行比较后进行反馈 控制。 2 燃料供给系统 燃料供给系统燃料供给系统的主要组成部分如图所示。由图可见，燃油供给系统的 主要构成是供油泵、共轨和喷油器。燃油供给系统的基本工作原理是：供油泵将燃油加 压成高压，供人共轨内；共轨实际上是一种燃油分配管。储存在共轨内的燃油在适当的 时刻通过喷油器喷人发动机气缸内。电控共轨系统中的喷油器是一种由电磁阀控制的喷 油阀，电磁阀的开启和关闭由计算机控制。 ( 1 ) 高压油泵 高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制 油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生 于燃油喷射过程无关，且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证，因此高压油泵的压油 凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。 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 8 0 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 i 9 ，负荷也比较均匀，降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过 对共轨腔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。 日本电装公司的e c d - u 2 高压油泵采用了一个三作用凸轮的直列泵来产生高压。 该高压油泵对油量的控制采用了控制低压燃油有效进油量的方法，该方法使高压油 泵不产生额外的功率消耗，但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与高压油泵凸轮的相 3 p 高压共轨喷油器性能测试装置的试验硼f 冗 位关系，控制系统比较复杂。其基本原理： a 、柱塞下行，控制阀开启，低压燃油经控制阀流入柱塞腔； b 、柱塞上行，但控制阀中尚未通电，处于开启状态，低压燃油经控制阀流回低压 腔； c 、在达到供油量定时时，控制阀通电，使之关闭，回流油路被切断，柱塞腔中的 燃油被压缩，燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同，控制进入高压 油轨的油量的多少，从而达到控制高压油轨压力的目的； d 、凸轮经过最大升程后，柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低，出油阀关闭， 停止供油，这时控制阀停止供电，处于开启状态，低压燃油进入柱塞腔进入下一个循坏。 ( 2 ) 共轨管 共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用。它的容积应 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，使高压油轨中 的压力波动控制在0 5 m p a 之下。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。e c d - u 2 系统的高压泵的最大循环供油量为6 0 0 毫升，共轨管容积为9 4 0 0 0 毫升。 高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器( 限流器) 和压力限制器。压力传 感器向e c u 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器( 限流器) 保证在喷油器出现燃油 漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压油管中的压力波动；压力限制器 保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨中的压力进行放泄。 从上述分析可见，精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油机是非常关键 的。 ( 3 ) 电控喷油器 电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件，它的作用根据e c u 发出 的控制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、 喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。 b o s c h 和e c d u 2 的电控喷油器的结构基本相似，都是由于传统喷油器相似的喷油 嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成。在电磁阀不通电时，电磁阀关闭控制活塞 顶部的量孔，高压油轨的燃油压力通过量孔作用在控制活塞上，将喷嘴关闭；当电磁阀 通电时，量孔被打开，控制室的压力迅速降低，控制活塞升起，喷油器开始喷油；当电 磁阀关闭时，控制室的压力上升，控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。 为了实现预定的喷油形状，需对喷油器进行合理的优化设计。控制室的容积的大小 决定了针阀开启时的灵敏度，控制室的容积太大，针阀在喷油结束时不能实现快速的断 油，使后期的燃油雾化不良；控制室容积太小，不能给针阀提供足够的有效行程，使喷 射过程的流动阻力加大，因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。 控制量孔的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔 阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室，它们的结构尺寸对喷油器的喷 油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀 的开启速度，而喷油嘴针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油 4 兰州理：r 人学坝一t ：学位论文 量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度，以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部 分。 此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端 面面积。这样在确定了迸油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后，就确定了喷油嘴针 阀完全开启的稳定、最短喷油过程，同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容 积的减少可以使针阀的响应速度更快，使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。 但控制室的容积不可能无限制减少，它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开 启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力，从而决定了针阀的运动规律，通过仔细 调节这两个量孔的流量系数，可以产生理想的喷油规律。 由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高，因此其喷油嘴的喷孔截面积很小，在如 此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下，燃油流动处于极端不稳定状态，油束的喷雾锥 角变大，燃油雾化更好，但贯穿距离变小，因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧 室结构形状以确保最佳的燃烧过程。 对于喷油器电磁阀，由于共轨系统要求它有足够的开启速度，考虑到预喷射是改善 柴油机性能的重要喷射方式，控制电磁阀的响应时间更应缩短。 ( 4 ) 高压油管 高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道，它应有足够的燃油流量减小燃油流动 时的压降，并使高压管路系统中的压力波动较小，能承受高压燃油的冲击作用，且起动 时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等，使柴油机每一个喷油器 有相同的喷油压力，从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短， 使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。b o s c h 公司的高压油管的外经为6 m m ，内径为 2 4 m m ，日本电装公司的高压油管的外经为8 m m ，内径为3 m m 。 电控共轨系统工作原理燃油由发动机凸轮轴驱动的齿轮泵经滤清器从油箱中抽 出，通过一个电磁紧急关闭阀流人供油泵。此时的压力约为0 5 m p a ，然后，油流分为两 路，一路经安全阀上的小孔作为冷却油通过供油泵的凸轮轴室流入压力控制阀，然后流 回油箱。另一路充人3 缸供油泵。在供油泵内，燃油压力上升到1 8 0 m p a 或更高，供入 共轨。共轨上有一个压力传感器和一个通过切断油路来控制流量的压力控制阀。用这种 方法来调节控制单元设定的共轨压力。高压燃油从共轨流人喷油器后又分为两路：一路 直接喷入燃烧室，另一路在喷油期间，与针阀导向部分和控制柱塞处泄漏出的燃油一起 流回油箱。 共轨系统与之前以凸轮轴驱动的柴油喷射系统不同，共轨式柴油喷射系统将喷射压 力的产生和喷射过程彼此完全分开。电磁阀控制的喷油器替代了传统的机械式喷油器， 燃油轨中的燃油压力由一个径向柱塞式高压泵产生，压力大小与发动机的转速无关，可 在一定范围内自由设定。共轨中的燃油压力由一个电磁压力调节阀控制，根据发动机的 工作需要进行连续压力调节。电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷 射过程。喷油量的大小取决于燃油轨中的油压和电磁阀开启时间的长短，及喷油嘴液体 流动特性瞳1 。 5 高压共轨喷油器性能测试装置的试验研究 1 2 2 电控共轨系统的特点 采用高压共轨系统可以实现在传统喷油系统上无法实现的功能，主要有： 第一，共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同负荷和转速可确定所需的最佳喷 射压力，从而优化柴油机综合性能，如喷射压力可不随柴油机转速变化，有利于增大柴 油机低速时的扭矩并改善排放。 第二，可独立地柔性控制喷油定时，配合较高的燃油喷射压力，可同时控制氮氧 化物和微粒排放在较低范围内，满足排放要求。 第三，柔性控制喷油速率变化，降低柴油机氮氧化物的排放，保证了整机的动力 性和经济性。 第四，电磁阀控制喷油，控制精度高，柴油机工作的均匀性好，改善了柴油机的 振动，减少排放。 电控高压共轨系统的特点可以归纳为： 1 自由调节喷油压力( 共轨压力控制) 通过控制共轨压力而控制喷油压力。利用共轨 压力传感器测量燃油压力，从而调整供油泵的供油量、调整共轨压力。此外，还可以根 据发动机转速、喷油量的大小与设定了的最佳值( 指令值) 始终一致地进行反馈控制。 2 自由调节喷油量以发动机的转速及油门开度信号为基础，计算机计算出最佳喷油 量，并控制喷油器的通断电时间。 3 自由调节喷油率形状根据发动机用途的需要，设置并控制喷油率形状：预喷射、后 喷射、多段喷射等。 4 自由调节喷油时间根据发动机的转速和喷油量等参数，计算出最佳喷油时间，并控 制电控喷油器在适当的时刻开启，在适当的时刻关闭等，从而准确控制喷油时间。 ， 由于共轨系统这些优异的性能，得以实现柴油机燃烧的压升率较好地控制，燃烧噪 声也得到了控制，拓宽了柴油机的使用领域。同时，也容易实现对排放的控制晗1 。 1 3 当前国内外共轨喷油器测试装置的情况 对于共轨喷油器测试装置的研制国外研究较早，比较突出的是英国h a r t r i d g e 、意 大利拉宝地( 与中国有合资公司) 等等。 在1 9 3 0 年以来形成h a r t r i d g e 品牌已成为全球领先的专业生产柴油燃油喷射注射 测试设备。 现在h a r t r i d g e 最大份额的世界市场，对于服务柴油测试设备，具有其他公司无可 比拟的竞争力和研究深度。现在中国的市场由德尔福( 中国) 公司代理推广，已被众多 科研机构及维修检测工作站使用。现有关于共轨喷油器检测相关的产品主要有c r i p c 、 a v m 2 一p c ( 综合实验台) ，如下图所示： 6 f 图1 2h a r t r i d g ec r i - p c 幽1 3t l a r t r i d g ea v m 2 一p c 意大利拉宝地国际集团总部位于意大利都灵，其品牌创立于1 9 2 5 年，迄今已有8 0 多年的内燃机测试设备生产经验。公司专业从事测试柴油机喷射系统零部件功能的喷油 泵试验台的设计及制造，能为用户提供不同品种的现代化高科技内燃机测试设各：从最 7 高压共轨喷油器性能测试装置的试验研究 简单的喷油器试验台到最先进的高压共轨试验台、电控泵喷嘴试验台。1 9 9 8 年开始生产 高压共轨试验台，是世界上能生产高压共轨试验台、电控泵喷嘴试验台的少数几家公司 之一。上世纪9 0 年代，意大利拉宝地国际集团在中国投资成立了沈阳拉宝地试验设备 有限公司。推出产品主要有t e c l o o e v o l u t i o n 、t e c 一3 0 0 等。如下图所示： 图1 4t e c - - 1 0 0 e v o l u t i o n 图1 5t e c - - 3 0 0 国内对于柴油喷油器检测装置的研究和发展，主要依靠国外进口，国产化的方式。 由于我国柴油机汽车发展与国外有一定的滞后性，所以喷油器检测装置的发展也相对较 慢。目前大部分喷油器检测设备主要还停留在检测传统喷油器的阶段。随着共轨柴油机 8 兰州理工大学硕 ：学位论文 的普及，及国外检测设备价格太高的情况，急需开发国产共轨喷油器检测设备。国内生 产共轨喷油器的公司主要有泰安中意、无锡爱特美、北京奥特莱、泰安科门瑞尔、沈阳 拉宝地等等。如下图： 图1 6爱特美 图1 7 泰安中意c r i 2 0 0 l 9 高压共轨喷油器性能测试装置的试验研究 图1 8 北京奥特莱 图1 9 科门瑞尔c r 1 0 0 1 0 图1 1 0沈阳拉宝地 同时，上海钜宜燃油喷射科技有限公司在北京理工大学王尚勇教授的带领下，组建 开发团队，生产出性能稳定、自动化程度高、测量效率高、测试工况全面、数据库完备 的新型共轨喷油器测试平台，现已实验完毕，将于近期推向市场。 1 4 研究目标及内容 研究目标：设计并搭建共轨喷油器测试台架。通过建立的测试台架完成对共轨喷油 器的性能测试和评估。 研究内容：主要包括测试台架供油系统、夹紧安装系统、温度控制系统的设计与布 置、喷油器流量特性测试。同时在建立的测试系统上柴油机喷油器进行大量特性参数测 试试验，结合试验数据分析并研究喷油器的重要特性流量特性参数。 1 5 拟解决的关键问题 需要研究的问题：完成柴油机共轨喷油器测试系统的台架设计与搭建，根据本系统 完成了共轨喷油器的流量特性的测试试验，通过对试验数据的分析和研究，验证了测试 系统的实用性、稳定性以及可靠性。通过电控系统和操作软件的设计使该台架达到全自 动控制程度。 高压共轨喷油器性能测试装置的试验研究 1 6 本章小结 文章首先分析了现代柴油机燃油喷射系统的电子控制发展的情况，总结了国内外测 量共轨燃油系统喷油器性能的发展现状。然后，结合机械和液压、电子技术的运用，展 开喷油器喷油规律测量仪器的研究。从实践的角度，提出研究目标：即研制一套机电液 一体化控制的测量共轨燃油喷射系统喷油器性能的测控仪器。并对测控仪器进行性能测 定。 1 2 毋 ? ， 一 ， 作原理 喷油器是柴油机精密件之一，针阀与针阀体之间的配合间隙只有0 0 0 2 - - - 0 0 0 3 咖。 喷油嘴的形状是燃油系统中一个非常重要的参数，它对喷雾质量、喷注形态、燃油与空 气混合状态有很大的影响，这些因素直接影响柴油机的排放指标。近年来，为满足日益 严格的柴油机排放要求，获得较好的经济性能和排放性能，喷油器出现了如下发展趋势： ( 1 ) 提高喷射压力，特别是在低速工况； ( 2 ) 增加喷油嘴的喷孔数，减小喷孔直径； ( 3 ) 可变的燃油喷射率，如预喷射等。 喷油器是燃油供给系中的重要零件，通常安装在进气歧管或汽缸盖上。其作用是按 照发动机e c u 计算出的喷射正时和脉宽( 喷油量) ，向进气歧管或气缸内喷射燃油，喷 油器实际上是一个电磁阀，e c i j 通过控制其电磁阀线圈的电流通断( 接地线的通断) 来 控制喷油器的工作。当有电流通过时，喷油器柱塞被吸引，针阀上升，即实现燃油喷射。 喷油器的作用是将一定压力的柴油雾化成细小均匀的油粒，使柴油在燃烧室内与空 气很好地混合。喷油嘴结构参数有喷嘴的孔数、孔径、锥角等，它位于燃烧室项部，直 接暴露在高温高压可燃混合气体中，工作温度高，工作条件差。热负荷和机械负荷常常 会引起针阀偶件密封不良、燃气回窜，甚至停止工作，此外，喷油器工作状况的好坏， 直接影响柴油机的经济性、动力性、排放、可靠性等。因此，对喷油器常见故障进行分 析及排除是十分必要的。 2 2 喷油器结构 共轨喷油器共分两类：电磁阀驱动喷油器和压电晶体驱动喷油器。 2 2 1 电磁阀驱动的高压共轨喷油器结构 由于共轨系统的应用对喷油器提出了更高的要求，下面以b o s c h 共轨喷油器为例。 嘴词l l 掰 图2 1 喷油器结构图 1 3 高压共轨喷油器件能测试装置的试验硼f 冗 共轨喷油器可以被拆分为一系列功能部件：孔式喷油嘴，液压伺服系统和电磁阀。 其结构如上图所示。 燃油来自于高压油路，经通道流向喷油嘴，同时经节流孔流向控制腔，控制腔与燃 油回路相连，途径一个受电磁阀控制其开关的泄油孔。 泄油孔关闭时，作用于针阀控制活塞的液压力超过了它在喷油嘴针阀承压面的力， 结果，针阀被迫进入阀座且将高压通道与燃烧室隔离，密封。 当喷油器的电磁阀被触发，泄油孔被打开，这引起控制腔的压力下降，结果，活塞 上的液压力也随之下降，一旦液压力降至低于作用于喷油嘴针阀承压面上的力，针阀被 打开，燃油经喷孔喷入燃烧室。这种对喷油嘴针阀的不直接控制采用了一套液压力放大 系统，因为快速打开针阀所需的力不能直接由电磁阀产生，所谓的打开针阀所需的控制 作用，是通过电磁阀打开泄油孔使得控制腔压力降低，从而打开针阀。 此外，燃油还在针阀和控制柱塞处产生泄漏，控制和泄漏的燃油量，经连接回油管， 会同高压泵和压力控制阀的回油流回油箱。 2 2 2 压电晶体驱动的高压共轨喷油器结构 压电晶体喷油器结构简图如下： 共轭管道 图2 2 压电喷油器结构简图 压电喷油器的压电执行器的开发十分重要，该项技术直到上个世纪7 0 年代才趋于 成熟。为了使喷油器中压电执行器获得足够大的位移，便将很多片陶瓷薄片烧结成一个 长方形的六面体，它是由几百片的压电陶瓷薄片组成的。这种多层压电陶瓷元件能应用 在汽车场合下( 温度一4 0 - - - + 1 4 0 ，高振动) 。德国的西门子v d o 公司博世( b o s c h ) 公司 先后分别于2 0 0 0 年底和2 0 0 3 年5 月份推出了第三代压电控制式喷油器共轨喷油系统， 1 4 兰州理t 人学硕i ：学位论文 该系统采用了压电陶瓷作为，压电喷油器的j 玉电执行器的开发十分重要，该项技术直到 上个世纪7 0 年代才趋于成熟。为了使喷油器中压电执行器获得足够大的位移，便将很 多片陶瓷薄片烧结成一个长方形的六面体，它是由几百片的压电陶瓷薄片组成的。这种 多层压电陶瓷元件能应用在汽车场合下( 温度一4 0 + 1 4 0 ，高振动) 。德国的西门子 v 0 0 公司博世( b o s c h ) 公司先后分别于2 0 0 0 年底和2 0 0 3 年5 月份推出了第三代压电控制 式喷油器共轨喷油系统。 压电式喷油器结构图如下： f 喜 2 3 喷油器工作原理 压毫嗡油穗 图2 3 压电喷油器 缓蟥辕辘 蟾囊绩壤 2 3 1 电磁阀驱动的高压共轨喷油器的工作原理 以b o s c h 电控共轨喷油器为例，电磁阀驱动的高压共轨喷油器的工作原理为： 喷油器关闭( 静止状态) 。电磁阀在静止状态下不受控制，因此是关闭的。回油节 流孔关闭时，阀球通过阀弹簧压在回油节流孔的座面上。控制室内建立共轨压力，同样 1 5 高j k 共轨喷油器件能测试装冒的试验研究 的压力也存在于喷油嘴的内腔容积内。共轨压力在控制柱塞端面上施加的力及喷油器调 压弹簧的力大于作用在针阀承压面上的液压力，针阀处于关闭状态。 喷油器开启( 喷油开始) 。喷油器一般处于关闭状态。当电磁阀通电时，在吸动电 流的作用下，当电磁铁的作用力大于弹簧的作用力时，回油节流孔开启