（机械电子工程专业论文）高压共轨喷油器的仿真研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 高压共轨系统作为新一代的电控燃油喷射系统，以其灵活而精确的控制方式、良好的环保 性和燃油经济性而受到青睐。该系统具有其他电控燃油系统无法取代的优势，是未来电控燃 油喷射系统的发展方向。喷油器是高压共轨系统中的核心部件，其性能的好坏对燃油喷射系 统和发动机的整体性能有着非常显著的影响。 论文综述了电控燃油喷射系统的发展和分类，分别介绍高压共轨系统的原理和特点以及当 前国内外典型的电控燃油系统，详细介绍了高压共轨喷油器的工作原理、结构特点并对喷油 器的结构进行详细的分析。接着根据喷油器的结构特点和液压特性，结合机、电、液等多学 科理论，建立了高压共轨喷油器的数学模型和物理模型。然后利用a m e s i i i l 仿真软件建立高 压喷油器的仿真模型，对喷油器的控制( 电磁阀) 和结构进行全面的仿真分析。本文不但研究了 电磁阀的弹簧预紧力、阀组件质量和阀芯最大升程对喷油率和喷油量的影响；还研究了喷油 器结构参数对喷油规律的影响，如共轨管容积、控制腔容积、控制油口直径、控制活塞直径、 控制活塞及针阀质量、针阀喷孔数量、针阀喷孔直径以及针阀弹簧预紧力等。 本文详细分析了各喷油器结构参数对喷油率和喷油量影响的机理，得到了喷油器结构设 计中的主要参数，并对合理配置参数给出了参考性建议。 关键词：高压共轨系统喷油器喷油器结构a m e s i m 仿真 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wg e n e r a t i o no fe l e c t r o n i c - c o n 仃o lf u e li n j e c t i o ns y s t c m ，h i 曲p r e s s u r ec o m m o nr a i l s y s t e mi sq u i t ep o p u l a rw i n li t sn e x i b l ea i l dp r e c i s ec o n t r o lm o d ea n dt 1 1 eg o o de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n d 如e le c o n o m y t h ea d v a l l t a g e so ft l l i ss y s t e mc a i l f tb er 印l a c e db yo t h e r e l e c t r o n i c c o n t r o lf u e ls y s t e m ；i ti st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o nf o rm e 向t u r ee l e c t r o n i c c o n t r o lf u e l 删e c t i o ns y s t e m t h en u c l e u sp a r to fh 鼬p r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e mi s 刈e c t o r ，w h o s e p e r f o 肌a n c eh a ss i g l l i f i c a n ti n 丑u e n c eo n 龇q u a l i t yo ft h ef h e l 蜘e c t i o ns y s t e ma 1 1 dt h ee n g i n e p e d 0 r m a n c e 1 h i sp a p e rs u m m a r i z e sd e v e l o p m e n ta l l dc i a s s i f i c a t i o no fe l e c 扛o n i c - c o n t r o lf u e ls y s t e m ，a n d t h e np r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec u n e 玎- td o m e s t i ca n df o r e i g i lt y p i c a ls y s t e m so fm eh i 曲 p r e s s u r ec o 删m o nr a i ls y s t e ma r es 印a ra _ t e l yi n t r o d u c e d w i mt h ed e t a i l e di n t r o “c t i o no ft h e 、v o r k i n gp r i n c i p l e ，s 缸1 j c t u r eo f t l l eh i g hp r e s s u r ec o r 腿o nr a i li n j e c t o r ，t h i sp a p e ra l s oa n d i y z e st h e s 仃u c t u r eo ft 1 1 em e l i n i e c t o ri nd e t a i l n e x to nm eb a s i so ft h es t m c t u f ec h a r a c t e r i s t i c sa n dh y d r a u l i c p r e s s u r eo ft h e 如e li n j e c t o rc o m b i n gw i t hm e c h a n i c a l ，e l e c t r i ca i l dh y d r a u l i ct 1 1 e o r y ，t h i sp 印e r e s t a b l i s h e sm a t h e m a t i c a la i l dp h y s i c a lm o d e l so ft h eh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i lh l j e c t o r a n dt h e n b u i l d st 圭l es i m u l a t i o nm o d e lo fh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i lh l j e c t o rb yu s i n gm ea m e s i m s i r n u l a t i o ns o f t w a r ew i t l lm em l l ys i m u l a t i o n 觚a l y s i so nm ec o n t r o l ( e l e c t r o m a 弘e t i c l v e ) a i l dt l l e s 仇i c t u r eo ft h ei n j e c t o r t h i sp a p e rn o to n l yd i s c u s s e so nt h es p r i n gp r et i g h t e n i n gf o r c eo f e l e c 仃d m a g i l e t i cv a l v e ，c o m p o n e n t sq u a l i t yo fv a l v e sa i l di n n u e n c eo fl a r g e s t1 i ro f v a l v ec o r co nt h e 如e 1i n j e c t i o nr a t ea n di n j e c t i o nq u a l l t i t y ，b u ta l s oo nt h e 凡e li n j e c t i o nl a we 行- e c t e db ym ei n j e c t o r s 协j c t l l r ep a 均m e t e r s ，s u c ha s 也ec o m m o n 董b i lp i p ev o l l 1 e ，t 1 1 ec o n t i o lc a v i t yv o l u m e ，m e d i 锄e t e ro fc o n t r o lm e lp o r t ，t h ec o n 仃o lp i s t o nd i 锄酏e r ，t h ec o n t r o lp i s t o n ，p i nv a l v eq u a l i t y ，p i n v a l v eo r i f i c e sn u m b e r ，d i 黝e t e ro fp i nv a l v e 嘶f i c e sa i l ds p r i n gp r et i 曲t e n i n gf o f c eo fp i nv a i v e ， e 吐c k q 啊o r d s ：h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ls y s t e m ；f u e li n j e c t o rs t r i j c t u r e ；a m 匣s i ms i m u l a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题背景 第一章绪论 柴油机发明至今已有1 0 0 多年的历史，作为动力输出设备柴油机以其效率高、应用性好、 功率范围等优点宽广泛应用于社会生活的各个领域，为世界的经济发展和社会建设做出了卓 越的贡献，是社会工业发展的主要动力【lj 。 二十世纪以来，随着科学技术的不断发展，柴油机技术更加成熟，应用范围不断深入扩 展。但二十世纪7 0 年代后，全球范围内的能源危机和环境污染日益严重，使得汽车工业受到 越来越多的关注【2 】。为了限制汽车有害物质的排放，欧美、日本和俄罗斯都颁布了严格的汽车 排放法规和燃油经济性法规，迫使柴油发动机供应商生产燃油经济性高的发动机。为了满足 这些要求，柴油机的可控部件必须在各种工况下紧密配合以达到最优燃烧，而传统的机械式 燃油调速系统无法达到这样的要求。近年来电子信息技术和控制技术的飞速发展，为各个学 科的信号控制、处理与分析提供了有效的手段，同时，也为柴油机的发展注入了新的活力， 使得电控柴油机成为未来的发展趋势【3 j 。 电控燃油喷射系统是电控柴油机的核心部件。经过数十年的发展电控燃油喷射系统在减 排降耗、提高动力和可靠性等方面取得了巨大的进步。目前电控燃油系统已经进入实用化阶 段，且种类繁多，但依然存在很多共性的技术问题。为了减少有害排放物，降低发动机噪声， 提高燃油经济性，理想的燃油喷射系统应该具有以下特点【4 8 】： 1 喷油压力高，最高可达到2 5 0 0 b a r 以上，并且在发动机全工况范围内可以灵活调节。 2 喷油精度高，喷油率和喷油量可以自行控制。能够实现多波形、多阶段喷射，小喷油 量的自动调节。 3 在使用寿命内的喷油精度高，喷油器抗污染能力强，泄露小。 4 与各型号的柴油机和电控系统匹配性和兼容性好。 电控燃油技术的发展历程 经过几十年的技术革新和发展，柴油机电控燃油喷射技术已趋于成熟。按照时间顺序， 电控柴油系统可以分为三大类，即位置控制式电控燃油系统，时间控制式电控燃油系统和共 轨( 压力一时间控制) 式电控燃油系统 8 ，9 1 。 1 2 1 位置控制式电控燃油喷射系统 位置控制式电控燃油喷射系统是第一代电控喷射系统，它保留了传统喷射系统的基本结 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 构，只是将原有的机械控制机构用传感器、执行器和微处理器等电子控制元件取代，实现循 环喷油和喷油正时的电子控制。位置控制系统的电控单元通过执行机构控制滑套的位置来改 变柱塞行程，从而实现对燃油喷射过程的调节。典型的位置控制式燃油喷射系统有美国 c a t e r d i l l a r 公司的p e e c 系统、英国l u c a s 公司的e p i c 系统、德国博世公司的e d c 系统以及 日本电装公司的e c d p 3 系统和e c d v 1 系统等【1 0 ，1 1 】。 位置控制式燃油喷射系统对传统的喷射系统具有很好的继承性，能够很好的对原有系统 进行升级改造，因此在当时得到了广泛的推广。与机械控制系统相比，位置控制式燃油喷射 系统的优点是控制精度、控制范围以及响应速度有较大的提高，发动机的燃油经济性和排放 均有所改善。由于位置控制系统只是对传统系统的局部改造，所以该系统存在一些不可避免 的缺点，如不能改变传统系统的喷油特性，喷油率和喷油压力难以控制，系统的控制频率低、 响应速度慢、控制精度不稳定 12 1 。 1 2 2 时间控制式电控燃油喷射系统 时间控制式燃油喷射系统作为第二代燃油喷射系统依然保留了喷油泵、高压油管和喷油 嘴等部件，该系统仍采用脉动供油原理，其喷射特性依然取决于喷油泵的供油和压力传播特 性【l3 1 。在结构上，时间控制式喷射系统取消了传统喷油泵的油量和定时机构，采用电磁阀对 喷油量和喷油正时进行控制，使机械机构得以简化。在系统中以脉冲信号控制电磁阀的开启 和关闭，实现对喷油器开启和关闭的控制。电磁阀的开启时刻决定着喷油正时，开启的时间 长短决定着喷油量的多少，开启和关闭过程还影响着压力的建立和泄流过程，从而影响喷油 速率。 与第一代位置控制系统相比，时间控制系统可以对喷油量和喷油正时进行柔性控制，同 时具有结构简单，控制精度高，控制自由度大，快速响应性能好，系统的机械和液力特性有 所改善等优点。但也有不足之处，其缺点是系统的喷射压力仍然与发动机的转速相关，对电 磁阀性要求极高，电磁阀必须在高压条件下具有良好的动态特性和静态特性，同时该系统喷 射后残余压力不恒定。 按系统的结构型式，时间控制式电控燃油喷射系统可分为四大类：电控泵喷嘴、电控单 体泵、点控制直列泵和电控分配泵。典型的电控泵喷嘴系统有b o s c h 公司的p d e 2 7 和p d e 2 8 系统；电控单体泵的代表系统有b o s c h 公司的e u p l 3 系统和d e l p h i 公司的e 1 系统；电控直 列泵目前主要应用在国内的e g r 发动机上，电控分配泵的代表公司有德国的b o s c h 公司的 v p 系列和日本电装公司的e c d v 3 ，v 4 和v 5 系统【1 4 】。时间控制式电控燃油系统是目前国内 应用最广泛的系统，该系统基本符合我国颁发的国柴油发动机排放标准。随着欧的颁发 和执行，我国也即将推出国柴油发动机的排放标准。所以时间控制式电控燃油系统即将被 淘汰，势必要推出新燃油控制系统。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 1 2 3 时间控制式电控燃油喷射系统 近几十年来汽车发动机的排放法规日益严格，和人们对发动机燃油经济性的要求也不断 提高，发动机技术人员开发出了共轨式电控燃油喷射系统，也就是第三代电控燃油喷射系统。 该系统不但能够灵活准确的控制喷油量和喷油正时，同时能够根据发动机各个缸的工况对喷 油率进行控制，并且采用高压进行喷射使燃油的雾化效果更好，燃烧更充分 1 5 1 9 】。 共轨系统的基本特征如下： 1 采用共轨管蓄压，为每个喷油器提供相同的压力并且压力波动较小。 2 整个系统通过一个控制中心e c u 进行集中控制管理，可以对燃油喷射系统的各种物 理量( 如轨压、喷油量、喷油正时) 进行检测、处理和控制。 3 轨压可以根据发动机的工况进行灵活控制，目前最高压力可达2 5 0 0 b a r 。 4 喷射压力高、范围广，可以进行多段喷射( 三、五段或者更多) ，并且可以对喷射波 形进行控制。 5 喷油参数和喷油形态可控，能够自由的控制喷射，使发动机的环保性，经济性以及舒 适性大大提高。 根据共轨管中压力的高低，可以将共轨系统分为高压共轨系统和中压共轨系统。在中压共轨 系统中因为共轨管中压力的产生方式不同，又可以将中压共轨系统分共轨液压式电控系统和 共轨蓄压式电控系统。 1 2 3 1中压共轨燃油喷射系统 1 ) 共轨蓄压式电控燃油系统 典型的中压共轨系统如图1 1 所示，该系统为美国b k m 公司研制的共轨蓄压式电控喷射 系统原理图一s e r v 町c t 系统。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 燃油供油管 图1 1s e n r o j e t 共轨蓄压式电控喷射系统 s e r v q j e t 系统的工作原理是：轴向柱塞泵将1 0 b 缸左右的燃油输送到共轨管中，达到蓄压 的目的。系统工作时电控单元通过控制压力调节器开启和关闭来控制轨压的大小；通过增压 活塞和增压柱塞机构实现增压，燃油的喷射时间由电磁阀控制，。在实际工作中由于增压活塞 比增压柱塞的面积大1 0 1 6 倍，所以燃油通过增压机构作用后压力可以达到1 6 0 b 盯。该系统 的优点是：电磁阀结构简单，系统可以实现对喷油量和喷油率柔性控制且喷油压力发动机转 速无关。其缺点是喷射压力随着喷射过程的进行而逐渐降低。 2 ) 共轨液压式电控燃油系统 共轨液压式电控燃油系统是c a t e r p i l l 甜公司于1 9 9 4 成功开发应用在柴油机电控系统上的 液压式电控燃油系统。如图1 2 为该公司开发的既i j i 共轨液压式柴油机电控燃油系统，系统 中有两条油路分别是机油油路和燃油油路( 虚线框所示) ，在增压共轨中使用机油作为液压动 力源。共轨中的压力通过压力控制阀控制。该系统与s e r v q j e t 一样，通过增压活塞和增压柱塞 机构将共轨中的油压转化为所需要的燃油喷射压力，喷油压力最高可达1 5 b a r 并且可以根据工 况灵活控制而不受柴油机转速的影响。喷油正时和喷油量由电磁阀控制。通过增压柱塞和柱 塞套上的精密溢流油道可以实现预喷。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 图l - 2美国c a t e r p 伽b i r 公司既i i 系统 1 2 3 2 高压共轨燃油喷射系统 高压共轨系统是目前比较流行的电控燃油喷射系统，该系统不在采用机械式的增压机构 实现高压喷射，而是通过喷油泵直接将共轨管中的压力升至喷油器的喷射压力。通过电磁阀 控制喷油器的喷油正时和喷油量，利用电磁阀溢流阀控制共轨管中的压力。 典型的高压共轨燃油喷射系统如图1 3 所示，它主要由电控单元、高压喷油泵、共轨管、 电控喷油器以及各种传感器等组成。高压油泵经油箱过滤器将燃油加压送入高压共轨管中， 共轨管中的压力由电控单元根据轨压力传感器测量的燃油压力以及需要进行调节，高压共轨 管内的燃油经过高压油管，输送的喷油器的喷油嘴和控制腔中。电控单元根据发动机的运行 状态从预设的m a p 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期来控制电磁阀的开启和关闭，使燃 油以一定的压力、速率喷射。 高压共轨系统主要具有如下特点 1 6 ，1 9 】： a ) 系统压力可以根据不同的工况进行柔性调控，使压力达到最佳喷射压力，优化柴油发 动机的综合性能。 b ) 喷油压力、喷射正时、喷油量以及喷油率可单独控制，并且具有较高的控制精度。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 c ) 可以实现多波形，多次喷射，最多可达5 次喷射，能够有效降低污染的排放和发动机 的噪声，既可以提高发动机的环保性能又能提高经济性和舒适性。 d ) 系统的喷油压力和喷油量与发动机的转速并无关。 综上所述，由于高压共轨燃油喷射系统的显著优势，当前国内外已有多家公司对该技术 做了深入的研究，并且取得了一定的成果。 图1 3典型的高压共轨系统示意图 1 油箱2 高压喷油泵3 过滤器4 压力传感器5 共轨管6 溢流阀 7 喷油器8 电器驱动单元9e c u 电控中心1 0 传感器线路 1 3 国内外电控燃油喷射技术的现状 1 3 1 国外电控燃油喷射技术发展现状 由于高压共轨系统的优点突出，国外很多公司积极的参与该项技术的研究并取得了很大的 成功，具有代表性的公司主要有德国b o s c h 公司、日本电装公司、美国德尔福公司、英国l u c a s d i e s e ls y s t e m 公司等，本文主要介绍的是b o s c h 公司研发的c r 高压共轨系统和电装公司开发 的e c d u 2 高压共轨系统。 ( 1 ) b o s c h 公司c r 系统 b o s c h 公司是柴油机电控燃油喷射技术的先驱，该公司生产的高压共轨系统是全球的主流 系统，到目前为止该公司已经开发出了第四代燃油喷射系统瞳引。 博世在1 9 9 7 年研制出了第一代高压共轨系统，该系统可以进行闭环控制并实现了预喷， 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 最高喷射压力1 4 0 0 b a r ，满足欧排放标准，主要应用在上轿车。2 0 0 0 年，第二代高压共轨 系统批产，该系统是国内市场当前比较流行并广泛使用的系统，图卜4 为该公司的第二代高 压共轨系统。该系统主要有高压油路、低压油路以及控制部分组成。其特点是高压喷油泵具 备油量调节功能，可以实现预喷、主喷和后喷等多次喷射，系统最大压力高达1 6 0 0 b a r 。 溺 图1 4b o s c h 公司的c r 系统 博世公司在2 0 0 3 年推出第三代高压共轨系统口1 | 。该系统突破了传统的电磁阀对喷油时间 的控制而是在喷油器中高度集成压电晶体执行器。这种执行器与喷油器的针阀靠的更近，使 喷油器针阀的响应速度大大提高，针阀最大运动速度可达到1 3 s ，可以实现5 次碰油。系 统的喷射压力达到2 0 0 0 b a r 甚至更高，能够很好的满足欧v 排放法规。目前该公司已经成功开 发出第四代可变喷嘴系统，这种油嘴具有双通道特征，喷油嘴的喷孔面积可以根据怠速和负 载的不同工况进行改变，能够实现喷油量精确计算，使发动机的燃油经济性进一步提高，最 高喷射压力到达2 6 0 0 b a r ，雾化效果好，排放更低。 ( 2 ) 电装公司的e c d u 2 系统 早在1 9 8 5 年日本电装公司就开始研制高压共轨系统，该公司也是研发高压共轨燃油喷射系 统最早的企业之一。电装公司成功开发了多款高压共轨系统，其中e c d u 2 ( p ) 型高压共轨系 统主要应用在轿车发动机上，e c d u 2 高压共轨系统适用于中型和重型卡车【2 2 1 。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 联妫日 信患 图1 5电装公司e c d u 2 电控燃油喷射系统 图1 5 为e c d u 2 高压共轨系统原理图，该系统主要部件有高压供油泵、共轨、电控喷油 器、e c u 以及压力、温度、位移、转速等传感器。系统工作时，e c u 根据发动机工况控制共 轨管中的压力，通过检索e c u 中的m a p 图，来控制电磁阀的开启，以实现对喷油率、喷油 量和喷油正时的控制。e c d u 2 系统最高喷射压力为1 5 0 0 b a r ，最大单次喷油量为2 5 0 m m 3 。 在早期的e c d u 2 系统中由于采用三通阀进行燃油喷射控制，燃油泄漏量过大；目前采用二 通阀对喷射过程进行控制。二通阀式电控喷油器具有泄露量少，结构紧凑体积小安装方便， 零件强度高、耐磨性强等优点而得到广泛应用，采用二通阀控制还可以改善排放，提高系统 的喷射压力。 近年来电装公司在电控燃油喷射系统中取得很多新的进展，如喷油器在一次喷油循环中可 以实现5 段或7 段喷射，其中只有一次主喷，其余均为辅助喷射，用于改善燃烧质量降低排 放，提高发动机的整体性能。目前该公司的电控燃油喷射系统已经发展到了第三代压电晶体 电控燃油喷射系统，具有精确的控制功能和良好的喷射特性，最高喷射压力到2 0 0 0 b a r 以上， 能够满足欧v 排放标准。当前电装公司正在致力于开发第四代电控燃油喷射系统。 1 3 2 国内电控燃油喷射技术发展现状 国内在电控燃油喷射技术领域起步较晚，技术力量不足与世界先进水平还有很大的差距。 目前只有少数研究机构和发动机企业拥有电控燃油系统的开发能力，但由于技术不成熟等诸 多原因没有产业化。随着排放法规的日益严格，国内科研力量的投入和国外技术的引进，前 景会越来越好。 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 目前国内的主要科研单位和企业有：无锡油泵油嘴研究所、浙江大学、天津大学、上海 交通大学高校等。天津大学内燃机实验室推出了和博世公司c r 系统基本类似f i r c 系统， 而在电磁阀上采用了液力平衡式快速响应电磁阀，这种电磁阀能够实现稳定的小量预喷和多 段喷射功能，其排放效果较好。浙江大学和无锡油泵油嘴研究所联合开发了f c r s 高压共轨 系统，同时无锡油泵油嘴研究所引进了日本电装公司的e c d u 2 系统，对该系统进行改造再 开发。0 4 年无锡威孚集团与博世公司合作，在无锡建立了博世柴油系统有限公司，将博世公 司先进的高压共轨技术引进，国产化生产，目前该公司生产的高压共轨系统在国内广泛应用 2 3 】 o 当前国内在一些关键技术上还不够成熟，如高速电磁的研制和控制，小喷油量的精确控 制，喷油器油嘴精度，以及喷油器的泄露等问题上存在很多不足。很多企业和科研单位主要 在做系统标定，零部件优化匹配和模拟计算方面的工作，对于整个高压共轨系统的开发、投 入以及深入研究还不足，所以本土电控燃油喷射技术的批量生产还需要较长一段时间。 1 4 课题研究意义及主要内容 1 4 1 课题研究意义 如前文所述，当前高压共轨系统已经发展到了新的阶段，围绕该技术展开的科研工作也 很多，但是对于核心零部件的研究还不够深入和系统。喷油器作为高压共轨系统中的核心部 件，其喷油特性和动态性能对柴油发动机的整机性能有着至关重要的影响。本文就高压共轨 系统中的核心部件喷油器展开研究，分析其工作原理、建立数学模型并找出关键的的结构参 数。利用a m e s i m 软件建立喷油器的仿真模型，分析喷油器关键结构参数的改变对其喷油规 律和喷油特性的影响。为进一步改进喷油器，优化结构提供理论依据，同时也可以减少设计 周期，降低研发成本。 1 4 2 课题主要内容 ( 1 ) 对电控燃油喷射系统的发展历程以及最新进展进行了全面系统的分析，正确的把握电 控燃油技术的发展方向，论证当前电控燃油喷射技术研究的必要性，可行性以及现实 意义。 ( 2 ) 广泛阅读了国内外相关文献，对高压共轨系统的核心部件喷油器进行详细的介绍， 对其工作原理进行详细的分析。 ( 3 ) 通过对高压共轨喷油器的结构进行分析，建立其数学模型，为进一步建立仿真模型提 供理论基础。 利用a m e s i m 软件建立高压共轨喷油器的仿真模型，研究喷油器电磁阀参数和喷油器结 构参数对喷油特性的影响。 第10 页 武汉科技大学硕士学位论文 2 1 喷油器的组成 第二章高压共轨喷油器的工作原理和结构 喷油器是高压共轨系统中的核心部件之一，也是共轨系统中最复杂、最关键的部件。它 根据e c u 发出的信号，控制电磁阀的开启和关闭，将共轨中的燃油以最佳的喷油正时、喷油 量、喷油率和喷射压力喷入燃烧室。 喷油器是由机、电、液多学科组成的复杂耦合系统。喷油器的结构示意如图2 1 所示。按 喷油器的实现功能，喷油器由电磁阀控制模块、液压伺服模块和油嘴喷射模块三个部分组成。 电磁阀由复位弹簧、衔铁、铁芯、球阀及电气接头组成；液压伺服模块由球阀、控制油口a 、 控制油口z 、控制室、控制活塞组成；油嘴喷射模块由油嘴弹簧、盛油槽、针阀、针阀承压面 以及喷孔组成。 图2 1 喷油器结构 1 回油口2 进油口3 电磁阀4 控制室5 控制活塞6 针阀弹簧 7 针阀体8 喷油嘴9 控制油口a1 0 控制油口z 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 2 2 喷油器的工作原理 喷油器完整的工作过程分为四个阶段：喷油器关闭( 静止状态) 、喷油器开启( 喷油始点) 、 喷油器完全开启、喷油器关闭( 喷油终点) 2 5 q 们。 ( 1 ) 喷油器关闭( 静止状态) 当喷油器处于关闭状态时，没有电流输入的到电磁阀的线圈中，此时阀芯不产生电磁力。 衔铁在复位弹簧的作用下将球阀紧紧的压在回油口a 上，回油道被关闭。此时喷油器的控制 腔、盛油槽和针阀承压面的压力相等且等于轨压。控制腔和针阀弹簧对活塞产生向下的作用 力，盛油槽和针阀承压面对活塞产生向上的作用力。由于控制活塞的作用面积大于盛油槽和 针阀承压面的面积，因此作用在活塞上的液压合力向下，使针阀处于落座状态，将油嘴关闭。 此时喷油器内部高压区域的压力处处相等。 ( 2 ) 喷油器开启( 喷油始点) 当控制单元e c u 向控制喷油器电流的外围电路发出喷油指令后，电磁阀受到驱动电压的 作用，线圈中的电流很快升高。随着阀芯线圈中电流的升高，作用在衔铁上的电磁力也不断 增大。当电磁力大于作用在衔铁上的弹簧力时，电磁阀开始打开。随着电磁阀的开启，电磁 阀中的空气间隙减小，电磁力会不断的增大。在电磁阀衔铁的升程达到最大值时，线圈中只 要一个较小的电流就能使衔铁保持在最大开度的位置上。 ( 3 ) 喷油器完全开启 当电磁阀开启后，控制腔中的高压油经回油口a 泻出。由于进油节流孔z 的节流面积小 于回油口a 节流面积，所以控制腔的压力补充比较缓慢，控制腔的压力迅速降低，控制腔对 控制活塞的作用力降低。由于盛油槽和针阀承压面对控制活塞向上的作用力不变，所以当控 制腔产生的作用力小于盛油槽和针阀对控制活塞的作用力时，针阀开始上升。随着针阀离开 座面，密封座面对针阀施加一个向上的作用力，加速针阀上升。当针阀上升速度达到一定的 数值时，控制腔压力又会上升，且在一定数值相邻范围内波动，此时控制活塞受到向下的合 力大于向上的合力，使针阀开启速度降低，随后向上的力又大于向下的力，致使针阀继续升 起。针阀的升程取决于喷油器的加电时间的长短，当喷油器加电时间足够长时，针阀的最大 升程为结构设计时的机械止点；当喷油时间较短时，针阀升程取决于电磁阀加电时间。 ( 4 ) 喷油器关闭( 喷油终点) 当电控单元发出停止喷射指令时，线圈中的电流迅速衰减，电磁力不断减小。当电磁力小 于复位弹簧的作用力时，衔铁开始下降，球阀落座，回油节流口a 逐渐关闭。随着回油口的 关闭，泄流量减小，控制腔内压力逐渐升高并趋近与轨压。随着控制室压力的升高，控制腔 对活塞的作用力增加。当控制腔对活塞向下的作用力大于盛油槽和针阀承压面对活塞的作用 力时，针阀开始关闭。当针阀关闭速度达到某一值后，控制腔内的压力降低且在一定范围内 波动，此时针阀下降速度减慢，针阀关闭速度降低，控制腔压力又会升高。在针阀关闭过程 第12 页武汉科技大学硕士学位论文 中，当控制活塞受到向下的作用力大于向上的作用力时，针阀的关闭速度加快，直至喷油结 束。 上述为一个完整的喷油过程，整个过程是一个机电液交叉作用的复杂系统。控制系统通过 控制电磁阀的加电时间而控制针阀的开启，间接控制喷入燃烧室的燃油量。在上述过程中除 了喷入燃烧室的有效燃油外，还有部分燃油( 喷油器偶件间的泄露) 经回油口返回油箱。 2 3 喷油器的结构特点与分析 为了深入的研究喷油器各部件在工作时对喷油规律的影响，按照喷油器工作时能量的传 递过程，本文将喷油器分为电磁系统和液压系统。其中电磁系统主要部件是电磁阀，液压系 统则由喷油器体液压系统和油嘴偶件组成。 2 3 1 喷油器电磁系统特点与分析 电磁阀是喷油器的核心元件，其根据e c u 发出的指令开启或关闭泄油口a ，从而使控制 腔的压力发生变化，以改变液压系统的液压力。确保针阀按照特定的规律动作，定时、定量 的将燃油喷入燃烧室。电磁阀的最小喷油量、响应时间和泄露量都对发动机的整体性能有着 明显的影响。 2 3 1 1 电磁阀结构特点 电磁阀的主要的部件有：电磁阀阀芯、回位弹簧、弹簧座、自由活塞、衔铁和电磁螺母 等。根据发动机对喷油特性的要求电磁阀主要部件应具各以下功能和特点【3 1 3 4 】： ( 1 ) 电磁阀通电后，衔铁上移，球阀开启。尽管球阀的位移量很小( 最大5 0 u m ) ，但球 阀的开启面积将很快大于泄油口的节流面积，所以控制室的压力会急剧下降。同时有轴向液 动力作用在球阀上，所以电磁阀在开启时响应速度非常快。一旦电磁阀开启即说明作用在衔 铁及球阀上的合力大于弹簧力，所以当球阀达到最大升程后不必采用较高的开启电流，较小 的保持电流就可以使衔铁维持在最大上升行程，以减少电磁的耗能和发热。在球阀向下运动 时，球阀与其座面形成的节流面积开始减小，球阀所受的轴向液动力也随着节流面积的减小 而减小，因而电磁阀的关闭过程较快，复位弹簧不需要很大的预紧力和刚度。 ( 2 ) 电磁阀的最大空气间隙为6 0 啪，衔铁的最大升程为0 0 6 m m 。 ( 3 ) 电磁阀的响应时间极快约为8 0 u s ，通过升压回来实现电压阶跃跳跃。在电磁阀初始 通电时，通过d c d c 升压回路在电磁阀两端输入高电压( 1 1 0 v ) ，使线圈在最短时间内建立 最大的开启电流，将电磁阀打开。当衔铁达到最大升程后，才用汽车电瓶电压供电，使衔铁 维持在最大位置。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 2 3 1 1 电磁阀控制电路分析 电磁阀的驱动形式和驱动电路决定着其线圈中的电流波形【3 5 】。电磁阀的驱动电路的形式 和参数的设置不仅影响其能量输入的大小，还影响着能量的变化率，从而决定了电磁阀的动 态性能。电磁阀的使用寿命很大程度上取决于其动态过程中速度变化和撞击时所释放的能量， 所以电磁阀的动态性能也决定着整体性能。 理想状态下希望电磁阀在通电初期线圈中的电流能够迅速增大到开启电流，以提高电磁 阀的响应速度；在衔铁到达最大升程后，只需要较小的保持电流就可以使衔铁保持在最大升 程【3 6 1 。为了使电磁阀的电流波形达到上述要求，本文采用双阶段p w m 驱动电路作为电磁阀 驱动电路，以提高电磁阀在高速状态下的驱动性能。图2 3 和2 - 4 分别为电磁阀的驱动电路和 电流波形。驱动电路使用双电源模式和双阶段p w m 控制，y h 为双电源系统中的高电压，在 电磁阀通电初期保证电流迅速到达峰值电流，有效时间段为t o ，以加快电磁阀开启的动态响 应；v l 为低电压，在通电时间内一直有效。通过调节p w m 波的占空比实现对电磁阀线圈中 电流大小的调节。图中的电流反馈回路可以较少由于电池电压波动对阀工作性能造成的影响。 图2 3电磁阀驱动电路 第14 页武汉科技大学硕士学位论文 粼冲1 广 。_ - - - - - - - - - l 一 控制脉冲2 选缸脉冲 硼f _ ， t p 图2 4电磁阀电流波形 使用双电源双阶段p w m 驱动方式，高电压产生峰值电流，使电磁阀迅速开启，衔铁快 速到达最大升程；低电压用于产生维持电流，使衔铁保持在最大升程处。该电路有利于有利 于提高喷油器响应时间，提高喷射频率。 2 3 2 喷油器液压系统特点与分析 喷油器的液压系统主要有：球阀、控制节流孔a ，z 、控制腔、控制活塞、针阀弹簧以及喷 油嘴偶件等组成【3 7 1 。在喷油器设计过程中控制油口的直径、控制活塞的直径、控制腔的容积、 弹簧的刚度和预紧力以及油嘴都是需要确定的关键参数。 2 3 2 1 喷油器体液压系统 喷油器电磁阎阀芯结构有多种形式，如圆柱滑阀式、球阀式、锥阀式。其中以球阀式最 为常见。球阀式结构具有如下特点：易密封、行程短、动作灵敏、动态特性好，能够实现快 速的切换。由于在球阀密封时需要复位弹簧力来平衡液压力，所以复位弹簧的刚度比较大。 控制腔是喷油器的关键结构，其最小容积、横截面积、控制油口的节流面积则是控制室 的关键尺寸，他们影响着控制腔内的压力变化过程，而控制腔内的压力变化控制着针阀的开 启过程，对喷油器有着非凡的影响。控制腔的大小决定着针阀开启的灵敏度，控制容积太大 针阀在喷油结束不能实现快速断油，造成雾化效果不好；控制腔太小，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。控制油口的舰比对控制活塞的运动速度有着重 要的影响【38 | ，如图2 5 所示。当a z 比增大时，控制活塞运动速度增大，控制容积变化率快； a 亿减小时，控制活塞运动速度低，控制容积变化率慢，而控制容积的变化率对针阀的动态特 性有重要的影响。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 图2 - 5 喷油器控制腔a ，z 孔 控制活塞的直径也对喷油器的整体性能有着重要的影响，是喷油器的关键参数之一。控 制活塞直径的大小对控制腔的容积有直接的影响、其影响的原理与控制容积相同，此外控制 活塞的直径对喷油器的外形尺寸有着重要影响【3 9 。控制腔中液体压力的变化速度与控制活塞 直径有着密切的关系，其对速度的影响随着活塞直径的增大而降低。当控制腔的其他结构参 数保持一定时，控制活塞的直径决定着控制活塞和针阀运动的最大速度。在喷油器设计时， 控制活塞直径应与喷油器的其他结构参数相匹配以确保喷油器的性能和使用寿命。 2 3 2 2油嘴偶件 喷油嘴是燃油喷射系统中另一个核心部件，系统的性能在很大程度上取决于喷油嘴的结构 参数【4 0 1 。喷油嘴的主要的结构参数有：喷孔的喷雾锥角，喷孔数量与喷孔直径。喷油嘴有两 种型式：有压力室喷油嘴和无压力室喷油嘴 4 1 1 。不论是有压力室还是无压力室喷油嘴其喷孔 的入口边缘均采用液体研磨工艺进行倒角，这样既可以消除燃油颗粒所引起的喷孔磨损和喷 嘴流量偏差，对喷孔的流场也具有优化作用。 喷油嘴的压力室的容积对发动机h c 的排放有着重要的影响，压力室的容积是油嘴的关键 结构参数。喷油器在一次喷射结束后，压力室中仍有部分燃油，由于流体的流动性这些残余 的燃油会滴入发动机的燃烧室参与不充分燃烧，由此产生的碳氢是发动机排放污染的重要来 源，减少压力室容积可以改善燃烧效果。 i 有压力室式喷油嘴： 有压力室式喷油嘴有圆柱形压力室和锥形压力室两种，如图2 6 所示。圆柱形压力室在喷 孔数量、喷孔长度和喷孔夹角方面都有高度的设计灵活性，并且各个喷孔的长度和壁厚都相 同。锥形压力室与圆柱形压力室喷油嘴相比，压力室容积较小，大小介于无压力室喷嘴与圆 柱形压力室喷嘴之间。锥形头部形状由于凹槽半径与喷油嘴体座面间的壁厚较大而提高了头 部强度。 i i 无压力室喷油嘴 为了使压力室容积最下，将h c 排放减少到最低程度，将喷孔起点布置在喷油嘴体的锥 塑旦里武汉科技大学硕士学位论文 一 ： ： 形密封座上，并在喷油嘴关闭时由针阀盖住。即压力室和燃烧室之间无直接联系，所以无压 力室喷油嘴的“有害”容积大大小于有压力室喷油嘴，如图2 。7 所示。 图2 - 6 有压力室式喷油嘴 图2 - 7 无压力室式喷油嘴 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 第三章高压共轨喷油器的数学模型建立 3 1 喷油器喷射系统假设 由于喷油器的实际喷射过程十分复杂，其燃油喷射特性受多种因素的影响，如喷油器 内部偶件的燃油泄漏，共轨管中的流动损失，控制腔内的燃油压缩性以及油嘴变截面处的 流动损失等，都会对喷油器的喷油特性产生影响。所以在喷油器数学建模过程中考虑所有 因素是不可能的，也是不必要的。 为了使仿真更加真实的反应喷油器实际喷射状况，根据高压共轨系统的特点和模拟计 算要求，本文作出如下假谢4 2 硝】。 ( 1 ) 由于喷油器内部各管路均为短管，假设管路内燃油均为一维非定常层流流动。 ( 2 ) 喷油器在一次燃油喷射过程中，燃油的温度、密度、粘度、弹性模量均为常数。 ( 3 ) 集中容积为理想的刚性容积，不考虑液体压力作用时零部件的弹性变形对集中 容积的影响。 ( 4 ) 燃油在喷油器各集中容积间流动时，由于管路很短，不考虑燃油压力传播的时 间。在集中容积内燃油物性参量处处相等，燃油压力处处相等。 ( 5 ) 供油泵和回油箱为恒定压力源，即油源没有压力波动。 ( 6 ) 在喷油器的每次喷油时刻，假设发动机燃烧室压力值为恒定值( 燃烧室实际压 力值随工况的变化而变化) 。 ( 7 ) 忽略喷油器内部各运动部件间的阻力和冲量损失，以及零件的变形和弹簧自振。 ( 8 ) 不考虑燃油自身所受重力对流动的影响。 ( 9 ) 由于系统基本处于高压状态，出现气泡的机率很小，因而不考虑气泡造成的穴 蚀影响。 3 2 电磁阀数学模型 电磁阀是喷油器的核心部件，其运动响应特性直接影响喷油器的喷油特性。为了更好的分 析电磁阀结构对喷油特性的影响，有必要建立详细的电磁阀模型并进行仿真。 喷油器电磁阀的工作过程是涉及多学科的耦合作用的过程，是一个机、电、液、磁相互作 用的过程。根据电磁阀的工作原理和工作过程，可以将电磁阀分为四个子系统：电子系统， 磁系统，机械系统和液力系统m 】。这四个子系统由相关物理量相互作用的关系如图3 1 所示。 由于电磁阀在运动过程中其各子系统相互作用紧密联系，特别是机液系统运动极为复杂，故 本文在讨论电磁阀运动过程时将机械系统和液力系统放在一起同时讨论，合称为机液系统。 第18 页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 1 电子系统模型 图3 1电磁阀各系统关系 电磁阀的电流波形取决于电磁阀驱动电路和驱动形式。电磁阀的驱动电路的形式和参数的 设置不仅影响其能量输入的大小，还影响着能量的变化率，从而决定了电磁阀的动态性能。 结合第二章第三节对电磁阀静态特性和动态特性的分析，对电磁阀驱动电路作一些简化，等 效驱动电路如图3 。2 所示。线圈的基本电路方程为： u ：氓+ 坐( 3 1 ) 衍 坐：三堕( 3 2 ) d td t 则可以表示为： u ：识+ 三丝( 3 3 ) d t 式中：u 为电磁阀驱动电压；i 为通电线圈电流；r 为回路电阻；掣为系统磁链；- l 为线圈电 感。当o t t 时u 取峰值电压u 谳，当k 。 t t 。时u 取峰值电压u h 。 3 2 2 磁系统模型 3 2 1 1 电磁阀磁阻计算 当磁路没有到达饱和状态时，忽略磁漏、铁芯磁阻和涡流的影响，电磁阀的结构图3 3 所示和等效电路如图3 。2 所示。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 9 页 西2 图3 2电磁阀磁路等效图图3 3电磁阀结构简图 式中，d l 、d 1 分别为环状磁外环极的外径和内径，d 2 、d 2 分别为环状内环磁极的外径和内径， r f 为铁芯的磁阻，r 电为气隙磁阻，为衔铁磁阻。 在电磁阀工作时假设忽略磁漏的影响，则磁路的总磁阻i k 可以表示为： r i 。- 】b + 】k “k ( 3 4 ) 其中，气隙磁阻包括外