试析柴油机高压共轨系统仿真研究

《试析柴油机高压共轨系统仿真研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

太原科技大学硕士学位论文柴油机高压共轨系统仿真研究姓名：王新军申请学位级别：硕士专业：农业机械化工程指导教师：孙大刚20090701 中文摘要随着能源和环境问题日益突出，柴油机电控技术逐渐得到发展。高压共轨喷射系统就是柴油机电控技术的应用。高压共轨喷射系统主要有以下特点：喷射压力高，喷射压力高可以增加柴油雾化改善燃烧过程，使得排放污染物减少。由于共轨管压力的产生过程与喷油器喷油过程分离，油压产生与发动机转速与柴油喷射量无关，高压柴油储存在共轨中喷射，各缸喷油器是否喷射，由电脑控制喷油器电磁阀作用而决定，喷油速率的柔性控制，实时调节喷油时刻、控制喷油量、喷油率形成等方面，以形成理想的喷射规律。本文通过对BOSCH公司CR高压共轨系统各部分结构的分析，对高压共轨系统进行了仿真。高压燃油喷射系统仿真主要过程：首先熟悉系统各部件的连接关系和工作原理，进行数学建模和物理建模，然后用Matlab／simulink仿真计算软件进行仿真，对得出的结论进行分析。仿真过程中进行了一些假设，如不考虑喷油器的变形，各腔定为集中容积，流动为一维非定常层流流动等。简化了系统的组成，不考虑高压油泵到油箱的部件，只考虑喷油泵、共轨管、喷油器等主要部件。计算时考虑了喷油泵的边界问题，共轨管的边界问题，喷油器的边界问题。其中，喷油器的液压部分又可以分盛油槽、控制腔、压力室和针阀腔四个部分，分别计算四个腔体的液体连续方程，然后根据它们的流动情况，应用牛顿第二定律，分析受力，从而得到其受力方程和运动方程。再设定有关参数，如喷油脉宽、柱塞直径、活塞直径等参数，进行仿真，对仿真结果还要进行分析，得出结构参数对喷油规律的影响。从而确定结构参数的数值。如果不符合喷油规律要求，还要对参数进行修正。本文主要对喷油器结构参数对喷油量的影响，共轨管容积对压力波动值的影响等主要参数进行仿真，并得出结论，为共轨柴油机的设计和制造提供依据。关键词：柴油机；高压共轨；喷油系统；SIMULINK仿真 ABSTRACTWiththeenergyandenvironmentalissuesbecomeincreasinglyprominent，electronicallycontrolleddieselenginetechnologytodevelopgradually．High．pressurecommon-railinjectionsystemiselectronicallycontrolleddieselenginetechnology．nemainhigh·pressurecommon—railinjectionsystemhasthefollowingcharacteristics：highinjectionpressure，injectionpressureofhighdieselfuelatomizationcanbeincreasedtoimprovethecombustionprocess，thereductionofemissionsofpollutants．Asaresultoftheemergenceofcommon-railpressureinjectorfuelinjectionprocessandtheprocessofseparation，oilpressureandengmespeedhaveadiesel●一■‘●●I'injectionvolumehasnothingtodowiththehigh—pressurecommon—raildieselisstoredinthesprayofthejet—cylinderinjectorwhetherbycomputer-controlledsprayOilsolenoidvalvetodeterminetherole，theflexiblecontrolofinjectionrate，real-timefuelinjectiontimeadjustmenttocontrolfuelinjectionquantity,fuelinjectionrateoftheformation，inordertoformthelawoftheidealjet．BasedontheBOSCHcompanyCRhighpressurecommonrailsystem，thestructuralanalysisofhigh—pressurecommon—railsystemsimulation．Simulationofhigh—pressurefuelinjectionsystemthemainprocess：Firstot．●一一—1a11．familiarwiththesystemtoconnecttherelationshipbetweenthecomponentsandworkingprincipleofmathematicalmodelingandphysicalmodeling．andthenusetheMatlab|simulinksimulationsoftwaresimulation，theconclusionsoftheanalysis．Simulationprocessanumberofassumptions，suchastheinjectornotconsiderthedeformation，thecavityvolumeasafocusonmobilefortheone．．dimensionalunsteadylaminarflowandSOon．Simplifiedthesystemdoesnotconsiderthehigh-pressurefuelpumptofueltankcomponents，onlytheinjectionpump，commonrailpipe，andother majorcomponentsoffuelinjector．Calculatedtotakeintoaccountthefuelpumpoftheborderissue，theissueofcommon-railbordercontrol，borderissuesinjector．Amongthem，theinjectorpartofthehydraulicoilcanbesub—Sheng，controlcavity,thepressurechamberandvalvechamberinfourparts，namelythecalculationoftheliquidcavityfourcontinuityequation，andthenaccordingtotheirmobility,theapplicationofNewton'ssecondlawanalysisofpower,resultingintheforceequationanditsequationofmotion．Re—settingtherelevantparameters，suchasfuelinjectionpulsewidth，plungerdiameter，pistondiameteqsuchasparameters，simulation，andanalysisofsimulationresultsalsocometothestructureoffuelinjectionparametersontheimpactofthelaw．Todeterminethestructureofthenumericalparameters．Ifyoudonotmeettherequirementsoffuelinjectionlaw,butalsoontheparametersoftheamendment．Inthispaper,thestructureoftheinjectorfuelinjectionparametersontheimpactofvolume，volumeofcommonrailpressurecontroltheimpactoffluctuationsinthevalueofthemainparameterssuchassimulation，andconcludedthat，forcommon-raildieselengineprovidethebasisforthedesignandmanufacture．KEYWORDS：Dieselengine；Highpressurecommonrail；Fuelinjectionsystem；Simulinksimulation 声明尸州本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。作者签名：塞塑j盗日期：丝翌：生：型二l／关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印件与电子版；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。作者签名：塞垒塾日期：兰乎：!：!：导师签名：』煎、一F心＼J日期：导师签名：兰盟、一F铽＼J日期： 绪论第一章绪论弟一早珀V匕1．1选题背景农业机械足现代农业的主要组成部分，农业机械是农业科技运用的载体。柴油机是农机主要动力，我国农业生产年消耗柴油3400万吨，约占全国柴油消耗量30％，加快柴油机的研究与制造，特别是发展柴油机电控技术在农机中应用，对现代农业发展有重要作用【11。柴油机由于功率大，燃油消耗率低，在功率较大的发动机中，国外几乎都采用柴油机作为动力，我国柴油车比重也t升到60％以上。长期以来柴油机都是采用机械控制系统来控制喷油泵的供油量和喷油正时。随着电子技术和计算机技术的发展，电子控制汽油喷射系统技术已经成熟，基本所有汽油发动机都采用此技术。在这种条件下，柴油机电控技术也得到了长足的发展。柴油机电控技术的应用程度已成为衡量其发动机制造水平的重要指标之一。柴油机电控技术的发展对未来柴油机技术发展有重要意义‘2捌。1．1．1柴油机电控技术的研究背景1．环保的要求柴油轿车二氧化碳的排放量比汽油轿车低30％一50％，环境效益十分显著，柴油轿车的一氧化碳和碳氧化合物的排放也大大低于汽油车，而达到欧4标准的柴油轿车，其排放的微小颗粒物和碳氧化合物已经与汽油车相差无几。但是NO。排放柴油发动机不好控制，因为降低NOx必须减小柴油机气缸内最高压力和最高温度，这就要求喷油正时滞后。喷油正时滞后会引起烟度(颗粒)排放上升，经济性和动力性下降。矛盾的统一除了提高喷射压力和速率、缩短喷射持续时问外，主要通过电子控制方式寻求最优化的喷油正时。国家环保局提出汽车排放法规要在2010年与国际接轨。我国环保法规最大限度地吸收和借鉴了欧盟排放法规的内容，2000年等效实施了欧I排放标准，2003年9月等效实施了欧II排放标准，轻型车辆在2007年1月1日开始执行欧lII排放标准。排放标准从欧II到欧IIl的转变，对汽车用柴油机行业是一个巨大挑战。如今在欧洲，柴油轿车在新车销售中已占45％以上，美国、日本已占20％以上，而我图还只占0．5％t4石】。图1．1是欧洲柴油机在轻型汽车动力中的份额。我国农业机械用柴油发动机基本上车用发动机，没有专门的研究机构，但随着能源和环保问题的出现，农业机械也应加快技术进步。表1．1为欧洲重型柴油车排放标准近年来的变化情况【71。 柴油机高压共轨系统仿真研究表11欧洲中重型柴油丰辑放标准Tab1】Europemlemissionstandardsforheavydieselvehicles；蓁麟》一紫Ⅻ动力的轻型车辆6轻型车2呈的*额【z)口采用直喷式柴油机的轻型车产量(百万)_采用非直暗揣油机豹轻蛩车产量c百万】一一采用共轨景统的柴油机占柴油机总量酌份钡【z)⋯来用蕞喷嘴的车辆占柴油动力车辆的份颤‘z)图Il欧洲柴油机在轻型汽车动力中的份额Fig1DieseItightvehiclesinEuropelsshareofpower2能源压力由于柴油轿车尤其是电控柴油轿车具有明显的优异的节油特性．行驶成本远远低于汽油轿车。在原油价格持续上涨，国内油价不断上调的情况下．汽车使用的经济性无论对社会还是企业，都显示巨大的价值。而电控轿车在节能方面优势”I。3电子技术在汽车上应用(1)电子技术提高发动机工作可靠性借助传感器的输入信号，计算机控制器可随时检测影响发动机可靠性的参数，如润滑系统的机油压力、排气温度、发动机转速等。有些参数超标或者低于设定值，系统会报警，同时控制执行器进行相应调节，知道参数jF常。电控柴油机的发展离不开电子技术的发展，比如系统中的水温传感器、踏板位置传感器等，如果没有电2 绪论子技术的发展，电控柴油机就不可能发展。柴油机的燃料是直接喷入燃烧室压燃着火，不会产生早燃、爆燃易实现分层燃烧，稀薄燃烧。采用了电控喷油喷油等技术，振动和噪声远比传统的小，柴油发动机部分负荷运转时燃烧比全负荷更好，无节流损失。(2)控制速度快、精度高控制系统的控制精度高，被控制对象的功能指标就越接近于最优值，控制系统从接受一个信息开始，到处理完并输出控制信号所需的的时间一般是毫秒级，这个时间远小于发动机活其他机械控制结构的响应时间，因此，发动机及其系统的运行参数稍微偏离目标值，微机控制系统就可以立即跟踪，进行修正。(3)控制策略灵活对于不同用途的柴油机，控制策略不同，当需要改进或者与其他机型匹配时，传统方法是改变相应的机械式控制系统，设计、试制、加工时间长、成本高，极不方便。电控系统可以很方便的与各种不同用途的柴油机匹配，需要改变的只是软件程序，不涉及硬件系统。在这种情况下，电控柴油机更易实现这一功能。(4)电子控制柴油机电子控制和汽油机控制技术有许多相似之处，整个系统都是有传感器、电控单元及控制器和执行器三大部分组成。控制技术有两个明显的特点：一是其关键技术和技术难点就在柴油喷射电摔执行器上，二是实现柴油电控喷射系统的多样化，柴油机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点，喷射压力高达60Mpa-150Mpa，是汽油喷射几十倍。对于燃油高压共轨系统实施喷油量的电子控制困难大得多。而且，柴油喷射对喷油定时的精度要求高，柴油机活塞压缩上止点的角度位置的测量，与比汽油机准确。这就导致了柴油机电控执行器要复杂得多，因此，柴油机电子控制技术的关键和难点，就是柴油喷射电控执行器，也即电控柴油喷射系统，主要控制量是喷油量和喷油定时。1。1。2柴油机电控喷射技术的发展柴油机电控喷油技术的开发研究有三次重要进程，即位置控制式、时间控制式和时间压力控制式。每一次新技术的应用都是对燃油喷射系统的改进，在降低排放、降低噪声、改善经济性等方面几乎起到重要的作用⋯31。(1)第一代电控喷射系统第一代是位置控制系统保留了齿圈齿条等控制供油量的结构，只是将原来控制齿条的机械调速器改为电子调速器。其控制原理和方法与机械式燃油喷射系统基本3 柴油机高压共轨系统仿真研究相同，只是用位移传感器和执行器控制油量调节装置，实现喷油定时和循环喷油量的电子控制，与机械式控制比较其控制精度和响应速度有所提高。第一代位置控制式电控燃油喷射系统最大优点是相对原有系统改动简单，成本低。但是由于喷射压力相对原有系统没有提高，因此对发动机的排放性能改善有限，只是对动力性和经济性以及整车的驾驶性能有所改善。但是第一代位置电控只是在原有机械调速器的基础上实施电控，所以又叫“电子调速器”。(2)第二代电控喷射系统第二代时间控制式的电控燃油喷射系统产生高压的装置与机械式喷油系统、第一代位置控制式系统相同。例如机械直列泵、位置控制式直列泵以及时间控制式的直列泵，都是柱塞和柱塞套配合产生高压，都需要用凸轮轴来驱动柱塞，用压缩燃油来产生喷射需要的压力。根据产生高压装置的不同，时间控制有多种类型，包括在分配泵、直列泵、泵喷嘴和单体泵上实施的时间控制式系统。油量调节和油量控制与机械式喷油系统、第一代位置控制式系统完全不同。例如在直列泵上对于机械式和第一代位置控制式系统，都依赖于柱塞上的斜槽与柱塞套上的回油孔之间的相对配合来完成喷油量的调节；而第二代时间控制式则完全取代斜槽，直接由电磁阀的动作来完成每个喷油过程。时间控制式对于喷射过程更加直接和精确。每次喷射过程中，电磁阀关闭的时间决定喷油正时，电磁阀关闭的持续时间决定喷油量和喷射压力，电磁阀直接调整发动机工况。正是因为第二代电控系统要直接参与喷射过程的控制，该ECU的软硬件设计带来新的挑战，实时性要求更加严格，控制的精度和灵活性也要求更高，是发动机的性能的改善幅度也很大。在时间控制式系统中，电磁阀是整个系统的核心与关键。第二代时间控制式存在的不足是：仍然需要凸轮型线的驱动来产生喷射所需要的高压，喷射压力严重依赖于凸轮型线的设计，不仅喷射区间受到限制，而且也是脉动的，使得喷油压力控制、喷油速率控制和喷油定时控制都没有得到充分发挥，从而限制了发动机性能的迸一步改善。(3)第三代电控喷射系统针对第二代时间控制系统存在的不足，进一步推出了第三代共轨式电控燃油喷射系统。在这个系统中，柱塞产生的脉动高压输送到一个高压腔中，使高压能长时间维持，即在任意时刻电磁阀开始喷射都可以得到满足。第三代柴油高压共轨系统具有以下主要特点【14·16】：4 绪论1)共轨压力闭环控制：共轨上的压力传感器实时反馈共轨中的压力，通过控制PCV的电流来调整进入共轨的燃油量和轨道压力，形成独立的共轨压力闭环子系统。此子系统对第二代时间控制式来说是共轨特有的系统。2)喷油过程控制：喷油器电磁阀直接对喷油定时和喷油脉宽进行控制，接合灵活的预喷射、主喷射和后喷射以及共轨压力控制，实现对喷射速率、喷射正时和喷射压力以及喷油量的综合控制。和第二代时问控制式相比，喷油器和电磁阀的一体化设计，要求电磁阀尺寸小，响应快。3)高压泵体积较小，共轨中蓄压就是喷油器的喷射压力压力最高200Mpa。因此叫高压共轨。4)最小稳定燃油喷射量极小，并且具有合适的控制精度。5)在一定范围内喷油压力的选择不受柴油机转速、负荷和燃油喷射量的影响。6)降低噪声和污染物排放。7)对现有发动机进行改造时，安装共轨系统对缸体和缸盖的改动小。8)技术总体实现难度上看，共轨系统组成复杂，机械、液力和电子、电磁阀耦合程度高，加工制造、控制匹配要求水平高，开发难度大。1．1．3国内外共轨系统的发展和应用高压共轨系统研究方面在国外最具代表性的公司及其系统如下【17乏2】：德国的Simmens公司：德国Bosch公司的CR系统；日本电装公司的ECD—U2系统；美国德尔福公司的MultecDCR系统；它们产品都是采用共轨技术，以下主要针对上述公司介绍高压共轨系统的发展状况。另外，美国的Caterpillar公司、日本的Isuzu公司、德国的MTU公司、美国的Stanadyn公司、英国的LucasDieselSystem公司等也都在积极开发柴油机高压共轨燃油系统，或许多产品开始投放市场。(1)德国的Simmens公司Simmens公司第一代共轨式喷射系统，将喷射作用分成引燃喷射和主喷射两种作用。新型的压电共轨式喷射系统能分成数种作用，显示预喷射，喷出极少量的柴油，然后是主喷射，再接下来是后喷射。预喷射使燃烧室内压力平均分布，以减少噪声，而后喷射有助于废气后处理，减少污染气体排出。Simmens共轨式喷射系统喷油孔小至O．12mm，使用32位ECU，将共轨、阀、喷油器、传感器及执行器等集中以模块化设计，使易于整合在发动机舱内。该高压共轨系统如图1．2所示。5 柴汕机“旭』L轨系统仿真州究8马凸圉I2Simmens舟司高压共轨系统Fig12Simmensgrouphighpressurecommonrailsystem(2)德围Bosch公卅的高压共轨系统【23-241图13Bosch冉目的CR共轨系统Fig】3CommonrailsysteminBosch德国Bosch公_J的共轨式燃油系统见图】3所示。是m低压油路零件、高压油路零件即控制电脑组成。Bosch公id第一代共轨式喷油器的喷射压力能做大幅度的变化，从怠速的25Mpa到般转速的135Mpa。Bosch公一d第+代共轨式的功能与第一代大致相同，喷射压力达到160Mpa。为了提高l：作效率，Bosch公司缩短坝喷射与主喷射间的时删叫隔，并设计了新的由进气侧控制的高压泵，喷油器间隙更小，且效率更高的电脑通过触发脉冲给电磁阀．使喷油器作用更精确，从而可以更节省燃油、降低排放污染即噪声。Bosch公司第三代高压艿轨喷射系统，采用了堰电式喷油器。与电磁阀柏比，压电执行器没有时间滞后，切换十分迅速而且精确，没有因设计造成的以气隙之类的6‰野№罾g№■ 绪论形式出现的偏差，寿命长，工作非常稳定等优点。压电喷油器是利用压电效应来控制的。压电效应是指当离子构成的晶体发生变形时，会产生一个电势。压电效应也可以反过来用，即加上电压后晶体会被拉长。采用压电喷油器可以在每个工作行程产生多个触发周期，大大缩短多个喷油器之间的切换时间，可以产生很大的力对抗共轨压力，燃油泄压时可精确控制行程，触发电压为llOV-148V，这取决于轨道压力。(3)日本电装公司的ECD—U2系统【251T叭r臻．袖嚣图1，4电装公司的高压共轨系统Fig．1．4HighPressureCommonRailSysteminDensocorporation日本电装公司在1995年研发出重型柴油机用共轨式喷射系统。公司在2005年已达到年产100万套的生产水平，在同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，该公司的电控共轨式喷油系统的最大喷油压力为180MPa，高压泵产生的油压送入共轨内，油压大小是由ECU所控制的泵控制阀所调节，共轨管内油压有装在共轨上的油压传感器进行检测，以使实际压力与所要求压力吻合。共轨内柴油送入喷油器内的喷油嘴与控制腔内，喷油时间和喷油量是由双向阀的电磁阀控制，当电磁阀通电时，量孔上方的油路打开，控制油腔内从量孔流出，喷油针阀被油压向上推，柴油丌始喷射。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，只是在原有三通阀基础上在进油道上增加节流孔，其高压共轨系统如图1．4所示。7 柴油机高压共轨系统仿真研究(4)美国德尔福公司的MultecDCR系统该系统的喷油压力可以不受柴油机转速的制约，并且通过电控的方法，实现对喷油始点和喷油终点的灵活控制。通过合理的设计喷嘴结构来实现比较理想的喷油速率，采用预喷射孔可以实现预喷，但该系统没有将高压的建立过程和燃油的喷射过程完全分开，喷油量受到喷油压力的影响。另外，在喷射过程中，当燃油压力降到无法克服针阀弹簧力时，及时针阀处于通电状态，针阀也关闭，从而停止供油。尽管系统没有将高压的建立和燃油喷射完全分开，但可以采用在喷油压力的可控制性(喷油压力不受柴油机转速的影响)，结构见图1．5。高压油泵高压调节阀传感器图1．5MultecDCR公司的高压共轨系统Fig．1．5HighpressurecommonrailsystemofMultecDCRcorporation我国在电控柴油机领域起步较晚，目前处于起步阶段，随着对电控喷油系统的日趋重视，一些企业和科研院所也进行了进行丌发研究【26之71。一汽集团公司长春研究所在直列泵上进行控制系统研究工作，在载重车上用。天津大学国家内燃机重点实验室，开发了Servojet型共轨蓄压喷油系统，在斯太尔汽车配套使用。无锡油泵油嘴研究所上海内燃机研究所等也进行过相关的开发工作。上海交通大学也在进行高压共轨式电控柴油机燃料喷射系统的研制方面的工作。共轨系统的研究许多科研机构都在进行，但高压共轨系统结构复杂，是机电液一体化的产品。国内在控制电脑设计上，电磁阀的响应性的特性、喷油量的控制、喷油正时控制、机构的研发和制造、精密偶件的设计问题、各学科分工合作问题还8 绪论不够成熟。一汽大众等企业主要在做一些共轨标定系统研制开发、零部件的优化调整、匹配、燃油及特性分析和燃油系统的模拟计算等方面的工作。共轨技术的研究和运用还没有达到国际水平，这与我国的汽车行业的发展水平极不相成，我国必须大力发展这一行业。1，2研究目的与意义高压共轨系统一方面大量应用的同时，还向更高的水平发展。例如，进一步降低高压泵的功耗、提高高压泵的高压能力，采用压电晶体式喷油器电磁阀，取消传统的线圈电磁阀作为执行器，降低ECU功耗。而国内开发高压系统才刚刚起步。柴油机燃油喷射系统零部件多、影响参数众多，是柴油发动机各部件中最精密、最复杂的部件。过去，对燃油系统的开发研究工作主要是在试验台架上试验并逐步改进完成的。通过对许多燃油系统各部件进行试验研究，得出共轨系统的喷油规律和某些特性，改进实验产品，经过多次的试验，最终得到最优方案。可以看出，试验研究不仅消耗大量的人力、物力和财力，而且研究周期长，不利于降低成本。特别是现在产品开发要求快的特点，必须要进行计算机仿真。，开发和研究柴油机高压共轨系统，我国本身和发达国家相差十几年，如果仅凭实验来获取数据，只能使差距变大。计算机仿真计算作为实验的一种重要的辅助手段，世界各国纷纷投入精力丌始研究。虽然仿真技术不能完全代替实验，但是仿真计算可以解决⋯些实验无法解决的问题。方法足先进行假设，考虑影响高压共轨燃油系统在工作中遇到的问题，忽略一些次要因素，接下来进行数学建模，通过计算机，对燃油系统进行较精确的模拟仿真计算，在仿真时不断进行模型改进、参数的设定，得到系统基本结构参数对喷油特性的影响，实现改变某一参数可以得到其对喷油规律的影响。得到参数后，再结合实验研究，分析出现问题的原因，这样可以大大提高研发速度，提高经济性【28】。1．3课题主要研究内容高压燃油喷射系统仿真主要过程：首先熟悉系统各部件的连接关系和工作原理，进行数学建模和物理建模，然后用Matlab／simulink仿真计算软件进行仿真，对得出的结论进行分析。仿真过程中进行了一些假设，如不考虑喷油器的变形，各腔定为集中容积，流动为一维非定常层流流动等。简化了系统的组成，不考虑高压油泵到油箱的部件，只考虑喷油泵、共轨管、喷油器等主要部件。计算时考虑了喷油泵的边界问题，共轨管的边界问题，喷油器的边界问题。其中，喷油器的液压部分又可9 柴油机高乐共轨系统仿真研究以分盛油槽、控制腔、压力室和针阀腔四个部分，分别计算四个腔体的液体连续方程，然后根据它们的流动情况，应用牛顿第二定律，分析受力，从而得到其受力方程和运动方程。再设定有关参数，如喷油脉宽、柱塞直径、活塞直径等参数，进行仿真，对仿真结果还要进行分析，得出结构参数对喷油规律的影响。从而确定结构参数的数值。如果不符合喷油规律要求，还要对参数进行修正。本文主要对喷油器结构参数对喷油量的影响，共轨管容积对压力波动值的影响等主要参数进行仿真，并得出结论，为共轨柴油机的设计和制造提供依据。1．4本章小结(1)本章介绍了柴油机电控技术的在国内外的发展情况，提出进行共轨技术研究的原因。(2)提出了研究的目的和研究内容，利用simulink仿真软件对高压共轨系统各部分进行模拟仿真，分析。10 高压共轨系统组成与原理第二章高压共轨系统结构与原理高压共轨式燃油系统由于其喷油压力、时间、油量及喷油规律柔性可调，性能优越，广泛应用于现代电控柴油汽车。高压共轨电控柴油系统基本组成主要由低压油路、高压油路、传感器与控制电脑组成【29。301。传感器采集转速、温度、压力、流量和加速踏板位置的信号，并将实时检测的的参数值进行比较、运算、确定最佳运行参数，执行机构按照最佳参数对喷油压力、喷油量、喷油时间、喷油规律等进行控制。驱动喷油系统，使柴油机工作状态达到最佳。1．低压油路含油箱、柴油粗滤器、电动输油泵和柴油细滤器等组成，其作用是产生低压柴油，输往高压泵，结构原理与传统的柴油供给系统低压油路相似。2．高压油路有高压泵、调压阀、高压油管、共轨管，流量限制器、限压阀和喷油器组成。基本作用是产生高压。高压共轨系统的工作过程可描述为：工作时，从输油泵来的柴油流过安全阀，一部分经高压油泵的节流小孔流向偏心凸轮室供润滑冷却用，另一部分经低压油路进入柱塞室。当偏心凸轮转动导致柱塞下行时，仅有发打开，柴油吸入，当偏心凸轮顶起时，进油阀关闭，柴油被压缩，压力激增，达到共轨压力时，顶开进油阀，高压油送去共轨管。在怠速和小负荷时，输出油量有富余，可以经过调压阀回到油箱。还可以通过控制电路使柱塞单向阀通电，使电枢上的销子下移，切断某缸柱塞供油，以减少供油损失和不必要的功率损失。调压阀安装在高压泵旁边，作用是根据发动机负荷变化调整和保持共轨管中的压力。共轨管作用是存储高压油，保持在供油和喷油时压力稳定，管上安装有共轨压力传感器，限压阀，流量限制器。压力传感器紧固再在共轨上，内部电路感受共轨压力，通过分析电路，把压力信号转换成电信号传至电脑进行控制，根据发动机动力要求进行改变共轨压力。流量限制器可以防止喷油器持续喷油，只有在喷油器出现连续喷油，导致活塞下移量大，才封闭通往喷油器的通道。由共轨管来的高压油经进油口进入喷油器内，有一部分高压燃油由进油量孔流入控制室，并作用于柱塞上，压向喷油器针阀，密封密封锥面，停止供油，另一部分高压油经喷油器体的斜油道，进入喷油器针’阀承压锥面，顶丌针阀喷油。传感器与控制部分包括传感器、控制单元(ECU)和执行机构。1】 柴油机高压共轨系统仿真研究高压共轨喷油器的喷油量、喷油时间和喷油规律除了取决于柴油机的转速、负荷外，还跟众多因素有关，如进气流量、进气温度、冷却水温度、燃油温度、增压压力、电源电压、凸轮轴位置、废气排放等。所以，必须采用相应传感器，采集相关数据，其采集的数据量达15000个／s。有关传感器的结构和汽油机的电控汽油喷射系统基本相同。由各种传感器采集的数据，都被送到电控单元，并与存储在里面的大量经过实验得到的最佳喷油量、喷油时间和喷油规律的数据进行比较、分析，计算出当前状态的最佳规律，其运算速度达2000万次／s。通过控制单元计算出的最佳参数，再返回去通过执行机构(电磁阀等)，控制电动输油泵、高压油泵、废气再循环等机构工作，使喷油器按最佳的喷油量、喷油时间和喷油规律进行喷油，控制输出的速度达2000次／s以上。其控制原理也和汽油机电控燃油喷射相似。2．1高压油泵由于在共轨系统中可以自由地控制喷油压力，因此油泵的主要作用是将低压燃油加压成高压燃油，储存在共轨内，等待ECU的喷射指令。供油压力由压力限制器进行设定。高压油泵是低压和高压部分之间的接口，它保证发动机在所有工作范围和整个使用寿命期间准备足够的、己被压缩了的燃油。图2．1高压油泵Fig．2．1High—pressurefuelpump12 高，瓦共轨系统组成与原理压力控制阀也称调压阀。调压阀的作用是根据发动机的负荷状况调整和保持共轨中的压力，当共轨压力过高时，调压阀打开，一部分燃油流经集油管流回油箱；当共轨管中压力过低时，调压阀关闭，高压端对低压端密封。燃油压力控制阀结构如图2．2所示，有一个固定凸缘，通过该凸缘安装在供油泵或者共轨上，为了润滑和散热，整个电枢周围有燃油通过。压力控制阀的压力控制环路有两条：一条低速电子调节回路，用于调整共轨中变动着的平均压力值：另一条是高速机械式液压调节回路，用于补偿高频压力波动。图2．2压力控制阀Fig．2．2Pressurecontrolingvalve调压阀工作原理如下：当电磁阀不工作时，高压油泵出口处的压力高于调压阀进口处的压力。由于无蓄电池的电磁铁不产生作用力，当燃油压力大于弹簧力时，调压阀打开，根据输油量的不同，打开程度大一些或者小一些。调压阀工作时，如果要提升高压回路中的压力，除了弹簧力之外，还需要在建立一个磁力。控制调压阀，直至磁力和弹簧力与高压压力之间达到平衡时才被关闭。然后调压阀停留在在某个开启位置，保持压力不变。当油泵改变，燃油经喷油器从高压部分流出时，通过不同的开度予以补偿。电磁铁的作用力与控制电流成正比。控制电流的变化通过脉宽调制来实现。13 柴油机高压共轨系统仿真研究扶高乐油鬟来至喷油嚣图2．3共轨管Fig。2。3Commonrailb回油元件图2．4共轨压力传感器Fig．2．4Pressuresensorcommonrail2．2共轨管1．共轨管共轨管是长形储油管形结构，共轨管上装有油压传感器、压力限制阀及流量限制器，并与喷油器一起实现对燃油喷射过程优化。它的整体结构如图2．3所示。共轨管容积太小时有利于启动时迅速建立，但共轨管容积减小产生的压力脉动将导致各缸喷射量的不均匀度增加，不能保证喷油量的精确控制。2．共轨压力传感器共轨压力传感器作用是以足够的精度，在相应较短的时fHJ内，测定共轨系统中的实时压力并向ECU提供等信号。由焊接在高压接头上的压力敏感元件、带有求值电路的印刷电路板、带有电气接头的传感器外壳组成，结构见图2．4。3．限压阀限压阀的作用相当于安全阀，是在系统压力超过允许值的情况下，开启一个泄压通道，限制共轨压力。结构见图2．5。4．流量限流器流量限流器的作用是防止喷油器可能出现的持续喷油现象。为此，有共轨流出的通道14图2．5限压阀Fig．2．5PressurelimitingVah，e 高压共轨系统组成与原理油量超过最大流量时，限制器自动关闭流向相应喷油器的进油口，停止继续喷油。限流器一端连接在共轨上，另一端和高压油管的进油管相连，将高压燃油送入喷油器中，其与限压阀相连的油管可使燃油流回油箱。结构见图2．6。流量限流器两侧都有孔，以便与共轨管和喷油器建立液压关系。流量限制器内部有一个活塞，一根弹簧将此活塞向共轨方向压紧。活塞对外壳壁部密封。活塞上的纵向孔连接进油孔和出油孔。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一样。2．3喷油器喷油器中的控制脉冲、针阀升程、图2．6限流器Fig．2．6CurrentLimiter节流孔压力和喷油率曲线随发动机工况的改变而改变，喷油始点和喷油持续时间由控制脉冲决定，与转速与负荷无关，在主脉冲之前，有一个脉宽比较小的预喷射脉冲，可以实现预喷射。图2．7为Bosch的电控喷油器结构图。2，3．1喷油器具体的工作过程(1)喷油器关闭(静止状态)。在电磁阀在静止状态不受控制，因此是关闭的。电磁阀关闭控制活塞的回油量孔，回油量孔关闭时，球阀通过弹簧压在回油节油孔的座面上。控制室内简历共轨的油压，同样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旌加的力及喷油器调压弹簧的力大于作用在针阀承压面是的液压力，针阀处于关闭状态。(2)喷油器开启(喷油丌始)。喷油器一般处于关闭状态。当电磁阀15图2．7喷油器Fi2．2．7Iniector轨 柴油机高压共轨系统仿真研究通电后，喷油器迅速开启，当电磁铁的作用力大于弹簧的作用力时，回油节流孔开启，在极短时间内。升高的的吸动电流变成较小的电磁阀保持电流。随着回油节流孔的打开，燃油从控制室流入上面的窄腔，并经网油通道流回油箱。控制室压力下降，于是控制室内的压力小于喷油嘴内腔容积中的压力。控制室中减小了的作用力引起作用在控制柱塞上的作用力减小，从而针阀开启，开始喷油。针阀开启速度决定于进、回油节流孔之间的流量差。控制柱塞达到上限位置，并定位在进、回油节流孔之间。此时，喷油嘴完全打开，燃油以近于共轨压力喷入燃烧室。(3)喷油器关闭(喷油结束)。如果不控制电磁阀，则电枢在弹簧力的作用下向下运动，球阀关闭回油节流孔。回油节流孔关闭，进油节流孔的进油使控制室中建立起与共轨中相同的压力。这种升高的压力使作用在控制柱塞时段的压力增加。这个来自控制窀的作用力和弹簧力超过了针阀下方的液压力，于是针阀关闭。针阀关闭速度取决于进油节油孔的流量。2．3．2压电啧油器的结构与工作原理1．结构与电磁阀相比，压电执行器具有：没有滞后时间，切换十分迅速而且精确，没有因为设计造成的以气隙之类的形式出现的偏差，寿命长，工作非常稳定等优点。汽车对共轨系统压电晶体基本要求如下：高强度，大约100—200V低电压，压电晶体作用升程为其厚度1／1000，开关迅速，全程动作时间约为微秒。喷油器的主要组成包括：带弹簧的多孔喷嘴，控制活塞，进、出油节流孔，二位二通阀，压电晶体部件。用于喷油器执行器的压电晶体的结构采用多层技术。多层技术压电晶体执行器由20．200微米陶瓷层烧结而成，层与层之间有电极，生产技术与多层电容器相似。2．工作原理在中低转速范围内，．喷射的机动灵活性特别重要，最理想的情况是，在2500r／min以下的转速范围内每个工作循环喷射5次，在中等转速范围内每个工作循环喷射2．3次，在标定转速每个工作循环喷射一次。压电执行元件像一个在电压下立即就能充电的电容器，其关键元件是陶瓷压电薄膜，它在加上电压以后的O．1ms以内就会发生晶体晶格的畸变。为了使喷油器达到足够的位移(行程)，必须将许多陶瓷薄膜烧结成一块长方六面体。喷油器内30mm长的执行器有300多层薄膜组成，每层厚度只有80微米。压电元件加上电压后会膨16 高压共轨系统组成与原理胀40微米，通过1比1．5的杠杆，使得控制腔凹油道中的阀开启，于是，控制腔内压力下降，喷油嘴针阀开启。具体工作过程：高压燃油从共轨中进入喷油器，分两路，一路有通道进入喷油嘴盛油腔，作用于针阀锥面上，另一路通过节流孔进入豪塞顶部的油腔。当压电晶体不同电时，单向阀关闭，油腔中燃油通过推动活塞杆，关闭喷油嘴，喷油器此时不喷油。当压电晶体通电时，压电晶体伸长，推动大活塞压缩油腔中的燃油，再推动小活塞，将单向阀中的钢球推理锥面，从而使高压油腔中的燃油经过通道、单向阀流回油箱。活塞杆上泄压，针阀在燃油压力作用下，克服复位弹簧的作用力，向上运动，开启喷油嘴，开始喷油，若压电晶体断电，单向阀落座，活塞杆向下移动，关闭喷油嘴。控制预喷射和主喷射的信号通断的最小时间间隔同时选取，最小间隔为40凸轮转角。间隔越大，更容易实现。压电晶体喷油器具有很好的重复性，允许针阀低压时缓慢开启，当压力达到20．150Mpa时针阀快速关闭。德国研究开发了采用压电喷油器的柔性喷射系统，该喷油器通过对针阀实施直接控制而为喷油规律曲线形状的优化提供了更大的自由度。这种喷油器最大的优点是喷油嘴针阀的升程和速度呵以自由的选择。2．4本章小结(1)本章介绍了高压共轨系统中高压油泵，共轨管结构与工作原理，为下一步进行物理建模和模拟计算做准备。(2)介绍了压电喷油器的特点，因为喷油器对喷油规律，喷油量有重要影响。17 高压油泵与共轨管的建模与模拟计算第三章高压油泵与共轨管的建模与模拟计算3．1高压共轨系统数学模型的建立高压共轨系统简图如图3．1。图3。1高压共轨系统简图Fig．3．1Systemschematichighpressurecommonrail柴油机燃油系统比较复杂，涉及到管道、容积、节流孔、活塞、弹簧等基本元件还要考虑针阀、油嘴等专用元件，按照连接关系，通过液压，机械等方式连接，形成模型。设置边界，这样可以求解。同时还考虑微小泄露，油管的流动阻力，有关的变形与弯曲等，都会使喷油规律与设计结果产生较大的差异。在计算中进行假设，去除不必要的因素，建立模型，最后还要对模型进行修J下。高压共轨系统燃油处于高压状态，为了使仿真计算结果尽可能全面反映实际，本文所建立的模型主要考虑了以下因烈31‘34J：(1)温度的变化：温度的变化引起柴油粘度的变化，也同时引起柴油密度的变化。一般要求柴油在燃油管中易于流动，并且易于从喷油器中喷出，这就要求燃油的粘度必须低。随着温度升高，柴油粘度变小，温度升高，密度减小，使得管内柴油质量发生变化，计算流量时温度的影响也考虑进去。(2)喷油器压力室容积：压力室可以减小喷油器喷油时的柴油脉动，喷油器有的为了减IJ,f费油结束后的迟滞，采用无压力室喷油器，本文计算考虑压力室对喷油的影响。(3)系统燃油微小泄漏：由于存在间隙，以及配合面相对运动就造成燃油泄漏，它系统包括喷嘴针阀偶件和高压油泵柱塞偶件泄漏。柱塞偶件的泄漏一方面影响高19 柴油机高压共轨系统仿真研究压油泵泵油压力和泵油量，一方面泄漏的油量兼起润滑、冷却作用。喷油器针阀偶件的泄漏影响喷油压力和喷油特性，针阀的泄漏是指阀杆部分和控制活塞部分的泄漏，对针阀锥面是不能泄漏的。因为锥面泄露影响柴油机燃烧过程，易形成积碳。(4)燃油在压缩性：燃油压缩以后，其在某一集中容积内的燃油质量就会减少，流入与流出的流量发生变化。(5)未能考虑发动机负荷对参数的影响，只是改变发系统的转速，并且仿真中不是连接的控制电脑进行控制，只是设定某一工况下的参数具体参数。(6)喷油器的喷油时刻，考虑的发动机燃烧室压力为一定值。实际上燃烧室压力是变化的，随着工况的的变化。针对柴油机高压共轨系统特点作如下假设：(1)只考虑圆柱运动副的泄漏及其对于各腔压力的影响，包括高压油泵的柱塞偶件和喷油嘴针阀偶件的泄漏。(2)共轨管内燃油为一维非定常层流流动。(3)不考虑喷油器的热膨胀。(4)考虑粘度变化的影响，因为粘度影响流动性，即流动阻力。(5)计算燃油密度的变化。主要是压缩率与密度有关。(6)考虑喷油泵出油阀的运动，出油阀足喷油泵的主要参数。(7)喷油器各部分看作集中容积，即在某一部分的容积是一定的。燃油向各腔流动，不考虑油压时间，燃油在各集中容积中的状态变化瞬时达到平衡，同一集中容积内瞬时压力和密度都相等。(8)各部件高压燃油作用下不变形。(9)不考虑燃油在油管流动阻力影响。3．2建模有关参数液体在某一时间间隔内，流入控制体积的流体质量大于流出的质量，控制体内质量必然增加，如果体积保持不变，则密度增加，如果密度保持不变，则流入量等于流出量。燃油运动服从流体的一般规律，即燃油的压力和速度变化过程可用一位不稳定流动方程描述。这旱的液体就是柴油，柴油机根据所用燃料的不同，输出功率是变化的并且可以预测，温度的增加，相对密度增加，燃料热值损失的百分比和发动机输出功率的损失百分比大体相当【35。71。(1)控制方程20 高压油泵lj共轨管的建模与模拟计算集中容积法不考虑容积具体形状，只考虑容积。状态方程：a2：空(3—1)8p质量守恒方程：垡!匕：丛：争m(3—2)西智流量方程：三警=喜叫·d出Vc：≥而VdP=主I=1Q一羔I=1Q0一坐dt(3_3)了瓦2缶肌一p‘出E衍。2乙鲑一乙线一一¨_’式中m——琉入和流出柴油质量Q——琉入的柴油流量Q——琉出的柴油流量(2)柴油物性参数计算运动粘度Un计算得到：I．306,Oo-1000—6)％=lO’1000一庙’(3—4)1)计算柴油的动力粘度与压力和温度：除了燃料密度的变化会影响到输出功率的变化，燃料粘度的不同也会影响发动机输出功率，一般要求柴油在燃油管中易于流动，并且易于从喷油器中喷出，这就要求燃油的粘度必须低，柴油的直接影n向到燃料喷射到燃烧室中的喷射分布空间，柴油的粘度应该刚好大，可以为喷油器和喷油泵提供润滑作用，但是柴油的粘度也不能过大，否则会产生大滴难以燃烧，另一方面，粘度过小，可能产生以下问题：温度的变化引起粘度的变化，进而使输出功率发生变化，随着温度升高，柴油粘度变小；热启动性变差；怠速粗暴；排放冒白烟；由于雾化好、点火早，产生转矩损失；喷油泵和喷油器的润滑和冷却性能变差。粘度与压力的关系式：嗍eXp{(In7／0+9．67)[(1+5．1xlO-9P)Z+(篇广-1】)(3-5)21 柴油机高压共轨系统仿真研究式中乃而而蔷；而S=力(To一138)Inr／o+y·O／口=[O．612+0．984Ig(1000r／o)]xlO一82)柴油的密度计算公式对于柴油在常温下密度与压力的变化关系表示为：p=Po(1+器)睁6)密度随温度的变化关系：P=po[1一五，(，一To)】(3～7)斗南，l【10-1．81319(10000)]x10。4(当7"／≤3Pa·s)l风甲办=≮>。【【5—0．3751lg(1000q)]x10叫(当7"1>3Pa·s)J使用高密度的燃料比使用低密度的燃料的发动机的动力输出要大，这是因为高密度燃料的热值更大，也就是说，使用高API相对密度的的燃油将导致燃油消耗率的增加。密度与温度关系为：：Poll+P丁呈{滁一乃(r一瓦)】(3～8)2百五而一乃(卜1。)】¨喝)万dp刊考躺10黑9p)2蜊篇-138广喇卜驯睁9)卯一舶‘(1+3．23×一¨。r、Z7刚吁011o，J¨川式中K：JL×一、一印<3．S’17,81310--4．--ItPa10．375×10叫(当r／>3Pa．J)l动力粘度取：巧=1．813x104口，碧=意器230岛仔㈣——‘一=～n．I．1一IIlI卯(1+3．×1叫n⋯”3)柴油弹性模量与密度的关系弹性模量E可表示为：昱：y堡：p堡：pa2dV‘dp。由式(3—10)和式(3一11)可得：(3—11)E=慧嚣0．69×10一-9p洚㈣，(1+3．23×10。尸)。””，⋯、，t=—--—————————————二L——————-—————————————-——二——————，．．-————．—．-—————————一l：‘——Iy’0．69×10叫尸⋯丁～138、一。⋯、⋯(1+3．23×10—9P)2—7、瓦一1387“V10722 高压油泵与共轨管的建模与模拟计算F(1+3．23×10叫)(1+3．92×10叫尸)D一———————————————————————：———————————一0．69X1014)音速和密度有式(3-1)和(3—11)可得：a-{风[横筹赫蝎(篇广咿吲】)；a2t风。面瓦罚孑霄+K，’‘i面)“×【Y—lo心若上式中h取某一定值，则：】+3．23X10—9Pa：：——‘：========：==========、40．69×lO一9Po(3-13)(3—14)(3—15)即柴油的音速a与燃油压力P成正比关系。柴油变密度、黏度、声速、弹性模量计算和燃油质量、体积流量控制方程和主要为以后章节集中容积内燃油连续方程提供基础。3．3高压油泵模拟计算3。3。1柱塞腔内燃油连续方程模拟计算的基本方程用粘性流体一维不稳定流动方程。与柱塞升程一起构成一个柱塞副系统，计算后得到柱塞腔内压力值、供油率、供油量、微小泄漏量等基本动态参数【38。391。(1)柱塞腔流入流量Q：(mm3／s)Q：：s：譬：s：“：(3—16)式中红———柱塞升程mmS，——啦塞截面积mm2，S，=刀d，／4‘d，——啦塞直径mm“．——-相：塞速度mm／s(2)柱塞腔燃油压缩变化率Q积(ram3Is)Q矿=善警净m式中P—E塞腔压力MPa旷——_柱塞腔集中容积nln]3(3)柱塞腔通过出油阀高压油管排出的流量Q：g(mm3／s)球阀具有容易密封、行程短、动作灵敏的特点，因而动态特性好，高压油泵出油阀的结构简化为图3．2所示模型。分析球阀的受力情况，根据牛顿第二定律计算得到：m明簪：Fc2(e一气)-kc‰+吃)m明i芦2匕z(t一气)【h。c+吃)23切换时间短。(3-18) 柴油机高压共轨系统仿真研究式中F。r卅阀液流作用力面积，F02=万d2。：／4m。r枷球质量g；尸西一出油阀压力MPa；k广卅簧刚度N／mm：hc——弹簧压缩量111111；ko——弹簧预压量HunFig．3．2Diagramofvalveplungercavity2)一出油阀流出流量：线2弘c拶￡一P昭l球阀流出表面积：F：j堡丝丝!笪堕mm：。2√d：／4+贸+d。忽COSa式中d，=2×RR一为球阀直径口——球阀与出油阀孔的接触半角告一跃溅孝2{：)毫三嚣Il广瑚量系数(4)柱塞腔产生的泄漏流帚Q蹦(mm3／s)由流体力学关于泄漏量计算得：线=掣，一式中覆——间隙值mm，取0．0018mmP触r_、油孔压力MPa，取O．9MPa(5)柱塞腔流入回油道的流餐Q：h(mm3／s)(3-19)(3-20)(3-21) 高压油泵与共轨管的建模与模拟计算级“(地Fh’归￡一PhI(3-22)式中Ph_一回油道的压力MPa，约0．9MPa∥r回油道至柱塞腔的流量系数Fh_珈塞腔至回油道有效面积mm2，E=兀d2h／4dh_——进油孔直径nlnl一蠲数一{兰，豢2筹在dt时间内，柱塞腔内每循环供油量根据流入与流出的流量：Q2Q矿+纹+级+既(3—23)整理得式(3—24)暑鲁等旷缸c序习一掣叫删舸(3-24)3。3．2柱塞运动分析与计算径向柱塞泵在工作中转子与偏心轴、柱塞与转子、柱塞与缸体间隙的选取、零件结构设计的合理性、都会对其工作稳定性起到影响。柱塞与柱塞腔径向问隙大，泄流量就会加大，间隙过小，在运动过程中，会导致发生运动干涉，柱塞就有抱死的危险。在dt时间内计算得到位移为：hzI=(rcosy-ecos#)一(r-e)(3—25)式中r——凸轮轴半径mme——偏心距mm心今新7Jlfk。1y艾，．J≮髫鳖谬1-0卜．．．．．一图3．3高压油泵工作示意图Fig．3．3Schematicdiagramofhigh-pressurefuelpump由于在t到t+dt时问内y很小，cosy--．-*1，所以：25 柴油机高压共轨系统仿真研究hzl=e(1一COS痧)(3—26)其中妒为发动机转速n的函数，缈=cot=万n／30，油泵柱塞的运动方程：”叩⋯s争hz2=e[1-cos筹(f+詈)】(3-27)hz3=e[1-COS--竺3u(，一和油泵系统仿真模型见图5．2。3．4共轨管建模与模拟计算共轨管容积是设计主要参数。不但要保证启动工况和加速工况燃油量需求；还要考虑散热的问题，因为燃油在共轨中还有散热的作用；另外可以降低高压油泵产生的压力波动，压力波动会引起喷油规律的变化。共轨管联接高压油泵和四个喷油器，相当于蓄压器和减振器。因为流入共轨管的燃油油量和流出共轨管的燃油流量以及燃油压缩率应满足平衡关系，由此得到共轨管内的燃油连续方程【401。(1)共轨管流入盛油槽燃油流量％+例(mm3Is)流通面积：Scyqi=nd；／4流量系数：c州=0．8‰，2孝ScyqiCcyqi拶％一‰I(3-28)式中尸c，广盛油槽内的压力(MPa)孝一阶跃溅雌鼍：嚣(2)共轨管流入控制腔的燃油流量％．妇(mm3／s)流通面积芝=nd；a／4，进油孔z长度与直径之比2<∥d≤4，据文献，Cz=O．82／411，有％一舾2强巳扫％一吃l式中气——喷油器控制室内的压力(MPa)毒一阶跃溅诈鼍麓(3)共轨管流入低压油道的燃油流量％．+。％一一2孝‰％√舌I尸麒一乞l26为外伸厚壁孔，根(3-29)(3-30) 高压油泵与共轨符的建模与模拟计算式中·‰=刀d；。／4，呶——管径mm孝一跃溅摊鼍麓‰是设定助(4)柱塞腔流入共轨管燃油流量Q．嚣(ram3／s)共轨管流入和流出的燃油流量满足以下平衡方程：∑Q。职=等等+∑(g．。+g．。)+艮．。(3—31)∑红：E后I芝一乞l=等等+∑孝‰‰，后1名一‰I+f疋巳后1名一乞I+孝‰％√吾1％一只l(3—32)式中吃一共轨管的容积(mm3)共轨管系统仿真模型见图5．4。3．5本章小结(1)本章对建模和模拟计算时所需的一定条件进行了计算假设。假设中未能考虑发动机负荷对参数的影响，只是改变发系统的转速，并且仿真中不是连接的控制电脑进行控制，只是设定某一工况下的参数具体参数。喷油器的喷油时刻，考虑的发动机燃烧室压力为一定值。实际上燃烧室压力是变化的，随着工况的的变化。(2)传统喷油泵是定时、定量产生高压油的装置，但是在高压共轨系统中喷油泵不在承担定时供油的作用，定时的作用已经有共轨系统中的控制电脑根据发动机的不同工况来进行控制。电脑中储存有MAP图，是控制电脑进行控制的基础。喷油泵在这罩只是起至0提供高压燃油的作用，只是提供喷油器所需的供油量和供油压力。建立高压油泵的燃油连续方程和运动方程，建立共轨管燃油连续方程。27 喷油器的建模‘j模拟计算第四章喷油器的建模与模拟计算与传统的泵一管一喷嘴系统相比，共轨系统中燃油的计量和喷射时刻和时间两项关键功能已有高压喷油泵转移到喷油器上。喷油器结构复杂，对其关键结构参数进行设定，对整个系统的工作特性产生较大影响。喷油器中最关键的的是高速电磁丌关阀。图4．1是喷油器结构示意图。电磁铁节流孔A控制腔挺柱喷油嘴蓄压腔图4．1喷油器结构示意图Fig．4．1Diagramofinjector4．1喷油器电磁阀模拟计算由共轨系统工作过程可以看出，电磁阀依据ECU的控制脉冲对燃油喷射过程实行直接控制，其特性直接决定着整个燃油喷射过程。为实现电控燃油喷射系统的预期喷射性能，电磁阀必须满足以下工作特性：密封压力高；时问响应快；控制实时性要求高；寿命和可靠性要求高。1．电磁阀电路方程由电控燃油喷射过程对电磁阀的响应特性要求可知，驱动电路应向电磁阀提供两种大小不矧的电流。1)吸动电流。ECU控制脉冲发出，需要快速向电磁阀注入吸动电流，使电磁阀迅速开启。2)保持电流。电磁阀丌启后，在极短时间内，吸动电流变为保持电流。因为因电磁铁与衔铁之间气隙减小、磁阻降低，较低的保持电流就可以保持电磁阀可靠打开，同时降低电磁铁的电量消耗和线圈发热，而且还有利于电磁阀的快速关闭。3)截止电流。停止喷射以后，为增加电磁阀动态响应性，驱动电流必须迅速切断。现在，国内外己开发出多种驱动电路，但主电路的实质基本29 柴油机高压共轨系统仿真研究相同，均为在电磁阀开启阶段和保持阶段对电磁铁施加两种不同的电压【42471。共轨系统电磁阀驱动电路采用电流驱动方式：’电磁阀的动态特性可由下述微分方程组描述：Lc堡+RCdu+U(4—1)dt‘dxc----0f“)=c堕(4—2)dx初始条件为：％(0+)=毪(O一)=U警lⅢ=一掣=一石1f(0+)_o反X乙式中I一电感(mH)；f(，)——电流(A)；“r电容充电电压(V)；C-卅电电容(心)；R一回路的电阻(Q)2．磁路方程建立磁路方程可以求得动态吸力。在线圈上施加电压“。应与线圈电阻R上的压降和磁链∥引起的感应电压之和保持相等，即驴斛警又鲁=L堕dt限3)nl电路方程为：“．：fR+皇丝：L堕+iR(4—4)。出协式中沙——磁链(Wb)R——回路的电阻(Q)磁路数学模型为：Ni=艰m(4—5)式中N——匝数①——气隙磁通(Wb)Rm——总磁阻R。趣mf+Rma=(去+去)汁6，式中Rmf——铁芯磁阻(H以)R。。——气隙磁阻(H。)6积——气间长度(mm)，——磁路有效长度(mm)S，——铁芯的截面积(mm2)s5——气隙截而积(mm2)30 喷油器的建模与模拟计算“—_铁芯的磁导翠H／m肛o——真空中磁导率H／mI．to=4n'×10。因电磁铁材料的磁导率p很大，一般气隙磁阻是铁芯磁阻大很多，即磁路磁阻主要表现在气隙上，一般忽略铁芯磁阻。由式(4-3)铲fR+警=N警+fR，可以得到：嚣一汪Nf坐+i2R(4—7)、m能量平衡方程为：ujdt=Nidqb+i2Rdt(4—8)进行通电时问段的积分得到：l：u,．idt=rM矽+pRdt(4圳不考虑磁路损失得到：F．,dhacy2d％(4—10)又截面积为S的气隙中磁场能量为：W：—B2S—5Sqx(4-11)qx=—i一(11)二po式中B卅场强度d％=票d靠(4_12)上式可得出：c嘞：粤矗‰(4-13)上式中满足％=‘。。一味，在电磁阀运动过程中，电磁阀升程增量础彬与气隙增量d屯相同。则：只．：坠：她监：!型监·(4—14)‘”一ZP．o2一P．o2“go、‘3．电．磁阀磁感应强度计算叩0．11．0011咖H-20嚣．163H伽2+0一．8515，H·落器3l本文采用图4．2(4-15) 柴油机高压共轨系统仿真研究图4．2磁感应强度与磁场强度拟合曲线Fig．4．2CurVeofmagneticinductionintensityandmagneticfieldstrength4．喷油器电磁阀的运动方程电磁铁的运动时问的计算比较麻烦，因为衔铁在运动过程中除受线圈电感变化外，作用于衔铁上的作用力和电磁I吸力都在变化，计算电流的变化规律及衔铁的运动时问，不仅考虑电和磁的变化规律，也就是必须联立求解电路方程和运动方程。电磁阀运动方程可以计算升程k，。。(1)喷油器控制腔中的高压燃油对电磁阀球阀的作用力：‰=孚乞(4—16)(2)电磁阀弹簧作用在电磁阀衔铁的作用力：疋皿=kdef(h蝴+％)(4—17)由式(4-14、4-15、4-16)则电磁阀衔铁的位移运动方程：m争=‘一‰一乃(警)+‰(4-18)式中m——电磁阀运动质量只(竺鍪)——为电磁阀运动阻尼电磁阀运动simulink模型见图5．8。4．2喷油器液压系统数值模拟计算4．2．1喷油嘴压力室压力计算(1)喷油嘴压力室的容积计算喷油嘴压力室的几何结构如图4．3所示。32 喷油器的建模与模拟计算图4．3压力室喷油嘴Fig．4．3PressurechamberinjectorVyI=6xlx孚专万xfi3斗．％竽■：=兀((d2／2-％xtanal)3-0．23)3tanal巧=一-一0：坐d：万(矾／2一办，地nq心tz／zy、J7可式中磅——喷油器针阀升程Uzf——喷油器针阀速度(2)压力室的流入流出燃油流量计算流通面积：驴6孚计算喷嘴喷孑L流量系数c西令d=√甜pk铲{o．4+％3等(乃>0．0278d)I15h：f(％≤o．0278d)Q幅．=专cDlcS口k式中Pa——-北压，平均压力20MPa33(4—19)(4-20)(4-21) 柴油机高压共轨系统仿真研究孝一阶跃函数孝=忙墨搿(3)喷油嘴针阀座孔的流量计算．％=石((畋／2cosq)2-(d2／2cosal一磅sinal)2)cosa,流量系数c础=O．83Qyl=fc私％拶％一eI舯f一阶跃函数f={三誊美则建立喷油器压力室燃油连续性方程为：堕dt+兰E堡dt=绋一鲰～，。～ju鼍等《≯彩k酾心^k一万(吐／2一磅xtanal)2甜矿(4-22)(4-23)(4-24)(4—25)压力室simulink模型如图5．11。4．2．2喷油嘴针阀座的压力计算喷油嘴针阀座是连接喷油器压力室与盛油槽，针阀腔的结构尺寸、形状与动态容积决定着喷油时燃油的流动特性，决定着喷油初期的喷油规律线形、主喷射时喷射压力的稳定性。根据针阀座的流入流出燃油流量建立针阀座燃油连续方程【52。541。喷油嘴针阀座的几何结构如图4．3所示：(1)喷油嘴针阀座的容积计算：y一三箜r玉+玉、+—兀(d3—-d34)+—g(d3—-d32)6‰，2了(红+缟)+面+面Vzfq2-熊恭掣+警均+喾+等cm，“屯6’‰=‰一一‰z式中‰——喷油嘴针阀座的容积孥等一堕等堕吻(4_27)dt4‘(2)喷油嘴针阀座容积的流入流出燃油流量计算：1)喷油嘴针阀座集中容积的流入燃油流量计算34 喷油器的建模与模拟计算流通面积：s咖：掣流量系数：c珈=0．86厅■——_％，。芎s舻硇j√亏l‰一厶I@。28’式中孝一阶跃函数告={二，耋乏三乏2)喷油嘴针阀座集中容积的流出燃油流量喷油嘴针阀座集中容积的流出燃油流量在喷油器压力室的流入流量计算中求得Qw，则喷油嘴针阀座集中容积的压力计算连续性微分方程：盟+鱼鱼：％，一Oyi(4-29’dtEdt‘。纠甲代入上式整理得：警+警鲁=％，=善妨％居l‰一‰J+fc私％后l厶一el(4-30)喷油嘴针阀座simulink模型如图5．12。4．2．3喷油器盛油槽的压力计算共轨管已经将高压燃油的燃油波动降到最小，但燃油流经高压油管后会产生压力波动，盛油槽的容积又一次减小波动值，保证喷油规律。盛油槽起着传输燃油和稳定油道压力的作用，使燃油得以稳定持续喷射。盛油槽结构如图4．4。(1)盛油槽的流入燃油流量计算流量系数：Ccyct=0．84Q?峥i=专Sc哪pc峥|酾(4-31)式中‰，——流通面积善一阶跃函数善=器乏三乏(2)盛油槽的流出燃油流量计算Q螂。盛油槽流出燃油流量已在喷油嘴针阀腔流入流量中求得Qc埘，。(3)针阀间隙泄漏量％％=型甏进(4_32)式中k213．5mm，妨=o．0035mm建立喷油器盛油槽的燃油连续方程：35 柴油机高压共轨系统仿真研究争+等警=孝‰，‰后I％一‰I鹤c卯佰‰一厶|_型磁乎限33，喷油器盛油槽的仿真模型见图5．9。4．2，4控制室内燃油连续方程在共轨系统中，因为燃油的压缩率不能不考虑，控制室容积的大小，控制活塞的截面积，泄油孔和进油孔的直径大小都会对喷油规律产生影响。控制室结构见图4．5。(1)进油孔的流入燃油流量计算进油孔面积：s，：三堑进油孔z长度与直径之比2