电控柴油机高压共轨燃油喷射系统的仿真研究

电控柴油机高压共轨燃油喷射系统的仿真研究

姓名：顾萌君申请学位级别：硕士专业：动力机械及工程指导教师：董尧清

20060301

摘要摘要对柴油机越来越高的节能要求和日益苛刻排放法规的颁布促使了柴油机高压共轨燃油系统的诞生，从而揭开了柴油机燃油喷射技术的新篇章。柴油机高压共轨燃油系统是一种高柔性的燃油喷射系统，其卓越的性能为柴油机的性能优化提供了巨大的自由空间，代表了柴油机燃油喷射系统的发展趋势。本文在阅读大量文献的基础上，介绍了高压共轨燃油喷射系统的特点、优点和国内外研究情况，详细介绍了某型高压共轨系统的组成和工作原理，并且建立和给出了共轨系统各部分的数学模型。本文结合ＨＹＤＳＩＭ、ＭＡＴＬＡＢ和ＢＯＯＳＴ作为仿真工具，建立了带控制系统的高压共轨系统模型及电控发动机仿真模型。通过试验，验证了系统模型准确性。运用模型，开展了以下仿真研究工作：１．以某型电控高压泵为原型，研究了其关键结构参数对其泵油能力的影响。以提高高压泵泵油能力和减少柱塞偶件间泄漏量为出发点，分析并预测了共轨系统高压泵中柱塞直径、泵腔余隙容积、柱塞最大升程以及凸轮型线等主要结构参数的影响，探讨了各关键结构参数的设计原则。２．研究了高压共轨系统高压容积对轨压波动及泵油效率的影响。讨论了高压共轨系统高压容积设计原则，给出了高压容积设计依据；对电控喷油器中一些主要的结构参数如喷孔孔数及孔径、预压弹簧刚度及预紧力、针阀运动件质量及其最大升程、进出油量孔孔径等进行研究，分析其对喷油规律的影响。３．利用ＭＡＴＬＡＢ与ＨＹＤＳＩＭ的接口建立带模糊自整定的ＰＩＤ控制系统模型，并进行模拟仿真，所得到的计算结果证明该控制系统基本满足工业要求。４．在所建立的电控Ｄｌｌ４柴油机模型的基础上，应用ＭＣＣ燃烧模型，考虑在额定工况点、相同喷油提前角下不同的喷油规律对发动机的性能影响。本文主要涉及了三方面的比较：共轨压力、喷油规律形状以及喷孔孔数及孔径设置对发动机性能和排放的影响等。最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。关键词：柴油机：高压共轨燃油喷射系统：电控喷油器：仿真：ＰＩＤ；模糊；摘要Ａｂｓｔｒａｃｔ砀ｅｅｒａｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓａｖｉｎｇｅｎｅｒｇｙａｎｄｒｉｇｏｒｏｕｓｅｘｈａｕｓｔｅｍｉｓｓｉｏｎｌｅｇｉｓｌａｔｉｏｎｍａｋｅｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｍｍｏｎｒａｉｌｆｕｅｌｓｙｓｔｅｍｃｏｍｅｉｎｔｏｔｈｅｗｏｒｌｄ．Ｉｔｉｎｉｔｉａｔｅｓｔｈｅｎｅｗｏｆｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｆｕｅｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｃｏｍｍｏｎｒａｉｌｆｕｅｌｓｙｓｔｅｍｉｓａｈｉｇｈｆｌｅｘｉｂｌｅｆｕｅｌｓｙｓｔｅｍ，ｄｅｌｅｇａｔｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｆｕｅｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｉｓＰａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｍｍｏｎｒａｉｌｆｕｅｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｔｈｅｏｎＢａｓｅｄｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆａｓｙｓｔｅｍａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｈｏｗｔｈｅｙｗｏｒｋａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｈｅｒｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｓｏｆｔｈｅｃｏｍｍｏｎｒａｉｌｆｕｅｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｅｎｇｉｎｅａｒｅｃｒｅａｔｅｄｗｉｔｈＨＹＤＳＩＭ，ＭＡＴＬＡＢａｎｄＢＯＯＳＴ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｓａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｍａｉｎｗｏｒｋｓａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ：１．Ａｃｏｍｍｏｎｒａｉｌｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｍｐｉｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅ．ｔｈｅａｆｆｅｃｔｓｏｆｋｅｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｉｔｓｐｕｍｐｉｎｇａｂｉｌｉｔｙａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｋｅｙａｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｕｃｈｃａｖｉｔｙ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｌｉｆｔｏｆｐｌｕｎｇｅｒｔｈｅｐｌｕｎｇｅｒａｓｖｏｌｕｍｅｏｆｐｌｕｎｇｅｒｗｅｌｌａｓｔｈｅｃａｍｐｒｏｆｉｌｅ，ｅｔｃ．，ｏｆｔｈｅｐｕｍｐｉｎｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒ，ｔｈｅｃｌｅａｒａｎｃｅＣＲｓｙｓｔｅｍａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｉｔｓｐｕｍｐｉｎｇａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｅａｋａｇｅｆｒｏｍｔｈｅｐｌｕｎｇｅｒｃｌｅａｒａｎｃｅ．２．Ａｆｆｅｃｔｓｏｆｈｉｇｈ．ｐｒｅｓｓｕｒｅｖｏｌｕｍｅｉｎｃｏｍｍｏｎｒａｉｌｓｙｓｔｅｍｏｎｔｈｅｒａｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅｖｏｌｕｍｅｐｕｍｐｉｎｇｉｓａｌｓｏｉｎｄｉｃａｔｅｄｈｅｒｅ；ｔｈｅａｆｆｅｃｔｓｏｆｋｅｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｉｎｊｅｃｔｏｒ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｎｏｚｚｌｅｈｏｌｅｓａｎｄｉｔ＇ｓｄｉａｍｅｔｅｒ，ｄｅｓｉｇｎｔｈｅｐｒｅｌｏａｄｓｐｒｉｎｇ’Ｓｐｒｅｌｏａｄａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｔｈｅｏｎｎｅｅｄｌｅ’Ｓｍｏｖｉｎｇｍａｓｓａｎｄｉｔｓｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｌｉｆｔ，ｔｈｅｈｏｌｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｉｎ－ａｎｄｏｕｔｌｅｔ３．Ａｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎｉｎｊｅｃｔｉｎｇｒａｔｅａｒｅａｌｓｏｓｔｕｄｉｅｄ．ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇｆｕｚｚｙＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍＷａｓｓｅｔｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆＭＡＴＬＡＢｗｉｔｈＨＹＤＳＩＭ．ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＷａｓｄｏｎｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌ４．Ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｄｅｍａｎｄｓ．ｃａｓｅｓＭＣＣｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｎｏｚｚｌｅ’Ｓｍｏｄｅｌ．ｔｈｒｅｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｉｅｃｔｉｏｎｃｕｒｖｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｈｅｗｈｉｃｈａｒｅｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｃｏｍｍｏｎｒａｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅ．ｔｈｅｒａｔｅｏｆｉｎｊｅｃｔｉｏｎａｎｄｎｕｍｂｅｒａｎｄｄｉａｍｅｔｅｒｓａｎｌｅａｒｅｌｏａｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄＤ１１４ｅｎｇｉｎｅｍｏｄｅｌｗｉｔｈｔｈｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎａｎｇｌｅａｔｔｈｅｒａｔｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｏｏｂｓｅｒｖｅｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｆｅｃｔｉｏｎｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｒｅｑｕｉｒｉｎｇｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｉｅｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ；Ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｍｍｏｎｒａｉｌｓｙｓｔｅｍ；Ｃｏｍｍｏｎｒａｉｌｉｎｊｅｃｔｏｒ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＰＩＤ；Ｆｕｚｚｙ同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名：成萌差２６ｌＩ｝年３月Ｉ７Ｅｌ学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：质万芎名２诉岁月Ｉ７日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在本授权书。指导教师签名：名：年月日年年解密后适用学位论文作者签月日第一章绪论第一章绪论１．１引言自狄赛尔发明柴油机至今的一百多年时间里，虽然柴油机的基本工作原理没有根本的改变，但柴油机的性能及可靠性在众多新技术的装备下得到了巨大的提高。柴油机电控共轨高压喷射系统的出现，为柴油机满足当今及未来社会需要提供了非常有力的支持。有人将柴油机电控共轨喷射系统誉为二十世纪内燃机三大突破之一。随着电控共轨喷射系统的出现，预示着新一轮柴油机技术的大发展。１．１．１柴油机发展现状及面临的挑战目前，世界上已经取得突破性进展的未来汽车动力解决方案包括三种：一是柴油化，二是混合动力，三是燃料电池。其中的混合动力和燃料电池由于技术复杂等原因，导致价格过于昂贵，因此，不少专家认为现阶段最具商业推广价值的应该是柴油化。柴油机具有优良的燃油经济性、可靠耐久性以及较高的热效率和较大的扭矩等优点，被世界各国广泛用作车用（尤其是中、重型车）的主要动力，同时，在许多发达国家轿车柴油机的比例也不断提高。总结来说，现代柴油机有如下七大优势：一是节能；二是经济；三是环保；四是安全；五是耐用：六是性能优；七是形成规模快。在我国，柴油机也得到了迅猛发展，为我国经济建设的蓬勃发展提供了巨大支持（表１．１为我国１９９０－２００４年柴油汽车产量增长及比例变化）。但是，随着各国排放法规的越来越严格（见表１．２和表１．３），同时市场对柴油机经济性、噪声以及舒适性的要求也越来越高，因此，柴油机的技术发展日新月异，随着柴油机直喷化、废气涡轮增压新技术、废气再循环以及电子控制等新技术的应用，使得柴油机在结构、性能、排放、振动噪声、经济性和耐久性等方面取得了巨大的成就。表１．４为现代柴油机开发中所使用的改善柴油机经济性和排放的技术措施。第一章绪论综上所述，随着各类先进技术和研发手段的不断应用，柴油机将会在未来很长的一段时间内在车用动力领域仍然保持重要的地位。随着电控技术的发展，柴油机的工作也不断向综合优化与智能化控制方向发展，性能不断改善，应用也会日益广泛。表１．１我国１９９０－２００４年柴油汽车产量增长及比例变化（万辆）年份汽车产量（万辆）柴油车产量（万辆）柴油车比例（％）１９９０５０．９７．６１９９５１４５．３３３．５２３．１２０００２０６．７２００１２３４．２２００２３２８．７１０４．９３１．９２００３４４４．４１１４．９２５．９２００４５０７．１１４１．８２７．９６０．１２９．１７４．２３１．７１４．９表１．２欧洲重型柴油机排放标准及实施期限（单位：ｇ／ｋＷ．ｈ）排放标准欧洲实施时间１９９２（＜８５ｋＷ）Ｅｕｒｏ－Ｉ１试验方法ＥＣＥＲ－４９ＥＣＥＲ－４９ＥＣＥＲ－４９ＣＯ４．５４．５４．０ＨＣ１．１１．１１．１１．１０．６６ＮｏＩ８．０ＰＭＯ．６１Ｏ．３６９９２（＞８５ｋＷ）８．０７．０１９９６．１０（＜８５ｋＷ）Ｅｕｒｏ一ⅡＯ．２５０．１５０．１３０．１００．０２１９９８．１０（＞８５ｋＷ）Ｅｕｒｏ－ＩＪＩ１９９９．１０（＜８５ｋＷ）ＥＣＥＲ一４９ＥＳＣ＆ＥＬＲＥＳＣ＆ＥＬＲＥＳＣ＆ＥＬＲ４．Ｏ１．５７．Ｏ５．０２０００．１０（＞８５ｋｗ）Ｅｕｒｏ－ⅣＥｕｒｏ－Ｖ２００５．１０（＜８５ｋＷ）２．１１．５１．５Ｏ．６６Ｏ．４６５．Ｏ３．５２．０２００８．１０（＞８５ｋＷ）ＥＳＣ＆ＥＬＲ０．４６Ｏ．０２表１．３中国压燃式发动机排放标准和实施期限ＰＭ排放标准国一ｌ国一２实施时间２０００．１１试验方法１３工况法１３工况法ＣＯＨＣＮＯＩ≤８５ｋＷ＞８５ｋＷ０．３６Ｏ．１５４．５４．Ｏ１．１８．０Ｏ．６ｌ２００５．１．１１．１７．Ｏ２００３（＝Ｉｈ京、上海）２００７国一３２００６（ＪＬ京、上海）１３工况法１．５Ｏ．２５２．Ｏ０．１０１．１．２柴油机对燃油系统的要求及其发展趋势ｎ＿１’３·１’帕２第一章绪论表１．４改善柴油机经济性和排放的技术措施‘“１３燃烧改进四气门技术：高压喷射；小孔径喷油嘴；可变喷油率控制；ＥＧＲ（冷却）：缸内气流运动：燃烧室设计。循环热效率快速燃烧；高增压、中冷；增压系统效率。广阔的优化控制合理的ＥＧＲ率控制；可变几何增压器；可变涡流比：可变气门定时和压缩比：可变喷油嘴截面；发动机Ｎ０，和ＰＭ传感器；动力传动系统的整体控制。后处理快速相应的氧化催化转换系统；ＤＥＮＯ。，ＬＥＡＮ和Ｎ０，催化转换器；微粒捕捉器。燃料性质的改进人幅降低硫含量；提高十六烷值；降低多环芳香烃质量分数；使用各类添加剂。新概念燃烧方式略减少摩擦、热损失、略润滑油消耗先进制造和质量控制略随着排放法规和市场对柴油机的要求越来越严格，作为其“心脏部件’’的燃油系统正面临巨大的考验。由于以前的柴油机基本上都采用传统的机械式泵一管一嘴系统，该系统不仅喷油压力难以提高，无法对喷射特性进行灵活控制，而且存在振动及噪声大、燃油经济性差、排放水平难以提高等诸多缺点，已经基本上不能满足欧Ⅲ排放法规要求，并将逐渐在车用柴油机市场上被淘汰。未来柴油机对燃油系统的要求有以下几点：１）更高的喷射压力，并可以进行独立和较精确的喷射压力控制；２）独立的喷射正时控制：３）可对喷油速率进行柔性控制，包括：可控制喷油速率形状，实现斜坡形、靴型及矩形喷油规律；４）可进行多段喷射，即预喷及多次预喷、后喷及多次后喷；５）高精度的油量控制，包括预喷、后喷及最小油量的控制精度；６）低的驱动扭矩和冲击载荷；总之，即要求柴油机的燃油喷射系统的喷射压力、喷油定时、喷油量以及喷油率在全工况内实时灵活可调。１．高的喷射压力提高喷油压力以后可以带来以下三个方面的好处：第一章绪论１）提高喷射压力可以强化柴油机功率。随着市场对载重汽车单位载重量的功率需求不断提高，提高柴油机升功率水平成为最有效的措施；２）提高喷射压力以后可以使油耗下降。由于随着喷射压力的提高，索特平均直径显著减小ｎ～，燃油与空气混合质量提高，燃烧更加充分；３）提高喷油压力可以同时降低Ｎ０。和碳烟。由于采用高压喷射，促使喷油液滴更加细化，与空气混合质量提高，从而抑制碳烟形成（见图１．１），以致降低了ＰＭ排放。同时，喷射压力的提高可以缩短喷油持续期。通过推迟喷油定时，缩短了着火持续期；油气混合质量的提高，加速了燃烧期的油气混合速度，使扩散燃烧速度明显提高，又使燃烧缩短，其结果也能抑制ＮＯ。的形成，达到降低碳烟和ＮＯ，的目的。图１．２为各类型燃油喷射系统的压力特性。萋主：‘墨２曩Ｏ∞∞毋∞１∞ｌ加１∞奠油压力ｐＡ吼图１．１油滴索特直径和烟度随喷油压力的变化６０８０柏发动机转建（量毫转建的％）１∞图１．２各类型燃油系统的压力特性２．理想的喷油率控制喷油率是柴油机燃烧过程控制的重要参数之一。随着电控喷射技术的不断发展，近年来围绕不同形式喷油率，如斜坡形、矩形、分段形、预喷、后喷及多次喷射对燃烧性能的影响进行了广泛的试验研究和理论分析。通过与发动机的匹配研究表明，为了同时改善柴油机的动力性和经济性，降低污染物和噪声排放，理想的喷油率控制应是根据柴油机不同工况，选择不同形式的喷油规律曲线ｎ一１。图１．３为随工况而变的理想喷油率形状，图１．４为带预喷射和后喷射时最佳喷油率形状。随着电控技术的不断成熟，一些喷油系统可以在一次喷射过程中进行多达５～７次喷射，并且每一段都有其各自不同的目的和比较明显的作用。一般以五段喷射为例，分为引导喷射、预喷射、主喷射、后喷射和次后喷射ｎ＿１。下面主要介绍一下多次喷射对发动机性能及排放的影响。第一章绪论挂晶墨霉蠢曩稿机转疆一……图１．４带预喷射和后喷时最佳喷油率形状图１．３随工况而变的理想喷油率形状１）引导喷射（ＰｉｌｏｔＩｎｊｅｃｔｉｏｎ）引导喷射相对于主喷射有较大提前角，由于预混合燃烧的效果，ＰＭ排放和燃烧噪声可以明显降低。图１．５是低速大负荷有无引导喷射时的放热规律，如在ＢＴＩ）Ｃ７０＂ＣＡ时进行引导喷射，则在ＢＴＤＣ３０℃Ａ时便出现冷焰反应，紧接着在２０℃Ａ时进行热焰反应。由于进行了充分的预混合燃烧，无碳烟产生。由于缸内气温的升高，缩短了主喷射的着火延迟期，降低了主喷射预混合燃烧，从而实现低噪声。但缺点是燃油耗有一定上升。图１．５引导喷射的放热规律２）预喷射（Ｐｒｅ—Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）预喷射定义为先于主喷射的喷射，它与主喷射间隔时间一般很短（约小于１毫秒）。在当前的柴油机开发中，预喷射是用得较多的一种，其对改善性能和排放也最明显。由于大量实验表明，预喷射燃油的燃烧反应在燃烧室中形成的活第一章绪论化产物对主喷射燃油的燃烧过程产生的诱导作用，缩短了主喷射燃油的着火延迟期，减少了预混台燃油量，延缓了主喷射燃油的燃烧过程，缸内温度和压力升高率都将大幅降低。图１６和图１７分别为预喷射对缸内温度、压力以及对其放热率和燃烧噪声的影响。因此，采用预喷射可有效降低柴油机燃烧噪声与振动魄及Ｎ０；排放。同时由于主喷射的冷焰反应可使燃烧室内的温度升高，主喷射燃油经过短暂延迟即可着火，从而改善柴油机的冷起动性能“”。但同时必须指出的是，燃油预喷射只能在合适的柴油机工况范围内进行，同时要求预喷油量占循环总喷油量的比例必须设置在合理范围内，才能获得良好的柴油机排放特性和燃油经济性。∞∞ｍ∞∞∞鹭｜｜｜｛；烫§ｉ“ｌ㈨目．ｋ．ｊ：：Ⅲ？、≮＊｛；：一；蝌””Ａ圹＿甲１醵”１ｊｉ＼１『Ｈｒ；图１６预喷射对缸内压力和温度髟响圈１７预喷射对放热率和燃烧噪声影响３）后喷射（ＡｆｔｅｒＩｎｊｅｃｔｉｏｎ）后喷射指在主喷完成后连接主喷所进行的喷射。其作用是促进扩散燃烧，降低在扩散燃烧期间所产生的蹦。随着后喷射往主喷射靠近（间隔小于０．７毫秒）刚得以降低，但ＮＯ，排放略有恶化。４）次后喷射（ＰｏｓｔＩｎｊｅｃｔｉｏｎ）次后喷射是相对于主喷射有较大迟后角的喷射。它使排气温度升高，可激话催化器的催化作用，降低ｍ，或其他有害排放物．还可以作为还原ｍ。所需构碳氢化合物，促进Ｎｎ的分解。最新研究表明“…，为了降低噪声和Ｎｍ排放．喷油系统至少应能够进行一至二次低压的预喷射。为了控制燃烧初始阶段的Ｎ０ｚ生成，主喷射的压力变化规律必须能够在针阀完全开启时按靴形（且靴形长度可变）、三角形（斜坡形）或矩形第一章绪论来进行控制，喷射压力在２００ＭＰａ以上对燃烧更加有利。在主喷射结束时针阀的关闭必须迅速。此外，紧接的高压后喷对减少碳烟的排放是十分必需的。而在适当压力下较迟的后喷．能够控制柴油机的排气温度．以利于颗粒滤清器进行再生和为Ｎ０ｘ吸收催化器提供碳氢化合物。图１８所示为未来重型柴油机喷油系统理想的喷油压力和针阀升程控制曲线，上部的曲线为带有多次喷射的嘴端压力曲线，下部为针阀升程曲线。二蓟三时间囝１８未来重型柴油机喷油系统理想的喷油压力和针阀升程曲线１．２电控柴油机燃油喷射系统发展历史简介随着国内外对电子控制技术的阿益成熟和广泛应用，其在汽车上的应用越来越多。尤其是为了满足越来越苛刻的排放法规以及顾客对汽车性能的要求，只有运用精确的电子控制才能达到这些要求。九十年代开始的在汽油机上应用电子控制燃油喷射和点火系统全面代替传统的化油器就是一个非常典型的例子，这项革命是颠覆性的。但是由于柴油机本身主要应用在大型客车和货车上，原先对其性能和排放要求不高，传统的机械式燃油系统基本可以达到要求。但随着各国对排放的要求不断提高，以及市场对柴油机性能的要求，传统的燃油系统将慢慢退出历史舞台．随之而来的将是可以提供精确喷射和尚压喷射的电控燃油喷射系统。国外对柴油机电控喷油系统的研究始于２０世纪７０年代。到目前为止，柴油机电子控制燃油系统已经经历了三代变化，分别是位置式、时间控制式和压力一时问控制式ｎ”。第一章绪论第一代电控喷油系统是位置控制式，即在不改变传统喷油系统结构的基础上，用电控组件来代替原有的机械控制机构，提高控制精度和响应速度。其优点是无须对柴油机的结构进行改动，生产继承性好，便于对现有机型进行技术改造；缺点是控制自由度小，精度差，喷油率和喷油压力难于控制，而且不能改变传统喷油系统固有的喷射特性，因此很难较大幅度地提高喷射压力。典型的位置控制式电控喷油系统有：德国博世公司的ＲＰ３９和ＲＰ４３型电控直列喷油泵；日本小松公司的ＫＰ２１型电控直列喷油泵；日本电装公司的ＥＣＤ－＿ｖ１型电控分配泵：英国德尔福公司的ＥＰＩＣ型电控分配泵、美国Ｓｔａｎａｄｙｎｅ公司的ＰＣＦ型电控分配泵等。第二代电控喷油系统是时间控制式，利用柱塞泵可承载高压的特性，并采用高速强力电磁阀的溢流特性来控制喷油量和喷油定时，但由于电磁阀的响应时间对喷油过程的影响较大，特别是在高速时，电磁阀的响应速度相对变慢，因此，必须对电磁阀进行合理的设计，以尽可能缩短响应时间，提高控制精度。典型的时间控制式电控喷油系统有：德国博世公司的ＰＤＥ２７／ＰＤＥ２８系统；英国德尔福公司的ＥＵＩ系统：美国底特律阿列森公司的ＤＤＥＣ系统等。第三代电控喷油系统是时间一压力控制式，利用高压共轨或共轨蓄压或液力增压形式获得高压，采用时间一压力式燃油计量原理，即高压油泵并不直接控制喷油，只是向公共控制油道（共轨）供油以维持所需的共轨压力，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，利用电磁阀控制喷射过程。同时根据柴油机运行工况的不同，适时控制喷油量与喷油定时，从而达到与其相适应的最佳状态。由于共轨式喷油系统中共轨压力与喷射压力互不相关，因此其喷射压力不受柴油机转速和喷油量的影响。共轨式喷油系统取消了齿杆、调速器、提前器等传统的油量调节机构，利用高速电磁阀控制系统的喷油量、喷油定时、喷射压力及喷油速率等，实现了喷油系统的全电子控制，将高压喷射与电子控制完美地结合起来，目前已成为柴油机电控喷油系统研究领域的重要课题与发展趋势。同时，共轨式电控喷油系统又大致可分为三种，即蓄压式电控高压喷射系统、电控液压泵一喷嘴系统和高压共轨式电控喷射系统。目前，从事这些系统研究的国外公司主要有：美国的ＢＫＭ公司和卡特匹勒公司、日本电装公司、意大利ＦＩＡＴ集团、德国博世公司及德尔福公司等。其中较为典型的共轨式电控喷油系统有：美国ＢＫＭ公司Ｓｅｒｖｏｊｅｔ蓄压式电控高压喷射系统；美国卡特匹勒公司的电控液压泵一喷嘴系统；日本电装公司ＥＣ卜Ｕ２高压共轨式电控喷射系统；８第一章绪论意大利ＦＩＡＴ集团Ｕｎｉｊｅｔ喷油系统：德国博世公司ＣＲ（原Ｕｎｉｊｅｔ）共轨式电控喷油系统；德尔福公司Ｍｕｌｅｔｃ系统。表１．５是目前全球主要的燃油系统生产商其产品分布情况。从该表可以看出，在现阶段，市场上燃油系统的种类仍然较多，各大公司从产品特点和战略考虑，并没有生产单一的燃油系统。但是，从近年来的发展来趋势看，因电控共轨燃油喷射系统明显的优越性，已经成为各大生产商大力发展的方向。表１．５各类喷油系统生产厂家电控泵喷嘴德尔福（Ｌｕｃ弱）博世ＡＦＳ（卡特匹勒）ＨＰＩ（康明斯）共轨系统博世德尔福电装西门子电控单体泵博世德尔福（Ｌｕｃ罄）ＵＰＥＣ（ＤＡＦ）其他直列泵（博世）ＨＥＵＩ（卡特匹勒）ＴＩＣＳ（Ｚｅｘｅｌ）分配泵（博世）分配泵（德尔福）１．３电控高压共轨系统简介２０世纪６０年代后半期，瑞士的Ｈｉｂｅｒ教授成功开发了柴油机电控共轨系统的“原型＂。其后，以瑞士工业大学的Ｇａｎｓｅｒ教授为中心对电控共轨系统进行了一系列的研究。１９９５年末，日本电装公司率先将该公司开发的ＥＣＤ—Ｕ２型共轨系统成功地应用于卡车柴油机而开始批量生产，从此开创了柴油机电控共轨燃油系统新时代。１９９７年末，德国博世公司开始批量生产轿车柴油机用电控高压共轨系统。９第一章绪论图１９高压共轨系统外形圈１．１０高压共轨系统原理图高压共轨喷油系统是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础之上的一种全新概念的喷油系统。典型的共轨系统如图ｌ９和图１ｌＯ所示，主要由高压泵、带调压阀的共轨管、带电磁阀的喷油器、ＥＣＵ和各种传感器等组成。共轨管油压由高压泵、压力传感器和ＥＣＵ组成的闭环来调控。高压共轨系统不再采用喷油系统的柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管把高压油泵输出的燃油蓄积起来并平抑压力波动，再通过各高压油管输送到每个喷油器上，由喷油器上电磁阀的动作控制喷射的开始和终止；电磁阀起作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时叫和共轨压力共同决定喷油量。由于这种系统采用压力时问式燃油计量原理．因此又可称为压力时问控制式电控喷射系统。电控共轨系统的特点可以概括如下：１）自由调节喷油压力（共轨压力）利用共轨压力传感器测量共轨内的燃油压力，调整高压的供油量、控制共轨压力。共轨压力就是喷油压力。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丌度信息等为基础，由计算机计算出最佳油量，通过控制喷油器电磁阀的通电、断电时刻直接控制喷油参数。３）自由调节喷油率形状根据发动机用选的需要，设置并控制喷油率形状：预喷射、后喷射、多段喷射等。第一章绪论４）自由调节喷油时间根据发动机的转速和负荷等参数，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。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、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，确定适合于该运行状态的喷油量、喷油时间、喷油率等参数，使发动机始终都能在最佳状态下工作。博世公司和电装公司的研究结果均表明，在直喷式柴油机中，采用电控共轨式燃油系统与采用普通凸轮驱动的泵管嘴系统相比，电控共轨系统与发动机匹配时方便灵活许多，其突出的优点可以归纳如下：１．广阔的应用领域（用于轿车和轻型载货车，每缸功率可达到３０ｋＷ，用于重型载货车以及机车和船舶用柴油机，每缸功率约可达２００ＫＷ左右）。２．更高的喷油压力，目前可达１８０ＭＰａ，不久的将来计划达到２００ＭＰａ甚至更高。３．喷油始点、喷油终点可以方便地进行精确控制。４．可以实现预喷射、主喷射和后喷射，可以根据排放等要求实现多段喷射。５．喷油压力与实际使用工况相适应。在电控共轨式燃油系统中，喷油压力的建立与燃油喷射之间无相互依存关系，喷油压力不取决于发动机转速和喷油量。在高压燃油存储器即“共轨”中，始终充满喷射用的具有一定压力的燃油。喷油量由计算机通过计算决定，受到的其他制约条件很少。６．喷油正时和喷油压力在ＥＣＵ中由存储的特性曲线谱（１１４ＡＰ）算出。然后，电磁阀控制装在每个发动机气缸上的喷油器（喷油单元）予以实现。表１．６是各种柴油机电控高压喷油系统的技术指标比较。表１．７为各类电控喷油。表１．８为柴油机不同排放标准对喷油系统的要求。综合上述可知，电控高压共轨系统不仅在性能指标上，而且在相对国内技术条件、研发周期等综合评价上，都是一个综合性能相当优越的柴油机系统。但是共轨式系统也有其自身的缺点，主要是：１）有高压燃油的泄漏危险，耐久性和安全性较柱塞泵差；２）研发难度较大，制造成本大幅上升。第一章绪论表１．６各种电控高压喷油系统的技术指标比较飞术～标喷油系≥＼电控泵一臂一嘴系统电控泵一喷嘴系统电控单体最高喷射压力喷射压力不受转速制约喷射压力不受负荷翻约喷油正时的柔性控制喷油速率及预喷射等的柔性控翩Ｉ２小油量喷射快速断油燃油经济性藏小驱动功率总体评价１３０００ＯＩ２２２ｌｌＩ８１２ＩＩｌ３ｌＩ３３ｌｌ３３泵系统电控蓄压式共轨系统电控高压共轨系统３３３Ｏ３３ＯＯ３２３３２２３２ｌ３１２１９２＂７表１．７各类电控喷油系统综合性能比较表１．８直喷式柴油机排放标准对喷油系统的要求电控裘～喷嘴系统獬２２２电控蓄压电控高压式共轨共孰系统系统幕毫羹量著钒系统量青压力．ＭＰＩｔ詹３ｔ‘甩１６０～１１０ｔＳ用１６Ｃ—ｌ舶尼用尼用臼０用奢曩可簟ｔ８５ｌ●Ｏ—１６０技术上具有先进性电磁阀控制精度电磁阍国内生产的可能性荣油机结构改动的大小研究成本研瓴周期综合评价２３３曩鼍舯ｔ力后曩劓ｔ力嗣不一不用用２００用可ｔ可蠢用２２０２３３３事攻曩射■力电簋●体采２２最高压力：ＭＵＬ３８磺嘎射后曩射Ｉ２２ｌｌＩ２２Ｉ３Ｉ角不舟■尼不用用１８Ｓｔ控分配曩量赢压力，ＭＰ■鞠曩射／后曩射您力３Ｊ２３Ｊ４３１６１∞衣曩宥段有曩不过这些缺点比起其优点来说是不足道的。共轨式系统将首先在车用领域取得成功，并且由于其在提高动力性、降低燃油消耗率、降低碳烟、控制噪声等方面的突出表现而应用日益广泛。目前，车用柴油机还基本局限于商用车领域，但是毫无疑问，柴油机固有的燃油经济性好，污染物排放低的优点，会被如今愈加重视节能环保的现代社会所重视，将逐步向原来被高速汽油机牢牢占据着的乘用车，特别是轿车发动机市场挺进，而柴油机燃油系统采用共轨式的趋势，也必将加快这一进展．但是目前对共轨燃油喷射系统的研究还都集中于车用中高速柴油机上，在大功率柴油机上还比较少见。１．４国外高压共轨系统发展现状及趋势ｎ一１第一章绪论电控高压共轨喷油系统作为新一代喷油系统的典型，代表了燃油喷射系统的发展方向，对柴油机技术的发展有着重大的影响。世界上主要的共轨喷油系统生产厂商在喷油系统的压力、执行器以及喷油规律控制等技术方面的发展日新月异。１．４．１博世公司从２０世纪８０年代初期开始，为了满足柴油机排放，进一步提高燃油经济性等要求，博世公司大力开发电控燃油喷射技术，控制喷油定时和喷油量。而在近十余年中，更是集中力量开发高压共轨燃油喷射系统，投入了巨大的人力物力，并迅速投入批量生产和应用，不论在研究开发还是在市场占有率方面都处于领先地位。至２００５年７月，博世公司为柴油车提供的共轨系统已经达到了２５００万套。博世至今已经开发并生产出三代共轨喷油系统：１９９７年，博世推出了第一代高压共轨系统，采用电磁阀式控制器，喷油压力为１３５ＭＰａ；随后，博世又推出了第二代系统，并将喷油压力提高到了１６０ＭＰａ；２００３年，博世公司采用全新的带压电式控制器的第三代共轨系统，压力同样达到了１６０ＭＰａ。现在已经开始研发的第四代共轨系统，将把重点放在可变截面喷嘴和喷孔的双线供油线路的研究上。第３代共轨系统已于２００３年投入批量生产。第３代共轨喷油系统中，原来的喷油器电磁执行器已由压电晶体执行器所替代。压电晶体执行器由数百片小而薄的晶片组成，其开关时间小于０．１ｍｓ，仅有电磁执行器开关时间的一半。虽然喷油压力与第２代共轨喷油系统相同，仍为１６０ＭＰａ，但新系统能够以任意步喷射进行，而第２代系统仅能以５—７段进行喷射。新的系统能满足发动机进一步降低有害排放物和发动机的工作噪声的要求，提高发动机的功率。一个可变形状的喷油嘴是第四代共轨系统研发过程中的焦点所在，也将会是闪亮的卖点之一。现在使用的喷油器是一个有５到７个喷油嘴的的喷油导管和一个喷射开关来控制喷入燃烧室的燃油分配的，而第四代上将采用的是可变喷口的喷油器，有两条供油线路，从而使喷射状态可以在两种状态下进行。第一条线路（小直径）的开关开的时候，只有部分喷孔打开，这样是为了在怠速和部分负荷的时候提供更精确的燃油量，减少排放和燃油损耗，第二条线路的开关开的时候，其余喷孔被打开，在最短的时间内提供最精确的额外需要的燃油量，最大限度地提第一章绪论高发动机的有效动力输出。这样的技术可以完全满足美国及欧洲国家将实行的极为严格的排放限值。图１．１１为博世公司ＣＲ高压共轨系统示意图。图１．１２为ＣＲ系统电磁式喷油器。表１．９为博世公司共轨系统简介。图１．１１博世ＣＲ高压共轨系统不葸图１．４。２德尔福公司美国德尔福公司作为全球性的汽车零部件供应商，自从兼并了卢卡斯柴油系统及其相关的售后市场业务后，其在柴油喷射系统和柴油发动机管理系统方面的领先地位得到了进一步的加强。到２００５年，已经累计向全球投放了４００万套其所生产的共轨系统。ＭｕｌｔｅｃＤＣＲ共轨喷射系统具有市场领先的性能，并能在目前所有的应用场合达到欧ＩＩＩ排放法规。该系统包括带有整体式输油泵的进油计量式高压油泵、共轨和喷油器等部件。喷油器在其由１７ｍｍ直径的壳体内装有～个高速控制阀，喷油压力可在整个发动机运转工况范围２３ＭＰａ－－１６０ＭＰａ之间调节，如图１．１３所示。图１．１４为德尔福ＭｕｌｔｅｃＤＣＲ共轨喷射系统控制框图。表１．ｉ０为德尔福公司共轨系统简介。第一最绪论图１１２博世公司的ｃＲ系统喷油嚣表ｌ９博世公司共轨系统简介当前量产产品性能■谯喷油器顶端设置电磁阀控制器●通过计繁漉｛；｝高压泵产生１６０ＭＰａ的Ｊ￡轨压力●已罐产３、４、５、６及８缸发动机的北轨喷油系统一可提供预喷射及后喷射主要客户非亚特．戴一兜、宝马、奥迪、ＰＳＡ、雷诺、沃尔沃、五十铃一通用、丰田未来发展战略■采用压电执行器以获得更快响应及更多扶喷射●逃到】８０ＭＰａ的共轨压力一采州可变喷口的喷油器．提供两条供油线路■控制系统开发——＆进正反馈控制●提高产品一致性第章绪论高压燃油进图１１３德尔福共轨系统喷油器及其特性ｍｍ甩ｍｍ币圈Ｉ１４德尔福ＭｕｌｔｅｃＤＣＲ共轨喷射系统控制框图第一章绪论表１．１０德尔福公司共轨系统简介当前产品性能●在量。０４缸发动机的喷油系统已量产。●可提供预喷射和后喷射。主要客户未来发展战略福特、雷诺和现代●于ｍ１７ｍｍ喷油器体中内置压电控制器，以获得更快响应更精确的控制和更多次喷射。●高达１８０ＭＰａ的共轨压力。１７ｍｍ喷油器体中内置电磁阀控制器通过计量流量高压泵产生１４０ＭＰａ的共轨压力利用压电燃烧传感器修正预喷射及主喷射燃油●多次喷射能力——多次预喷、主喷分段、多次后喷。●控制系统开发——改进正反馈控制。●提高产品一致性。德尔福公司的下一代Ｍｕｌｔｅｃ型共轨喷油系统使用单个电磁执行器来优化喷油率和喷束形状，并提高喷雾的精度。每循环５次喷射的共轨系统具有１８０ＭＰａ的喷射压力，能满足欧Ⅳ排放法规的要求。该公司开发的闭环型Ｍｕｌｔｅｃ共轨系统使用一个加速度传感器监测燃烧过程对预喷控制（ＡＰＣ）的策略，当运行环境条件发生变化时，发动机管理系统能够自动优化标定值，另外开发了单个喷油器的修正模块，进一步提高喷油系统的控制精度。德尔福公司欧Ⅳ型喷油器的工作电压为电源电压，其电子驱动单元的结构简单，工作效率很高。系统的调压功能由进油计量单元实现，取消了高压溢流阀，简化了系统的结构布置。该公司正在开发能满足欧Ｖ排放法规要求的Ｍｕｌｔｅｃ共轨系统，期望在今年或明年投入批量生产。同时，德尔福公司也在进行压电晶体执行器的开发，期望以此能帮助ＯＥＭ满足欧Ｖ排放法规和美国重型汽车的排放法规要求。这种被称为Ｐｉｅｚｏｔｅｃ的共轨系统，与现生产的压电晶体共轨相比，排放值可进一步降低２５％－－－３０％。该公司开发的压电晶体技术，能使喷油系统实现每循环７次喷射或者更高的预喷、主喷和后喷精度。德尔福公司认为，每次喷射之间间隔时间的缩短，给发动机设计者提供了更大的空间，可在整个燃烧过程中控制燃油喷射的规律（形状）。１．４．３西门子公司第一章绪论表１．１１西门子公司共轨系统简介当前量产产品性能一在喷油器项端置电磁阀控制器■通过计量流量高压泵产生１４０１ＶｌＰａ的共轨压力■已量产４缸发动机的共轨喷油系统一可提供预喷射及后喷射主要客户未来发展战略ＰＳＡ、福特、ＰＳＡ■采用压电执行器以获得更快响应及更多次喷射■达到１６００＂～１８０ＭＰａ的共轨压力■多次喷射能力——多次预喷、主喷分段、多次后喷■控制系统开发——改进正反馈控制■提高产品一致性西门子公司已生产压电式ＰＣＲ系列共轨喷油系统５多年，最初应用于标致３０７型汽车上，该公司的第３代共轨喷油系统ＰＣＲ３即将投入批量生产。西门子柴油部门的前身是ＣＡＶ公司，自１９８８年开始向市场提供电控泵技术；自２０００年开始提供高压共轨技术。表１．１ｌ为西门子公司共轨系统简介。ＰＣＲ３型喷油器的核心技术是新设计的喷油器有一个“大大缩小＂的压电晶体执行器。该执行器直接集成在控制阀芯内，并结合新材料技术，使喷油系统的压力（从第ｌ代的１３５ＭＰａ、第２代的１６０ＭＰａ）提高到１８０ＭＰａ，且该系统的压力有可能进一步提高到２００ＭＰａ。该喷油器的另一个特点是回油量小，降低了系统的高压油损失，从而使高压供油泵的驱动功率减小，其结果使柴油机大大降低油耗或者可以提高发动机的功率输出。新型喷油嘴技术可使针阀的控制更为迅速，为在更短的时间内，以更高的压力喷射更多的燃油铺平了道路，而不会产生因液力系统中的压力波动而带来的不应有的副作用。因此，发动机设计者可以应用每循环多达５次独立喷射而每次最小喷射量可小于ｌｍｍ３的燃油喷入缸内。在这种喷油器内部，压电晶体执行器与喷油嘴之间增加了一个液力补偿器，从压电执行器的下侧将力传递到伺服阀上。该装置不仅补偿了极小的制造误差，而且对系统内因温度变化而引起的长度变化和任何磨损进行补偿。喷油系统借助于控制单元，用一个发动机敲缸传感器来监控燃烧过程，以此作为调节喷油特性的依据。所以，使发动机的每个工作循环中喷入气缸内的燃油量都得以优化，以保证稳定的发动机排放值。１．４．４电装公司１８第一章绪论日本电装公司早在１９８６年初便致力于共轨喷射系统的研究，１９９５年１０月在东京机展览会上与日野汽车公司一起展出了装ＥＣＤ—Ｕ２电控共轨系统的日野ｊ０８ｃ型柴油机，到１９９９年已形成年产３００００套共轨系统的能力，在日本国内大量用于卡车柴油机。电装公司已经在上海浦东设厂，并将在未来几年内生产高压共轨系统以提供给中国国内市场及亚洲其他地区。同时电装也已经和国内多家整机厂进行了配套。ＥＣＤ—Ｕ２系统如图１．１５所示，包括电控高压油泵、共轨、电控喷油器、ＥＣＵ（电子控制单元）以及各种压力、温度、转速和位移传感器。共轨压力按发动机负荷图谱，根据每一时刻发动机转速和负荷条件进行控制。喷油率、喷油量和喷油定时根据发动机工况条件来控制。图１．１５为电装公司ＥＣＤ－－Ｕ２燃油系统原理图，表１．１２为日本电装公司共轨系统发展历程和趋势。该公司生产的１８０ＭＰａ的共轨喷油系统已在多种柴油机上应用，自２００２年起，该系统就能满足欧Ⅳ排放法规的要求。该系统由高压供油泵、带高压传感器的共轨部件、电磁式喷油器和一个高速３２位发动机控制单元组成。该控制单元与喷油器的电磁铁驱动单元集成在一起。燃油被高压泵增压后，经高压油管输送并储存萑．共轨部件中，然后由电磁喷油器喷入到燃烧室中。燃油压力供油泵的进油电磁阀调节，与发动机转速、负荷参数相协调的最佳预设值进行匹配。电装公司现生产的共轨喷油器能进行间隔时间为０．４ｍｓ的多次喷射，每循环最多可进行５次喷射。为了满足ＯＥＭ的不同需要，该公司开发了控制软件可以对喷油器之间的喷油ＥＣＤ－Ｕ２Ｓｙｉ油ｍ图１．１５电装公司ＥＥＤ－－Ｕ２燃油系统原理图１９第一章绪论表１．１２日本电装公司共轨系统发展历程和趋势圭喷ｇ，悻眭热轨压力参次喷射生喷片年份诣ｆ＿∞－∞－Ｄ１ａ２－∞．¨．０５－Ｏｅ－０７＿ＯＢ第一代（已量产）１２０Ｍｈ（卡车）１４５ＭＰａ（轿车）·＿＿···＿Ｕ嚣Ｋ１８０ＭＰｌ“！量产）第二代１８０ＭＰｌ（研晨申）略船鼍升芄蠹选７帅坎－一卜Ｏ．？ｒＭｌ－－＿－－一嚣（俄｝瑚曼ｏｐＧ２Ｉ毫■一毒Ｉ＜＆斧娃Ｅ鱼１ｂ（∞Ｉ电誊一度】第三代（研震中）２００ＭＰｌ。嚣佃：．＜口，ＰＩ庄毫由引■嚏舯发朋片ｌＩＦ量偏差进行补偿。将喷油器本身的喷油量偏差储存在二维码数据中，在发动机总装时，控制单元将其读入并在运行中进行补偿。与其他共轨喷油系统制造商一样，电装公司也在研发压电晶体式共轨喷油器，该公司希望利用压电晶体技术，将喷射间隔时间从０．４ｍｓ缩短到０．１ｍｓ，以进一步改善共轨系统的喷油性能。１．５我国国内共轨系统发展状况１．５．１我国共轨系统发展概况我国柴油机共轨燃油喷射系统研究起步较晚，尤其我国电子执行器性能较差，开发能力较弱；精密零部件的加工精度不够，生产工艺相对落后，因此开发这类高精尖产品困难重重。但经过１０多年的学习、研究和开发，已经积累了研制新型电控共轨喷射系统的经验。在保证该系统的主要功能的前提下，已经有能力发展新型的具有自主知识产权的电控共轨系统。经过几年的努力，国内一些高校和科研院所根据国外开发经验和技术进行了自主开发，主要根据电装公司的ＥＣＤ—Ｕ２系统进行研究开发，取得了令人瞩目的成果。其中具有代表性的并且较成功的是一汽无锡油泵油嘴研究所开发的ＤＦ型共轨系统，上海交通大学开发ＧＤ－－ｌ共轨系统ｎ·１０１，无锡威孚集团开发的ＷＰ系列共轨系统ｎ·ｎ１，中国７１ｌ第一章绪论研究所开发的船用共轨系统等ｎ·１２１。值得一提的是，一汽集团无锡油嘴油泵研究所依靠一汽集团强大的资金和技术实力，其共轨系统研发已经比较成熟，目前已经进入了小批量试制阶段。但目前存在的主要问题还是由于我国制造业总体水平不高，如何使科研成果转产业化，关于这一方面我国还有许多努力要做。１．５．２国内共轨柴油机发展状况目前我国国内主要的大型柴油机制造厂家都在努力开发改进其主要产品，以期达到即将实施的欧ＩＩＩ排放法规，他们基本上都选择了以高压共轨系统作为满足要求的技术手段。表１．１３是国内主要柴油机厂家的合作方及其主要改进或开发机型。表１．１３柴油机生产厂家国内主要柴油机厂家开发共轨系统柴油机情况柴油机型号ＣＡ６ＤＬＤ１１４共轨系统生产厂家博世、电装电装德尔福博世博世一汽集团无锡柴油机分公司上海柴油机股份有限公司玉柴机器股份有限公司潍柴动力股份有限公司南京依维柯ＹＣ６１１２蓝擎ＷＰｌ２ＳＯＦＩＭ同时，柴油机厂家也与我国国内研发机构进行大力合作。玉柴公司与清华大学合作开发了ＧＤＩ型柴油机高压共轨喷射系统，还与上海交大合作开发应用于ＹＣ６１１２柴油机的电控高压共轨系统。无锡油泵油嘴研究所与无锡柴油机厂一起与国外发动机研究机构合作，已经在ＣＡ６１１０增压中冷柴油机上成功进行了共轨式喷射系统的试验。我国国内目前最大的柴油机制造厂家潍柴已经和国外研究机构合作，在斯太尔机型上达到了欧ＩＩＩ排放法规。我国预计２００７年将全面实行欧ＩＩＩ排放法规，并且在北京等个别城市已开始实行欧Ⅲ法规，而共轨系统被认为将占有欧ⅡＩ大部分的喷射系统的市场份额。目前国外主要的生产共轨系统的跨国公司如博世公司、德尔福公司、电装公司等都将对中国进行大规模的投资，并将相继设立研发中心，以期能够占领中国更大的市场份额。由于欧ⅡＩ柴油机其共轨系统的成本占了整个柴油机较大的比２１第一章绪论例，因此我国迫切需要掌握这种高科技，并能够批量生产，才不会陷入被外国企业牵着鼻子走的境遇。１．６结论高压喷油系统和喷油系统的电子控制是柴油机技术满足未来排放法规要求和提高柴油机经济性要求的关键技术之一。在未来燃油系统的发展中，提高喷射压力，仍是喷油系统发展的主题之一。在电子控制的喷油系统中，共轨系统以其优异的控制柔性度将得到进一步的发展和提高。根据国外主要共轨喷油系统制造厂商的发展趋势看，高压共轨喷油系统的发展趋势主要围绕提高喷射压力、提高喷油控制的响应速度、提高喷油规律控制的柔性度和喷油量的控制精度这四个方面。为了提高系统的响应速度，喷油器的控制执行器采用压电晶体材料是一个很好的解决方案；为了提高喷油量尤其是小喷油量的控制精度，减少运动件的运动质量和运动件的数量也是共轨喷油器发展的一个重要方面。基于上述几方面的发展要求，电子控制系统的控制策略是在增加控制参数的基础上进一步优化柴油机的管理系统。此外，随着喷油系统喷射压力的不断提高，主要部件所受到的静态和疲劳载荷也不断提高，喷油系统的性能是由系统的结构和材料的强度共同来保证的，因此，在下一代喷油系统中，新材料和新的表面处理技术将成为一个十分重要的因素。１．７本论文主要工作本文以电装公司成熟的共轨系统ＥＣＤ－－Ｕ２为原型为研究对象，通过先进的液力计算软件ＨＹＤＳＩＭ和控制仿真软件ＭＡＴＬＡＢ建立喷油系统液力计算模型和控制模型，对喷油系统的喷射特性和控制进行全面深入的研究，主要研究的内容包括：１）通过ＨＹＤＳＩＭ软件和ＭＡＴＬＡＢ软件搭建起以ＥＣＤ－－Ｕ２为原型的带控制系统的仿真模型，并通过与试验结果对比进行验证。２）在建立的共轨系统模拟模型的基础上，通过调整改变其结构参数和控制策略，探讨高压供油泵泵油能力和泄漏问题，研究各喷油器内主要参数对喷油规律的影响；第一章绪论３）为满足发动机不同工况下对燃油系统的要求，建立带模糊自整定的ＰＩＤ控制系统，并进行模拟仿真。４）通过应用ＢＯＯＳＴ软件以及其ＭＣＣ燃烧模型，分析不同喷油规律对发动机性能影响。１．８参考文献【１．１】【１．２】【１．３】【１．４】【１．５１【１．６】【１．７】【１．８】【１．９】蒋德明，内燃机燃烧与排放学．西安交通大学出版社，２００２（１）胡林峰，李德桃，梁凤标．柴油机对燃油喷射性能的要求及喷油系统的发展趋势．现代车用动力，２００２（４）董尧清．柴油机共轨式电控喷射系统的进展．国外内燃机，２０００（５）王钧效，陆家祥，等．柴油机高压共轨喷油系统的发展动态．柴油机，２００３（５）王钧效．柴油机共轨式喷油系统控制技术分析．车用发动机，２００１（３）胡林峰，新型增压式共轨喷油系统的设计和研究．江苏大学学报，２００２（３）徐家龙．柴油机电控喷油技术．人民交通出版社，２００４杨林．高压共轨电控柴油机燃油预喷射的研究．柴油机。２００４（２）胡林峰．柴油喷射系统的发展现状及潜力．现代车用动力，２００４（３，４）ｆ１．１０］冒晓建，肖文雍，常久鹏等．ＧＤ．１车用电控柴油机高压共轨系统硬件的开发．内燃机学报，２００２（５）【１．１１】张建明．高压共轨燃油喷射系统的仿真，ＡＶＬ中国用户大会，２００４【１．１２】金江善，平涛，赵伟等．柴油机燃油喷射系统仿真研究。柴油机，２００４（２）第二章共轨系统模型的建立第二章共轨系统模型的建立２．１共轨系统组成及工作原理乜·¨２．１．１概述本模型以电装公司的ＥＣＤ—Ｕ２带二通电磁阀系统为原型，其基本结构如图１．１７所示。该系统由高压油泵、共轨管、喷油器、电子控制单元（ＥＣＵ）和传感器群组成。系统的高压喷油泵为油泵控制阀ＰＣＶ（ＰｒｅｓｓｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌＶａｌｖｅ）控制的２缸直列泵，它用来形成共轨压力和进行供油量控制。通过压力传感器、ＥＣＵ和ＰＣＶ组成的闭环形式来计量柱塞室的低压燃油量。高压油泵的供油与喷油器喷射燃油之间相互独立，且互相影响不大，因此不会出现如传统直列泵中燃油供过于耗或不足的情况，能够保证喷油压力的稳定。这些特点也使本系统消除了在常规直列泵上由于溢流而造成的高压燃油的浪费，减小了驱动功率的消耗。由图１．１７可看出共轨系统基本工作过程：高压油泵将加压后的高压燃油送到共轨管中，并在其中保持一恒定高压，电控单元ＥＣＵ得到由安装在车辆和发动机上的发动机转速、发动机相位、冷却液温度等传感器所输出的相关信息，控制供油泵供油量、共轨管油压，当控制喷油器上部的电磁阀通电时，使喷油器针阀运动，共轨管中的高压燃油便通过高压油管送到喷油器喷射，电磁阀断电时，喷油过程结束。２．１．２共轨系统组成及工作原理该模型主要分为高压油泵、共轨及高压油管、喷油器等三部分。下面就各部分进行详细介绍。１．高压油泵ＥＣＤ—Ｕ２高压供油泵结构如图２．１所示。该电控直列泵与传统的直列泵结构相似，通过凸轮和柱塞机构使燃油增压，当ＰＣＶ开启而柱塞下行时，低压燃油从高压泵输油管经由ＰＣＶ输送到柱塞室。当柱塞上升时，若ＰＣＶ是开启状态，则被输送的燃油在没有压力增加的情况下经由ＰＣＶ返回到输油管内；当柱塞室内剩余的燃油量为工况需求的油量时，ＰＣＶ关闭，即回油通道关闭，因而柱塞室中的燃油被压缩升压，经过出油单向阀被输送到共轨管中去。因此，供油量或第二章共轨系统模型的建立共轨管压力是由调节ＰＣＶ的通电开始时刻来控制的，图２．２明确表示了这种控制方式，即早关闭可增加供油量，晚关闭可减少供油量。表２．１为本文所应用的高压供油泵主要的结构参数。图２．１１一三次方工作凸轮；ＥＣＤ－－Ｕ２高压供油泵２一挺柱体：３一柱塞弹簧；４一柱塞；５一柱塞套；６－－夕ｔ＂开型电磁阀；７一接头：８一出油阀；９一溢流阀仍ｄ（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）图２．２高压供油泵工作原理第二章共轨系统模型的建立表２．１高压供油泵主要技术参数凸轮形式凸轮基圆半径／ｒｉｍ滚轮半径／ｍｍ柱塞直径／ｍｍ柱塞与柱塞套间隙／ｍｍ柱塞腔初始容积／ｍｍ３低压油压力／ＭＰａ出油阀形式开启压力／ＭＰａ圆弧凸轮ｌｌ１２８．５０．００３９２０Ｏ．２５单向阀设计，无钢球Ｏ．１５加．２２．共轨管总成高压共轨管是一个高压容器（见图２．３），起储存、分配高压燃油和稳定高压燃油压力的作用。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。它的容积可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不影响喷油器喷油精度情况之下。但其容积必须保证共轨有足够的压力响应速度，从而快速跟踪柴油机工况的变化。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ＥＣＵ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。表２．２为所选用的共轨管中主要的技术参数。图２．３ＥＣＤ—Ｕ２共轨管第二章共轨系统模型的建立表２．２高压共轨主要技术参数高压油管长度／ｍｍ共轨长度／ｍｍ共轨容积／ｃｍ３喷油器与共轨管长度／ｍｍ３００５００３３４１０３．电控喷油器ＥＣＤ—Ｕ２系统最初采用的是带三通式电磁阀的电控喷油系统，后由于泄漏等原因改为二通电磁阀，其结构如图２．４所示。通过控制电磁阀开关来控制压力腔的压力，从而控制针阀运动。二通阀为常闭型，当通电时打开，控制腔卸油，针阀上升，喷油开始；当断电时控制腔中压力升高，使针阀下降，喷油结束。二通阀通电时刻即确定了喷油始点，通电持续时间决定了喷油量。表２．３为所选用的喷油器主要技术参数。图２．４ＥＣＤ－－Ｕ２系统喷油器及其工作原理ｂ一喷油器喷油状态４一来自共轨的高压油入口：５一球９一控制活塞：１２一喷油嘴１０一至喷油嘴的供油通ａ一喷油器停喷状态１一回油：２一电力连接；３一触发单元（电磁阀）；８一控制腔；道；１ｌ一盛油槽；阀；６一出油量孔；７一进油量孔：第二章共轨系统模型的建立表２．３进油接头尺寸／ｍｍ喷油器体内进油尺寸／ｍｍ喷油器体内回油尺寸／ｍｍ二通阀管路尺寸／ｍｍ控制腔容积／ｍｍ３进油量孔直径／ｍｍ出油量孔直径／ｍｍ液压活塞质量／ｇ针阀直径／ｍｍ针阀质量／ｇ针阀泄漏量调压弹簧预紧力／Ｎ调压弹簧刚度Ｎ／ｒａｍ喷孔类型喷孔直径／ｍｍ喷：ＹＬ孑Ｌ数喷油器主要技术参数ｍ２×１６①１．５×１００①１．５×１００西３×０．０６２２①０．２４西０．２９７．０ｌｍ４３可忽略６０５７ＶＣＯ（无压力室）伽．１９６４．电控单元的结构口一１高压共轨柴油机燃油喷射系统要求能够实现高的喷射压力、灵活的喷射压力控制、灵活的喷射定时控制、精确的预喷射控制等，而这些要求对电控单元的性能提出了较高的要求。ＥＣＵ需要满足高反映速度、快速运算能力以及稳定的系统性能。因此，ＥＣＵ的质量和工作能力很大程度上决定了整个喷油系统的工作性能，被誉为共轨系统的“心脏＂。ＥＣＵ的硬件设计按照模块化原则．按功能可分为如下几个模块：微控制器模块、数据采集模块、功率驱动及保护模块、电源模块、通信模块及报警接口模块等。逻辑框图如图２．５所示。２．２高压共轨系统仿真模型的建立２．２．１模拟仿真计算概述第一章妯轨系统模型的建立圈２５ＥＣＵ逻辑框图随着计算机技术的飞速发展，计算机数值模拟技术已经成为新产品研究开发中的不可缺少的环节。图２．６为仿真计算在现代发动机开发过程中的作用。从图中可知，仿真计算不光在发动机开发初期起着可行性判断的作用，其在任务确定之后的整个丌发蹬｜上阶段都起着非常重要的作用。图２６模拟计算技术在产品开发中的作用在柴油机燃油喷射系统的研究丌发中．对喷射过程进行计算机数值模拟计算既可以用柬对已有的燃油喷射系统进行改造，也叫以对新，『发的喷射系统的喷射过程进行分析。在柴油机喷射系统的研究开发中，先期进行的模拟计算有第二章共轨系统模型的建立以下作用：（１）分析燃烧过程，预测燃油经济性和排放；（２）代替部分试验（４）工作，获取一些在试验中难以获得的数据；（３）不正常喷射过程的研究：高压喷射过程的研究等等。总之，对喷射过程进行计算机数值模拟计算，便于对系统参数进行优化，加快研究开发的速度，降低研究开发成本。因此，燃油喷射过程的模拟计算研究是柴油机燃油喷射系统研究开发的主要内容之一。对燃油喷射系统的模拟计算，最早开始于１９３７年，ＤｅＪｕｈａｓｚ首先将图解法解水锤这一概念引入了喷油系统中，对油管中的流动建立起简化的线性模型。１９７１年Ｗｙｌｉｅ馏＿１首次使用特征线法对高压油管流动进行了模拟计算，并将试验和模拟计算结合起来对燃油喷射系统进行了较为深入的分析。直到１９７６年Ｍａｔｓｕｏｋａｃ比＿１对燃油喷射系统在提出一系列假设的基础上建立起系统的数学模型，进行了全面的模拟计算，并结合试验进行了对比分析。其中考虑了燃油的压缩性、惯性和流体的粘性，分别对喷油泵端、喷油嘴端以及油管建立起基本数学方程。并将试对燃油喷射系统在提出一系列假设的基础上建立起系统的数学模型，进行了全面的模拟计算，并结合试验进行了对比分析。其中考虑了燃油的压缩性、惯性和流体的粘性，分别对喷油泵端、喷油嘴端以及油管建立起基本数学方程。但到１９７８年Ｇｏｙａｌ位墙１才对喷油系统的模拟计算明确的提出了这种模块化方法，于是大大提高了模拟不同设计结构的喷油系统的编程效率及程序的通用性，在模拟计算中不仅使用了特征线方法，还引入了四阶Ｒａｎｇｅ—Ｋｕｔｔａ方法。２０００年Ｗｉｃｋｍａｎ昭一１采用ＦＩＳ模拟程序对喷油系统进行了一维模拟，同时采用ＫＩＶＡ程序对气缸内的湍流雾化燃烧现象进行了三维模拟，将二者结合起来对系统的设计方案进行了深入的分析，其中对喷油系统中泄漏的模拟，首次使用了二维、准稳态、层流、等温的粘性流体运动方程（雷诺方程）。除了以上这些，国外还有许多科研人员在从事这方面的研究，从不同的角度均对燃油喷射系统的数学模型、数值模拟方法进行了不断的补充和完善。同样，国内在共轨式喷射系统的计算方面也逐步做出了许多了开创性的研究。２．２．２燃油喷射系统的数学模型建立２．２．２．１共轨系统仿真与ＨＹＤＳＩＭ简介目前国内外已经对高压共轨系统进行了大量的仿真计算妇·７￣２·１７１。采用传统的燃油系统喷射过程模拟计算方法，必须首先将喷油系统整体细分成各个微元，然后根据能量守恒方程，用欧拉算法或有限单元法对每个微元采用空间积分形第二章共轨系统模型的建立式的流体力学公式分别建立封闭方程组，直接编制程序进行计算，工作量非常大。更主要的问题是无法实现不同结构布置的燃油系统程序的共享。因此产生了一些非常实用的针对燃油系统开发的商业软件，如ＡＶＬ的ＨＹＤＳＩＭ、ＧＴ－－Ｐｏｗｅｒ、以及ＡＭＥＳｉｍ乜·埔１。本文将选用ＨＹＤＳＩＭ作为建模和分析共轨系统的工具。ＨＹＤＳＩＭ液力系统软件是一个模块化结构的软件，该软件以流体动力学和波动效应为基础，是专门针对流体及流体机械的动态分析而开发的，主要应用于柴油机燃油喷射系统的一维模拟计算。由于该软件的简单易用和极强的针对性，已经在燃油系统领域有了非常广泛的应用瞳·Ｉｇ～２．２４］。ＨＹＤＳＩＭ软件的计算模型己进行了模块化处理，包含各种电控元件、液力和机械元件，按其类型和功能组合成功能组元，供油泵、调压单元和喷油器的各个部分都可以在这些组元中找到相应的元件，将这些元件按相应的连接方式组合起来，就构成了共轨喷射系统模拟计算的物理模型晗‘２副。按结构和功能的不同，ＨＹＤＳＩＭ软件有１５个功能组元：边界组、凸轮组、刚性质量组、活塞组、容积组、油管组、泵油元件组、阀组、分流元件组、节流元件组、控制元件组、压电激励组、流量孔组、喷油嘴组和针阀组。在每个组元中，还可以根据不同的结构特点以及功能上的差别选择不同的元件。功能组中的各个元件都有输入和输出参数表，并可对输入输出表进行修正。根据喷油器的工作原理、结构特点及结构参数，利用ＨＹＤＳＩＭ软件可以方便快捷地建立相应的计算模型，节约计算成本。总结起来，ＨＹＤＳＩＭ具有以下优点：１－灵活的建模技术，适合多种应用场合；２．特别适合于柴油机喷射系统：３．一维优化的系统参数；４．采用任意组成套数据进行的系列计算：５．可靠性已经实际喷射数据检验证实；６．目前最新的图形预处理和后处技术；７．由工程师为工程师而开发。２．２．２．２计算简化假定由于实际高压共轨系统的复杂性，计算时考虑所有实际因素是不可能的，而且也没有必要，因为计算模型越复杂，计算费用也就越高。在建立喷射过程第二章共轨系统模型的建立计算模型时，要根据实际情况所研究的喷射系统的具体情况，分出主要因素和次要因素，做出适当的假设，去掉不重要的因素，以建立简明、正确的计算模型。根据高压共轨系统的特点和模拟计算要求，主要作如下假定：１．在一次喷油过程中，燃油温度不变。２．燃油粘度、密度和弹性模量取为常数。３．假定供油泵出油口处的单向阀的开启动作很快，不计算其开启和关闭时间。４．不考虑平面密封和锥面密封因加工问题造成的泄漏，只考虑圆柱运动副的泄漏及其对于各腔压力的影响。２．２．２．３共轨系统数学模型伍·硼１．圆管内流动的微分方程组燃油在管内的流动是典型的一维非定常流动。它的连续性方程、运动方程和燃油物态方程分别如下式（２．１）、式（２．２）和式（２．３）所示。—ｏｐｖ—Ａ．４－ｏｐ＿＿ｄ：０瓠ａｔ（２．１）—ｏｐｖ—Ａ＋—ｏｐｖ—ｕＡ＋ＯＰＡ＋２ｋｐＵＡ：０ａｔ瓠瓠（２．２）口２—ｏｐｕ—Ａ＋一ＯＰＡ：０缸研表示粘阻系数，对层流尼＝錾竽，对紊流后＝竺竽，ｕ为运动粘度。ｄ‘ｄ‘（２．３）式中：Ｐ表示压力；９表示密度；Ａ表示截面积；Ｕ表示流速；口表示音速；ｋ２．高压油泵部分的方程高压油泵为双柱塞泵，油泵轴上有两个桃型三作用凸轮，每转一转一个柱塞就有３次泵吸过程。两个柱塞的泵吸是交替进行的。在高压油泵本体后有一单向出油阀，防止燃油倒流。（１）油泵柱塞腔连续方程％＝以警－ｏ＇×／ｔｋ×＾×挣刮－ｙｘ／．ｔｏ×ｆｏ×挣刮一Ｑ眩４，第二章共轨系统模型的建立式中：，为流通截面积；／ａ为流量系数；Ⅳ为柱塞升程；ｙ为容积；下标ｈ表示柱塞；下标ｋ表示出油孔（阀）；下标０表示回油孔通道；Ｐ。为管道压力；翻为柱塞偶件泄漏量。系数仃和，，的定义为：。＝＜户｛＾１，通电，且Ｐｈ＞Ｐｋ０，未通电，或Ｐｈ＞Ｐｋ广０，通电，阀关Ｌ１，未通电，阀开（２）出油阀（球阀）运动方程ｄ二Ｈ埘ｓ—尹２‘×（厶一气）一ｃבｏ＋ｏｆ）Ｈｓ。为弹簧预压缩量；ｆ。为球阀作用面积。３．喷油器部分的方程对喷油器而言，喷油嘴部分与常规系统的喷油嘴是一样的，最大的区别是喷油器的上部结构不同，共轨系统用的喷油器的针阀上部有一控制腔，控制腔内的燃油的压力由电磁阀的通断来进行控制，从而控制喷嘴喷油的过程。喷油器的结构示意图如图２．７所示。ｌ乜礁一Ｑ‘５’式中：下标Ｓ表示球阀弹簧；ｍ。为刚球质量；Ｃ。为弹簧刚度；Ｈｓ为弹簧压缩量；图２．７喷油器结构示意图第二章共轨系统模型的建立（１）盛油腔连续方程南×鲁锄虬咖＂川警小彬丘×为压力室通道；幺为针阀偶件泄漏量。参数夕和ｆ的取值：ｒｌ，针阀运动一Ｑ（２．８）式中：厶为针阀导向部接触面截面积；厶为针阀头部截面积；下标刀为盛油腔；下标ｃ夕＝．｛Ｌｏ，针阀静止，或针阀至上限静止位‘＝｛三：＝止位（２）压力室连续方程阜堡ｆｄｔｍｍ—｛’＿—二（ＸＬｘ＃。ｘＸＸＸ口２Ｐ（２．９）一ｘ／ａ科ｔ×厶×式中：下标ｃｙｌ表示气缸；厶为针阀锥面流通截面积。（３）针阀运动方程朋。７ｄ２Ｈ．＝＾×只一九×％一Ｇ×（Ｈｎ＋Ｈｍ）一岛×巴（４）针阀上控制腔连续方程（２．１。）式中：ＢＩｎ为针阀质量；以为针阀升程；ｃ刀为弹簧刚度；如为弹簧预压缩长度：厶为针阀下部的承压截面积；厶。为针阀上部的承压截面积；厶为针阀锥面接触面处的截面积。舞警＝厶托×厶警飞׉×厶×部头面的截面积；Ｈ。为针阀升程；ｋ为针阀上腔流出截面积；ＣＩ，ｃ２为系数。针阀运动ｃｌ２（２．１１）式中：％。为针阀上腔容积：‰为针阀上腔压力；厶。，为上腔进油孔截面积；凡为针阀上上升和下降针阎静止上限和关闭第二章共轨系统模型的建立吃５｛：，＝电每誓＝∑‰以一∑‰×‰，＝ＪＪ弓‘ｄｓ㈣（２·１３）弓＝去（椰）肛２万１肛刀㈤第二章共轨系统模型的建立椎舞螫聪出怄第二章共轨系统模型的建立２．３参考文献【２．１】徐家龙，藤泽英也．日本电装的电控高压共轨喷油系统＿ｃＤ—Ｕ２．国外内燃机，２０００（２）２０００（２）ＷｙｌｉｅＥＢ，ｅｔａ１．Ｄｉｅｓｅｌ７１０５６９Ｆｕｅｌ【２．２】张震，谢辉，苏万华．高压共轨柴油机３２位电控单元及其可靠性设计．内燃机学报，【２．３】ＩｎｊｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＩｎｊｅｃｔｉｏｎＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＩＣ］．ＳＡＥ【２．４】Ｍａｔｓｏｕｋａ７６０５５ｌ，７６０５５２Ｓ，ＹｏｋｏｔａＫ，ｅｔａ１．ＡＳｔｕｄｙｏｆＦｕｅｌＳｙｓｔｅｍｉｎＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎｅｓ．ＳＡＥｆ２．５】ＧｏｙａｌＭ．Ｍｏｄｕｌａｒ．Ａｐｐｒｏａｃｈｔｏ【２．６】ＷｉｃｋｍａｎＦｕｅｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ＳＡＥ７８０１６２ＤＤ，ＴａｎｉｎＫＶ，ｅｔａ１．ＭｅｔｈｏｄｓａｎｄＲｅｓｕｌｔｓＦｏｒｍｔｈｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａ２６００ＢａｒＤｉｅｓｅｌＦｕｅｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ．ＳＡＥ２０００－０１－０９４７．【２．７】广安博之等著，贾锡印，田忠魁译．柴油机燃油喷射系统（译文集）．国防工业出版社，１９８０．１２【２．８１Ｈ．Ｈｉｏｙａｓｕ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＦｕｅｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｆＪＳＭＥＶｏｉ．３４，Ｎｏ．２６０，１９６８【２．９】ＥｌＥｒｉａｎ。Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｌｏｗｉｎｔｈｅｄｉｅｓｅｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ（ＰａｒｔＩ：Ｔｈｅａｎａｌｙｔｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ）．ＳＡＥＰａｐｅｒ７３０６６【２．１０】颜松，魏建勤．高压共轨系统轨压模拟计算．液压与气动，２００５（２）【２．１１】刘少彦，张宗杰，胡昆鹏等．基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的高压共轨柴油机喷油系统仿真计算．柴油机设计与制造，２００３（１）【２．１２】王好战，肖文雍．高压共轨电控柴油机稳态油压模拟计算及分析．内燃机工程，２００２（６）【２．１３】（日）ＫｅｌｋｉＴａｎａｂｅ等．用计算机模拟分析共轨系统的喷射特性．国外内燃机，２０００（５）【２．１４】王好战，肖文雍，冒晓建等．车用电控柴油机共轨油压模拟及其控制策略分析．柴油机，２００２（５）【２．１５】何志霞，李德桃，胡林峰等．柴油机燃油喷射系统模拟计算的发展与分析．内燃机工程，２００４（２）【２．１６】邵利民，安士杰，常汉宝．高压共轨柴油机燃烧与排放的仿真计算及分析．内燃机工程，２００５（３）【２．１７】欧阳光耀，安士杰．高压共轨燃油喷射系统结构参数影响的仿真研究．海军工程大学学报，２００３（３）【２．１８】Ｏ．ＣｈｉａｖｏｌａａｎｄＰ．Ｏｌｕｌｉａｎｅｌｌｉ．ＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＣｏｍｍｏｎＲａｉｌＳｙｓｔｅｍｓ．ＳＡＥｐａｐｅｒ．２００１—０１—３１８３ｆ２．１９】潘剑峰，梁凤标，李德桃等．柴油机中压共轨式喷油系统的模拟计算与分析．汽车工程，２００３（４）【２．２０】胡林峰，吴建，李德桃筹．增压式共轨喷射系统的模拟计算和试验分析．内燃机学报，２００２（３）【２．２ｌ】平涛，金江善，刘少彦等．共轨燃油喷射系统高压容积的仿真优化．柴油机，２００４（５）３７第二章共轨系统模型的建立【２．２２】刘少彦．船用柴油机高压共轨系统仿真研究．中国内燃机学会第六届学术年会论文集，２００４年１０月【２．２３】金江善，平涛．高压共轨系统压力波动率影响因素仿真研究．中国内燃机学会第六届学术年会论文集，２００４年１０月【２．２４】朱宏志．发动机供油系统的ＨＹＤＳＩＭ计算。中国内燃机学会第七届学术年会论文集，２００５年ｌＯ月【２．２５】ＨＹＤＳＩＭＲｅｆｅｒｅｎｃｅＭａｎｕａｌ．Ｖｅｒｓｉｏｎ４．２，２００１．６【２．２６】虞金霞，郭海涛，卓斌．共轨式喷油系统数学模型．上海海运学院学报，２００２（２）第三章高压共轨燃油系统特性分析第三章３．１引言高压共轨燃油系统特性分析随着近年国内外许多跨国公司和科研院所对高压燃油共轨系统研究和开发的不断深入，对共轨系统的工作性能要求越来越高，从而研究手段也不断多样化。值得指出的是，模拟计算在整个研究开发过程中，起着越来越重要的作用。本文所建立的高压共轨系统的仿真计算模型的目的是分析系统部件结构参数对系统喷射过程压力、流量等特性的影响，为系统设计提供合理的数据范围，从而减少高压共轨系统设计中试验的工作量。本章主要从以下几点进行分析研究：分析并预测共轨系统高压泵中柱塞直径、泵腔余隙容积、柱塞最大升程以及凸轮型线等主要结构参数对其泵油能力以及泄漏量的影响；分析共轨系统共轨容积对轨压建立、轨压波动等特性的影响；对喷油器中一些主要的结构参数进行研究，分析其对喷油规律的影响。３．２提高柴油机高压共轨系统高压泵泵油能力的研究当前一些先进的柴油机共轨燃油系统其喷油压力已经达到１６０～１８０ＭＰａ左右，并将在未来几年内达到２００ＭＰａ甚至更高∞‘１１，而由于其系统压力主要由高压泵提供，因此对高压泵的泵油能力（泵油能力指在不同共轨压力下高压泵所能提供的最大泵油量的能力）提出了很高的要求ｂ‘２丑羽；对于用于车用柴油机共轨系统中的高压泵，要求其能够在起动时迅速建立起适于工作的油压，并且在变工况时，必须有较快的动态响应能力；由于共轨系统的喷油控制方式，调节压力所需油量较大，对泵油能力也有一定要求。上述三点都要求未来的高压泵必须有更高的泵油能力。要提高高压泵的泵油能力，可以增加缸数，但泵的体积、制造成本都将大幅上升。如何在现有工艺条件下提高泵油能力，则是迫切需要解决的问题。本章以所建立的共轨系统模型为基础，对高压泵中柱塞直径、泵腔余隙容积、柱塞最大升程以及凸轮型线等主要结构参数对其泵油能力以及泄漏量的影响进行了分析和预测，为进一步提高系统供油压力提出可行的方案。第三章高压共轨燃油系统特性分析３．２．１高压泵泵油能力分析ＥＣＤ－Ｕ２共轨系统的高压泵泵油过程如图３．１所示。由图可知，当柱塞回到初始位置后，ＰＣＶ（ＰｕｍｐＣｏｎｔｒｏｌＶａｌｖｅ）阀控制进油孔的开闭，从而确定是否开始压油。△＾为柱塞关闭进油孔后至出油阀打开所经过的行程，即增压行程；△拓为柱塞在出油阀打开后到上止点所经过的行程，即最大供油行程。以下分析中暂不考虑凸轮型线和燃油温度变化所导致的影响。Ｐ，ｏ＋Ｐｐ－Ｐｏ础访一鼢死对于泵腔建压过程，由于时间非常短，可忽略其泄漏量，根据物态方程得：缸朋，嘞嘲删：△７２ｌ＝鲣警』点置图３．１ＥＣＤ－Ｕ２共轨系统的高压泵泵油过程示意图式中，玩一柱塞总行程，ｍｍ；Ｐ，ｏ一初始共轨压力，ＭＰａ；Ｐ一一泵油结束时共轨压力，ＭＰａ；ｐ０一伺服压力，ＭＰａ；Ｐ，一出油阀开启压力，ＭＰａ；‰一泵腔余隙容积，舢３：第三章高压共轨燃油系统特性分析Ｅ一泵腔中燃油体积弹性模量，ＭＰａ；Ｓ一柱塞横截面面积，ｍｉｌｌ２。２）从出油阀打开开始供油，到泵油结束这段时间柱塞所经过的行程为眠：由于高压油压入共轨时，可认为此时共轨压力和泵腔中压力大致相等，即可认为共轨体积从ｖ０＋ＳＸ一Ａｈ：－－Ｖ。诎压缩至ｖ０，利用物态方程得：Ｐ，ｉ－－Ｐｒｏ乩百函藏ＳＡｈ，则泵油结束时共轨压力Ｐ，。为：Ｐｒｌ＝‰＋弘—一ｌ＋——Ｓｔｈｏ一绣最大循环供油量为：（３．１）Ｑ：—乃ｄ＿２Ａ—ｈ２斗式中，Ｖｏ一共轨和高压油管总容积，ｍｍ３：（３．２）ｖ－。。一泵腔余隙容积，ｍｉｌｌ３；Ｖｌ砒一每循环泄漏量，ｌｌｍｌａ；ｄ一柱塞直径，ｍｍ。由以上分析可知，高压泵的泵油能力主要与柱塞直径、柱塞最大有效工作升程、泵腔余隙容积以及柱塞偶件之间的泄漏量等因素有关。但是由于泄漏量同时又与前几项有很大关系，而在共轨高压泵中，柱塞偶件泄漏问题非常严峻，并将导致一系列影响高压泵工作性能的问题。因此，有必要同时考察高压泵各结构参数对该处泄漏的影响。３．２．２柱塞偶件泄漏分析３．２．２．１泄漏对高压泵工作能力的影响１．最高允许泵油压力降低４１第三章高压共轨燃油系统特性分析当共轨压力增大到一定程度后，其泄漏量将以指数速度上升，当泄漏达到一定量后，就可能不能建立起所需的泵油压力。未来对共轨压力要求是２００ＭＰａ甚至以上，所以必须减小高压时的泄漏量。２．共轨建压速度降低由于泄漏导致每循环泵油量的下降，将使共轨建立目标共轨油压速度降低。３．泵油量精度下降泄漏将导致对共轨压力控制精度的降低，虽然可以通过补偿控制或者其他控制方式，但仍将很难达到较高的精度。必须在把泄漏量控制在一定量的前提下，对共轨的油压控制精度才有可能达到工作要求。在实际高压泵设计和运行过程中，由于高压泵泵腔内压力将高达２００ＭＰａ甚至更高，因此泄漏问题就十分严峻。油泵泄漏的主要位置有：柱塞套安装台肩处、柱塞与柱塞套之间的径向间隙处、柱塞套定位螺钉处、出油阀以及回油阀等部位阻钉。从实际情况看，通过柱塞偶件的径向间隙处的泄漏量占了泄漏总量的主要部分。因此，柱塞偶件的泄漏问题成了提高高压泵工作能力的主要制约因素之一。柱塞偶件是高精密配件，由于柱塞承受的超高的压力，柱塞运动速度，以及对泄漏量的要求，也是高压泵中制造难度最大的一个部分。对柱塞偶件加工精度要求有：尺寸公差、同轴度、表面光洁度等。对于泄漏量而言，柱塞与柱塞套之间的间隙、柱塞在工作时相对套筒的位置、套筒受高压后变形情况等都极大地影响了泄漏量的大小。通过优化高压泵主要结构尺寸从而改善其工作能力，则是有效提高高压泵工作能力的重要方法。３．２．２．２泄漏模型的建立口·卜３·帕由于柱塞偶件中的泄漏流动可以视作通过一个狭窄间隙的层流流动，而这种流动又是剪切流（Ｃｏｕｅｔｔｅ流）和压差流（Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流）叠加作用的结果。在实际情况中，由于泵腔内压力和温度变化范围很大，从而导致配合局部间隙改变，流体粘度变化，从而大大改变泄漏量的值。本文则没有将上述因素考虑在内。柱塞偶件泄漏模型如图３．２所示。通过间隙的流速可由下式计算：第三章高压共轨燃油系统特性分析图３·２柱塞偶件泄漏示意图Ｒ（３．３）Ｑ＝卜（少）·２砂·ｄｙ式中，ｖ君流体在ｘ方向上的速度，’，（ｙ）为ｙ方向上的流体流动速度分布，可由Ｎａｖｉｅｒ－ｓｔｏｋｅｓ简化方程妾＝∥爹耦Ｖ（Ｊ，）＝ｉ１瓦ｄｐ了ｙ２＋ｑＪ，＋Ｃ２（３．４）式中Ｃ。和Ｃ２为积分常数，可根据边界条件算出。将式（３．４）代入式（３．３），得嘴≮杈，迅默蚺，如蝴城偈却堋一％鹰麓４俾＋剃鲰＝Ｉ２０ｄｔ‰一柱塞右端压力，Ｐａ；咒一柱塞套半径，ｍ；Ｒ。一柱塞半径，ｍ；。５’每循环泄漏量为：（３．６）式中圪一柱塞左端压力，Ｐａ；圪一柱塞套速度，ｍ／ｓ；圪一柱塞速度，ｍ／ｓ；∥一燃油动力粘度，Ｐａ．Ｓ，‘和ｆ：一分别为泄漏开始和结束时刻，Ｓ。第三章高压共轨燃油系统特性分析从公式（３．３）和（３．５）分析可知，许多影响泵油能力的结构参数，如柱塞直径、配合长度、柱塞速度等，都会影响到其泄漏量的大小。虽然上式给出了计算泄漏量的公式，但由于从公式中并不能明显观察出各参数对泄漏的影响，而有些参数看起来与泄漏量成一定的比例关系，但同时却也影响着其泵油能力的大小。因此，有必要通过模拟计算的手段来综合考察各主要参数对泵油能力和泄漏量的影响，从而为最终确定参数设置提供依据，以达到有效提高高压泵泵油能力的目的。３．２．３计算与试验对比图３．３为系统不喷油时，从启动到１３５ＭＰａ情况下的共轨管内压力变化情况，由图可见，计算结果与试验数据基本相符。图３．３共轨油压从０．１＿ｌＰａ变化至１３５ＭＰａ时的动态变化的计算值与试验值比较３．２．４各结构参数影响分析３．２．４．１柱塞直径图３．４为保持最小容积值等其他参数不变，选择不同直径的柱塞进行模拟计算，比较其共轨压力从０．ＩＭＰａ上升到１３５ＭＰａ的变化情况，。从图中可见，直径为９ｍｍ的柱塞达到目标值所需要的时间比直径为８ｍｍ的柱塞所需时间减少了约２０％。图３．５为在不同共轨压力下的每循环泵油量和泄漏量的比较结果。随着柱塞直径增加，泵油量基本成线性增加：泄漏量也不断增加，并随着共轨压力的上升幅度不断增大，而且在实际工作中，柱塞直径的增加将使泄漏量大大增加。因此，如果能够控制泄漏量，则增加柱塞直径可显著提高泵油能力，但缺第三章高压共轨燃油系统特性分析点是泵体体积将增大，并且凸轮所需峰值扭矩也将相应增加，如图３．６所示。同时凸轮所受接触应力也将相应增大。３．２．４．２泵腔余隙容积∞幻∞∞∞—ｅ三出痹林∞∞ｏＯ１０∞１５∞２０００２５∞凸轮转角【℃ａＡｌ图３．４共轨油压从０．ＩＭＰａ变化至１３５ＭＰａ时的动态变化图３．５不同共轨压力下的循环泵油量和泄漏量比较＾鲁ＶＺ埭辑蠡馨凸轮转角（℃ａＡ）图３．６共轨压力为１６０ＭＰａ时的所受驱动扭矩第三章高压共轨燃油系统特性分析在其他条件不变的情况下，修改泵腔的余隙容积ｖ－Ｍ即柱塞到达上止点时所剩泵腔容积（参考图３．１）。计算结果如图３．７和图３．８所示。由图３．７和图３．８结果可知，缩小泵腔余隙容积可以提高泵油能力，但效果并不很明显。这是由于燃油只需稍微压缩即可建立高压，所以泵腔余隙容积对泵油能力影响较小。但泵腔余隙容积太大，则会导致高压泵泵油能力下降，从而使每循环的最大供油量减少。而循环泄漏量则随着泵腔余隙容积增大而减少，原因是随着泵腔余隙容积的增大，建立高压所需时间变长，从而导致泵腔中高压持续的时间缩短。分析表明，泵腔余隙容积的改变对所受驱动扭矩影响不大。１∞１∞罡１００垂∞趟∞孽∞加０Ｏ５∞１∞０１５００加∞２５∞凸轮转角【℃积ｌ图３．７共轨油压从０．１ＭＰａ变化至１３５ＭＰａ时的动态变化枷湖瑚仰一∞。一嗍黑烘酹磬∞２２．５∞ＥＥ’５嘲赡耙，．６酶晤。４０８０ｔ２０ｔ８０Ｏ共轨压力［ＭＰａ］图３．８不同共轨压力下的循环泵油量和泄漏量比较３．２．４．３最大升程第三章高压共轨燃油系统特性分析为了分析凸轮最大升程对泵油能力等的影响，将凸轮最大升程放大１．２倍和１．４倍、同时保持泵腔余隙容积不变。由图３．９和图３．１０可知，随着柱塞有效泵油行程的增加，泵油能力大大提高，同时泄漏量则有一定下降。泄漏量的下降主要原因是由于柱塞偶件的平均配合长度的增加抑制了泄漏。因此，增加柱塞行程是一个比较理想的增加泵油能力并控制泄漏的方法，但行程加长后，所受的驱动扭矩峰值大大增加（见图３．１１），相应地对柱塞加工精度提出了更高的要求。凸轮转角（℃ａＡ）图３．９共轨油压从０．１ＭＰａ变化至１３５ＭＰａ时的动态变化嘲∞令４１２．５￡Ｅ２２．５；；ＥＥ●挪凛蝶１６捌嚷烈垂…７，５莲∞∞共机压力【ＭＰａＩ图３．１０不同共轨压力下的循环泵油量和泄漏量比较４７第二章高压共轨燃油系统特性分析图３．１ｌ共轨压力为１６０ＭＰａ时的所受驱动扭矩３．２．４．４凸轮型线ＥＣＤ—Ｕ２共轨系统高压油泵凸轮轴设计为三作用型，即一排凸轮上有三个“桃形凸起”，凸轮轴每转一周，凸轮带动每个柱塞动作三次。曲轴与凸轮轴的传动比为２：ｌ，即曲轴转两圈，共泵油六次。由于共轨燃油系统高压泵其基本作用只是对燃油加压，而没有分配和调量的功能，凸轮型线可以设计得比较简单。图３．１２为三种不同类型的凸轮型线及其速度特性曲线。删捌图３．１２三种不同凸轮的升程和速度特性曲线由图３．１３可知，不同凸轮型线对其泵油能力影响不大，其微小差别主要可能是来自于脉冲压力波的影响；但不同凸轮型线对循环泄漏量却有一定影响，原因主要是由于凸轮型线的速度分布的不同。由于柱塞迅速达到最高速度，其泵腔内压力也迅速建立，从而导致泵腔内高压持续时间的延长，如图３．１４所示，以致泄漏量的增加。同时，由图３．１５可知，凸轮型线对所受驱动扭矩影响也相４８第三章高压共轨燃油系统特性分析当明显。因此，凸轮型线的选择主要是考虑其所受峰值扭矩、最大接触应力以及对泄漏量等因素的影响。命ＥＥ啦ｌ赡ｌ亲』睡棼图３．１３不同共轨压力下的循环泵油量和泄漏量比较２００１８０一’∞罡１４０芝１２０Ｒ１００寓８０藤：加Ｏ凸轮转角（℃ａＡ）图３．１４共轨压力为１６０ＭＰａ时泵腔内压力变化凸轮转角（℃ａＡ）图３．１５共轨压力为１６０ＭＰａ时的所受驱动扭矩３．２．４．５共轨容积４９第三章高压共轨燃油系统特性分析计算模型中将共轨简化为压力处处相等的刚性容积腔。考虑共轨容积时，由于高压油管的容积不能忽略，且其压力变化和共轨压力变化同时进行，所以在计算时，必须将共轨容积看作共轨本身容积和高压油管容积之和。分析可知，共轨容积大小对其高压的形成有较大的影响。为了能够获得比较快的建压速度，常常希望设计成容积较小的共轨；但共轨容积太小，必定会导致轨压波动幅度增加。因此，必须综合考虑两者影响因素，合理选择共轨容积。这个问题将在下一部分详细讨论。３．２．４．６加工精度柱塞偶件是高精密配件，由于柱塞承受超高的压力，柱塞运动速度以及对泄漏量的要求，也是高压泵中制造难度最大的一个部分。对柱塞偶件加工精度要求有：尺寸公差、同轴度、表面光洁度等。对于泄漏量而言，柱塞与柱塞套之间的间隙、柱塞在工作时相对套筒的位置、套筒受高压后变形情况等都极大地影响了泄漏量的大小。３．２．５总结从以上分析可以了解到，在不考虑凸轮峰值扭矩和最大接触应力的情况下，增大柱塞直径和延长柱塞有效行程都将可能是在泄漏量控制在一定范围内的前提下，有效提高泵油能力的方法；凸轮型线的选择也要综合考虑并权衡对泄漏量、峰值扭矩、最大接触应力等的影响；共轨容积对轨压形成起着非常重要的作用。由于对高压油泵内泄漏量难以测量，但它又是提高泵油能力必须克服的一个问题，因此对其进行仿真模拟计算不失为一个较好的方法，也大大降低了研究初期的工作量。同时需要指出，在研究如何提高高压泵泵油能力的过程中，需要兼顾到许多结构、工艺等各方面因素的限制，必须在大量试验的基础上，才能实现有效提高高压泵泵油能力，满足未来共轨系统对系统压力的要求。３．３高压油轨容积的对系统特性影响高压油轨作为蓄压器，可减小高压油泵供油过程和电控喷油器燃油喷射过程中产生的压力波动，因此其容积必须足够大，实践证明需要取高压泵最大循第三章高压共轨燃油系统特性分析环供油量的１００倍以上。图３．１６和３．１７为不同共轨容积时，喷出等量喷油量时共轨的压力波动情况，以及其对喷油规律的影响情况。随着油轨容积的增大，高压油轨中的压力波动逐渐减小，但压力波动的减小程度与高压油轨容积的增大程度并不成线性关系，高压油轨容积增大到一定程度后，压力波动的减小量逐渐减少。在高压油轨中压力稳定、系统正常运行时，高压油轨容积的变化对喷油规律几乎没有影响。主要是高压油轨与喷油器之间包括高压油管、限流器、喷油器内油道等节流通道，减小了高压油轨压力波动对喷油规律的影响，而限流器中的节流孔又进一步降低了高压油轨压力波动对喷油规律的影响。伪《盈量ｐ窆，∞＇驻５ｌ氓，花得粤伽曩杂－＇３１督丰Ｋｍ５＇∞共轨凸轮转角（℃ａＡ）图３．１６不同共轨容积对油压波动影响图３．１７共轨容积对喷油规律的影响高压油轨容积的增大，可减少高压油轨内的压力波动。但是，高压油轨容积的增大，使柴油机启动时高压油轨内压力建立缓慢，不利于柴油机的启动。图３．１８为不同共轨容积时，在柴油机从冷启动到轨压达到１３５ＭＰａ时高压油轨压力的变化情况，在计算中不考虑系统中残压的存在，即计算初始点的压力为环境压力。可以看出，当高压油轨容积较小时，高压油轨压力可以在１＂－，２个柴油机循环内建立起来，而当高压油轨容积较大时，高压油轨压力的建立过程相应延长，不凸轮转角（℃ａＡ）图３．１８不同共轨容积对压力建立时间的影响５１利于柴油机的启动。第三章高压共轨燃油系统特性分析综合上述分析，可以确定：在选取高压油轨容积时，应结合柴油机的循环喷油量、高压供油泵的最大循环供油量综合考虑，既要保证在供油和喷油过程中高压油轨内的压力波动较小，保证系统的稳定性，又要保证柴油机启动过程中油轨内的油压能够迅速建立，提高柴油机的启动性能及变工况性能。３．３喷油器主要参数对喷油规律的影响电控喷油器是高压共轨系统中最复杂的部件，电控喷油器的结构参数以及工作性能的好坏，直接影响了整个高压共轨系统的工作性能，因此，应对电控喷油器进行详细的研究。由于喷油器最终获得的是喷油规律，因此，本节以喷油规律为最终研究对象，对喷油器各关键结构参数进行分析研究。喷油速率是单位时间（以＂ＣａＲ，＂ＣＡ或ｍｓ表示时间）内的喷油量（以ｇ、ｍｇ、ｍｍ３度量油量），亦称喷油率。喷油速率随时间（以＂ＣａＲ，＂ＣＡ或ｍｓ表示时间）的变化关系，称为喷油规律。喷油规律直接影响着发动机的燃烧率、放热率、燃烧规律和放热规律，即影响着燃烧和放热的进程∞·＂。大量实验证明，对直喷式柴油机喷油规律的要求是：先缓后急断油快。即初期喷入气缸内的油量要少，而中后期的喷油量要急而多，即绝大部分油量在中后期喷入气缸；并在最后结束喷油时要断油快而干净利落。前期逐步增加的喷油率可以降低ＮＯ。和噪声，并在喷油定时提｜ｊ｛『较大时改善比油耗；后期断油迅速可以减少后燃期喷入的燃油，改善排放和降低油耗。但是必须强调指出的是，不能孤立地评价喷油规律的优劣，而应该与燃烧室内气流运动情况、燃烧室结构型式、混合气的形成以及发动机工况等多种参数统一考虑，同时也要考虑在运用了预喷射、后喷射及多次喷射后的情况。３．３．１喷油规律计算模型本模型选用ＹＣＯ喷嘴，其喷油规律根据伯努利方程得到：Ｑ州＝ｓｉｇｎ（ｐ。一ｐ啪ｊｐｈ（３．７）其中，龟叫为喷油率；‰为喷嘴与针阀座最小截面处面积，当针阀不动时为第三章高压共轨燃油系统特性分析ｏ，针阀向上运动时，４妫＝ｎｈ。缸以。跆万％ｓ加＿ａｓｒｅａｔ，其中嘞。跆为喷孔孔数，以。蛔为孔口截面积，丸肠为孔径，侈嘲，为针阀座面角。３．３．２计算结果与实验对比时同（ｓ）图３．１９喷油规律实验与计算结果对比试验结果与计算结果对比如图３．１９所示，可见，计算所得结果与实验结果基本吻合，实验结果在喷射完成后的波动则是由于传感器的惯性所引起的。３．３．３各结构参数影响分析３．３．３．１孔数和孔径对喷油规律的影响喷油器喷孔是燃油喷入燃烧室的通道，在共轨压力和喷射持续时间一定的情况下，喷孔总截面积的大小直接决定了循环喷油量的大小。同时，为了获得更好的喷射雾化效果，需要缩小喷孔直径，在要求循环喷油量不变的情况下，只能通过增加孔数来达到要求。因此，正确选择孔数和孔径是优化柴油机喷射和燃烧匹配的关键。表３．１为６组不同的孔径和孔数配置方案。其中，第１、２和３组的总流通面积基本一致，第４、５、和６组也基本一致。图３．２０给出不同孔径孔数配置情况下的喷油规律计算结果。从结果中可以看到，在总流通面积大致相等的情况下，由于孔径变小导致节流明显，喷油率有明显下降；且随着孔数增加和孔径的减少，初期喷油速率有一定提高。第二章高压共轨燃油系统特性分析表３．１孔数和孔径尺寸设置编号１２３４５６孔数６７８５孔径（ｍｍ）０．２１０Ｏ．１９５０．１８００．２ｌＯ０．１９００．１７５总流通面积（ｒａｍ２）０．２０７７０．２０８９０．２０３５０．１７３ｌ０．１７０００．１６８３６７凸轮转角ＯＺａＡ）图２．２０不同喷孔孔径和孔数对喷油规律的影响因此，在选择喷孔截面积时，应根据选定的高压油轨压力以及柴油机所需最大循环喷油量的要求，结合理论计算结果、柴油机燃烧室形状以及试验结果综合确定。３．３．３．２流量系数对喷油规律影响图３．２ｌ为不同流量系数对喷油规律的影响计算结果。从图中可明显看出，提高喷嘴流量系数可大大提高平均喷油速率，虽然现在先进的加工工艺能够使得喷孔直径不断变小，而现实情况是孔数却不能增加过多，因而努力提高流量系数将是更加切实可行的方案。３．３．３．３调压弹簧预载对喷油规律影响图３．２２＂图３．２４为弹簧预紧力Ｆ从８０Ｎ到２００Ｎ时，燃油系统启喷压力和喷油规律以及喷油压力的计算结果变化比较。从图中可看出，随着预紧力Ｆ变第三章高压共轨燃油系统特性分析凸轮转角（℃ａＡ）图３．２１不同喷孔流量系数对喷油规律的影响大，启喷压力基本成线性提高，初期喷油速率上升变得缓慢，后期喷油率断油也变得更快，且喷油率的峰值降低；但最高喷油压力从１３９．５ＭＰａ降至１２７．９ＭＰａ。可见，预紧力虽然可以使得喷油规律有一定的“先缓后急”趋势，但这是以损失喷油压力为代价的。由于针阀升程很小，所以调压弹簧的刚度对喷油规律基本没有影响。＾垩蠢晷但图３．２２不同弹簧预紧力对启喷压力的影响瓮皇Ｉ旃震磐凸轮转角（℃ａＡ）图３．２２调压弹簧预紧力对喷油规律的影响第三章高压共轨燃油系统特性分析１∞１４０２伽兰１∞Ｒ∞墨∞螫∞２００图３．２４调压弹簧预紧力对喷油压力的影响３．３．３．４针阀等运动件质量图３．２５为针阀等运动件质量从５９到２０９时其喷油规律变化计算结果。可见，随着针阀质量的增加，喷油规律先缓后急的趋向更加明显，且喷油中期喷油速率波动减小。但由于针阀惯性增加，当针阀质量取到２０９时甚至会产生微量的二次喷射。＾７《·宝。ｌ蒋３曩２螫，凸轮转角（℃ａＡ）图３．２５针阀等运动件质量对喷油规律的影响３．３．３．５针阀最大升程图３．２６～图３．２８是针阀最大升程ｈ的改变对针阀运动、喷油规律和喷油压力的影响计算结果。从结果可知，针阀最大升程ｈ从０．２５ｒｍ到０．４５舳变化时，对喷油规律的前期基本没有影响，但喷油率峰值大大增加，对于喷油后期喷油率变化减缓，尤其是其峰值点和尾部，ｈ＝０．４５咖时喷油率峰值最大，断油响应变慢，且平均喷油率较大。３．３．３．６进油量孔和出油量孔参数设计第三章高压共轨燃油系统特性分析ｌ运束屡本凸轮转角ｆ℃ａＡ）图３．２６不同针阀最大升程对针阀升程运动规律的影响名山笺Ｒ幽震螫凸轮转角（℃ａＡ）图３．２７不同针阀最大升程对喷油压力的影响００８７６５４３《＼邑静是螫２１０凸轮转角（℃ａＡ）图３．２８不同针阀最大升程对喷油规律的影响经分析可知，因为进油量孔和出油量孔的孔长都比较小，决定其流量的主要因素便是其孔径，因而只有在满足进油量孔直径小于出油量孔直径的情况下，控制腔才有可能卸压，喷油器进行喷油。在满足这个条件下，利用正交分析法对进出油量孔之间的关系进行分析。表３．２为满足进油量孔孔径小于出油量孔第三章高压共轨燃油系统特性分析孔径的前提下所设计的９组不同进出油量孔孔径尺寸设置。图３．２９为出油量孔和进油量孔对喷油规律的影响计算结果。由计算发现，在满足上述条件情况下，进油量孔直径对喷油规律基本没有影响，主要是出油量孔直径在产生作用。随着出油量孔孔径的不断增大，平均喷油率也不断提高，前期喷油率也逐渐变陡但后期喷油率变化不大。表３．２进油量孔直径和出油量孔直径尺寸设置编号ｌ２３４５６７８９进油量孔直径（ｒａｍ）０．１５Ｏ．１５Ｏ．１５Ｏ．２０Ｏ．２０Ｏ．２００．２５Ｏ．２５０．２５出油量孔直径（ｒａｍ）０．２５０．２７０．３００．２５０．２７０．３００．２７Ｏ．３００．３３Ｏ口８７６５４３《、￡ｍ置一诗畏螫２，００５１０１５∞衢∞筠凸轮转角（℃ａＡ）图３．２９不同进出油量孔直径对喷油规律的影响３．３．３．７油压活塞上方控制腔容积图３．３０为改变油压活塞上方的控制腔容积圪对喷油规律的影响计算结果。从结果可以看出，不同的控制腔容积，致使喷油规律有一定平移，从而导致响应速度变慢。因此，理论上来说，油压活塞上方的控制腔容积应该设计得越小越好。第三章高压共轨燃油系统特性分析Ｏ８７ｅ５４３２《、眦铸舞螫１Ｏ图３．３０活塞上方控制腔容积对喷油规律的影响３．３．３．８喷油背压对喷油规律的影响图３．３１给出了不同喷油背压‰对喷油规律的影响计算结果。背压高后，喷孔处的压差变小，最大喷油速率应下降，但由于系统压力非常的高，从而喷油规律几乎不受喷油背压的影响。＾《》暑ｇｐ豁震螫图３．３ｌ喷油背压对喷油规律的影响３．３．４结论运用ＨＹＤＳＩＭ对共轨系统进行了模拟计算分析，所建立的计算模型能较好地模拟共轨系统喷油器的内部工作过程，且与实验结果大致相符。随着排放法规对喷油系统雾化能力的要求越来越高，导致喷油器喷孔数不断增加，喷油孔径逐渐趋小，但由于喷孔数的进一步增加受到结构上的限制，因此提高喷油嘴流量系数成为一个保证喷油速率的可行方案。５９第三章高压共轨燃油系统特性分析调压弹簧预紧力和刚度、针阀质量、针阀最大升程、油压活塞上方控制腔容积以及喷油背压等参数对喷油规律影响不是很大，但在进行设计时仍需要仔细考虑，设定最佳的可行值。控制腔的进出油孔的设置对喷油规律的形状、喷射响应时间影响非常大，并且非常敏感，因此，必须根据实际理论分析和试验结果，进行仔细设计，以期达到最佳配置。３．４参考文献【３．１】徐家龙，藤泽英也．日本电装的电控高压共轨喷油系统－－ＥＣＤ．Ｕ２．国外燃机，２０００（２）【３．２】张煜盛，徐建新，徐波等．共轨燃油系统高压油泵设计研究．内燃机工程，２００５（２）．【３．３】张辉亚，张煜盛，张墙榕等．柴油机高压燃油泵的改进设计研究．华中科技大学学报，２００２（３）【３．４】徐建新，张煜盛，徐波等．共轨燃油系统高压油泵泄漏与密封的研究．柴油机设计与制造，２００４（４）【３．５】王善佑．喷油泵内泄漏的产生部位及防治措施．内燃机，２００１（３）【３．６】王桂华，陆辰等．柴油机电控高压燃油喷射系统中泄漏的研究．内燃机程，０００（４）【３．７】安士杰．高压共轨系统仿真及其电控喷油器研究．海军工程大学博士论文．２００３年３月【３．８】何学良，李疏松．内燃机燃烧学．机械工业出版社，１９９０年５月【３．９】贾锡印，李晓波．柴油机燃油喷射及调节．哈尔滨工程大学出版社，２００２（２）６０第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究４．１概述准确的喷油量和喷油正时是柴油机电控燃油喷射系统的核心。在高压共轨电控系统中，由于采用了压力一时间燃油计量方式，即燃油喷射量是由喷射油压和喷油脉宽共同决定的。为获得电控喷油系统种种优点，首先必须实现稳定的喷射油压，并且动态工况时要求建压迅速、准确。在所研究的高压共轨系统中，在其工作过程中产生波动的原因主要有下列两种：泵油过程所产生的共轨压力波动；喷油过程所产生的共轨压力波动。前者可以通过优化供油泵工作方式改善控制技术将波动限制在一个比较小的范围内，而后者是被动的波动，只能通过增加共轨容积来抑制这种波动。因此，这些因素决定了其轨压控制的复杂性。针对共轨燃油喷射压力的控制要求，可以选择采用不同的控制方式如ＰＩＤ控制、模糊控制、神经网络控制等，并且可以通过它们之间的结合来进行控制。对于传统的ＰＩＤ控制器Ｈ川，由于其ＰＩＤ控制参数不变，因此很难适应发动机多工况的要求。本章通过在计算机上实现共轨系统的油压控制仿真，实现了通过模糊参数自整定ＰＩＤ参数的控制方法，并通过模拟计算几个不同工况点，基本满足燃油系统对油压控制的要求。４．２控制模型的建立通过ＨＹＤＳＩＭ与ＭＡＴＬＡＢ的接口Ｍ－－Ｆｕｎｃｔｉｏｎ模块Ｈ＿１，可以直接利用ＥｄｔＴＬＡＢ的Ｍ文件编写控制程序，从而可以将整个共轨系统在计算机上实现实时控制仿真。Ｍ文件从ＨＹＤＳＩＭ中主要采集四个实时信号：当前凸轮转角、当前仿真时刻、共轨油压以及共轨中的体积模量值，首先根据当前共轨压力与目标压力之差，由ＰＩＤ控制计算方法计算出所需供油量，由当前凸轮转角根据凸轮型线反推出柱塞升程位置，并结合曲轴转速来确定压力控制阀开启关闭时刻。控制模型框图如图４．１所示。６ｌ第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究模型中涉及到最小泵油量的问题，即在共轨实际压力与目标压力的差值在一定范围内，高压泵停止泵油。这个差值的设置，要考虑到多种因素：高压泵的最小泵油量，共轨可容许的最大压力误差值，压力控制阀的控制精度等等，所以必须根据实际情况选择一个比较合适的差值。图４．１控制原理流程图４．３模糊参数自整定ＰｌＤ控制介绍６２第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究４．３．１ＰＩＤ控制简介Ｈ．３】对偏差的比例（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）、积分（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）和微分（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）的综合控制，简称ＰＩＤ控制。ＰＩＤ控制器本身是一种基于对“过去＂、“现在＂和“未来＂信息估计的简单但却有效的控制算法。在控制理论和技术飞跃发展的今天，ＰＩＤ控制由于其简单、稳定性能好、可靠性高等优点，仍有其强大的生命力。ＰＩＤ控制器广泛应用于冶金、机械、化工等工业过程控制之中。其控制系统原理如图４．２所示：图４．２ＰＩＤ控制原理图在连续控制系统中，ＰＩＤ控制器的输出ｕ（ｔ）与输入ｅ（ｔ）之间成比例、积分、微分的关系。即：砸叫町，＋丽Ｉ·４－半，式中：ｅ（ｔ）＝ｙ册（，）一ｙ（ｔ）；间常数。ＰＩＤ表达式为：他！！｝Ｋｒ为比例增益，Ｔ·为积分时间常数，ＴＤ为微分时在计算机控制系统中，使用比较普遍的也是ＰＩＤ控制策略。此时，离散的甜（七）＝Ｋ．ＰＰ（七）＋Ｋ，∑Ｐ（／）＋ＫＤ［ｅ（ｋ）－ｅ（ｋ－１）］（４．２）其中：Ｋｐ、Ｋ。、Ｋｐ分别爿比例系数、积分系数和微分系数，ＫＩ－－＇Ｋ，Ｔ／Ｔ。，Ｋｏ＝ＫＰＴ。／Ｔ；ｋ为采样序号，ｋ－－Ｏ，１，２，…，Ｔ为采样周期，为书写简洁将ｅ（ｋＴ）表示成ｅ（ｋ）；ｕ（ｋ）为第ｋ次采样时刻的计算机输出值；ｅ（ｋ）为第ｋ次采样时刻输入的偏差值：ｅ（ｋ一１）为第（ｋ－１）次采样时刻输入的偏差值。第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究以上算法称为位置式ＰＩＤ算法。由于在设计ＰＩＤ控制器中，要调整３个参数，根轨迹与博德图设计方法通常不被直接采用。Ｚｉｅｇｌｅｒ与Ｎｉｃｈｏｌｓ发展了ＰＩＤ调节器设计方法Ｈ‘４１。该方法基于简单的稳定性分析方法。首先，置‰＝Ｋ。＝Ｏ，然后增加比例系数直至系统开始震荡（即闭环系统极点在ｊｗ轴上）。再将该比例系数乘０．６，其他参数则按下式计算得：ＫＰ＝０．６Ｋ朋舻等Ｋ，：—Ｋｐ—ｏＪｍ万（４．３）式中，Ｋ。为系统开始震荡时的Ｋ值；国。为震荡频率。目前柴油机燃油共轨系统普遍采用ＰＩＤ控制，参数确定采用经验或试凑法。这种选择需要一定的技巧，但对系统内部参数变化有一定的适应能力，设计也简单，所以在一定范围内使用广泛。但由于发动机的非线性及时变性问题很突出，随着转速、负荷及其他运行条件的变化，其内部参数发生较大变化，这使得ＰＩＤ控制性能不足以补偿参数的变化，导致性能下降，甚至引起系统运行不稳定。因此，为达到较好的控制效果，参数应根据实际情况调整，其取值规律如下：１）比例项系数ＫＰＫ，大，系统响应快，调节精度高；但Ｋ，过大时，易造成系统超调。甚至不稳定。因此在大误差时采用大Ｋ，值以提高系统响应速度；当系统接近稳态区域时，要减小ＫＰ值以防止超调，稳态时ＫＰ值应适中。２）积分项系数Ｋ。Ｋ积分的作用主要是消除稳态误差，以提高系统调节精度。ｚ值大，误差消除能力强，但在起动过程中易出现积分饱和现象，调节超调量增加。因此要求Ｋｔ在大误差时为０，以消除积分饱和现象：在中误差时，采用较小的积分系数：进入稳态区域时，相对加大积分系数。这样可实现变系数积分，既保证稳态时对积分的要求，又避免了积分饱和现象。３）微分项系数Ｋｎ其主要作用是通过它对系统变化的抑制，达到改善系统动态特性的目的，即起阻尼作用。Ｋ。值大。阻尼性增强，因此在大误差时应使Ｋｏ为零，即去掉阻尼作用以加快系统响应：当误差接近稳态区域时，应使Ｋｏ值为最大以抑制变化趋势，从而起到减少超调的目的：当系统进入稳态区域时，应选择适当的Ｋｏ使控制稳定。４．３．２模糊控制算法简介“·锄第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究如果选择常规的ＰＩＤ控制算法，其参数相对固定，则很难适应发动机工况的不断变化。因此，为提高控制效果必须根据实际情况对参数进行调整。本文采用参数自整定模糊推理算法来达到在线调整的目的。模糊控制即是通过模拟人脑的模糊思维方法，从而实现对被控系统的控制。所谓模拟人脑思维，简单地说就是先将人工实践经验用模糊语言的形式加以总结和描述，产生一系列模糊控制规则，再通过模糊推理，将输入量变换为模糊控制输出量这样一个过程。通常模糊推理要经过模糊化、模糊推理、模糊裁决和反模糊化等４个步骤，这４个步骤下一节将结合共轨系统进行详细介绍。模糊控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂，建立精确的数学模型特别困难，甚至不可能。而模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可以对系统进行实时控制。模糊控制在实际工业生产中，已经获得了巨大的成功。其主要原因在于它具有如下一些突出特点：１．模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，其依据是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。２．由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。３．基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律问的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。４．模糊控制是基于启发性知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。５．模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响大大减弱，尤其适合于非线性，时变及纯滞后系统的控制。４．３．３模糊自整定ＰｌＤ控制算法Ｈ一叫棚６５第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究对于传统的ＰＩＤ控制器，由于柴油机工作过程本身所具有的非线性、时变性和不确定性，很难建立精确的数学模型，同时其参数的调节也不能在每个工况下都达到最优，无法兼顾动态性能和静态性能；对于传统的模糊控制器，则难以找出合适的隶属函数和模糊控制规则，难以针对特定的对象实施有效的控制，且存在着对于多条模糊控制规则进行实时运算计算量大的缺点。若采用离线计算的模糊控制表的方式，则由于其规则固定，而不能适应被控对象的变化。因此提出接合这两者的优点，提出了模糊自整定ＰＩＤ控制器，对ＰＩＤ控制进行改进。模糊自整定ＰＩＤ控制算法是在ＰＩＤ算法的基础上，通过计算当前系统误差ｅ和误差变化率ｅｃ，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行Ｋ。、Ｋ。、Ｋ。各参数的调整。调整的过程中必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互连关系Ｈ一１。这种控制算法可以基本满足发动机工作不断变化的要求。模糊ＰＩＤ控制系统控制框图如图４．３所示。图４．３模糊ＰＩＤ控制系统控制框图４．４模糊参数自整定ＰＩＤ参数的控制算法４．４．１控制算法具体步骤本文根据模糊控制理论，将模糊推理分为输入模糊化、模糊推理和反模糊化等３个步骤。１．输入模糊化第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究输入模糊化就是将输入量在论域内模糊化。论域指进行模糊控制的输入量的范围，这个值必须根据实际情况，依据经验和调试确定较合理的论域。文中由于主要讨论的是在泵油能力允许范围内的控制，因此选择在最大泵油能力范围内的误差和误差变化作为该论域。但由于在不同的共轨压力情况下，其论域又是不同的，因此，本文利用线性插值来确定不同共轨压力下不同的控制论域。模糊化方式主要由隶属函数来判断。隶属函数主要有正态分布型、三角型和梯形等ＨＪ州，可根据不同进行需要选择。一般输入量为当前系统误差ｅ和误差变化率ｏｃ。本文所选用的隶属函数为较简单也较实用的三角型隶属函数，本文中定义了７种模糊子集：ＮＢ（负大）、ＮＭ（负中）、ＮＳ（负小）、０（零）、ＰＳ（正小）、ＰＭ（正中）、ＰＢ（正大），具体如图４．４所示。燃燃－３·－２·－１０１２３ｅＣｅｃ）图４．４偏差ｅ和偏差变化率ｅｃ的隶属函数图２．模糊推理同时也对模糊输出Ｕ定义了４种模糊子集：０（零）、ＰＳ（正小）、ＰＭ（正中）、ＰＢ（正大），根据实际系统控制所需的情况，以误差和误差变化为根据建立模糊控制规则表，该表需要不断根据实际情况进行调试。结合实际的共轨系统油压控制实际情况，可判断出当误差ｅ为小于或等于０时输出应该也为０。若ｅ大于０，当ｅｃ为负大时可判断为增压阶段，Ｋ，应该较大，而Ｋ。、Ｋ。取Ｏ；当ｏｃ为正中或负中时，表明系统状态为接近稳态或是喷油量调整，Ｋ，应取适中以防止超调，而Ｋ，应取较小值，Ｋ。则取最大值以抑制变化趋势，从而起到减少超调的目的；当ｏｃ为Ｏ、正小或负小时为稳态喷油阶段，Ｋｒ应该取最小值以防止超调，而Ｋ，取较大值以保证消除稳态误差，提高系统调节精度，第四幸共轨燃油系统轨压控制技术研究Ｋ。则应该取适中值以使控制稳定；若ｅｃ为正大，则说明可能有系统故障存在，应停车以进行检修。必须指出的是，作出最后一个判断的前提是，其喷油量是在一定的范围内变化，从而在正常稳态喷油时ｅｃ经模糊判断应为非正大。根据ＰＩＤ各参数对控制的影响关系，通过模型整定得下表４．１～表４．３：表４．１Ｋｐ模糊控制表ＮＳ三＼∑｜．．Ｋ中ＮＢ＼即ＮＢＮＭ０Ｏ００ＰＳＯ０００ＯＰＳＰＭ０００ＯＰＳＰＢ００００ＮＮＮＯ０ＯＯＯＯ００００ＮＭＮＳＯＰＳＯ０ＰＢＰＢＰＢＰＳＰＭＰＭＰＳＰＳＰＳＰＳＰＭＰＭＰＭＰＢＰＭＰＭＰＭＰＭ表４．２Ｋ。模糊控制表孓迭．．ＮＢＮＢＮＭ０００ＮＳＯＯ０ＯＯ０ＯＯ０ＰＳＰＭ００００ＰＢＯＯ０Ｏ０Ｏ０ＯＯ０００００ＮＮＮＮＭＮＳＯＰＳ０ＩＳＩＳ０ＩＭＩＭｌＢＩＭＩＢＩＢＩＭＩＭＩＢＩＳＩＳＰＭＰＢＯ０表４．３ｌ（Ｄ模糊控制表Ｏ０ＰＳ。入３ＫＤ＼ｅｃＮＢＮＢＮＭ０ＮＳＰＭ００００ＤＢＤＢＤＢＰＢＯＯＯＯＯ０００Ｏ０ＮＭＮＳＯＰＳＯＯ０ＤＢＤＢＤＢ０Ｏ０ＤＳＤＳＯ０００Ｏ０Ｏ００ＮＮＮＤＭＤＢＤＢＤＭＤＢＤＢＰＭＰＢＤＭ表中，Ｎ表示故障停车。第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究模糊推理控制规则为表格的形式，其模糊过程符合了人类自然语言习惯，在确定了各参数模糊控制表后，需要通过程序语言输入计算机，其推理规则用数学形式表示为：ｉｆｅ－－ａｎｄｅｃ＝ｔｈｅｎＫ＝。３．反模糊化为了简化输出模糊量反模糊化过程的计算量，将输出论域的隶属函数定义为单点。经过不断的调试和修正，最后确定其论域为：ＰＢ取１．７，ＰＭ取１．１５，ＰＳ取０．４；ＩＢ取０．５，ＩＭ取０．３５，ＩＳ取０．１５；ＤＢ取１．１５，ＤＭ取０．６，ＯＳ取０．３。４．模糊控制算法流程图图４．５为模糊ＰＩＤ控制的算法流程图。４．４．２计算结果在进行了大量调试工作后，所建立的控制模型基本能够满足发动机的工作需要。由于喷油以及供油过程中本身就产生了较大的共轨波动，因此油压精度并不能够达到很高。但一般认为，轨压控制在误差５ＭＰａ以内即可满足工业要求。本文计算了不同共轨初始压力到不同目标压力的控制模拟结果，以及稳态时不同喷油量情况下控制系统工作情况。结果如图４．６～图４．１２所示。第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究设置基本论域及初值‘＼Ｉ∥Ｎ、、—≮夕Ｊ误差Ｐ：【＿邑误差变化毒：【＿也控制量材：［－－Ｘｕｘ。】叠。】屯】，上址’、、～Ｙｌ计算ｅ（七），舌（七）≤多Ｎ了一ｅ（ｋ）＝ｘ。“七）＝－－Ｘｅ占一Ｎ，一Ｎ毒（七）＝ｉｅｅ（ｋ）＝屯上，“七），垂（七）模糊量化处理，查询表确定ＰＩＤ参数，根据ＰＩＤ算法计算“（七）一Ｎ，一Ⅳ（七）＝Ｙ。”（七）＝－ｙ。上第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究图４．５模糊ＰＩＤ控制的算法流程图０是ＶＲ幽器械Ｏ６∞８００１０００１２００１ｄ００１０００１８００２０００凸轮转角（℃ａＡ）图４．６不同初始压力达到８０肝ａ时共轨压力动态图＾芒墨ｖＲ坦辞状凸轮转角（℃ａＡ）图４．７不同初始压力达到１００１伊ａ时共轨压力动态图７ｌ第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究＾嚼邑较出暴球凸轮转角（＂ＣａＡ）图４．８不同初始压力达到１２０ＭＰａ时共轨压力动态图＾皇ＶＲ出痞球凸轮转角（＂ＣａＡ）图４．９不同初始压力达到１４０ＭＰａ时共轨压力动态图０生Ｖ瀑罄懊＾穴出蒜嗣＜营弋一巴凸轮转角（＂ＣａＡ）图４．１０喷油持续期为Ｉｍｓ时共轨压力动态图７２第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究＾屯漂薄橱＾弓穴出邑＼一０餐丰Ｋ。．图４．１１喷油持续期为１．５ｍｓ时共轨压力动态图爆善令垒ＶＲ幽辞球１｝ｌ｝＾邑＼ｄ巴凸轮转角（’ＣａＡ）图４．１２喷油持续期为２ｍｓ时共轨压力动态图从结果可以看出，该控制方法可以根据发动机对喷油压力的不同要求设定喷油压力，并且在不同的实际压力和喷油量的情况下，能够准确快速地达到目标压力。４．５本章小结压力控制在共轨燃油系统开发中是非常关键的部分，直接影响到了共轨发动机的性能和排放。由于常规ＰＩＤ控制算法对不同误差区域内采用了相同的控制参数，因此，很难在发动机变工况时得到很好的控制精度。本文利用了模糊第四章共轨燃油系统轨压控制技术研究推理的基本原理，根据不同的误差和误差变化区域确定相应的控制参数，即参数自调整模糊ＰＩＤ控制，在计算机上建立了燃油系统的共轨控制模型。计算结果表明，该控制方法在发动机工作过程中能够获得比较理想的结果，为获得提高共轨压力突变、喷油量变化适应能力以及稳态准确度提供了一个比较好的方法。４．６参考文献ＨＵ唐永良．两种模糊ＰＩＤ油压控制方法在ＧＤ．１高压共轨柴油机上的应用和比较．柴油机，２００５年１月ＨＹＤＳＩＭＲｅｆｅｒｅｎｃｅＭａｎｕａｌ．Ｖｅｒｓｉｏｎ４．２，２００１．６降ＭＭ刁封ｑＨＨ习ｑＭ刀陶永华，尹怡欣，葛芦生等．新型ＰＩＤ控制及其应用．机械工业出版社，１９９８年９月魏克新，王云亮，陈志敏等．ＭＡＴＬＡＢ语言与自动控制系统设计．机械工业出版社，２００４年９月诸静等著．模糊控制原理与应用．机械工业出版社，２００１年６月宋国民，黄茂杨，季晓华等．基于参数自调整模糊ＰＩＤ算法的前馈共轨压力控制．东南大学学报，２００５年５月杨林，冒晓建，郭海涛等．柴油机喷油压力的智能开关型模糊ＰＩＤ复合控制．车用发动机，２００２年８月．赵福堂，宾科，冯国胜等．共轨燃油压力模糊ＰＩＤ控制器的设计．北京理工大学学报，２００３年６月．Ｈ研【４．９】刘金琨，先进ＰＩＤ控制及ＭＡＴＬＡＢ仿真．电子工业出版社，２００３年９月【４．１０】单东．模糊控制原理与应用．中国铁道出版社，１９９７【４．１ｌ】卢兰光．中压共轨系统油压控制中ＰＩＤ参数的整定方法．武汉理工大学学报第２５卷，第ｌ期．２００１年３月７４第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析５．１引言燃油系统的喷射特性是发动机燃烧过程控制的重要参数之一。随着电控喷射技术的不断发展，发动机工程师对于优化喷射特性的自由度大大增加。近年来围绕不同形式喷油率，如斜坡形、矩形、分段形、预喷、后喷及多次喷射对燃烧质量的影响进行了广泛的试验研究和理论分析。通过与发动机的匹配研究表明，根据柴油机不同工况选择不同形式的喷油规律曲线和喷射策略，可以在改善柴油机的动力性和经济性，降低污染物和噪声、振动及排放等之间获得最佳折中…吨３１。为了研究共轨燃油喷射系统对柴油机最终在其工作过程中对所产生的影响和作用，本文利用ＡＶＬ发动机循环工作模拟计算软件ＢＯＯＳＴ对某一发动机进行模拟计算分析。由于燃油系统主要是通过其产生的喷油规律对发动机燃烧过程产生影响，因此，本文利用ＢＯＯＳＴ中所提供的ＭＣＣ模型，通过输入喷油规律，进而分析其对发动机工作性能和排放的影响。本章应用ＢＯＯＳＴ建立了某电控发动机仿真模型并进行了试验验证，利用该软件中的针对高速直喷压燃式发动机所开发的ＭＣＣ模型，输入不同的喷油规律，从而计算在额定工况点时喷油提前角不变的情况下其对发动机性能及排放的影响。本章中主要涉及了三方面的比较：共轨压力、喷油规律曲线以及喷孔孔数和孔径设置对发动机性能和排放的影响等。５．２ＢＯＯＳＴ软件介绍和发动机建模ＢＯＯＳＴ软件晦。１是ＡｖＬ专门开发用于进行发动机工作过程性能研究和开发的工具，其较准确地模拟发动机工作状况和性能，在国内外已有广泛的应用哺ｊ矗引。ＢＯＯＳＴ软件提供了几种不同的具有代表性的燃烧模型。本文利用ＡＶＬ公司根据其发动机研发过程中总结出来的ＭＣＣ模型进行发动机的性能和排放计算。ＭＣＣ模型是专门用于在压燃式发动机中开发的一种模型，主要是从比较成熟的广安模型演化而来，其输入的参数较少且比后者更容易得到，并且主要针对第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析现代高速压燃式共轨柴油机，在该公司的研发中不断修正和改进，从而有很强的针对性和准确性。它可以通过输入喷油规律、共轨压力以及喷孔尺寸等基本参数，获得燃烧过程中放热规律和Ｎ０，的排放。本文选用以某电控Ｄ１１４柴油机为原型进行建模，其主要参数如表５．１所示。所建立的模型如图５．１所示。计算过程选择Ｏ．５度曲轴转角为一个步长，通过计算发现，需要计算至少２５个发动机循环，其计算结果才基本能够达到稳态。因此，本文从实际考虑，选择每次计算２５个循环。表５．２和表５．３为主要的燃烧模型输入参数。表５．１某电控Ｄ６１１４柴油机主要技术参数型号型式增压器型号气缸数气缸直径（ｍｍ）活塞行程（ｍｍ）活塞总排量（Ｌ）压缩比连杆长度（ｍｍ）活塞平均速度（ｍ／ｓ）点火次序Ｄ６１１４ＺＢ增压、水冷、直列式、电控共轨、直喷ＧＴ３７６１１４１３５８．２７１８：２１６９．９ｌｌ一５—３—６～２—４表５．２壁温模型参数燃烧模型缸盖温度（Ｋ）缸套温度（Ｋ）活塞顶部温度（Ｋ）缸盖接触面积（ｍｍ２）活塞接触面积（ｍｍ２）上止点时缸套接触面积（ｍｍ２）Ｗｏｓｃｈｎｉ５５０４８０７００１０２０７．１１６７４０２８４０１９９０７６第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析表５．３预燃烧系数（一）燃烧参数（一）湍流参数（一）离散参数（一）预燃烧参数ＮＯ。系数（一）喷油孔数喷油孔径（ｒａｍ）喷孔流量系数（一）ＷＣＣ燃烧模型参数２ｌ１２ｌ０．２３６０．１９０．７５进气管道７制条件２ｌＰＬｌ谐振腔Ｒ３进气管道６喂制条件３５ｃｏｌ．迸气管道５中冷罂链￡３丫耋气支管８９’１０｝气支管９丫”ｔ１２进气支管１０ｌ进气支道１１Ｉ进气支管１２１３进气支管１３）ｃ２ｆ气缸２＼乖气支管１５）三３缸３《排气支管１６Ｃ６Ｈ■锻自愿管４ｂ两—４§姑ＭＰ２迸气管道４Ｒ１限制条件１迸气管道３姊搿管Ｆ测毒乏ｆ捧气管道１８名１废气阀。，气边界条件２ＭＰ！Ｊ５繁５下捧气管道２１交节点１捧气管道１７ｊ交节点２Ｊ≮除湖“１∞啪璐铰散７气缸６气支管２１测点１弋，，时崩明２２８、Ｚ点眵醚毒气管道；２４捧气管道２●进气管道２进气边界条件＇．ＳＢｌ进气管道１明涡轮增压器７７捧气管道２８尾气边界条件３捧气管道２９２９ＪＴｌ捧气管道３０交节点７３０图５．１Ｄ１１４电控柴油机系统建模第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析５．３计算结果与试验结果对比选取额定工况点进行对比。额定转速为２２００转／分，喷油量为０．１０８９／ｓｔ，计算结果与试验数据如表５．４所示。计算结果选择第二缸输出。表５．４试验与计算结果比较测试项目喷油量（∥ｓｔ）转速（ｒ／ｍｉｎ）共轨压力（ＭＰａ）试验结果计算结果０．１０８２２００１３ｌ相对误差喷油提前角（ｏＣＡ）扭矩（Ｎ．ｍ）功率（ｋＷ）空气流量（ｋｇ／１１，干）比油耗（ｅＪｋＷ．ｈ）中冷后温度（ｏＣ）中冷后压力（ｋＰａ）涡前温度（。Ｃ）涡前压力（ｋＰａ）增压器转速（ｒ／ｒａｉｎ）８７９．０２０２．４９１２６２２１８．８４８２３０６３０２５５９５０００１．９９６８６９．６２００．３６１２６３２１８．９４６２２９５８０１．０６％１．０５％０．８０％０．０５％４．１７％０．４３％７．９４％２．３５％３．３９％１．０１％２４９９８２２２２．Ｏｌ充气效率九（一）从计算结果和试验所得可知，所建立的模型基本上满足精度要求，可以进行在额定工况点上的模拟计算。５．４喷油系统控制参数对发动机性能和排放影响５．４．１喷油压力对发动机性能影响７８第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析＾《ｐ０Ｖｇｇ曩ｌ｝震螫凸轮转角（℃ａＡ）图５．２不同共轨压力时喷油规律图表５．５不同共轨压力时发动机模拟计算结果测试项目喷油量（ｇ／ｓｔｙ）转速（ｒ／ｍｉｎ）喷油提前角（ｏＣＡ）扭矩（Ｎ．ｍ）功率（ｋＷ）比油耗（ｇ／ｋＷ．ｈ）滞燃持续期（ｏＣＡ）缸内最高温度（Ｋ）８１８．５１１８８．５７２３４．０９Ｐ。ｉ１＝１００ＭＰａＰ。ｉｌ＝１２０ＭＰａ０．１０８２２００６Ｐ，。“＝１４０ＭＰａ８５０．８６１９６．０２８７７．１５２０２．０８２１１．６４２２４．３３２．２４１５７８．９２１２．１４１３９．２９５．０７２．３２１５０２．６４１２．４０１２４．０１４．８８２．０４１６０８．４６１２．４６１５２．４１缸内最高爆发压力（ＭＰａ）最高放热率（Ｊ／ｏＣＡ）ＮＯ。（ｇ／ｋＷ．ｈ）５．６８图５．２为相同的喷油量不同共轨压力下所产生的喷油规律图，表５．５为各不同压力下所得到的计算结果，图５．３～图５．５为不同压力时缸内示功图、温度和放热率比较。从计算结果可以看出，随着喷油压力的提高，缸内最高爆发压力并没有多大变化，缸内最高温度有所增大，最高放热率有明显提高，导致发动机的功率及扭矩也有较大幅度的提高，并且比油耗也明显下降。虽然由于喷油压力的提高，供油泵所消耗的功率也会相应提高，但基本上影响不大。但从表中ＮＯ。计算可以看出，随着共轨压力的增大，氮氧化物排放会不断上升。现在７９第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析国内某些柴油机厂配试中虽然其燃油系统可以达到更高喷油压力，但却没有充分运用，主要考虑到为求得氮氧化物和油耗间的良好折中。图５．３不同喷油压力时缸内示功图图５．４不同喷油压力时缸内温度图图５．５不同喷油压力时缸内放热率５．４．２先缓后急的特性对发动机特性的影响８０第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析图５．６为两种不同类型的喷油规律图，分别为先缓后急和先急后缓，并且保持其喷油压力、喷油始点和喷油总量不变。将它们分别导入ＢＯＯＳＴ模型中，研究各自对发动机性能及排放比较。图５．６两种不同类型的喷油规律表５．６不同喷油规律形状时发动机模拟计算结果测试项目喷油量（ｇ／Ｓｔ）转速（ｄｍｉｎ）喷油提前角（ｏＣＡ）扭矩（Ｎ．ｍ）功率（ｋＷ）８４３．２７１９４．２８２２４．８０先缓后急０．１０８２２００６先急后缓８６０．３６１９８．２１比油耗（舭Ｗ．ｈ）滞燃持续期（ｏＣＡ）缸内最高温度（Ｋ）缸内最高爆发压力（ＭＰＯ最高放热率（Ｊ／ｏＣＡ）最高压力变化率（ＭＰａ／ｏＣＡ）ＮＯ。（ｇ／ｋＷ．ｈ）２１９．２６２．２０１７４３．９６１４．５０１９６．４１２．２４１７０１．８７１２．３７１９８．０４０．３７５．２８０．５４６．０７表５．６为计算不同喷油规律形状时所得到的计算结果。图５．７～图５．１０分别为不同喷油率形状所得到的缸内压力、温度、放热率以及压力升高率计算结果。从结果可以看出，先缓后急的喷油规律由于滞燃期稍长等原因，其扭矩以及功率等性能指标有所下降。但是其缸内爆发压力较低，缸内压力变化率较为平缓，Ｎｏ。也有所改善。根据压力升高图可以推测，先缓后急的燃烧噪声也将比先急后缓的有较大改善。８ｌ第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析曲轴转角【℃Ａ】图５．７缸内示功图比较１∞０１∞０１４００∞０∞０一＞¨删啊∞０斟如４００∞００∞１∞２７０３００日∞７２０曲轴转角【℃Ａ】图５．８缸内温度比较，１１一《，辟崧摧∞∞∞∞∞曲轴转角【－ｃＡ】图５．９缸内放热率比较８２第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析图５．１０缸内压力升高率比较５．４．３不同孔数孔径设置对发动机影响从第三章可知，不同的孔径孔数将对喷油规律产生较大影响。现选择不同的孔数及孔径配置，通过ＨＹＤＳＩＭ计算得到相应的喷油规律，然后再输入至ＢＯＯＳＴ的ＭＣＣ模型，通过这种方法来比较不同孔数及孔径对发动机工作性能的影响。图５．１１为不同喷孔孔数和孔径时的喷油规律图。表５．７为两组不同孔数及孔径情况下所得到的计算结果。从表中可知，这两组不同的孔数及孔径设置其总流通面积是相等的。图５．１１不同喷孔孔数和孔径喷油规律图图５．１２～图５．１４为计算所得结果。从结果可见，虽然在不同孔数及孔径设置下示功图形状没有较大变化，但７孔喷嘴的放热率其峰值较高，从而油耗也有明显改善。第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析表５。７不同孔径孔数所得计算结果测试项目总截面（ｍｍ２）喷油量（ｇ／ｓ０转速（ｒ／ｍｉｎ）６×０。１９００．１７０２０．１０８２２００６８６９．６９２００．３６２１８．９０２．３２７×０．１７６Ｏ．１７００喷油提前角（ｏｃａ）扭矩（Ｎ．ｍ）功率（ｋＷ）比油耗（ｇ／ｋＷ．ｈ）滞燃持续期（ｏＣＡ）缸内最高温度（Ｋ）缸内最高爆发压力（ＭＰａ）最高放热率（Ｊ／ｏＣＡ）８９３．４１２０５．８３２１３．３３２．０６１６２１．２３１６０２．７７１２．２１１４５．０２１２．５０１５４．０８一罡一Ｒ幽翟嗣图５．１２不同孔径孔数时所得缸内示功图第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析图５．１３不同孔数及孔径时所得缸内温度图与一斛《摧图５．１４不同孔数及孔径时所得缸内放热率５．５本章小结本章应用ＢＯＯＳＴ建立了某电控发动机仿真模型并进行了试验验证，利用该软件中的针对高速直喷压燃发动机所开发的ＭＣＣ模型，输入不同的喷油规律，从而计算在额定工况点时喷油提前角不变的情况下其对发动机性能及排放的影响。本章中主要涉及了三方面的比较：共轨压力、喷油规律曲线以及喷孔孔数及孔径设置对发动机性能和排放的影响。由于计算模型都选择了相同的喷油提前角比较，因此并未对各个计算模型是否是最佳提前角进行证明。由于高压共轨燃油喷射系统高度的自由控制，它可以非常灵活并且准确地控制喷油压力、喷油正时以及喷油量，从而可以根据发动机转速、负荷以及其它发动机的工况变化提供相应最优的喷油规律，从而给发动机的工作性能带来第五章共轨系统喷射特性对柴油机性能影响分析革命性的改变。但是真是由于这种高的自由度，也给发动机的燃油系统标定带来了大量的工作量。如果只是采用人工标定，不但研发周期大大延长，而且其优化程度也不是很精确。因此，本文也提出了利用当前先进的发动机模拟计算工具，给发动机的标定工作给予理论上的支持和帮助。５．６参考文献【５．１１王钧效，王桂华，陆辰等．柴油机共轨式喷油系统喷油率控制技术分折．车用发动机，２００１（３）［５．２】［日】ＫｅｎｊｉＦｕｎａｉ等．共轨喷油系统（ＥＣＤ－－Ｕ２）的喷油率形状控制技术．内燃机燃油喷射和控制，１９９８（３）【５．３】汪洋，苏万华，谢辉等．共轨蓄压式电控喷射系统的喷油规律对发动机燃烧特性及排放性能的影响．内燃机学报，２００２（２）【５．４】ＢＯＯＳＴＲｅｆｅｒｅｎｃｅＭａｎｕａｌ．Ｖｅｒｓｉｏｎ４．０３，２００１．６【５．５】隆曙红，龚金科，刘孟祥．ＡＶＬＢＯＯＳＴ软件应用于ＨＤ６１０５ＺＬＱ柴油机的性能分析与研究．移动电源与车辆，２００２（１）【５．６】李艳红，蔡忆昔．ＹＤ４８０型直喷式柴油机的特性模拟计算．江苏大学学报，２００２（４）【５．７】何学良，李疏松．内燃机燃烧学．机械工业出版社，１９９０年５月第六章全文总结和工作展望第六章全文总结和工作展望．本文在阅读大量文献资料和消化吸收ＥＣＤ—Ｕ２高压共轨系统的基础上，运用现代计算手段开展了以下研究工作：１．以ＡＶＬ公司开发的燃油系统仿真软件ＨＹＤＳＩＭ为工具，建立了高压共轨系统模型，并利用ＨＹＤＳＩＭ与ＭＡＴＬＡＢ的接口建立了带模糊自整定的ＰＩＤ控制系统模型，并进行了模拟计算结果与试验对比；选用Ｄ１１４发动机，运用ＢＯＯＳＴ软件进行发动机的模拟仿真，利用ＭＣＣ模型通过输入不同的喷油规律进行模拟仿真，并进行了试验验证。计算结果表明，所建立的共轨系统与发动机模型其计算结果与试验结果拟合较好。２．以ＥＣＤ－－Ｕ２高压共轨系统为原型，研究了其关键结构参数对高压供油泵泵油能力和泄漏量的影响，探讨了共轨高压泵设计时提高其泵油能力的原则，认为选择合理的凸轮型线，延长柱塞工作升程等是有效的提高泵油能力、并且能够控制泄漏量的手段；通过对带控制系统的共轨系统整体研究，分析高压共轨其容积对泵油效率和喷油特性的影响，认为ｔ共轨容积过大则轨压建立过慢，过小则工作时轨压波动过大，因此必须在设计时根据实际需要合理设计；对两通式电磁阀式喷油器进行模拟研究，研究各主要结构参数和控制参数对喷油规律的影响，认为进出油孔直径、喷油嘴孔数及孔径和流量系数对喷油规律影响较大，而在孔数及孔径变化有限的情况下，提高流量系数将是改善喷油规律较好的一个途径。３．通过应用ＨＹＤＳＩＭ与ＭＡＴＬＡＢ的接口，用Ｍ文件编写了带模糊自整定的ＰＩＤ控制系统模型程序，从两个角度对该模型进行考察：１．从不同初始压力到某设定压力的供油情况：２．改变循环喷油量时的供油情况，计算结果表明该系统基本能够满足工业要求。４．将ＨＹＤＳＩＭ和ＢＯＯＳＴ软件相结合，把高压共轨系统模型和发动机性能预测模型连接起来，高压共轨系统模型输出结果直接用于发动机性能预测。通过针对三种不同的喷油规律情况分析比较得出结论认为：随着喷油压力的提高，缸内最高爆发压力并没有多大变化，缸内最高温度有所增大，但最高放热率有明显提高，从而发动机的功率及扭矩也有较大幅度的提高，并且比油耗也明显下降，但是同时ＮＯ，会有一定幅度上升；对于先缓后急和先急后缓不同喷油规律的比较，认为虽然前者功率及油耗等有一定损失，但是其噪声和排放有较大幅第六章全文总结和Ｔ作展望度的改善；对比不同孔数及孔径设置，虽然其示功图形状没有较大变化，但放热率的变化却较明显。由于７孔喷嘴的放热率比６孔喷嘴时其峰值较高，从而油耗也有明显改善。本文在有限的时间和条件下开展了以以上四项内容为主的研究工作。应该看到：高压共轨系统仿真研究是一项涉及多领域的十分复杂而系统的工作。本文开展的工作只是沧海一粟。根据实际研究发展和需要，对后继工作作以下展望：１．通过先进的ＣＦＤ计算手段对高压泵泵油过程和泄漏过程进行液固耦合和三维模拟计算。２．可根据工业实际需要，考察在只对四缸供油时高压泵泵油过程与喷油器喷油过程对共轨系统性能等各方面的影响，比较并寻找一个较好的控制策略。３．进一步完善高压共轨系统模型。进一步提高计算精度和运算速度。４．建立电磁阀模型和阀组件模型。完善喷油器响应特性研究和高压油泵性能研究。５．对喷油规律对发动机工作性能影响部分，可深入进行不同工况下、不同喷油提前角的计算，寻找针对不同工况的最佳喷油规律和最佳喷油提前角。致谢致谢本论文工作是在导师董尧清教授的亲切关怀和悉心指导下完成的，谨此表示最衷心的感谢。董老师渊博的学识、严谨的治学态度、敏锐的洞察力使我终身受益。董老师是作者今后工作生涯的楷模。在此也感谢上海柴油机股份有限公司为作者提供良好的试验条件和环境，为作者提供了大量可靠的宝贵数据，使作者能够按时顺利地完成论文。在此特别感谢彭立新总工程师、纪丽伟教授级高工、邹龙经理和夏秀娟工程师等给予作者的巨大帮助。感谢ＡＶＬ上海技术中心的宋钧博士和严小俊博士给予软件上的技术支持。最后，我还要衷心感谢远在家乡的亲人，正是他们的理解和支持我才有机会继续学业。向所有关心和支持我的人表示感谢１８９个人简历在读期间发表的学术论文和研究成果个人简历个人简历：在读期间发表的学术论文与研究成果顾萌君，男，１９８０年１０月生。２００３年７月毕业于江南大学机械ｊ［程专业获学士学位。２００３年９月入同济大学读硕士研究生。已发表论文；［１］董尧清，王志华，曹内燃机工程，２００４（５）霞，顾萌君．中重型车用柴油机满足欧ＩＩ排放法规的技术措施．［２］董尧清，王志华，顾萌君等．柴油机单弹簧和双弹簧喷油器燃油系统喷射特性的研究．内燃机学报，２００５（６）［３］董尧清，王志华，顾萌君，翁立克，赵瑜．柴油机双弹簧喷油器喷油系统的模拟计算与分析．内燃机工程，２００５（５）待发表论文：［１］董尧清，顾萌君等．提高柴油机高压共轨系统泵油能力的研究．内燃机工程，已录用［２３董尧清，顾萌君等．柴油机高压共轨喷油器主要参数对喷油规律的影响研究，内燃机学报，已投稿［２］董尧清，顾萌君等．共轨系统喷射特性对柴油机性能影响的模拟计算，车用发动机，已投稿研究报告：［１］董尧清，顾萌君．利用ＨＹＤＳＩＭ和ＢＯＯＳＴ对电控６ＣＬＫ３００—３发动机模拟计算报告．２００６年２月电控柴油机高压共轨燃油喷射系统的仿真研究

作者：

学位授予单位：

顾萌君

同济大学汽车学院

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