北京交通大學高壓共軌系統(tǒng)噴油器仿真研究工作階段總結專業(yè)名稱：動力機械及工程導師：學生姓名：學號：2012年1月4日北京交通大學動力機械工程I目錄一、研究背景及意義.1二、高壓共軌系統(tǒng)的變參數(shù)研究現(xiàn)狀.22.1共軌系統(tǒng)結構參數(shù)影響的研究概況.22.1.1高壓油泵參數(shù)的影響.22.1.2共軌參數(shù)的影響.32.1.3噴油器參數(shù)的影響.52.2共軌系統(tǒng)控制參數(shù)影響的研究概況.82.2.1噴油器噴油時刻和高壓油泵泵油時刻間隔大小的影響.82.2.2噴油器電磁閥的開啟脈寬對共軌內(nèi)壓力波動的影響.92.2.3噴油器電磁閥的開啟脈寬對噴射特性的影響.11三、主要研究內(nèi)容.123.1高壓共軌噴油器仿真模型和控制模型的建立及試驗臺搭建.133.2結構參數(shù)對共軌噴油器噴射性能的影響規(guī)律研究.133.3高壓共軌噴油器控制參數(shù)對噴射性能的影響.13四、技術路線.14五、預期目標.15六、現(xiàn)階段已完成工作.156.1完成文獻綜述.156.2初步學習掌握Hydsim軟件.166.2.1HYDSIM仿真軟件簡介.166.2.2HYDSIM系統(tǒng)仿真噴油器模型的建立.166.3建立高壓共軌系統(tǒng)閉環(huán)控制模型.246.3.1帶有閉環(huán)控制的共軌系統(tǒng)仿真模型.246.3.2Simulink控制模型的原理與嵌入方法.246.4根據(jù)研究內(nèi)容修改高壓共軌系統(tǒng)的仿真模型.306.4.1無控制的噴油器仿真模型.306.4.2含有共軌組件和軌壓控制后的仿真模型.316.4.3高壓油泵取代邊界條件后的仿真模型.32北京交通大學動力機械工程II6.4.4目前采用的仿真模型中存在的問題和不足.37七、已完成進度和預計安排.37北京交通大學動力機械工程第1頁一、研究背景及意義柴油機電控高壓共軌燃油噴射技術作為內(nèi)燃機行業(yè)公認的20世紀三大突破之一，在實際的研究與應用中越來越顯示出在減輕環(huán)境污染、節(jié)約能源及柴油機智能化等方面有著突出的技術優(yōu)勢、獨特的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和巨大的社會效益，被行業(yè)普遍認為是最具發(fā)展前途的柴油機電控技術。作為一項傳統(tǒng)行業(yè)的全新技術，電控高壓共軌技術集成了計算機控制技術、現(xiàn)代檢測技術以及先進的噴油器設計技術于一體，相對于傳統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)有著無與倫比的優(yōu)越性。目前世界上主要的共軌系統(tǒng)制造和供應商為德國的BOSCH公司，美國DELPHI公司和日本的DENSO公司。自1997年博世公司推出第一代乘用車用共軌系統(tǒng)以來，博世公司的共軌系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了第四代，與此同時其他公司的共軌系統(tǒng)也取得了很大的發(fā)展。共軌系統(tǒng)的不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在噴油壓力的不斷提高，從第一代的135MPa提高到第四代的200MPa以上，噴油率的柔性控制能力也大為提高，實現(xiàn)了多級噴射，使得柴油機能夠兼顧動力性和日益嚴格的排放法規(guī)。電控噴油器是高壓共軌系統(tǒng)中最復雜最核心的部件，它承擔者系統(tǒng)噴射功能的控制和實現(xiàn)。電控噴油器的結構參數(shù)以及工作性能的好壞，直接影響了整個高壓共軌系統(tǒng)的工作性能，從而對發(fā)動機性能產(chǎn)生重要影響。高壓共軌系統(tǒng)的不斷改進和升級，其核心都在于電控噴油器性能的不斷提升。第一代共軌系統(tǒng)的電控噴油器采用電磁閥控制的液力伺服閥，第二代則采用高速電磁閥，為了進一步提高響應速度，第三代共軌系統(tǒng)采用了壓電執(zhí)行器控制式噴油器。2008年博世第四代共軌系統(tǒng)開始投入生產(chǎn)，該系統(tǒng)中的噴油器采用了內(nèi)置增壓模塊的電磁控制噴油器，使得系統(tǒng)噴油壓力進一步提高?？梢?，對于電控噴油器的深入研究，對于高壓共軌系統(tǒng)的優(yōu)化和性能提升有著重要的決定意義。隨著計算機技術以及計算流體力學仿真軟件的發(fā)展，利用仿真手段可以得到越來越多較為準確的仿真結果，減少了對實驗的依賴，利用Fluent、HYDSIM等軟件可以很好地對柴油機高壓共軌系統(tǒng)的工作過程進行三維或者一維的仿真模擬，豐富了高壓共軌系統(tǒng)的研究手段。北京交通大學動力機械工程第2頁目前對高壓共軌系統(tǒng)液力特性的研究主要采用仿真的方法，進行變參數(shù)分析，總結各參數(shù)對液力特性的影響。在共軌壓力波動和噴嘴流動的研究中以三維仿真為主，由于噴油器和高壓油泵的結構相對復雜，因此在研究中采用一維模型。因此，針對目前共軌系統(tǒng)噴油器研究中存在的問題進行深入的研究和對比分析，能夠為共軌噴油器的設計、優(yōu)化及與燃燒系統(tǒng)的匹配提供有價值的參考依據(jù)，對柴油機動力性、經(jīng)濟性和排放性能的進一步提高有著重要的意義。二、高壓共軌系統(tǒng)的變參數(shù)研究現(xiàn)狀2.1共軌系統(tǒng)結構參數(shù)影響的研究概況在對噴油器的仿真研究方面，國內(nèi)外較多的是使用一維液力仿真軟件，如Hydsim、AMESim、GT-FUEL等，以及使用數(shù)值模擬軟件MATLAB/Simulink進行系統(tǒng)仿真。2.1.1高壓油泵參數(shù)的影響高壓油泵出油閥孔徑、高壓油泵出油閥預緊力、高壓油泵供油次數(shù)、循環(huán)供油量、凸輪軸轉速等都對共軌壓力波動、高壓油泵內(nèi)部壓力波動產(chǎn)生一定的影響。出油閥孔徑的影響高壓油泵出油閥孔徑影響到高壓油泵的流通性能。出油閥開啟時，高壓油泵出油閥孔大小對高壓油泵柱塞腔壓力的變化影響較大，而對出油閥腔壓力的變化影響較小。當出油閥孔直徑較小時，高壓油泵柱塞壓力波動較大；當出油閥孔直徑較大時，出油閥孔直徑對高壓油泵柱塞腔壓力的影響較小，高壓油泵柱塞腔的壓力主要受出油閥開啟時產(chǎn)生的壓力波的影響，且隨著供油過程的進行，波動逐漸減小。出油閥預緊力的影響高壓油泵出油閥預緊力，直接影響到出油閥的開啟壓力。出油閥預緊力對高北京交通大學動力機械工程第3頁壓油泵柱塞腔以及高壓油泵出油閥升程的影響較大，隨出油閥預緊力的提高，高壓油泵柱塞腔的壓力波動越來越大。高壓油泵出油閥預緊力對出油閥腔和高壓油軌壓力的影響較小，只是在出油閥預緊力較大時，由于出油閥開啟的不穩(wěn)定使出油閥腔產(chǎn)生較小的壓力波動，而對共軌壓力幾乎沒有影響。凸輪軸轉速的影響在各種凸輪軸轉速和初壓下共軌管壓力波動能控制在初始值上下3%的范圍之內(nèi)，軌壓初始值相同時轉速增大，在初始值上下壓力波動的幅度沒有顯著改變，轉速的增大對波動的影響不大；軌壓初始值不變，隨著轉速的增大，壓力波動的瞬間最大值略有上升。2.1.2共軌參數(shù)的影響共軌內(nèi)壓力的波動主要是由于油泵供油壓力的波動和按一定時序向各噴油器供油而產(chǎn)生的。而共軌的結構尺寸及容積大小對軌內(nèi)的壓力波動有很大影響。共軌容積的影響仿真結果顯示隨共軌容積的增大，噴油速率、噴射體積、噴嘴燃油壓力及針閥有效開啟面積都明顯增加。則認為由于容積的增大，燃油儲量增加，抗波動能力增加，噴油量相對于共軌容積的比例減小，因此伴隨噴射，共軌壓力的下降減小。但這種壓力的波動與共軌容積的變化相比是非線性的，共軌容積越大，這種波動的變化就越緩。共軌容積很大時，波動幅度幾乎與共軌容積無關。另外不同容積共軌對應控制腔壓力、噴油壓力、針閥升程、電磁閥升程、線圈電流、噴油規(guī)律則幾乎相同，因此共軌管容積對這些參數(shù)影響不大。共軌管長度和直徑的影響通過仿真研究，認為隨高壓油管內(nèi)徑的增加，噴油壓力、噴油速率和噴油量增加，噴射中的壓降減小，內(nèi)徑大的油管噴射后期的噴射壓力明顯高于內(nèi)經(jīng)小的油管，并且由于噴射過程中明顯的壓力波動，噴射壓力和噴射速率由一個向下波動的過程。油管內(nèi)徑對針閥開啟響應的影響幾乎可以忽略不計。不同的管長對噴油量、針閥開啟響應的影響很小，但對噴油速率有影響。隨管長的增加噴油速率北京交通大學動力機械工程第4頁增加。在允許的條件下，共軌容積的取值應該取較大值。共軌容積變化、內(nèi)徑不變時，長徑比越大，共軌內(nèi)的壓力波動越小，共軌內(nèi)的壓力越穩(wěn)定；反之，長徑比越小，共軌內(nèi)的波動越大共軌容積變化時，容積越大對共軌內(nèi)壓力波動的穩(wěn)定作用越好。長徑比的影響長徑比指的是共軌油管的長度與直徑的比值，長徑比的值決定了共軌油管的形狀。保持共軌容積不變(22mL)，同時改變共軌直徑和長度，直徑越小，截面積越小，長度越大，即長徑比越大。從圖可以看出，長徑比在較小的范圍內(nèi)(100)，壓力波動沒有太大的變化；而且長徑比較低時，壓力波動值較低，軌壓的大小對壓力波動數(shù)值的影響不大。當長徑比增加到一定程度，共軌壓力波動會隨著長徑比的增大而增大，而且隨著軌壓的增大，壓力波動有增大的趨勢。這說明了共軌形狀對壓力波動有較大影響。過于細長的共軌油道會使軌壓波動增大?？傮w而言壓力波動在長徑比小于200時比較平穩(wěn)，而超過200以后就會顯著上升。長徑比的選擇也并不是只參考壓力波動，必須要同時考慮共軌容積的影響和噴油器的安裝等問題。在本文的模擬條件下，最佳長徑比在60200之間。高壓油管長度的影響高壓油管是連接共軌管和噴油器的通道。高壓油管應具有足夠的燃油流量以減小燃油流動時的壓降