高壓共軌系統(tǒng)噴油器仿真研究工作階段總結(jié)

1、北京交通大學(xué)高壓共軌系統(tǒng)噴油器仿真研究工作階段總結(jié)專業(yè)名稱：動力機(jī)械及工程導(dǎo) 師：李國岫 教授學(xué)生姓名：徐陽杰學(xué) 號：082230822012年1月4日目 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(jié)構(gòu)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 . 1

2、1三、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(jié)構(gòu)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(shù)路線 . 14五、預(yù)期目標(biāo) . 15六、現(xiàn)階段已完成工作 . 156.1 完成文獻(xiàn)綜述 . 156.2 初步學(xué)習(xí)掌握Hydsim 軟件 . 166.2.1 HYDSIM 仿真軟件簡介 . . 166.2.2 HYDSIM 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. 246.3.2 Simulink

3、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. 326.4.4 目前采用的仿真模型中存在的問題和不足. 37七、已完成進(jìn)度和預(yù)計安排 . 37一、研究背景及意義柴油機(jī)電控高壓共軌燃油噴射技術(shù)作為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)公認(rèn)的20世紀(jì)三大突破之一，在實際的研究與應(yīng)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(jī)智能化等方面有著突出的技術(shù)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(rèn)為是最具發(fā)展前途的柴油機(jī)電控技術(shù)。作為一

4、項傳統(tǒng)行業(yè)的全新技術(shù)，電控高壓共軌技術(shù)集成了計算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代檢測技術(shù)以及先進(jìn)的噴油器設(shè)計技術(shù)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(yīng)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(jī)能夠兼顧動力性和日益嚴(yán)格的排放法規(guī)。電控

5、噴油器是高壓共軌系統(tǒng)中最復(fù)雜最核心的部件，它承擔(dān)者系統(tǒng)噴射功能的控制和實現(xiàn)。電控噴油器的結(jié)構(gòu)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(jī)性能產(chǎn)生重要影響。高壓共軌系統(tǒng)的不斷改進(jìn)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(jìn)一步提高響應(yīng)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(jìn)一步提高。可見，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

6、義。隨著計算機(jī)技術(shù)以及計算流體力學(xué)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(zhǔn)確的仿真結(jié)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(jī)高壓共軌系統(tǒng)的工作過程進(jìn)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。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(jìn)行變參數(shù)分析，總結(jié)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(jié)構(gòu)相對復(fù)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(jìn)行深入的研究和對比分析，能夠為共軌噴油器的設(shè)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)，

7、對柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(yù)緊力、高壓油泵供油次數(shù)、循環(huán)供油量、凸輪軸轉(zhuǎn)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

8、較大，而對出油閥腔壓力的變化影響較小。當(dāng)出油閥孔直徑較小時，高壓油泵柱塞壓力波動較大；當(dāng)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(jìn)行，波動逐漸減小。出油閥預(yù)緊力的影響高壓油泵出油閥預(yù)緊力，直接影響到出油閥的開啟壓力。出油閥預(yù)緊力對高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(yù)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(yù)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(yù)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(zhuǎn)

9、速的影響在各種凸輪軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速增大，在初始值上下壓力波動的幅度沒有顯著改變，轉(zhuǎn)速的增大對波動的影響不大；軌壓初始值不變，隨著轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)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(rèn)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

10、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(guān)。另外不同容積共軌對應(yīng)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(rèn)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(yīng)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(yīng)的影響很小

11、，但對噴油速率有影響。隨管長的增加噴油速率增加。在允許的條件下，共軌容積的取值應(yīng)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(dāng)長徑比增

12、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(xì)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(yīng)具有足夠的燃油流量以減小燃油流動時的壓降，并使高壓管路系統(tǒng)中的壓力波動減小，同時能承受高壓燃油的沖擊作用；共軌管到各缸噴油器之間的高壓油管長度應(yīng)該盡量相等，使

13、柴油機(jī)每一個噴油器有相同的噴油壓力，從而減小柴油機(jī)各缸之間噴油量的偏差，同時各高壓油管應(yīng)盡可能短，以使壓力損失最小。連接共軌和噴油器的高壓油管的直徑對共軌內(nèi)的壓力波動影響不大，而隨著工況從低到高，壓力波動也會相應(yīng)增大。最佳數(shù)值在400-500mm 之內(nèi)。2.1.3噴油器參數(shù)的影響噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)及電磁閥控制參數(shù)對高壓共軌系統(tǒng)的液力特性均有明顯影響。蓄壓腔容積的影響在針閥蓄壓腔容積較小時，針閥初期抬起時的運動狀況比容積稍大的情況波動較為明顯，在壓力波動情況上，小的容積會使蓄壓腔的壓力波動幅度變大；在容積較大時，針閥落座后的壓力波動迅速衰減，蓄壓腔壓力波動幅度較小。控制腔容積的影響減小控制腔體積可以

14、使噴油器更快地響應(yīng)電壓輸入信號，并且控制活塞在控制腔里的擺動幅度較小。隨響應(yīng)頻率增加，噴油器的性能更加線性化。由于控制腔內(nèi)的壓力控制著控制活塞和針閥升程，進(jìn)而控制著噴油率，所以控制腔的減小會導(dǎo)致預(yù)噴射控制困難?？刂剖胰莘e較大時，電磁閥開啟，控制室壓力下降過程相對緩慢，針閥開啟速度相對緩慢；電磁閥關(guān)閉，控制室中的壓力建立過程也相對緩慢，由于電磁閥關(guān)閉式控制室產(chǎn)生的壓力波動及針閥關(guān)閉過程中在針閥腔產(chǎn)生的壓力波動會使針閥二次抬起，產(chǎn)生二次噴射?？刂魄蝗莘e過小雖然會使針閥抬起提前，減少液力響應(yīng)時間，但同時還使得噴油速率在最大值持續(xù)時間過長，對針閥最大升程有所限制。控制腔進(jìn)出口孔徑的影響進(jìn)油孔直徑的大小

15、對于針閥抬起速度的影響是比較大的。進(jìn)油節(jié)流孔直徑過小時，當(dāng)電磁閥一旦打開，通過回油孔迅速回油，從而控制腔壓力下降較快，針閥迅速開啟：當(dāng)電磁閥斷電，關(guān)閉回油通道后，進(jìn)油孔徑較小則進(jìn)油速度較慢，控制腔的壓力升高比較緩慢，則針閥落座比較緩慢。當(dāng)進(jìn)油孔孔徑過小時，由于針閥腔的壓力波動，可能還會造成二次噴射。進(jìn)油節(jié)流孔直徑越大，針閥抬起時刻越晚，上升越慢，且最大速度越??；噴油結(jié)束后，控制腔壓力迅速建立，針閥落座迅速，不會產(chǎn)生二次噴射。但是當(dāng)進(jìn)油孔孔徑增大到一定程度時，電磁閥通電，銜鐵抬起后，控制腔壓力降低的速度會比較慢，針閥開啟過程變慢直至完全不能開啟。當(dāng)出油節(jié)流孔直徑過小，電磁閥通電后，控制腔的壓力不

16、能迅速降低，噴油器的針閥抬起就會很慢甚至不能抬起，噴油速率就達(dá)不到預(yù)期值；當(dāng)出油節(jié)流孔直徑變大 電磁閥通電厲，控制腔壓力迅速降低，針閥速度抬起時刻變早，上升變快一且最大速度變大，快速到達(dá)噴油狀態(tài)。出油節(jié)流孔直徑越大噴油率上升速度越快，保持最大噴油率的時間越長，噴油量大。當(dāng)直徑增大到一定值時，會帶來控制腔內(nèi)壓力下降過于迅速，導(dǎo)致針閥抬起時刻過于提前，從而不利于形成先緩后急的噴油率曲線。針閥關(guān)閉過程幾乎與A 孔直徑無關(guān)，這主要是因為電磁閥關(guān)閉后，控制腔內(nèi)壓力的變化主要取決于經(jīng)過Z 孔的流量，而幾乎不受A 孔直徑大小影響的緣故。更主要的是，從針閥升程曲線可以看出，隨著A 孔直徑的增加，噴油器針閥開啟

17、速度先是明顯增加，后來增加趨勢見緩。電磁閥開啟后，隨著泄壓腔壓力的快速下降，控制腔內(nèi)的壓力將較快下降到針閥開啟壓力。針閥的影響針閥等運動件質(zhì)量從5g 到20g 時噴油器噴油規(guī)律的變化，隨針閥等運動件質(zhì)量的增加，噴油規(guī)律略微有向先緩后急變化的趨勢，且噴油中器噴油速率波動減小。但由于針閥慣性的增加，當(dāng)針閥等運動件質(zhì)量取到20g 時甚至?xí)a(chǎn)生微量的二次噴射，同時針閥等運動件質(zhì)量的增加，會對針閥座面帶來更大的沖擊從產(chǎn)生不利的影響。在噴油器設(shè)計過程中為了減小針閥質(zhì)量給針閥座面帶來的沖擊，通常通過采用縮短針閥長度來實現(xiàn)，如bosch 公司CRIN2噴油器采用了短針閥結(jié)構(gòu)，相對CRIN1噴油器針閥運動質(zhì)量減

18、小了75%。針閥彈簧預(yù)緊力對噴油規(guī)律和針閥升程的影響，隨著針閥彈簧預(yù)緊力的增加，在噴射開始時，針閥開啟滯后，針閥升程、噴油壓力和噴油規(guī)律的相位均滯后，而噴射結(jié)束后，針閥又會提前關(guān)閉，針閥升程、噴油壓力和噴油規(guī)律的相位相應(yīng)提前，相應(yīng)的循環(huán)噴油量也會減小，但當(dāng)發(fā)生輕微二次噴射時，適當(dāng)增加針閥彈簧預(yù)緊力可以消除二次噴射。針閥升程的大小應(yīng)保證密封座面處有必要的流通面積，使壓力室壓力不因座面節(jié)流而過分下降，但針閥升程也不宜過大，升程增大，會加大座面的沖擊載荷，引起磨損，也會增加針閥落座時間，增加了燃?xì)饣馗Z。張喬斌46通過研究發(fā)現(xiàn)壓力室的壓力隨著針閥的升程增加，但增加到一定程度，壓力室內(nèi)的壓力已不再增加，

19、說明此時針閥升程對噴油器內(nèi)的節(jié)流損失已無明顯影響。控制活塞的影響控制活塞直徑的大小，影響到控制室燃油作用到針閥上的作用力，對針閥的運動產(chǎn)生影響。當(dāng)控制活塞直徑較小時，控制室燃油作用在控制活塞上部的液壓力較小，控制電磁閥開啟時，針閥開啟迅速，而控制電磁閥關(guān)閉時，針閥關(guān)閉緩慢，且由于針閥腔的壓力波動有可能會使針閥再次抬起產(chǎn)生二次噴射; 當(dāng)控制活塞直徑較大時，控制室燃油作用在活塞上部的液壓力較大，使得控制電磁閥開啟時針閥開啟比較緩慢，但在控制電磁閥關(guān)閉時針閥關(guān)閉迅速，保證了噴油過程的迅速截止。噴孔直徑、噴孔數(shù)的影響當(dāng)針閥升程比較小時，燃油流通截面積等于針閥與針閥座之間的截面積，隨著針閥升程的增加，針

20、閥與針閥座之間的截面積大于噴孔面積時，燃油流通截面積等于噴孔面積。噴孔直徑增大，提高了燃油流通截面積，提高了最大噴油速率。燃油噴射速率增大使噴孔處的壓力迅速下降，降低了針閥上升速度，這樣便減緩了噴射速率增加的速度。燃油流通面積成為影響噴射速率的重要因素，噴孔直徑，噴孔數(shù)都通過燃油流通面積影響噴射速率，流通面積與噴射速度成正比，流通面積變化速度與噴射速度變化速度成正比。噴孔總流通面積不變的情況下，改變噴孔孔徑和噴孔數(shù)，對泵端壓力、噴油器端壓力、循環(huán)噴油量以及針閥升程的沒有明顯影響。但是，索特平均直徑、貫穿距離、噴霧錐角都隨噴孔的減小而堿小，因此在貫穿距離、噴霧錐角與燃燒室匹配較含理的情況下，噴孔

21、宜采取小孔徑多孔數(shù)的設(shè)計。2.2共軌系統(tǒng)控制參數(shù)影響的研究概況2.2.1 噴油器噴油時刻和高壓油泵泵油時刻間隔大小的影響在高壓共軌噴射系統(tǒng)中，噴油過程的控制和噴射壓力（共軌壓力）的建立及控制相對獨立，這為供油系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)控制部分前期的獨立設(shè)計提供了便利，但在后期，供油系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)需要匹配運行。而共軌管起到連接供油系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的紐帶作用，兩者的匹配效果會直接在共軌管內(nèi)體現(xiàn)，所以在此研究噴油器噴油時刻和高壓油泵泵油時刻的間隔大小對軌道壓力波動的影響。共軌系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)方式是由 ECU 根據(jù)共軌管上的壓力傳感器實時調(diào)整PCV 閥關(guān)閉時刻，通過調(diào)整高壓泵泵油始點來改變泵入共軌管內(nèi)油量進(jìn)行的，所以共

22、軌高壓泵泵油始點是時時變動的。為了本部分研究有一個固定的時間基準(zhǔn)，在此將高壓油泵供油終點（即柱塞最大升程時刻）定義為共軌高壓泵泵油時刻。在保持噴油控制脈寬不變的情況下，改變油嘴噴油始點和高壓油泵泵油時刻（即柱塞最大升程時刻）間隔對共軌內(nèi)壓力波動的影響。分為：（1）噴油始點相對柱塞最大升程時刻提前；（2）噴油始點相對柱塞最大升程時刻滯后。（1）噴油始點相對柱塞最大升程時刻提前對于噴油始點相對柱塞最大升程時刻提前，由于高壓油泵此時正處于壓縮并且向共軌管供油過程，所以噴油器在此過程中噴油的話，共軌管同時進(jìn)、出油，則共軌管內(nèi)無法建立起更高的壓力，在此就不做模擬計算分析。（2）噴油始點相對柱塞最大升程時

23、刻延遲在實際的共軌系統(tǒng)中，噴油器的噴油時刻滯后于柱塞最大升程時刻，大致為0.6ms 左右為佳，一般認(rèn)為“噴油器的噴油時刻圖在兩泵泵油的中間時刻為最佳時刻” 。圖 5.1 為軌壓1200bar 、噴油器噴油時刻滯后依次為0.15ms 、0.3ms 、0.45ms 、0.6ms 、0.75ms 的軌壓波動圖。 結(jié)論：本部分通過兩大類情況研究：a. 噴油始點相對柱塞最大升程時刻提前；b. 噴油始點相對柱塞最大升程時刻延遲。綜合圖5.1、圖5.2，可發(fā)現(xiàn)噴油始點的變化對共軌內(nèi)壓力波動的最大值和最小值影響不大，但是隨著噴油始點的推遲，共軌內(nèi)高壓維持時間延長。共軌內(nèi)高壓維持時間過長，會導(dǎo)致共軌內(nèi)平均壓力增

24、大，從而對共軌部件強(qiáng)度、可靠性的要求提高；高壓維持時間過短，會導(dǎo)致噴油器噴油時，共軌內(nèi)壓力仍處于非穩(wěn)定狀態(tài)，從而影響噴油過程的一致性。為了兼顧上述兩種情況，并考慮到壓力波從高壓泵泵端傳播到噴油器油嘴處需要經(jīng)歷一定時間，所以噴油器噴油始點相對高壓油泵柱塞最大升程時刻延遲0.6ms 左右為佳。2.2.2 噴油器電磁閥的開啟脈寬對共軌內(nèi)壓力波動的影響噴油器電磁閥開啟脈寬的長短直接反映了發(fā)動機(jī)所需噴油量的多少，發(fā)動機(jī)所需油量增加，噴油器電磁閥開啟脈寬隨之增加，為了維持共軌管內(nèi)壓力穩(wěn)定，高壓油泵供油量也同時增加，此時進(jìn)、出共軌管的燃油量增加，最終導(dǎo)致共軌管內(nèi)壓力波動幅度加大。而且，電磁閥開啟脈寬與共軌內(nèi)

25、壓力波動是非線性的，隨著電磁閥開啟脈寬的增加，壓力波動幅度急劇增大。為了準(zhǔn)確掌握共軌管內(nèi)壓力波動特性，研究進(jìn)、出共軌管的油量對共軌內(nèi)壓力波動的影響，所以分析高壓油泵壓力控制閥開啟脈寬和噴油器電磁閥的開啟脈寬對油壓的影響是十分必要的，而高壓油泵壓力控制閥開啟脈寬是由ECU 根據(jù)共軌內(nèi)壓力自動進(jìn)行閉環(huán)控制，因此本文僅研究噴油器電磁閥開啟脈寬對共軌內(nèi)壓力波動的影響。保持噴油器電磁閥開啟始點不變（即噴油始點不變）時，研究噴油器電磁閥開啟脈寬分別為0.6ms 、0.9ms 、1.2ms 、1.5ms 和1.8ms 時，共軌管內(nèi)壓力波動隨之變化的情況。噴油始點不變、改變電磁閥開啟脈寬時，共軌內(nèi)壓力波動幅度

26、隨噴油器電磁閥開啟脈寬變化曲線見圖5.3。 為了考察可能出現(xiàn)的最大的軌壓波動，模擬了軌壓1200 bar ，控制脈寬3ms 時的軌壓波動，結(jié)果如圖5.4 所示。 圖5.5 為軌壓1200 bar，不同控制脈寬的軌壓波動值 結(jié)論：1 隨著控制脈寬的增大，即噴油量的增大，軌中的壓力波動增大。2 控制脈寬與軌中的壓力波動是非線性變化的，隨著控制脈寬的增大，軌壓波動急劇增大。3 由軌壓1200 bar、 控制脈寬3000us 時的軌壓波動為22 bar，根據(jù)噴油器的噴油量實驗可以得出，軌壓波動引起的噴油量變化比較小。但是這樣的軌壓波動對噴油量精度要求較高的多次噴射是不利的。2.2.3 噴油器電磁閥的開

27、啟脈寬對噴射特性的影響共軌系統(tǒng)的噴射特性是在共軌壓力、噴油器結(jié)構(gòu)（包括針閥及控制活塞形式）和電控參數(shù)（主要為噴油器電磁閥控制）等因素的共同作用下形成的，其中共軌壓力和噴油器電磁閥控制的影響最為明顯。本處主要研究噴油器電磁閥的開啟脈寬對噴射特性的影響。保持噴油器電磁閥開啟始點不變（即噴油始點不變）時，研究噴油器電磁閥開啟脈寬分別為0.3ms 、0.6ms 、0.9ms 、1.2ms 、1.5ms 、1.8ms 情況下，噴射特性隨之變化的情況。噴油始點不變、改變電磁閥開啟脈寬時，針閥升程、累計噴油量和噴油速率的曲線分別見圖5.6 至圖5.9。 在圖5.6 中，當(dāng)電磁閥開啟脈寬為0.3ms 時，針閥

28、幾乎沒有離座；當(dāng)開啟脈寬0.6ms 時，從圖5.7 中可以看出，針閥略微抬起后迅速落座；當(dāng)開啟脈寬0.9ms 時才升至最大位置，隨著電磁閥開啟脈寬繼續(xù)加大，針閥在最大位置維持時間相應(yīng)增加，從而形成了不同的噴油持續(xù)期。從圖5.8 中可以明顯看出，單次噴油量受到電磁閥開啟脈寬的直接影響，電磁閥開啟時間越長，噴油量也越大。圖5.9 中，噴油速率隨電磁閥開啟脈寬變化規(guī)律與針閥升程隨其變化的規(guī)律相類似。通過上述研究，我們可以利用電磁閥較短的開啟脈寬來控制針閥部分升起，進(jìn)行小油量的噴射，實現(xiàn)多次噴射中的預(yù)噴射和后噴射，從而達(dá)到控制噴油速率形狀和降低發(fā)動機(jī)排放的最終目的。為了達(dá)到較好的效果，預(yù)噴射和后噴射的

29、油量數(shù)值以及和主噴射的時間間隔還需要進(jìn)一步研究，同時還需要噴油器各個零件的精密制造和較快的響應(yīng)速度來保證。三、主要研究內(nèi)容針對高壓共軌噴油器的結(jié)構(gòu)特點，建立高壓共軌噴油器的物理模型和數(shù)學(xué)模型。分別以HYDSIM 軟件和Matlab 軟件為仿真平臺，建立仿真計算模型和控制模型，同時改變結(jié)構(gòu)參數(shù)以及調(diào)整控制模型進(jìn)行耦合仿真計算，獲得高壓共軌噴油器的基本噴射特性，在此基礎(chǔ)上研究結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制模型對噴射特性的影響，具體研究內(nèi)容如下：3.1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（1）通過理論分析，在建立高壓共軌噴油器液力、機(jī)械和電磁單元數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用Hydsim 軟件建立高壓共軌噴油

30、器的仿真計算模型。（2） 利用Matlab 軟件模擬軌壓閉環(huán)控制，建立高壓共軌噴油器的控制模型。（3）搭建高壓共軌噴油器特性試驗臺架，使其能進(jìn)行不同共軌壓力、控制脈寬以及不同軌壓控制方式下，單次噴油量和噴油延遲時間的測量，對樣品噴油器進(jìn)行較為全面的特性試驗，并利用所得結(jié)果修正和完善噴油器的仿真計算模型。3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)對共軌噴油器噴射性能的影響規(guī)律研究共軌噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對于噴油器性能均有不同程度的影響，包括進(jìn)、回油節(jié)流孔直徑、控制活塞直徑、控制室容積、調(diào)壓彈簧預(yù)緊力、油嘴針閥座面直徑以及油嘴噴孔直徑等各個參數(shù)對于噴油器性能的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，量化影響，總結(jié)影響規(guī)律，因此提出研究

31、內(nèi)容如下：1 高壓油道、電磁閥、控制腔、控制活塞及針閥、噴嘴等處對噴油器噴射有影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)選?。? 噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴射壓力影響規(guī)律研究；3 噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油率曲線影響規(guī)律研究；4 噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴油量影響規(guī)律研究；3.3高壓共軌噴油器控制參數(shù)對噴射性能的影響利用控制模型模擬共軌系統(tǒng)在壓力閉環(huán)控制的條件下的工作特性，進(jìn)行控制參數(shù)，包括噴油持續(xù)期、持續(xù)期間隔、多次噴射次數(shù)、多次噴射時間間隔等對噴油器特性影響的仿真計算。1 利用Matlab 軟件模擬軌壓閉環(huán)控制，建立PID 控制邏輯模型，并植入高壓共軌噴油器的仿真模型中；2 進(jìn)行控制參數(shù)包括噴油持續(xù)期、持續(xù)期間隔等對噴射壓力影響規(guī)律研究；

32、3 多次噴射次數(shù)、多次噴射時間間隔等對噴油器特性影響的規(guī)律研究；4 噴油器控制參數(shù)對噴油量影響規(guī)律研究。四、技術(shù)路線根據(jù)所確定的研究內(nèi)容和相關(guān)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，確定課題總體技術(shù)路線如下：1 高壓共軌系統(tǒng)Hydsim 仿真模型的建立和校準(zhǔn)。建立高壓共軌系統(tǒng)一維流動數(shù)學(xué)模型，并利用A VL 公司的燃油系統(tǒng)一維仿真軟件Hydsim 軟件建立高壓共軌系統(tǒng)各部件詳細(xì)模型，主要包括高壓油泵模塊、共軌管組件和電控噴油器模塊。模型建立之后以單循環(huán)累積噴油量為基準(zhǔn)對模型進(jìn)行試驗校準(zhǔn)，驗證模型的正確性。2 高壓共軌系統(tǒng)中Matlab 控制模型的建立、植入和校驗。基于PID 控制原理建立以Matlab 為平臺的控制模

33、型，并植入已經(jīng)建立和經(jīng)過試驗校準(zhǔn)的高壓共軌系統(tǒng)一維仿真模型，實現(xiàn)對仿真模型共軌壓力的閉環(huán)控制。3 噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)對于噴射特性影響的仿真研究。利用已經(jīng)建立和經(jīng)過試驗校準(zhǔn)的高壓共軌系統(tǒng)一維仿真模型，對共軌系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行單因素變參數(shù)研究，確定其對燃油噴射過程的影響規(guī)律。噴油器結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)研究內(nèi)容如下：進(jìn)、回油節(jié)流孔直徑、控制活塞直徑、控制室容積、調(diào)壓彈簧預(yù)緊力、油嘴針閥座面直徑以及油嘴噴孔直徑4 噴油器控制參數(shù)對于噴射特性影響的仿真研究在植入控制模型的仿真系統(tǒng)中，保持結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，對共軌壓力控制參數(shù)做單因素變參數(shù)研究，確定它對噴射特性及共軌壓力的影響規(guī)律。主要的控制參數(shù)研究對象如下：噴油持

34、續(xù)期、持續(xù)期間隔、多次噴射次數(shù)、多次噴射時間間隔等。五、預(yù)期目標(biāo)1 建立高壓共軌系統(tǒng)一維仿真模型，并經(jīng)試驗校準(zhǔn)，為高壓共軌系統(tǒng)的仿真研究提供可用的研究工具和可靠的邊界條件。2 建立高壓共軌系統(tǒng)閉環(huán)控制模型，并植入仿真系統(tǒng)中，調(diào)試共軌壓力的控制參數(shù)達(dá)到理想控制結(jié)構(gòu)。3 通過變參數(shù)控制模型對噴射特性影響的仿真研究，得到控制參數(shù)對共軌壓力和噴射特性的影響規(guī)律。4 噴油器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對液力過程的影響規(guī)律分析，在此基礎(chǔ)上以噴油量和液力響應(yīng)為目標(biāo)進(jìn)行變參數(shù)研究。5 搭建高壓共軌噴油器特性試驗臺架，使其能進(jìn)行不同共軌壓力、控制脈寬以及不同軌壓控制方式下，單次噴油量和噴油延遲時間的測量并利用所得結(jié)果修正和完善

35、噴油器的仿真計算模型。六、現(xiàn)階段已完成工作6.1 完成文獻(xiàn)綜述1 閱讀了大量的文獻(xiàn)，完成了文獻(xiàn)綜述部分，對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，并總結(jié)了前人所做的工作；2 在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻(xiàn)綜述結(jié)合設(shè)計任務(wù)書確定了主要的研究內(nèi)容、具體的研究路線和初步研究目標(biāo)；6.2 初步學(xué)習(xí)掌握Hydsim 軟件6.2.1 HYDSIM 仿真軟件簡介A VL Workspace 軟件下HYDSIM 模塊是一個用于水壓和流體動力學(xué)系統(tǒng)的動態(tài)分析建模程序，HYDSIM 主要用于非定常液力系統(tǒng)、流體機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)分析仿真計算，它基于液壓、力學(xué)、機(jī)械等學(xué)科基礎(chǔ)之上而編寫的，HYDSIM 軟件主要應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)燃油噴

36、射系統(tǒng)的仿真計算領(lǐng)域。早期的HYDSIM 軟件是為了實現(xiàn)柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的仿真計算而開發(fā)的。如今，HYDSIM 軟件不僅用于汽油機(jī)、柴油機(jī)和其他燃料內(nèi)燃機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)的建模仿真計算，而且還可以用于和流體液壓有關(guān)的其它新領(lǐng)域的建模仿真計算，如用于電液控制閥等流體液壓元件的建模計算等。A VL HYDSIM具有非產(chǎn)強(qiáng)大的功能，如單位和仿真系統(tǒng)參數(shù)可以完全的自由設(shè)置，柔性化和模塊化的建模方式，特定的元素讓使用者可以很快就建立液壓流體系統(tǒng)的仿真模型。系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的系列化仿真計算可以對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行快速的優(yōu)化。系統(tǒng)提供matlab simulinkTM 接口，可以使MATLAB 和HYDSIM 結(jié)合使用

37、以實現(xiàn)更復(fù)雜的計算。6.2.2 HYDSIM 系統(tǒng)仿真噴油器模型的建立二位二通式噴油器結(jié)構(gòu)模型搭建 根據(jù)原理圖我們可以將噴油器結(jié)構(gòu)簡化至上圖形式利用軟件自帶模型構(gòu)建如下 （2）二位二通式噴油器模型參數(shù)設(shè)置A 邊界條件模型結(jié)構(gòu)一共采用了四個邊界條件，其中三個壓力條件，一個機(jī)械邊界一、壓力源邊界條件，現(xiàn)階段采用壓力邊界條件取代凸輪泵供油系統(tǒng)作為噴油器壓力源。一般采用1500bar 1800bar二、缸內(nèi)噴射背壓條件，作為模擬缸內(nèi)壓力，一般設(shè)置為100bar三、泄漏及回油部分的壓力條件，一般采用1.5barB 管路模型參數(shù)管路參數(shù)包括長度和內(nèi)徑，可直接按照實際尺寸設(shè)計，注意填寫時的單位為轉(zhuǎn)化，默認(rèn)為

38、m C. 容積模型參數(shù)容積參數(shù)主要包括就是體積，容易理解，模型的其他部分如閥體或管路是默認(rèn)沒有體積的，所以容積模型大體在計算中作為體積參數(shù)使用。D 節(jié)流孔模型參數(shù)該模型中以供使用了三個節(jié)流孔1. 進(jìn)油節(jié)流孔2. 回油節(jié)流孔3. 集油槽節(jié)流孔節(jié)流孔的設(shè)計參數(shù)包括管道截面積和孔徑截面積，和流動阻力系數(shù)同樣面積單位是可以轉(zhuǎn)換的，也可以用直徑表示 E 針閥模型參數(shù)針閥模型較為復(fù)雜，參數(shù)比較關(guān)鍵在確定了針閥類型后，設(shè)計參數(shù)需要包括移動質(zhì)量，開啟阻力，針閥座和導(dǎo)體直徑，以及彈簧剛度等 F 泄漏模型參數(shù)模型中采用兩個泄漏模型來表示針閥和柱塞部分發(fā)生位移時的壓力泄漏，參數(shù)包括柱塞數(shù)量和初始溝槽長度 以及泄漏直

39、徑 G 噴嘴模型參數(shù)噴嘴模型是其中最為復(fù)雜和重要的結(jié)構(gòu)，在變參數(shù)研究中是比較重點的一部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括噴孔數(shù)量，噴孔直徑，噴孔分布直徑，針閥座傾角，已經(jīng)針閥升程相應(yīng)的開啟面積所代表的開啟特性。 H 柱塞模型主要模型參數(shù)有質(zhì)量，阻力，直徑，剛度和最大升程 I 時間控制閥模型這個模型采用的是時間控制閥簡化代替電磁閥，所以我們直接通過對開啟關(guān)閉時間的設(shè)定來控制噴油時刻。他的主要參數(shù)分成兩大部分，左側(cè)是控制開啟關(guān)閉時間的，在這里可以實現(xiàn)一次或多次噴射的控制。右側(cè)是開啟關(guān)閉特性的設(shè)置，包括在某時刻閥體開啟關(guān)閉面積的大小設(shè)定，從而定義控制閥的開關(guān)特性。 J 彈簧參數(shù)設(shè)置彈簧參數(shù)設(shè)置也非常重要，包括預(yù)緊力

40、，剛度，運動阻尼系數(shù)，保證針閥在噴油前能夠處于關(guān)閉狀態(tài)。 K 其他參數(shù)主要是運算參數(shù)，在control 界面中設(shè)定，包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，計算步長，計算起始時間，儲存數(shù)據(jù)數(shù)量等。設(shè)計時需要注意計算步長不能過小，軟件有計算步驟的上線，如果超過上限，計算報錯。儲存數(shù)量過大會使運算時間拉長，在調(diào)試過程中要配合參數(shù)的調(diào)整。第23頁 另外一個就是初始條件主要是容積室的起始壓力溫度，如果壓力溫度與邊界條件不同，會使噴油器自動打開，無法按照設(shè)定的噴油規(guī)律進(jìn)行。 第24頁6.3 建立高壓共軌系統(tǒng)閉環(huán)控制模型6.3.1 帶有閉環(huán)控制的共軌系統(tǒng)仿真模型 采用PID 控制原理對軌壓進(jìn)行閉環(huán)控制的噴油器系統(tǒng)模型如上圖，依舊

41、才用邊界條件模擬油泵壓力，采用兩個由matlab 程序控制的時間控制閥對共軌部分控制。右側(cè)噴油器部分和之前的建立方法一致，主要工作集中在左側(cè)共軌及控制系統(tǒng)的建立上。6.3.2 Simulink 控制模型的原理與嵌入方法其他參數(shù)設(shè)置無太大變化，主要是兩個時間控制閥和matlab 接口的參數(shù)設(shè)置。A 時間控制閥模型參數(shù)和噴油器的參數(shù)設(shè)計不同的是，這里的時間參數(shù)利用的是全局參數(shù)設(shè)定，第25頁 定義了三個參數(shù)，開啟時間，關(guān)閉時間和開啟面積。在matlab 程序中會用到這些參數(shù)，設(shè)定為全局參數(shù)才能保證正確傳入接口和控制器。B. matlab模型接口參數(shù)接口參數(shù)設(shè)定非常復(fù)雜首先要導(dǎo)入matlab 程序，導(dǎo)

42、入語句如圖可見 然后是控制選項，這里主要包括他的啟動和響應(yīng)時間，同樣采用的是全局參第26頁數(shù)，在matlab 程序中會用到。 再是接口向量的設(shè)定，在參數(shù)和向量的定義名稱上和后面matlab 中的參數(shù)名稱保持一致。這個模型中采用三種向量：第一是面積向量，把模型中定義的開啟面積輸給模擬控制器，如圖 第二種是時間向量，傳輸?shù)氖强刂崎y的時間狀態(tài)值，如圖定義第27頁 第三種是PID 參數(shù)，也在這里定義 再者是輸入端口的設(shè)定，這一步非常關(guān)鍵，這些端口的定義是為了將模型中的仿真數(shù)值傳送到matlab 程序中的，是兩個軟件耦合的直接部位，matlab 需要幾個參數(shù)值，這里就給出相應(yīng)的定義和指向。這里分別定義了

43、目標(biāo)壓力值，共軌容積內(nèi)的壓力，體積和液體的彈性模量和密度，以及泵段壓力，而這些將在后面的matlab 的控制理論中用到。 最后的輸出端口較為簡單，就只有兩個時間控制量。 C. Simulink控制模型及設(shè)計原理該控制模型的基本思路是依靠輸入共軌容積的實際壓力值和目標(biāo)壓力值的比較，得出進(jìn)油閥和泄油閥的開關(guān)時間，并輸送回執(zhí)行器。首先由PID 控制理論計算處實際與目標(biāo)的差值和變化率在基于此項計算時間，具體開啟時間是由連續(xù)性方程和伯努利方程計算出來的， PID 計算的系數(shù)可以得出如下結(jié)論 最終我們得出的控制模型如下 其中包含連個子程序 一個是PID 控制程序 另一個是利用連續(xù)性方程和伯努利方程計算出來

44、的計算時間值 在主程序中計算出來的時間，需要做比較后才能直接輸出，比較方法是 6.4根據(jù)研究內(nèi)容修改高壓共軌系統(tǒng)的仿真模型6.4.1 無控制的噴油器仿真模型最初構(gòu)建的是無控制系統(tǒng)的噴油器仿真模型，簡化處理共軌壓力，采取邊界條件代替設(shè)定共軌壓力恒定為1500bar 。完成的模型構(gòu)建如下圖： 通過運算得出比較滿意的結(jié)果： 該模型的噴嘴壓力、針閥升程以及噴油量、噴油率基本符合實際情況，證明噴油器模型建立沒有問題，為下一步加入共軌模型做好了準(zhǔn)備。 6.4.2 含有共軌組件和軌壓控制后的仿真模型在之前建立的噴油器模型基礎(chǔ)上，加入了共軌管和電磁控制閥，并把之前建立的閉環(huán)控制模型嵌入系統(tǒng)，得到如下系統(tǒng)： 在

45、這個系統(tǒng)中，采用邊界條件來代替了高壓油泵系統(tǒng)，直接向共軌管供油，故控制策略為主要控制共軌管前的進(jìn)油閥和出油閥，保持在管內(nèi)壓力偏離目標(biāo)值時，浸出油閥能夠響應(yīng)開啟，但該模型的缺點是只能在短期內(nèi)供油，不能完全模擬油泵的工作狀態(tài)，控制方式也與實際控制方案不盡相同。就仿真結(jié)果來看，在短時間內(nèi)還是接近實際的，如下圖為噴油率的結(jié)果圖：PREVIEWinject. rate (VCO Orifice 05e-0061e-0051.5e-0052e-0052.5e-0053e-0053.5e-0054e-0054.5e-0055e-005i n j e c t . r a t e (V C O O r i f

46、i c e m 3/s 0.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.016times6.4.3 高壓油泵取代邊界條件后的仿真模型在完成以上工作后，考慮到加入高壓油泵的供油系統(tǒng)，對原有系統(tǒng)進(jìn)行了一些改造，逐步形成以下方案。采用兩個控制閥控制高壓油泵的進(jìn)油量，一套位于油泵內(nèi)柱塞前的低壓油路區(qū)，另一套則是在高壓油路進(jìn)入共軌腔之前的一段，兩套控制原理基本相似，都是根據(jù)壓力差值計算進(jìn)油量從而計算處電磁閥開啟的時間。 該模型分為三大部分，由泵系統(tǒng)，共軌組件和噴油器組成，這里的噴油器和共軌組件就是沿用之前的模型組件的，結(jié)構(gòu)參數(shù)沒有太大的變化。高壓油泵部分如下圖 該系統(tǒng)主要由凸輪、柱塞體、柱塞腔、單向閥和進(jìn)油電磁閥組成，并由一套PID 控制模型進(jìn)行閉環(huán)控制。最終在泵腔內(nèi)初步形成一個壓力控制。共軌組件部分如下圖 主要由共軌容積、控制閥和泄壓閥組成，在共軌容積前同樣采用PID 控制理論作為進(jìn)油量閉環(huán)控制的依據(jù)。最后是噴油器部分，沿用之前的模型，現(xiàn)階段還沒有改變參數(shù)或結(jié)構(gòu) 在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計算的結(jié)果并不理想，與實際結(jié)果還有較大差距，以下是其計算結(jié)果：（基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速設(shè)為1000）共軌壓力趨勢PREVIEWpressure (Rail Volume 1.46e+0081.47e+0081.48e+0081.