电控高压共轨燃油系统循环喷油量影响因素研究.pdf

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第5期2013年10月内燃机InternalCombustionEnginesNo．5Oct．2013电控高压共轨燃油系统循环喷油量影响因素研究王昊1。杜德芳2。白云1，田丙奇1。范立云1(1．哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001；2．大众汽车自动变速器(大连)有限公司，辽宁大连l16600)摘要：高压共轨燃油系统不但能够使柴油机满足Et益严格的排放法规，还能提高柴油机的动力性和经济性。但由于其是一个多物理场相互耦合的复杂系统，特性参数的变化会影响系统的工作性能。建立了高压共轨的AMESim模型，在不同工况下分析研究了电磁阀最大升程、控制活塞间隙、针阀最大升程、喷油开启压力和喷孔流量系数等关键参数对系统循环喷油量的影响，并得出电磁阀最大升程、针阀最大升程、喷油开启压力和喷孔流量系数是引起循环喷油量波动的关键参数。关键词：电控；高压共轨；循环喷油量；AMESim中图分类号：TK422文献标识码：A文章编号：1000—6494(2013)05—0014—04TheStudyofInfluencingFactoronFuelInjectionQuantityofHighPressureCommonRailSystem耐thElectronicControlWANGHa01，DUDefang'，BAIYunl，TIANBingqil，FANLiyun2(1．SchoolofPowerandEnergyEngineering，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001，China；2．VolkswagenAutomaticTransmissionDalianCo．，Ltd．，Dalian116600，China)Abstract：Highpressurecommonrailinjectionsystemnotonlyenablesthedieselenginetomeettheincreasinglystrictemissioncriterion，butalsoenhancesitseconomicefficiencyandpowerperformance．ButthechangeofcharacteristicparametersCaninfluencesystem’Sworkingperformancebecausehighpressurecommonrailisasystemcoupledofmultiplephysicalfields．Thesimulationmodel0fhishpressurecommonrailWasestablishedinAMESimenvironment．Theinfluencestofuelinjectionquantityofelectromagneticvalvelift，clearanceofcontrolpiston，needlevalvelift，openpressureandflowcoefficientwereanalyzedindifferentworkingconditions．Theresultsshowthatelectromagneticvalvelift，needlevalvelift，openpressureandflowcoefficientarethekeycharacteristicparameterswhichcausethefuelinjectionquantityfluctuation．Keywords：electroniccontrol；hishpressurecommonrail；cycleinjectionquantity；AMESim0前言电控高压共轨燃油喷射系统相对传统喷油系统具有更高的喷射压力和更为灵活的喷射方式，被认为是最先进的燃油喷射技术。国外典型的共轨喷油系统有日本电装公司的ECD—U2系统，Bosch公司的CR系统，德尔福公司的MuhecDCR基金项目：国家自然科学基金项目(51279037)，中央高校基本科研业务费专项资金项(HEUCFZl3)，黑龙江省博士后科研启动金(LBH—Q12126)作者简介：王昊(1988一)，男，在读硕士研究生，主要研究方向为柴油机电控喷油技术。收稿日期：2013—06—04系统“。3I。高压共轨系统是电、磁、机、液多物理场相互耦合复杂系统，特性参数的变化会影响燃油系统的工作性能，进而影响发动机的经济型、可靠性和动力性州。我们利用AMESim软件，建立了电控高压共轨燃油喷射系统的仿真模型，研究了不同工况下喷油器部分特性参数对系统喷油量的影响，并得到了引起高压共轨系统循环喷油量波动的关键参数。1系统的工作原理及组成电控高压共轨燃油喷射系统见图1，其主要由高压油泵、共轨管和电控喷油器等组成。 第5期王昊，等：电控高压共轨燃油系统循环喷油量影响因素研究图1电控高压共轨系统图吸油过程中，柱塞下行，将输油泵供给的低压燃油吸人柱塞腔。该过程中，高压油泵的流量控制阀通过接收轨压传感器的信号对控制阀的开度进行调整，决定吸人柱塞腔中的油量，进而保证共轨压力的平稳。柱塞上行，将燃油加压后供入共轨管。共轨管中的高压燃油经高压油管输送到喷油器中，经喷油器内的喷油嘴将燃油喷人燃烧室。喷油器的喷油定时和喷油脉宽由喷油器电磁阀决定。电磁阀通电，控制腔泄油油路打开，控制腔压力降低，针阀在盛油槽的压力下抬起，进行喷油；电磁阀断电，控制腔泄油油路关闭，控制腔重新建压，针阀落座，喷油结束强q。2仿真模型的建立与验证图2为在AMESim环境下建立的电控高压共轨喷油系统仿真模型，主要包括高压油泵、共轨管图2电控高压共轨燃油喷射系统仿真模型图3高压共轨燃油喷射系统试验台和喷油器三部分。为验证模型的准确性，在135MPa共轨压力、1700r／min曲轴转速、6。CA喷油脉宽下将模型的仿真计算结果与图3所示的试验台测量结果进行了对比。由图4、图5所示，整个喷油过程中，共轨压力始终维持在目标轨压135MPa附近，轨压波动量约为3．5MPa，压力波动小于3％，并且喷油速率的仿真计算曲线与实验测量曲线有很好的一致性。可见，所建立的电控高压共轨模型轨压平稳，具有较高的准确性，可以对系统进行准确的仿真计算，能够满足对电控高压共轨系统进行仿真分析的要求。e。量二丽蝌漂螫O0．050．100．150．20O．25时间／s图4仿真模型的共轨压力曲线时间／ms图5喷油速率对比曲线3特性参数对喷油量的影响研究我们研究了不同工况下喷油量随曲轴转速和喷油脉宽的变化规律以及喷油器电磁阀升程、控制活塞间隙、针阀升程、开启压力和流量系数5个特性参数变化时对循环喷油量的影响。研究过程中喷油脉宽分别取2，6，10。CA，曲轴转速从1100r／min到2500r／min范围内变化。3．1电磁阀升程的影响研究由图6可知，随着喷油脉宽和曲轴转速的增大，循环喷油量分别呈现出增大和减小的趋势。在相同喷油脉宽和转速下，电磁阀升程越大，循环喷油量越大，波动范围在7．2mm3到1．307mm3之间。其原因是电磁阀升程增大使喷油器针阀抬起的时间增长，即喷油时间增长，所以循环喷油5O505O505O％弘巧拍弘弘驺”砣蛇ii{1墨W／弋《察球 ·16·内燃机2013年10月量增大。由图6(d)可知，小喷油脉宽时由电磁阀升程的改变引起的喷油波动量较大，而大喷油脉宽时则相对较小。同时曲轴转速为1300r／rain和l900r／rain时各脉宽的循环喷油波动量均相对较大，曲线呈现“双峰型”，其原因是：喷油器针阀的抬起和落座是受到控制腔压力影响的，在其落座前，腔内压力越大，针阀落座越迅速，反之则越慢。而控制腔的压力又受到电磁阀升程的直接影响，曲轴转速为1300r／min和1900r／min时，由于系统的固有特陛，导致在不同电磁阀升程下，针阀开始落座的时刻控制腔内压力差别较大，所以针阀落座的时间有较大差别，进而影响了喷油量，使其波动量增大。‘gg捌《螫肇姆‘量昌卿黑螫藩磐凸轮转速／(r·rainfa)2℃A‘暑旨曲]廷螫醛姆40060080010D012()()凸轮转速／(r·min“)fb)6℃A4006008001000l2004006008()01000120[)1400凸轮转速／(r·rain“)凸轮转速／fr-rain“)(c，)10℃A(d)循环喷油量波动图6电磁阀升程对循环喷油量的影响3．2控制活塞间隙的影响研究由图7可知，控制活塞间隙变化引起的循环喷油量波动非常小，最大波动仅为0．64—3，说明循环喷油量受控制活塞间隙的影响非常小。3．3喷油器针阀升程的影响研究由图8可知，相同脉宽和转速下，针阀升程越大，循环喷油量越大，波动量最大为10．07mm3。其原因是：针阀升程越大，开启的喷油孔流通面积越大，同时，针阀升起和落座所需要的时间也越长，即喷油孔流通面积增大的同时延长了喷油时间，所以循环喷油量会增加。由图8(d)可知，曲轴转速越高、喷油脉宽越小，循环喷油波动量也越小。其原因是：在转速较高或者脉宽较小的情况下，喷油时间较短，由于喷Eg血|】是螫藩蜒”宣置曲{乜螫藩唔凸轮转速／(r-min’1)(a)2℃A”E￡皿翻I_j要螫鹾姆‘吕量幅鲻删是螫酸姆凸轮转速／(r·min。1(b)6℃A图7控制活塞间隙对循环喷油量的影响凸轮转速／(r·rain。)(a)2cCA凸轮转速／(r·rain“)(b)6ccA凸轮转速／!r·rain“)凸轮转速／(r·rain“)(c)10qCA(d)循环喷油量波动图8喷油器针阀升程对循环喷油量的影响油孔流通面积变化所引起的喷油量变化较小。同时还可知，当喷油脉宽为2℃A且曲轴转速大于1900r／rain时，波动量基本小于1H姐3，其原因是：小喷油脉宽且高凸轮转速时喷油时间非常短，以至于针阀没有抬起到最大升程就开始下降，因此针阀升程的变化对小脉宽高转速的循环喷油量影响很小。比较图8∞和图8(c)可以发现，针阀升程为O．35mm和0．45mill时的循环喷油量图线几乎是相同的。其原因是：尽管将针阀升程设定为0．45mm，但是由于受到控制活塞升程0．35l'nln的限制，喷油器针阀的极限位置就是0．35n'un，导致针阀升程的改变并没有引起循环喷油量的改变。 第5期王吴，等：电控高压共轨燃油系统循环喷油量影响因素研究．17．暑E瑚{廷螫瓷姆量曼咖{廷螫酶姆’曼置瑚1罴螫藩曙量昌豳1曩螫鹾姆400600800l0001200凸轮转速／(r·rain“)(a)2℃A凸轮转速／(r·rain。1)(b)6oCA凸轮转速l(r·rain。)凸轮转速／(r·rain“)(c)10。CA(d)循环喷油量波动图9喷油器开启压力对循环喷油量的影响400600800l000l200凸轮转速／(r·rain。)(a)2℃A凸轮转速／(r·rain“)(b)6℃A(C)lO。CA(d)循环喷油量波动图10喷油器流量系数对循环喷油量的影响3．4喷油器开启压力的影响研究由图9可知，相同脉宽和转速下，开启压力越大，循环喷油量越小，波动范围在8．36。19．83—3之间。其原因是：较大的开启压力使喷油器针阀抬起较慢而落座较快，导致喷油有效时间减少，进而使循环喷油量减少。由图9(d)可知，在喷油器开启压力变化时，曲轴转速为1100r／rain和1900r／min时各脉宽的循环喷油波动量均相对较大，曲线呈现“双峰型”，其原因是由于曲轴转速为1100r／min和1900r／min时，针阀开始落座的时刻控制腔内压力差别较大，影响了循环喷油量。3．5喷油器流量系数的影响研究由图10可知，相同脉宽和转速下，流量系数越大，循环喷油量越大，波动量最大为44．29mm3。原因是流量系数越大，喷油孔的流通能力越强，相同喷油时间内能通过的燃油越多，所以循环喷油量越大。由图10(d)可知，转速越高，喷油脉宽越小，流量系数的变化对喷油量的影响越小，反之则越大。其原因是：在转速较高或者脉宽较小的情况下，喷油时间较短，由于流量系数不同所引起的喷油量变化也较小。同时还可知，当喷油脉宽为2℃A且曲轴转速大于1900r／rain时，波动量基本小于1Ir姗3，原因是：流量系数降低，流通阻力变大，导致喷油压力变大，小喷油脉宽且高凸轮转速时，这种节流效应更加明显，使喷油压力比其他情况下增加得更多，抵消了由于流量系数减小而导致的喷油量的减少，所以不同流量数的循环喷油量波动量很小。5结论a．循环喷油量随着电磁阀升程、针阀升程和流量系数的增大而增大，随着喷油器开启压力的增大而减小。b．喷油器电磁阀升程、针阀升程、开启压力和流量系数是影响循环喷油量的关键特性参数，控制活塞间隙对喷油量影响较小。C．电磁阀升程和喷油器开启压力变化引起的循环喷油波动量随着曲轴转速的变化呈现出“双峰型”的变化规律。【参考文献】【1】刘峰．柴迪机高压共轨燃油喷射系统仿真计算研究时．北京：北京交通大学。2009．【2】杨阳．高压共轨柴油机电控系统分析与研究【D】．上海：上海交通大学。2007．【3】张晓力，王尚勇，张幽彤，等．柴油机电控共轨喷油系统发展现状【J】．内燃机，2002，(2)：3—5．[4】KohjiNagata．Technologies0fDensoConunon-RailforDieselEngineandConsumerValues．SAEpaper2004-21-0075．[5】MarcoCoppo，ClaudioDongiovanni．ExperimentalValidationofaCommon—RallInjectorModelintheWholeOperationField[J]．TransactionsoftheASME，2007，129(8)：596-608．【6】陈三昧，郭承毅．柴油机电控高压共轨喷射系统【J】．内燃机，2006，(6)：18—22．