大连理工大学
硕士学位论文
柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究
姓名：李峰
申请学位级别：硕士
专业：动力机械及工程
指导教师：隆武强
20071201
柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究
烟度控制之间的关系，满足了严格的欧Ⅳ排放法规的要求．
图１．１Ｆｉａｔ公司Ｕｎｉｊｅｔ高压共轨系统示意图
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（２）ＢｏＳＣＨ公司ＣＲ系统
德国Ｂｏｓｃｈ公司是柴油机油泵和油嘴制造业的先驱，其为了提高轿车柴油机的性能，满足欧ＩＩＩ和ＵＳ９８排放法规，研制ＣｏｍｏｎＲａｉｌ高压共轨系统。目前为止，Ｂｏｓｃｈ公司总共规划和设计了３代高压共轨系统。ＢＯＳＣＨ公司第三代高压共轨系统的开发重心转移到了系统的技术复杂度和精密度上，如图１．２所示。高压油泵前端的齿轮泵将燃油从油箱抽出，通过滤清器送入具有泵油量调节功能的高压油泵升压，分配单元将进入的燃油分成两路，一路供给泵油元件，另一路
图１．２ＢＯＳＣＨＣＲＳ系统示意图
Ｆｉｇ１．２ＳｃｈｅｍａｌｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＢＯＳＣＨＣＲＳ
用以冷却。高压油泵将燃油压缩至最高压力１６０肝ａ，并将其输入共轨。共轨上安装的压力传感器、压力调节器和电控装置形成闭环的压力控制回路。高压燃油经油轨到喷油器。第三代高压共轨喷射系统最大的特点在于采用了一个快速
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开关的压电直列喷油器，压电执行器内置于喷油器轴体上，相比于传统喷油器减少了约７５％的运动件及７５％的质量，开关速度也得到很大提高。第三代高压共轨燃油喷射系统能满足严格的欧Ⅳ标斛１¨捌．
（３）日本电装ＥＣＤ－Ｕ２系统
日本电装公司一直致力于共轨喷射系统的研究，主要有ＥＣＤ－Ｕ２系统（图１．３）和ＥＣＤ－Ｕ２Ｐ系统（图１．４）【１７】１１ｓｉ。
ＥＣＤ—Ｕ２系统包括电控高压油泵、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。现在投入使用系统的共轨压力多为１２０ＭＰａ～１８０ＭＰａ。喷油器采用的是三通阀，由于泄漏量过大后来被换为二通阀。
图１．３电装公司ＥＣＤ．Ｕ２系统示意图
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图Ｉ．４电装ＥＣＤ－Ｕ２Ｐ系统
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柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究
ＥＣＤ—Ｕ２Ｐ系统与ＥＣＤ—Ｕ２系统相似，主要由高压油泵、共轨管、喷油器、ＥＣＵ和传感器等部分组成，是一种装配于轿车的共轨喷油系统。高压油泵为电磁阀控制的２缸直列柱塞泵，通过油泵控制阀（ＰＣＶ）改变高压油泵供油量以控制共轨压力，利用压力传感器检测共轨压力，根据发动机负荷和转速将共轨压力控制在预定值，实现闭环反馈控制，其共轨压力可维持在ＩＯＯＭＰａ以上。喷油量和喷油定时通过电磁控制的二通阀（Ｔ吖）来调节，阀的工作压力可达１２０－［Ｐａ或更高，开启和关闭响应很快。在１２０ＭＰａ的共轨油压下，开启响应时间０．３５ｍｓ，关闭响应时间有０．４ｍｓ。改变电磁阀上的脉宽可以控制喷油量，改变脉冲作用的时刻来控制喷油定时。该系统通过节流孔和液压活塞的设计可获得合适的三角形及靴形喷油速率，通过控制电磁阀多次动作实现预喷射及复合喷射，具有喷油量和喷油定时的全电子控制、喷油速率可调、实现最佳喷射压力等特点【１９－２１ｌ。可见电装公司的ＥＣＤ喷油系统满足了现代柴油机各种要求，使柴油机的经济性和动力性得到很大改善。
（４）德尔福ＭｕｌｔｅｃＤＣＲ系统
德尔福最具代表性的就是先进的ＭｕｌｔｅｃＤＣＲ柴油共轨喷射系统。ＭｕｌｔｅｃＤＣＲ柴油共轨喷射系统的主要部件有共用高压油轨、高压燃油调压器、高压燃油泵、燃油喷油器、电控单元、燃油滤清器和传感器等，如图１．５所示。跟其它的尖端高压喷射系统一样，ＭｕｌｔｅｃＤＣＲ柴油共轨喷射系统的喷射压力与发动机转速和负荷无关，即使在低速运行时，系统仍可保持足够压力的高压燃油喷射。可实现多次喷射，能满足欧ＩＩＩ排放法规要求。相比之下，其喷油器的设计更加独特。ＭｕｌｔｅｃＤＣＲ主要采用了带有平衡控制和反馈控制策略的电控电磁阀结构电控式喷油器，它能提供极快的动作响应并精确地进行燃油流量的计量。这种响应迅速、结构紧凑、小巧玲珑的电磁阀控制的喷油器只需常规１２Ｖ汽车蓄电池驱动就能正
图１．５ＭｕｌｔｅｃＤＣＲ高压共轨系统
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２高压共轨系统组成和原理
本课题的研究对象是日本电装公司的ＥＣＤ—ｕ２高压共轨系统，该系统由高压油泵、共轨、喷油器、电子控制单元（ＥＣＵ）和各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵，高压油泵将低压燃油加压成高压燃油，并将高压燃油供入共轨之中。燃油压力是由通过调节供入共轨中的燃油量来控制的。油泵内设有压力控制阀（ＰｃＶ），它根据ＥｃＵ的控制信号，在适当的时刻开启和关闭来控制供油量，最终控制共轨内的压力。供油泵产生的高压燃油由共轨分配到各个气缸的喷油器中。燃油压力由设置在共轨内的压力传感器测出，并由反馈控制系统控制，使根据发动机转速和发动机负荷设定的压力值和实际压力值始终一致。共轨内的高压燃油经高压油管输送到安装在气缸盖上的喷油器内，经喷油器内的喷油嘴将燃油喷入燃烧室内。喷油器控制喷油定时和喷油量，是通过开启（通电）或关闭（断电）三通阀（ＴＷｖ）实现的，三通阀的通电时刻确定喷油始点，三通阀的通电持续时间和共轨压力确定喷油量。喷油器中泄漏出来的燃油经回油管流回燃油油箱中。
下文将对ＥＣＤ—ｕ２系统关键部件——高压油泵、喷油器和共轨管的结构及工作原理进行分析【删【４９ｌ【卯ｊ１】【酯Ｊ。
２．１高压油泵
ＥＣＤ－Ｕ２系统采用了一个三作用凸轮的两缸直列泵来产生高压，和传统的直列泵结构相似，通过凸轮和柱塞机构使燃油增压，两柱塞上方配置电磁压力控制阀ＰＣＶ，如图２．２所示。高压油泵外观和剖面结构如图２．１所示。采用三作用型凸轮可使柱塞单元减少到ｉ／３；油泵向共轨管供油的频率和喷油频率一致，可使共轨中的压力趋于平稳。该型供油泵的主要特征主要有：可以满足高供油压力的需要；采用机油润滑；使用寿命长；使用过程中故障少，可靠性高；采用预
图２．Ｉ高压油泵外观与剖面结构图
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柴油机高压共轨喷射系统的仿真研究
行程控制方式，只对需要的供油量作功，不必对多余的燃油进行加压；实现同步控制，一幅柱塞偶件用三个凸轮完成压油，工作效率高。
图２．２高压油泵电磁阀原理图
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在高压油泵的出口装有出油阀，它也是一个简单的单向阀，如图２．３所示。出油阀的主要作用是防止轨内的燃油倒流进油泵柱塞腔。出油阀弹簧有一定的预压缩量，即使轨内背压为零，也使得油泵柱塞腔内的燃油达到一定的压力才可以出油。弹簧的预压缩力稍大于输油泵的输出压力，一般为０．５～１．ＯＭｐａ．
２．２共轨管
共轨管将高压油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中，起蓄压器的作用，其实物图和剖面结构图如图２．４所示，主要由共轨管、压力传感器、液流缓冲器和压力限制器组成。
２．２．１液流缓冲器
液流缓冲器和高压油管相连，可抑制共轨内和高压管路内的压力波动，以稳定的压力将高压燃油送入喷油器；在喷油器出现燃油泄漏故障时将燃油通路切断，停止供油，避免损坏发动机。液流缓冲器结构如图２．５所示，液流缓冲器由滑阀，弹簧，液流缓冲器体、节流孔等组成。
在正常工作情况下，滑阀处于其起始位置，即在靠近共轨侧的限位件上。一次喷油后，喷油器端的压力降低，滑阀向喷油器端滑动，补偿了喷射出的燃油体积。在喷射结束时，滑阀处于未完全关闭的中间位置，弹簧将滑阀推回起始位置，
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燃油经节流孔流出。弹簧和节流孔经过精密设计，即使在最大喷油量滑阀也可退回到共轨端的限位件处，并保持到下一次喷射。
在发生少量泄漏的故障状况时，由于燃油泄漏，滑阀不能回复到起始位置，喷射几次后，滑阀被推向阀座，关闭通往喷油器的进油口。
在发生大量泄漏的异常状况时，由于共轨内燃油的大量泄漏，滑阀由起始位置被推向喷油器端的密封阀座，并在这个位置停留，关闭燃油进入喷油器的油孔。２．２．２压力限制器
压力限制器的作用相当于压力调节阀，结构见图２．６。在正常工作压力下，弹簧将滑阀推向阀座保持密封；当轨内产生的高压超过一定值（视系统而定）时，压力限制器开启，球阀被顶开，打开泄油口，共轨压力限制器相连的油管可使燃油流回油箱；在共轨管中出现异常高压时，压力限制器迅速开启，将共轨管中的压力进行泄放。从而保证了系统的正常运行，避免了意外事件的发生．
２．２．３压力传藤器
共轨压力传感器由焊接在高压接头上的传感元件、带有运算电路的印刷电路板、带有电气接头的传感器外壳组成。燃油通过共轨上的一个孔流向共轨压力传感器，传感器的端部由传感器膜片密封。高压燃油通过一个孔到达传感器应变硅膜片，应变硅膜片用于将压力信号转换成电信号。共轨压力传感器随时检测共轨内的燃油压力，原理如下：如果膜片的形状改变，附着在膜片上的涂层的电阻也随着改变。由于系统建立起了压力而产生的膜片变形使得电阻改变，并引起由电阻元件所组成的电桥上两端电压的改变。变化的电压被运算电路放大后送往ＥＣＵ，ＥＣＵ将其与内部存储标定的目标燃油压力相比较，进行反馈控制压力限制器和高压油泵上的压力控制阀，使喷油压力始终为某一设定的常压。共轨压力的精确测试对于系统的正确运行是十分必要的。在主要的工况范围内，测试精度大约是满
图２．４共轨管外观与剖面结构图
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